Hoe controle-algoritmen worden geoptimaliseerd voor buck-boost converters

Het ontwerp van de controle-algoritmen voor een buck-boost converter ondergaat meerdere iteraties voordat een definitieve methode wordt gekozen. Het proces begint met het importeren van een Simulink-model voor de positieve buck-boost converter en een model voor de uitvoer. Aangezien de testopstelling het gebruik van een voeding met een railgun niet toestond, werd het uitvoermodel een eenvoudig RC-circuit. Dit maakte de simulatie van het werkelijke circuit en de controle-algoritmen mogelijk, waarna de resultaten vergeleken konden worden met gemeten gegevens.

Het is aangetoond dat de stroom die onder controle staat, bemonsterd moet worden en de duty cycle ingesteld moet worden wanneer de stroom op zijn piek (voor piekregeling), op zijn dal (voor dalregeling) of in het midden van de vergelijkingstriangelform (voor gemiddelde regeling) ligt. Bij gebruik van gemiddelde regeling, wanneer de duty cycle wordt ingesteld wanneer de vergelijkingstriangle zich op het laagste punt van de periode bevindt, kan het systeem uit de hand lopen voor duty cycles boven 0,5. Als de duty cycle wordt ingesteld wanneer de vergelijkingstriangle zich op zijn piek bevindt, raakt het systeem uit controle voor duty cycles onder 0,5. Om deze bron van instabiliteit te elimineren, moet de duty cycle ingesteld worden (gebeurt wanneer de vergelijkingstriangle zich in het midden van zijn transiënt bevindt). Volgens de stabiliteitscriteria voor deze regeling maakt het niet uit in welke richting de vergelijkingstriangle beweegt op het moment van bemonstering. Wel wordt in de literatuur aangegeven dat stabiliteitscontrole voor meerdere ruisbronnen in het systeem gemakkelijker is wanneer de stroom stijgt wanneer de duty cycle wordt bemonsterd.

Bij gebruik van een buck-converter schakelt de schakelaar tussen de ingang en de hoofdinvoer-inductor, en is de uitvoerstroom gelijk aan de hoofdinvoer-inductorstroom. Dit biedt de mogelijkheid om de uitvoerstroom aan te passen door de berekende duty cycle aan te passen, met als resultaat een stabiele regeling van de uitvoerstroom gedurende de transiënten. De verliezen en capacitantie in het circuit kunnen worden gecompenseerd door de controller, hoewel deze waarden niet precies bekend zijn gedurende het transiënt. De gebruikelijke benadering voor het regelen van de uitvoerstroom is het gebruik van PI-controllers die zowel de ingangsstroom als de uitvoerstroom aanpassen, wat de stabiliteit van de regeling verbetert.

Een ander belangrijk aspect van het herontwerp was de beperking van de DSP48-berekeningssecties in de FPGA. Deze secties, die essentieel zijn voor het accumuleren en vermenigvuldigen van variabele signalen, hadden invloed op de uiteindelijke keuze voor de controlemethodologie. De beperkingen op de DSP48-secties en de vereisten voor vastepuntwiskunde leidden tot de implementatie van de gekozen aanpak voor het regelen van de buck-boost converter.

Bij de boost-converter bleek dat de controle van de uitvoerstroom van een boost-converter een instabiliteitsprobleem kan veroorzaken, vooral bij gemiddelde stroomregeling. Dit probleem werd aangepakt door de controle van de boost-converter te verschuiven naar een meer robuuste benadering van stroomregeling, waarmee de stabiliteit werd verbeterd en de betrouwbaarheid van het systeem werd gegarandeerd, zelfs bij fluctuaties in de input- en uitgangsstromen.

Er is echter meer dan alleen de technische werking van de algoritmen dat belangrijk is voor het begrijpen van het ontwerp van deze converters. Naast de wiskundige modellen en algoritmen, moet de lezer ook rekening houden met de fysieke beperkingen van de gebruikte componenten, zoals de schakelapparatuur (IGBT's), de capacitors en de inductoren, die allemaal invloed hebben op de prestaties en efficiëntie van het systeem. Het beheren van deze componenten in combinatie met de digitale controle, vraagt om zowel diepgaande technische kennis als praktische ervaring in het fine-tunen van de instellingen.

Hoe de nieuwste SiC MOSFET-technologie de efficiëntie van middelspanningssystemen verbetert

Een van de belangrijkste elementen bij het ontwerpen van een SiC MOSFET-sturing is het gebruik van een nieuwe gate driver (GD) die niet alleen snelle schakelomgangen mogelijk maakt, maar ook de inductie van de poortlus minimaliseert. De poortdriver moet een krachtige stroomversterker bevatten, in staat zijn om kortsluitingen snel te detecteren en bovendien voorzien zijn van een snelle digitale communicatieinterface. Bij het ontwerp van een dergelijke driver is het essentieel om de gemeenschappelijke modusstroom te verminderen door de ingang-uitgang capacitantie van de geïsoleerde GD-voedingsbron te minimaliseren. Dit vereist het gebruik van geavanceerde technieken voor het ontwerp van de printplaat en de busbar, waarbij inductie wordt geminimaliseerd en het gewicht wordt verminderd.

Daarnaast is het belangrijk om de temperatuur van de apparaten nauwkeurig te monitoren. In dit opzicht worden snel reagerende digitale sensoren gebruikt om variabelen zoals de spanning van de gelijkstroomkoppeling en de temperatuur van de koellichamen met hoge frequentie te meten en door te sturen naar de controller via een optisch vezelnetwerk. Door deze techniek kan de warmteproductie nauwkeurig worden gecontroleerd en kan oververhitting van de modules worden voorkomen, wat essentieel is voor het behoud van de efficiëntie en de lange levensduur van de systemen.

De integratie van SiC MOSFET's in een systeem vraagt ook om nieuwe benaderingen voor het beheer van elektromagnetische interferentie (EMI). Het snelle schakelen van de MOSFET's kan namelijk leiden tot aanzienlijke storingen, wat de betrouwbaarheid van het systeem zou kunnen aantasten. Het gebruik van geavanceerde gate drivers die de gemeenschappelijke modus transiënte immuuntie (CMTI) verbeteren, is cruciaal voor het minimaliseren van deze interferentie. Dit vereist innovatieve maatregelen zoals het gebruik van een meerlaagse BJT-totempoolstructuur die hoge stromen aankan en een lage inductantie van de poortlus biedt.

Om de volledige voordelen van SiC-technologie te benutten, moeten ook de aansluitingen en vermogenseenheden van de modules goed worden ontworpen. Dit betekent dat de koppeling van de module met de rest van het systeem moet worden geoptimaliseerd, met behoud van een hoge vermogensdichtheid en het minimaliseren van de parasitaire componenten zoals parasitaire inductantie. In dit opzicht wordt de implementatie van een geïsoleerde voedingseenheid die een resonant stroomsysteem biedt voor de digitale sensoren en de poortdrivers, steeds belangrijker. Dit draagt niet alleen bij aan het verbeteren van de systeembetrouwbaarheid, maar vermindert ook het aantal benodigde externe voedingen, wat de kosten en complexiteit van het systeem verlaagt.

De voordelen van de nieuwste SiC MOSFET-technologie en bijbehorende stuurtechnieken zijn onmiskenbaar. Deze technologieën maken niet alleen de ontwikkeling van krachtigere, efficiëntere en compactere systemen mogelijk, maar dragen ook bij aan de duurzaamheid van industriële processen door de energieverliezen te verminderen en de algehele prestaties te verbeteren. In de toekomst zullen deze systemen steeds vaker worden gebruikt in toepassingen waar snelheid, efficiëntie en betrouwbaarheid essentieel zijn, zoals in de regeneratieve energieproductie en elektrische voertuigen.

Waarom Soft-Switching Solid-State Transformers (S4T) Cruciaal Zijn voor de Toekomst van Energieconversie?

Soft-switching solid-state transformers (S4T) zijn veelbelovende technologieën die de toekomst van energieconversie kunnen transformeren, vooral op het gebied van energiebeheer voor het elektriciteitsnet. Ondanks dat ze nog in een relatief vroeg stadium van ontwikkeling verkeren, bieden ze tal van voordelen ten opzichte van traditionele systemen. Het concept van de S4T draait om de isolatie van verschillende energiestromen met behulp van halfgeleiders en het gebruik van resonante schakelingen die het energieverlies minimaliseren en de efficiëntie verbeteren.

Een van de grootste uitdagingen bij de ontwikkeling van S4T’s, vooral voor toepassingen met hoge spanning, is de noodzaak om zowel hoge spanningen als hoge dV/dt (de verandering in spanning per tijdseenheid) over de spoelen van de transformator te weerstaan. Dit vereist een zeer robuust ontwerp van de transformator die in staat is om zowel de operationele spanningen als de spanningspieken die veroorzaakt worden door bliksem (tot 90 kV in sommige gevallen) te verdragen. De combinatie van hoge dV/dt en de resulterende parasitaire effecten, zoals gedeeltelijke ontladingen in de isolatiematerialen, vormt een ernstig risico voor de betrouwbaarheid van het systeem. De manier waarop hoge dV/dt spanningen leiden tot verlies in het materiaal en het effect van inductieve koppelingen die stromen naar de koellichamen van de halfgeleiders, is een gebied van intensief onderzoek.

De kern van het S4T-systeem is de middel-frequentie transformator (MFT), die fungeert als een energieopslagmechanisme. Deze transformator wordt opgeladen door verschillende energiebronnen en gebruikt resonante schakelingen om de omzettingsverliezen te minimaliseren. Dit zorgt ervoor dat de S4T, zelfs bij hoge schakelfrequenties, efficiënter werkt dan de traditionele omvormers. De resonante schakeling maakt het mogelijk om de spanning op een gecontroleerde manier over te schakelen, zonder dat er veel verlies optreedt, wat typisch is bij conventionele systemen.

Een andere belangrijke factor bij de werking van een S4T is het zero-voltage-switching (ZVS) principe. Dit houdt in dat de schakelaars van de converter op een zodanige manier werken dat ze altijd zonder spanning schakelen, wat de verliezen aanzienlijk vermindert en de efficiëntie van de omvormer verhoogt. Dit wordt mogelijk gemaakt door de resonante circuitcomponenten, waaronder een condensator, een inductor, een diode, en een extra omkeerbare schakelaar die allemaal zijn geoptimaliseerd voor een lager vermogen dan het totale verwerkte vermogen.

Er zijn echter verschillende operationele compromissen die moeten worden overwogen bij het ontwerp van een S4T. De lekinductie van de transformator heeft bijvoorbeeld een aanzienlijke invloed op de spanningspieken die tijdens het schakelen optreden. Deze parasitaire effecten moeten zorgvuldig worden beheerd door zowel het ontwerp van de transformator als het resonante circuit te optimaliseren. Het is essentieel dat de energie die vastzit in de lekinductie wordt opgevangen door de resonante condensator en niet in de vorm van warmte verloren gaat in de transformator.

De belangrijkste uitdagingen bij het implementeren van S4T's zijn de energiebalans en de efficiëntie van de energieoverdracht. Het verlies van de schakelcyclus, veroorzaakt door de ZVS-overgangen en resonante toestanden, betekent dat de gemiddelde magnetiseringsstroom moet worden verhoogd om het verlies in de cyclus te compenseren. Dit leidt tot hogere verliezen door de geleidbaarheid van de converter. Hoewel dit effect niet ernstig is bij lagere schakelfrequenties, kan het bij hogere frequenties de efficiëntie van de converter aanzienlijk beïnvloeden.

Als we verder kijken naar de economische haalbaarheid van S4T’s, blijkt dat de grote kosten van de transformatoren en de bijbehorende energie-opslagelementen, samen met de noodzaak voor complexe koelsystemen (zoals gedeïoniseerd water), de implementatie van deze technologie bemoeilijken. Dit brengt niet alleen hoge kosten met zich mee, maar vermindert ook de levensduur van de systemen door de complexe thermische en elektromechanische eisen. De schaalbaarheid van S4T’s voor commerciële toepassingen blijft dan ook een van de grootste obstakels voor hun bredere adoptie.

Kortom, hoewel de S4T-technologie enorme voordelen biedt, van lage verliezen tot hoge schakelfrequenties, blijft het een technologie in ontwikkeling. De uitdaging voor de toekomst ligt in het overwinnen van de technische en economische belemmeringen die momenteel de bredere toepassing van S4T's beperken. Innovaties op het gebied van materialen, koeling, en systeemintegratie zullen de sleutel zijn tot het succes van deze technologie.

Hoe kan de configuratie van cascaderende multilevel omvormers (CMLI) de efficiëntie en spanning van energieomzetting verbeteren?

De cascaderende multilevel omvormer (CMLI) is een krachtig hulpmiddel in de wereld van hoge spanning en hoog vermogen toepassingen. Deze omvormers zijn bijzonder effectief bij het verbeteren van de golfvormkwaliteit en het minimaliseren van harmonische vervorming, wat hen geschikt maakt voor een breed scala aan industriële toepassingen. De CMLI bereikt zijn effectiviteit door meerdere schakelen van cellen, waarbij iedere cel een verschillende spanning levert afhankelijk van de schakelhoek.

In een veelgebruikte opstelling, zoals een 3-cel CMLI, worden meerdere cellen in serie geschakeld om verschillende spanningsniveaus te genereren. Dit maakt het mogelijk om een veel breder scala aan outputspanningen te verkrijgen dan bij conventionele systemen. Het uitgangsvoltage van een 3-cel CMLI kan bijvoorbeeld worden gesynthetiseerd met behulp van een combinatie van positieve en negatieve schakelfasen, waarbij de spanning tussen de cellen varieert van 0 Vdc tot meerdere malen Vdc.

Gedurende de verschillende laad- en ontlaadmodi van de cellen, beïnvloedt de spanning van de zwevende cel de uiteindelijke outputgolfvorm. In de laadmodus neemt de spanning toe, terwijl deze in de ontlaadmodus afneemt. Dit gedrag, dat gepaard gaat met een ripplespanning van Vpk-pk, wordt zichtbaar in de golfvorm van de outputspanning. Deze ripples kunnen worden geoptimaliseerd door het aantal cellen verder te verhogen of door alternatieve configuraties zoals een trinaire opstelling te gebruiken.

Wanneer meerdere modules worden gestapeld, zoals in de configuratie met twee 3-cel modules, kan de spanning verder worden verhoogd, wat leidt tot een hogere outputcapaciteit. Dit fenomeen wordt eenvoudig weergegeven door de fasenspanning te stapelen, waarbij de spanningsniveaus een veelvoud worden van het aantal cellen. Door de fasenspanning van module 1 en module 2 te combineren, kan de spanning verder worden vergroot, en de gewenste output kan met minder cellen bereikt worden dan bij bijvoorbeeld een vier-cel CMLI.

Een belangrijk punt om te begrijpen is dat de keuze van het aantal cellen in de CMLI niet alleen invloed heeft op de uiteindelijke spanningsniveaus, maar ook op de vereiste hardware en componenten. Het vinden van geschikte vermogenssemiconductoren voor hogere spanningsniveaus kan lastig zijn. Dit geldt vooral voor de zeldzamere apparaten die nodig zijn voor systemen die werken met spanning van 4·Vdc in een vier-cel configuratie. Daarom is de keuze van de juiste topologie voor een bepaald systeem afhankelijk van de beschikbaarheid van geschikte apparaten en componenten.

De efficiëntie van de CMLI kan aanzienlijk worden verbeterd door gebruik te maken van een actieve stroombron voor elke CMLI-cel, die via een gediscretiseerd DC-DC omvormer werkt. Deze omvormer is ontworpen om te functioneren met een vaste ingangsspanning en een gemoduleerde uitgangsspanning. De keuze voor een LLC-omvormer voor deze toepassing is bijzonder effectief, aangezien deze omvormer met een nulspanningsschakeling (ZVS) kan draaien, wat de efficiëntie van het systeem vergroot. De LLC-omvormer is bovendien in staat om bij hoge frequenties te schakelen, wat essentieel is voor de optimale werking van de CMLI in toepassingen met hoge spanning.

Naast de technologie van de multilevel omvormers zelf, moeten ontwerpers ook rekening houden met de beschikbaarheid van semiconductoren die geschikt zijn voor hoge spanningen. Bij hogere spanningsniveaus kunnen de benodigde apparaten en componenten moeilijker te verkrijgen zijn, wat de ontwerptijd en kosten verhoogt. De keuze van de semiconductoren moet dus zorgvuldig worden afgewogen, waarbij niet alleen de kosten maar ook de betrouwbaarheid en duurzaamheid van de componenten in overweging moeten worden genomen.

Wat maakt een universele capacitive-link omvormer geschikt voor diverse toepassingen in DC- en AC-systemen?

De capacitive-link universele omvormer is een veelbelovende technologie die verschillende voordelen biedt in vergelijking met traditionele omvormers. Deze omvormer maakt het mogelijk om energie efficiënt over te dragen tussen diverse soorten stroombronnen en -belastingen, of het nu gaat om DC, enkelfase-AC of meerfasige AC-systemen. De belangrijkste troeven van deze technologie liggen in de compactheid, de betrouwbaarheid en de hoge vermogensdichtheid die zij biedt, zonder de behoefte aan grote passieve componenten zoals condensatoren en transformatoren die typisch in conventionele systemen worden gebruikt.

In de traditionele systemen, zoals de DC-link AC-AC omvormers, worden vaak grote elektrolytische condensatoren gebruikt, die de fysieke omvang van het systeem vergroten. In tegenstelling hiermee maakt de capacitive-link omvormer gebruik van een klein filmcondensator voor energieoverdracht, wat de algehele grootte van het systeem aanzienlijk verkleint. Dit betekent niet alleen minder gewicht en volume, maar ook verbeterde betrouwbaarheid en een langere levensduur, doordat er minder kans is op de beschadiging van de condensatoren die in de traditionele systemen voorkomen. Deze verbetering in betrouwbaarheid is vooral belangrijk voor toepassingen zoals elektrische voertuigen, windenergie, en fotovoltaïsche systemen, waar duurzaamheid en lange levensduur cruciaal zijn.

Daarnaast biedt de capacitive-link universele omvormer een flexibele werking. Hij kan energie overdragen tussen verschillende typen bronnen en belastingen zonder dat er grote passieve componenten of extra schakelingen nodig zijn. Dit betekent dat de omvormer geschikt is voor gebruik in een breed scala aan toepassingen, van DC tot enkelfase-AC en meerfasige AC, en zelfs in systemen waar de onmiddellijke waarden van de invoer- en uitvoervermogens niet overeenkomen. Dit maakt de technologie bijzonder geschikt voor complexe systemen waar variabele belasting of veranderende inputspanning een uitdaging kunnen vormen.

De capacitive-link omvormer is ontworpen om zowel de spanning te verhogen als te verlagen, zonder de noodzaak van cascaderende omvormers. Dit maakt de technologie uiterst efficiënt, omdat er geen extra converterstappen nodig zijn om het vermogensniveau te verhogen of te verlagen. Dit wordt gerealiseerd door de linkcondensator, die de energie in een kort tijdsbestek oplaadt en ontlaadt tussen de bron en de belasting. Hierdoor kunnen zowel DC- als AC-systemen effectief worden beheerd, zelfs in systemen met een inherente mismatch van de onmiddellijke invoer- en uitvoervermogens, zoals vaak het geval is in enkelfase-AC naar meerfasige AC-omvormers.

Wanneer het gaat om de integratie van wide band gap (WBG) halfgeleiders, zoals SiC (Silicon Carbide) en GaN (Gallium Nitride), biedt de capacitive-link universele omvormer een unieke mogelijkheid om de prestaties te verbeteren. Deze halfgeleiders kunnen functioneren bij hogere temperaturen en spanningen, wat ze uitermate geschikt maakt voor de capacitive-link omvormers die opereren onder veeleisende omstandigheden. Het gebruik van WBG-componenten in combinatie met de capacitive-link technologie kan de efficiëntie verder verhogen en de kosten van het materiaal verlagen.

Het gebruik van de capacitive-link technologie is echter niet zonder uitdagingen. Het vereist een zorgvuldige afstemming van de configuratie om de prestaties te optimaliseren, vooral bij het omgaan met systemen waar de invoer- en uitvoervermogens niet in fase zijn, zoals vaak voorkomt in multi-fase AC systemen. In dergelijke gevallen moet de omvormer in staat zijn om de linkcondensator effectief op te laden en te ontladen zonder verlies van efficiëntie of betrouwbaarheid.

Wat belangrijk is om te begrijpen, is dat de capacitive-link universele omvormer niet alleen voordelen biedt op het gebied van efficiëntie en grootte, maar ook de mogelijkheid biedt om energie op een flexibele manier te beheren. Door gebruik te maken van een klein aantal componenten, zonder in te boeten op prestaties, maakt deze technologie het mogelijk om systemen te bouwen die zowel krachtig als betrouwbaar zijn, met een lager kostenplaatje voor materiaal, verzending en installatie.