Hoe werkt Feedback Control op Basis van Gedistribueerde Faseverschuivingsmodulatie in Grote MAC-DPP-systemen?

In het kader van de kleine-signaalmodellen die in de vorige secties zijn afgeleid, wordt in dit gedeelte een robuuste maar eenvoudige gedistribueerde controlestrategie gepresenteerd die schaalbaar is voor zeer grote MAC-DPP-systemen. Zoals geïllustreerd in de figuren, maakt elk poort in het systeem gebruik van een feedbacklus om zijn eigen fase aan te passen op basis van lokaal gemeten spanningswaarden van de poort. Dit systeem kan gezien worden als een verzameling van verschillende, onderling verbonden feedbacklussen, die kunnen worden vereenvoudigd tot meerdere zelfstandige feedbacklussen met expliciete overdrachtfuncties Gs(s), zoals vastgelegd in de systeemvergelijking (I − GZGv) −1GZGφ.

De PI-lus en fasecontroller van elke poort kunnen worden geïmplementeerd als gedistribueerde faseverschuivingsmodulatie (DPS)-modules, die gesynchroniseerd worden door een systeemklok. Deze modules kunnen verder worden geïntegreerd in elke halfbrug, waardoor een volledig geïntegreerd modulair bouwblok ontstaat. De toepassing van deze gedistribueerde controlestrategie biedt het voordeel van een onafhankelijke spanningsregeling voor elke poort en kan eenvoudig worden toegepast op grote MAC-DPP-systemen die een enorm aantal poorten bevatten. Het kleine-signaalmodel biedt hierbij nuttige richtlijnen voor het ontwerp van de besturingslussen binnen de MAC-DPP-architectuur.

In een praktisch ontwerpvoorbeeld, zoals weergegeven in de Bode-diagrammen van een 10-poort MAC-DPP-omzetter, wordt aangetoond dat de fase-marge van de poorten zonder PI-besturing hoger is dan 45°. Dit betekent dat de systeembandbreedte kan worden verbeterd door een ruil van fase-marge voor bandbreedte met behulp van een PI-controller. Door de laagste fase-marge van de poorten (zoals bij poort #10) dicht bij de 45° te brengen, werd de bandbreedte van alle poorten vergroot. Het is belangrijk te benadrukken dat de vermogensverliezen in het MAC-systeem de fase-respons naar rechts verschuiven, wat bijdraagt aan een grotere systeemstabiliteit. Dit biedt extra stabiliteitsmarge voor de dynamische respons van het systeem.

Het is echter essentieel om op te merken dat het systeem instabiel kan worden als het faseverschil tussen twee poorten groter is dan 90°. Dit betekent dat er een fase-beperkingsfase (−45° < φi < 45°) in de controlelus moet worden opgenomen om de stabiliteit van het systeem te waarborgen.

Naast de gedistribueerde feedbackcontrole kan het systeem ook gebruik maken van een feedforward controlestrategie die gebaseerd is op de Newton-Raphson-methode, zoals besproken in de volgende sectie. Deze strategie is ontworpen om de actieve en reactieve vermogens van elke poort effectief te regelen door de spanningsamplitude en faseverschuiving te moduleren, wat de energieverdeling binnen het systeem optimaliseert. De Newton-Raphson-methode biedt een snel convergerende oplossing voor de niet-lineaire vermogensstroomvergelijkingen, die essentieel is voor een efficiënte werking van multiport-omzetters, met een minimale rekentijd die zelfs op microcontrollers of FPGA’s kan worden uitgevoerd.

Belangrijk hierbij is dat de nauwkeurigheid van de oplossing afhangt van de initiële schatting van de fasen, wat betekent dat een juiste keuze van het startpunt cruciaal is voor het succes van de iteraties. De Newton-Raphson-methode stelt ons in staat om in korte tijd de fasen van alle poorten te bepalen, wat bijdraagt aan een optimale regeling van de AC-DC-omzetters die verbonden zijn met deze poorten.

Er moet ook rekening worden gehouden met de specifieke ontwerpvereisten van elk poort. De meeste poorten in een multiport-omzetter functioneren als PV-poorten, waarbij de actieve vermogens en de spanningsamplitude worden gedefinieerd, maar de fase onbekend blijft. Een klein aantal poorten fungeert als Vφ-poorten, die werken als energiebuffers en het vermogen in het systeem balanceren. De nauwkeurige controle van de fasen van alle poorten is essentieel om de vermogensstroom in het systeem te regelen, en de Newton-Raphson-oplossing speelt hierin een sleutelrol.

Naast deze controlemethoden is het belangrijk om te begrijpen dat de effectiviteit van de feedback- en feedforwardcontrole sterk afhankelijk is van de nauwkeurigheid van de spanningsmetingen en de fasen van de poorten. In praktische toepassingen moet extra aandacht worden besteed aan de dynamische eigenschappen van het systeem, zoals vermogensverliezen en netwerkomstandigheden, die de prestaties van de controlemechanismen kunnen beïnvloeden. Het gebruik van geavanceerde simulatiemodellen kan helpen bij het optimaliseren van de ontwerpparameters en het verbeteren van de systeembetrouwbaarheid.

Hoe Asymmetrische Schakelcellen de Efficiëntie van Vermogensconversie Verbeteren

De effectiviteit van een vermogensconverter wordt sterk beïnvloed door het ontwerp van de schakelfase. In moderne vermogenselektronica worden asymmetrische schakelcellen steeds meer geprefereerd, vooral in toepassingen die een grote stap-down van spanning vereisen. De fundamenten van deze cellen liggen in het optimaliseren van de inductie en het minimaliseren van de verliezen tijdens het schakelen. Dit wordt bereikt door het ontwerp van de schakellussen en het gebruik van Geconcentreerde GaN (gallium-nitride) halfgeleiders, die aanzienlijk beter presteren dan traditionele siliciumtechnologie.

In het geval van een buck-converter, waar de spanning van een hoger niveau naar een lager niveau wordt omgezet, kunnen asymmetrische schakelaars helpen de algehele efficiëntie te verbeteren door de verliezen die gepaard gaan met de geleiding van stroom in de schakelcomponenten te reduceren. In een typische configuratie met twee complementaire FET’s (Field Effect Transistors) — een high-side (HS) en een low-side (LS) — is het belangrijk dat de verliezen in beide schakelaars gelijk zijn om de converter optimaal te laten functioneren. Bij hogere omvormverhoudingen en lagere duty-cycli zullen de verliezen in de LS-schakelaar domineren vanwege de hogere stromen die door deze schakelaar stromen, wat kan leiden tot overmatige thermische belasting en inefficiëntie. Om deze reden moet de on-weerstand van de LS-schakelaar lager zijn dan die van de HS-schakelaar. Dit wordt bereikt door het gebruik van asymmetrische schakelaars, waarbij de weerstand van de LS-schakelaar wordt geoptimaliseerd om te compenseren voor de hogere stroombelasting.

Het gebruik van GaN FET’s biedt een aanzienlijk voordeel in dit type ontwerp. GaN FET's hebben een omgekeerde transconductantie ten opzichte van temperatuur, wat betekent dat bij parallelle configuraties de stroom beter wordt verdeeld over de componenten. GaN FET’s kunnen hogere schakelfrequenties aan en vertonen minder verliezen in vergelijking met silicium FET’s, vooral wanneer ze in parallelle configuraties worden gebruikt. Dit is cruciaal voor toepassingen met hoge vermogensdichtheid, waarbij het reduceren van schakelluss-inductantie essentieel is om overspanningen en verliezen tijdens het schakelen te beperken.

Bij het gebruik van meerdere parallel geschakelde FET’s moet echter rekening worden gehouden met een grotere overlap in de schakeltijd. Dit veroorzaakt extra verliezen die niet alleen afhangen van de schakelfrequentie, maar ook van de lay-out van de schakelaars en de manier waarop de poortstuursignalen worden geconfigureerd. Dit is vooral relevant in toepassingen waar de converter een hoog voltage moet verlagen over een groot bereik van invoerwaarden.

In de praktijk is de effectiviteit van een asymmetrische schakelcel goed te zien in een prototype van een multi-resonante converter die werkt met een brede ingangsspanningsrange van 48V tot 340V, waarbij een output van 48V wordt geleverd bij een belastingsstroom van 14A (of 650W). In dit systeem worden GS61008T GaN FET’s gebruikt, die bij een piekspanning van 340V optimaal functioneren. De efficiëntie van dit systeem kan oplopen tot 96,6% bij volle belasting, wat aantoont dat de keuze voor een asymmetrisch ontwerp in combinatie met de juiste keuze van schakelcomponenten significant bijdraagt aan de algehele prestaties van de converter.

Naast de voordelen van asymmetrische schakelaars en GaN FET’s is het ontwerp van de schakellussen cruciaal voor het minimaliseren van parasitaire inducties. Deze inducties, ontstaan door de fysieke lay-out van de schakelaars, kunnen de snelheid van de schakeling beïnvloeden en leiden tot onwenselijke overspanningen tijdens het omschakelen. Het verlagen van deze inductantie helpt niet alleen om de schakelsnelheid te verhogen, maar vermindert ook de verliezen die optreden tijdens de overgangsfasen, wat resulteert in een efficiënter algeheel systeem.

Bij het ontwerpen van converters voor toepassingen met hoge vermogensdichtheid is het dus essentieel dat de lay-out van de schakelfase niet alleen de verliezen minimaliseert, maar ook rekening houdt met de thermische effecten van de schakelaars en de noodzaak voor geschikte koelsystemen. Hierbij kunnen verbeterde koeltechnieken, zoals geforceerde luchtkoeling, helpen om de converter op een hogere efficiëntie te laten werken, zelfs onder zware belasting.

Wanneer het gaat om de validatie van het systeem, toont de prototyping van de converter dat het ontwerp met een asymmetrische schakelcel niet alleen theoretisch maar ook praktisch werkt, door een hoge conversie-efficiëntie te bereiken over een breed bereik van invoerwaarden en belastingstoestanden.

Hoe Elektromagnetische Interferentie (EMI) te Beheersen in WBG Vermogenselektronica: Technieken en Oplossingen

In de wereld van vermogenselektronica, waar breedband-gap (WBG) halfgeleiders zoals GaN en SiC steeds vaker worden gebruikt, neemt de uitdaging van elektromagnetische interferentie (EMI) toe. WBG-componenten bieden voordelen zoals hogere schakelsnelheden, lagere weerstand en hogere bedrijfstemperaturen in vergelijking met traditionele siliciumcomponenten. Dit resulteert in systemen die werken op hogere schakelfrequenties, wat leidt tot hogere vermogensdichtheden en efficiëntie. Echter, de hoge schakelsnelheden en frequenties vergroten ook de kans op EMI, wat schadelijk kan zijn voor andere elektronische systemen en de prestaties van de converter zelf kan beïnvloeden. In dit opzicht zijn er verschillende technieken ontwikkeld en gevalideerd om EMI te verminderen zonder afbreuk te doen aan de efficiëntie of prestaties van de converter.

Een van de belangrijkste technieken die wordt toegepast om radiated EMI te onderdrukken, is het gebruik van Common Mode (CM) inductoren. De juiste keuze en ontwerp van de inductantie kunnen helpen om de CM-stromen die door de kabels vloeien, te verminderen, waardoor de radiatie van EMI wordt beperkt. Het ontwerp van deze inductoren moet zorgvuldig worden uitgevoerd om te voorkomen dat nieuwe resonanties in de impedantie ontstaan, wat op zijn beurt weer kan leiden tot verhoogde EMI.

Daarnaast worden CM-condensatoren vaak gebruikt om de ongewenste excitatievoltages tussen kabels te verminderen. Deze condensatoren worden over de kabelantennes geplaatst en helpen bij het dempen van de spanningspieken die anders kunnen bijdragen aan de verstoring van andere elektronische systemen. Net als bij de inductoren moet de keuze van het type condensator goed worden doordacht, om te voorkomen dat er nieuwe resonanties in de impedantie van het systeem ontstaan.

Een andere cruciale techniek betreft de optimalisatie van de PCB-layout. De grondimpedanties van de schakelingen moeten zorgvuldig worden ontworpen om te voorkomen dat er ongewenste spanningsdalen optreden wanneer er schakelsignalen door de kritische delen van de lay-out lopen. Het optimaliseren van de PCB-sporen die de ingangs- en uitgangspinnen verbinden, kan een aanzienlijke vermindering van de EMI opleveren door de grondimpedanties te verlagen. Dit heeft als gevolg dat de spanningsval, die kan fungeren als de excitatie van een kabelantenne, aanzienlijk wordt verminderd.

Een transformator die in een hoogfrequent systeem wordt gebruikt, moet ook goed worden ontworpen om CM-impedanties in evenwicht te brengen. Het niet-balanceren van deze impedanties kan leiden tot CM-excitatie die kan ontstaan door de directe metalen schakelsignalen van de differentiële modus (DM). Het evenwicht behouden tussen deze impedanties voorkomt dat dergelijke storingen ontstaan, wat de algehele efficiëntie van de converter bevordert.

Tot slot kan een fysieke afscherming, hoewel vaak met een extra gewicht en kosten verbonden, de radiated EMI aanzienlijk verminderen. De grounding van de afscherming speelt hierbij een sleutelrol: de parasitaire capacitantie tussen de afscherming en de ingangskabel kan dienen als een CM-condensator, die extra EMI-reductie biedt. Het is belangrijk om de afscherming op een zodanige manier te ontwerpen dat de afschermingscapaciteit maximaal wordt benut zonder dat er nieuwe EMI-pieken ontstaan.

Een ander belangrijk punt in het ontwerp van converters is het gebruik van geavanceerde dempingsstrategieën om parasitaire oscillaties in de systemen te verminderen. Dit kan bereikt worden door het optimaliseren van de vermogenselektronica behuizing, die kan helpen bij het dempen van hoge frequenties zonder dat de prestaties van de converter worden beïnvloed. Ook wordt het gebruik van modulatietechnieken zoals frequentiemoessig of frequentieshifting als potentiële strategieën genoemd om EMI te verminderen. Dergelijke technieken helpen bij het onderdrukken van resonanties en zorgen voor een stabiliteit die nodig is voor het behoud van de efficiëntie bij de hogere frequenties die typisch zijn voor WBG-technologie.

De toegenomen complexiteit van het beheren van EMI bij WBG-omgevingen biedt nieuwe mogelijkheden voor onderzoek en innovatie. Met de vooruitgang in de modellering van EMI en de implementatie van verschillende dempingstechnieken, is het mogelijk om de prestaties van convertersystemen te verbeteren zonder dat dit ten koste gaat van de compatibiliteit met andere elektronische systemen. In de toekomst zullen er waarschijnlijk nieuwe benaderingen ontstaan die specifiek gericht zijn op het verminderen van zowel near-field als far-field EMI, evenals het verbeteren van de betrouwbaarheid van converters door te anticiperen op de effecten van nabij-veld koppelingen op de elektronische componenten.

Endtext

Hoe Wide-Bandgap Halfgeleiders De Toekomst Van Opladers Voor Elektrische Voertuigen Hervormen

De opkomst van wide-bandgap (WBG) halfgeleiders heeft een aanzienlijke invloed op de prestaties van moderne vermogenselektronica. Deze technologie maakt het mogelijk om de efficiëntie van energietransformatie aanzienlijk te verbeteren, de vermogensdichtheid te verhogen en de thermische capaciteiten te optimaliseren. Dit is vooral belangrijk in toepassingen zoals opladers voor elektrische voertuigen (EV), waar snelheid en efficiëntie essentieel zijn. WBG-technologie, met name silicium-carbide (SiC) FET’s, speelt een cruciale rol in het verbeteren van de prestaties van vermogenselektronica in elektrische voertuigen, met name in rectifiers van het diffentiële modus type, die speciaal zijn ontwikkeld voor universele batterij-opladers (UBS).

Het gebruik van WBG-technologie in deze context maakt het mogelijk om opladers te ontwikkelen die sneller, compacter en efficiënter werken dan traditionele technologieën. De voordelen van SiC FET’s in de UBS-circuitontwerpen zijn echter niet zonder uitdagingen. Het snel schakelen van SiC FET’s brengt bijvoorbeeld problemen met zich mee op het gebied van ruis, thermisch beheer en de dynamiek van de schakeltijd. Deze uitdagingen vereisen geavanceerde ontwerptechnieken en innovatieve benaderingen, zoals het gebruik van actieve spanningsbalans- en foutdetectiesystemen.

Een belangrijk kenmerk van de SiC-gebaseerde UBS is dat het gebruik maakt van een differentiële modus, waarbij de rectifiers functioneren zonder transformatorisolatie. Dit biedt aanzienlijke voordelen ten opzichte van traditionele opladers met transformatoren, zoals een vermindering van de systeemomvang en een hogere energie-efficiëntie. Bovendien maakt het ontwerp van deze opladers gebruik van geavanceerde foutdetectiesystemen, die essentieel zijn voor de veiligheid van het systeem. Het ontbreken van een transformator maakt het mogelijk om de oplader sneller te maken zonder in te boeten op de veiligheid of de prestaties van het systeem.

De integratie van WBG-technologie in deze opladers is niet alleen voordelig voor de algehele efficiëntie, maar ook voor de duurzaamheid van het elektrische voertuig. Snellere opladers helpen niet alleen om de laadtijd van voertuigen drastisch te verminderen, maar dragen ook bij aan het verduurzamen van het elektriciteitsnet. De mogelijkheid om elektrische voertuigen sneller op te laden zonder in te boeten op prestaties biedt enorme voordelen voor de uitrol van elektrische voertuigen op grote schaal. Dit zal ongetwijfeld een cruciale rol spelen in de transitie naar hernieuwbare energiebronnen en de vermindering van de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen.

Daarnaast moeten er bij het ontwerp van dergelijke systemen verschillende compromissen worden gemaakt. Bijvoorbeeld, bij het gebruik van WBG-technologieën wordt de complexiteit van de elektronische besturing verhoogd, wat invloed heeft op de kosten en de algehele ontwerpvereisten van de oplader. De keuze van de materialen en de architectuur van de schakelaars moeten zorgvuldig worden afgewogen om zowel de prestaties als de kosten te optimaliseren.

De integratie van WBG-technologieën zoals SiC FET’s zal de ontwikkeling van opladers voor elektrische voertuigen aanzienlijk versnellen, maar het blijft belangrijk om de lange-termijnkosten, betrouwbaarheid en onderhoudsvereisten in overweging te nemen. In toekomstige ontwikkelingen van UBS-systemen zal het noodzakelijk zijn om zowel de schaalbaarheid als de efficiëntie te verbeteren, terwijl de kosten beheersbaar blijven. Verder onderzoek naar het thermisch beheer en de effectiviteit van actieve foutdetectiesystemen zal van cruciaal belang zijn om de veiligheid en prestaties van deze geavanceerde opladers te waarborgen.

De toepassing van WBG-halfgeleiders in opladers voor elektrische voertuigen biedt een belangrijke stap in de richting van efficiëntere, snellere en duurzamere laadoplossingen. Het draagt niet alleen bij aan de ontwikkeling van innovatieve technologieën, maar heeft ook een positieve invloed op de bredere verschuiving naar elektrische mobiliteit en de vermindering van de CO2-uitstoot wereldwijd. Het is dan ook van essentieel belang dat de technologische ontwikkelingen op dit gebied nauwlettend worden gevolgd, om ervoor te zorgen dat de voordelen van WBG-technologie volledig worden benut in de zoektocht naar duurzamere energieoplossingen.

Hoe Capacitive Link Universele Omzetters De Operationele Modi Beheren en de Prestaties Verbeteren

De capacitive link universele omzetters functioneren in verschillende operationele modi, die cruciaal zijn voor het efficiënt omzetten van energie in verschillende faseconfiguraties. In mode 7, bijvoorbeeld, begint de ontlading van de energie opgeslagen in de linkcapaciteit. Dit gedrag lijkt op de hard-switching topologie in mode 4, maar met het verschil dat deze mode niet doorgaat tot de linkspanning nul is. Wanneer de energie in de link voldoende is voor de linkstroom om een vooraf bepaalde waarde te bereiken, die hoger is dan de piek van de invoer- en uitvoerstromen, wordt mode 8 ingeschakeld door de schakelaar S9 in te schakelen.

In mode 8, eerste fase, begint de resonantie in de linkcapaciteit, en de spanning over de link (VLink) wordt uiteindelijk nul. Zodra dit gebeurt, worden de antiparallele diodes van schakelaars S9 en S12 doorlaatbaar en beginnen ze te geleiden. Dit markeert de overgang naar mode 8, tweede fase. In deze tweede fase begint de linkstroom (ILink) te toenemen totdat het gelijk is aan de stroom van fase A aan de ingangszijde (IA_i). Vanaf dit punt kunnen de bedrijfsmodi worden herhaald, beginnend bij mode 1.

De manier waarop de linkcapaciteit wordt beheerd, heeft een directe invloed op de spanning en frequentie van de schakelingen. De linkspanning bepaalt namelijk de spanningstress die over de schakelaars wordt gezet. Als de capaciteit van de link te klein is, kan de piekspanning over de schakelaars te hoog worden, wat de efficiëntie en betrouwbaarheid van het systeem in gevaar brengt. Om dit te vermijden, wordt in de meeste ontwerpen van capacitive link universele omzetters gestreefd naar een spanningsgrens tussen continu-stroommodus (CCM) en discontinu-stroommodus (DCM). Dit zorgt ervoor dat de linkspanning bij de start van elke cyclus nul is, en dat de spanning tijdens de daaropvolgende fasen toeneemt en afneemt volgens een gecontroleerd patroon.

Bij lage vermogensniveaus kan de prestaties van de omzetter worden verbeterd door het aanpassen van de schakelfrequentie. Dit komt omdat de frequentie van de link en de schakelfrequentie in deze omzetters gelijk zijn. Wanneer het vermogen afneemt, verlaagt de schakelfrequentie, wat kan leiden tot verhoogde harmonische vervorming (THD) en hogere rimpels in de stroom. Om dit te mitigeren, kan een gemodificeerde regelmethode worden toegepast waarbij een minimale waarde van de linkspanning (VC0) wordt ingesteld. Dit verlaagt de piekspanning van de link, vermindert de spanningstress over de schakelaars, en verhoogt de schakelfrequentie bij gedeeltelijke belasting, waardoor de efficiëntie verbetert.

De gemodificeerde methode voor lagere vermogensprestaties heeft als voordeel dat de linkcapaciteit licht toeneemt, maar de spanningstress over de schakelaars afneemt. Dit resulteert in een lagere linkspanning en een hogere schakelfrequentie bij gedeeltelijke belasting. In tegenstelling tot de oorspronkelijke methode, waarbij de schakelfrequentie bij een belasting van 25% daalt naar slechts 5 kHz, kan met de gemodificeerde methode de schakelfrequentie verhoogd worden naar 15 kHz bij dezelfde belasting. Deze aanpassing helpt de totale harmonische vervorming (THD) te verlagen en zorgt voor een meer stabiele werking van de omzetter.

Verder is het belangrijk te begrijpen dat de capacitive link universele omzetter, zoals in de beschreven voorbeelden, optimaal presteert wanneer de bedrijfsmodi goed zijn afgestemd op de specifieke vermogens- en belastingseisen. De spanning en stroom door de schakelaars zijn essentieel voor de dynamische werking van de omzetter, vooral wanneer de vermogens tussen de invoer en uitvoer niet altijd synchroon zijn. In systemen waar er een mismatch is tussen de invoer- en uitvoerinstantane vermogens, zoals bij de conversie van een enkel-fase wisselstroom naar een drie-fase wisselstroom, zijn er mechanismen ingebouwd die deze mismatch kunnen beheren door middel van verschillende laad- en ontladingsfasen van de linkcapaciteit. Deze fasen zorgen ervoor dat de stroom effectief wordt omgeleid en geoptimaliseerd, wat cruciaal is voor het behoud van de algehele efficiëntie van het systeem.