NO323385B1 - Control method and device for inverters using a TSSC - Google Patents
Control method and device for inverters using a TSSC Download PDFInfo
- Publication number
- NO323385B1 NO323385B1 NO20053122A NO20053122A NO323385B1 NO 323385 B1 NO323385 B1 NO 323385B1 NO 20053122 A NO20053122 A NO 20053122A NO 20053122 A NO20053122 A NO 20053122A NO 323385 B1 NO323385 B1 NO 323385B1
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- current
- control
- switching
- switches
- input
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 12
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 6
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 4
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 4
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/42—Circuits or arrangements for compensating for or adjusting power factor in converters or inverters
- H02M1/4208—Arrangements for improving power factor of AC input
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
- H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/42—Circuits or arrangements for compensating for or adjusting power factor in converters or inverters
- H02M1/4208—Arrangements for improving power factor of AC input
- H02M1/4225—Arrangements for improving power factor of AC input using a non-isolated boost converter
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
- Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
Abstract
Den foreliggende oppfinnelse angår en styringsfremgangsmåte og en styringsanordning for en konverter som anvender en tretilstands svitsjecelle (TSSC) koblet mellom en inngangsspenning og en last. Styringsanordningen omfatter målingsanordninger som måler en induktorstrøm, en inngangsspenning og en utgangsspenning. Videre omfatter den en styringskrets som tilveiebringer et styringssignal basert på de målte verdiene og en utgangsspenningsreferanseverdi, hvor styringskretsen omfatter en pulsbreddemoduleringsanordning (110, 112) for styring av svitsjetilstandene til svitsjene (Ql, Q2) i den tretilstands svitsjecellen. Videre måler svitsjestrømsmålingsanordninger svitsjestrømmen gjennom svitsjene (Ql, Q2) og/eller svitsjestrømmen gjennom diodene (DI, D2) i den tretilstands svitsjecellen; hvor pulsbreddemoduleringsanordningen (110, 112) styrer svitsjetilstandene avhengig av de målte strømmene gjennom svitsjene og/eller diodene.The present invention relates to a control method and a control device for a converter using a three-state switching cell (TSSC) connected between an input voltage and a load. The control device comprises measuring devices which measure an inductor current, an input voltage and an output voltage. It further comprises a control circuit which provides a control signal based on the measured values and an output voltage reference value, the control circuit comprising a pulse width modulating device (110, 112) for controlling the switching states of the switches (Q1, Q2) in the three state switching cell. Furthermore, switching current measuring devices measure the switching current through the switches (Q1, Q2) and / or the switching current through the diodes (DI, D2) in the three-state switching cell; wherein the pulse width modulating device (110, 112) controls the switching states depending on the measured currents through the switches and / or diodes.
Description
Teknisk område Technical area
Den foreliggende oppfinnelsen angår en fremgangsmåte og anordning for styring av en omformer som anvender en tretilstands svitsjecelle (TSSC - Three State Switching Cell). The present invention relates to a method and device for controlling a converter that uses a three-state switching cell (TSSC - Three State Switching Cell).
Bakgrunn for oppfinnelsen Background for the invention
I mange applikasjoner anvendes en DC/DC-omformer for å konvertere en uregulert DC-inngang til en styrt DC-utgang med et ønsket spenningsnivå. Slike DC/DC-omformere kan f.eks. være en buck-omformer, boost-omformer, buck-boost-omformer og en fullbro-omformer. Disse omformerne er vanligvis anvendt som preregulatorer for å oppnå aktiv effektfaktorkorreksjon. Kraftforsyninger for telekommunikasjonsutstyr er påkrevd å levere en DC-spenning på f.eks. -48 V. Kraftforsyningene drives av AC-nettet hvor spenningen likerettes ved hjelp av en likerettingskrets slik som en brolikeretter, etc. In many applications, a DC/DC converter is used to convert an unregulated DC input into a controlled DC output with a desired voltage level. Such DC/DC converters can e.g. be a buck converter, boost converter, buck-boost converter and a full-bridge converter. These converters are usually used as preregulators to achieve active power factor correction. Power supplies for telecommunications equipment are required to supply a DC voltage of e.g. -48 V. The power supplies are powered by the AC mains where the voltage is rectified using a rectification circuit such as a bridge rectifier, etc.
Kraftforsyninger har flere krav. For det første må utgangen holdes styrt innenfor et spesifikt område. Videre bør ikke kraftforsyningen injisere ledningsbåret EMI i AC-distribusjonslinjene, slik som lavfrekvente harmonisk forstyrrelser til inngangsstrømmen, og høyfrekvente radiofrekvensforstyrrelser. Inngangseffekttrinnet er ofte utformet til å holde den harmoniske forstyrrelsen i inngangsstrømmen lavere ved aktiv effektfaktorkorreksjon (PFC, Power Factor Correction). En PFC-krets kan oppnås ved bruk av en boost-omformer med en tilbakekoblet styringskrets utformet til å styre inngangsstrømmen til å bli sinusformet, eller ha samme form som inngangsspenningen, som er antatt å være sinusformet. Videre er det ofte krevet at utgangen skal være elektrisk isolert fra inngangen ved hjelp av en isolasjonstransformatoranordning. Isolasjonen beskytter personell som arbeider med telekommunikasjonsutstyret fra nettspenningen. I mange applikasjoner er transformatoren anbrakt i DC/DC-omformeren. Power supplies have several requirements. First, the output must be kept controlled within a specific range. Furthermore, the power supply should not inject line-borne EMI into the AC distribution lines, such as low-frequency harmonic interference to the input current, and high-frequency radio frequency interference. The input power stage is often designed to keep the harmonic disturbance in the input current lower by active power factor correction (PFC). A PFC circuit can be achieved using a boost converter with a feedback control circuit designed to control the input current to be sinusoidal, or to have the same shape as the input voltage, which is assumed to be sinusoidal. Furthermore, it is often required that the output be electrically isolated from the input by means of an isolation transformer device. The insulation protects personnel working with the telecommunications equipment from the mains voltage. In many applications, the transformer is housed in the DC/DC converter.
I hver praktiske krets omfattende en transformator er det en risiko for ulik volt-sekund-produkter for de positive og negative spenningene over transformatoren, slik at nettoresultatet vil bli en liten DC-spenning over transformatoren. I svitsjede kraftforsyninger implementeres isolasjonen mellom primærsiden og sekundærsiden av transformatoren vanligvis med en høyfrekvent effekttransformator, som transformerer en høyfrekvent firkantbølget AC. I en praktisk krets er firkantbølgespenningen på primærsiden dannet ved én eller flere styrte halvledersvitsjer. I tilfellene hvor det er mer enn én svitsj, slik som i familien av buck-utledede DC/DC-bro-omformere omfattende fullbro- og halvbroomformere, kan en perfekt AC kun oppnås dersom av- og på-tiden til svitsjene kan styres perfekt på en slik måte at voltsekundproduktet for den positive spenningen og den negative spenningen over transformatorens primærvikling samsvarer nøyaktig, slik at det ikke vil være noen DC-komponent tilstede. Det er mange praktiske grunner for at en perfekt styring ikke oppnås, én er støy som kommer inn i tilbakekoblingssløyfen, en annen er ulike typer usymmetrier i kretsen, slik som ulike forsinkelser for signalene som styrer av-/på-tilstandene til svitsjene eller ulike impedanser i serie med ulike svitsjestrømmer som forårsaker ulike spenningsfall. In every practical circuit comprising a transformer, there is a risk of unequal volt-second products of the positive and negative voltages across the transformer, so that the net result will be a small DC voltage across the transformer. In switched-mode power supplies, the isolation between the primary side and the secondary side of the transformer is usually implemented with a high-frequency power transformer, which transforms a high-frequency square-wave AC. In a practical circuit, the square wave voltage on the primary side is formed by one or more controlled semiconductor switches. In the cases where there is more than one switch, such as in the family of buck-derived DC/DC bridge converters comprising full-bridge and half-bridge converters, a perfect AC can only be achieved if the on-off time of the switches can be perfectly controlled on such a way that the volt-second product of the positive voltage and the negative voltage across the transformer primary winding match exactly, so that there will be no DC component present. There are many practical reasons why perfect control is not achieved, one is noise entering the feedback loop, another is various types of asymmetries in the circuit, such as different delays for the signals that control the on/off states of the switches or different impedances in series with different switching currents causing different voltage drops.
Det er således et behov for å ha et arrangement for styring av voltsekundproduktet for positive og negative spenninger over transformatoren i mange praktiske kretser. Som et eksempel, i den velkjente "full-bridge DC/DC converter" (f.eks. beskrevet i kapittel 7.7 side 188 i "Power Electronics", 2. utgave, 1995, av Mohan, Undeland og Robbins), er det vanlig praksis å blokkere den lille DC-komponenten med en kondensator i serie med transformatoren. There is thus a need to have an arrangement for controlling the volt-second product for positive and negative voltages across the transformer in many practical circuits. As an example, in the well-known "full-bridge DC/DC converter" (e.g. described in Chapter 7.7 page 188 of "Power Electronics", 2nd Edition, 1995, by Mohan, Undeland and Robbins), it is common practice of blocking the small DC component with a capacitor in series with the transformer.
Den tretilstands svitsjecellen (TSSC) er foreslått som en topologi relatert til ulike typer DC/DC-omformere, for å redusere inngangsrippelen og strømrippelen grunnet DC-forbindelsen. TSSC er kjent fra Torrico-Bascopé, Grover V.; og Ivo Barbi. " A Single Phase PFC 3kW Converter Using a Three- State Switching Cell", Proe. Power Electronics Specialists Conference, PESC'04, Aachen, Tyskland, 2004, sider 4037-404. Denne publikasjonen er herved innlemmet ved referanse i sin helhet. The three-state switching cell (TSSC) is proposed as a topology related to various types of DC/DC converters, to reduce the input ripple and current ripple due to the DC link. TSSC is known from Torrico-Bascopé, Grover V.; and Ivo Barbi. "A Single Phase PFC 3kW Converter Using a Three-State Switching Cell", Proe. Power Electronics Specialists Conference, PESC'04, Aachen, Germany, 2004, pages 4037-404. This publication is hereby incorporated by reference in its entirety.
I fig. 1 i den foreliggende søknaden er en effektfaktorkorreksjonskrets som anvender en TSSC boost-omformerkonfigurasjon vist. TSSC-en er indikert med en stiplet boks. Transistorene Ql, Q2 er styrt ved hjelp av en styringskrets. Det er flere fordeler relatert til TSSC-boost-omformeren: - Transistorstrømmen reduseres til mindre enn halvparten av inngangsstrømmen sammenlignet med en vanlig boost-omformer med en enkel transistor. - Strømbelastningen gjennom svitsjene er mindre sammenlignet med en klassisk interleaved boost-omformer. - Induktorspenningen Vu er vesentlig redusert sammenlignet med en vanlig boost-omformer og kanselleres fullstendig ved bestemte operasjonsbetingelser. - Følgelig blir inngangsrippel strømmen vesentlig redusert og ved bestemte operasjonsbetingelser fullstendig kansellert. In fig. 1 of the present application, a power factor correction circuit using a TSSC boost converter configuration is shown. The TSSC is indicated by a dashed box. The transistors Q1, Q2 are controlled by means of a control circuit. There are several advantages related to the TSSC boost converter: - The transistor current is reduced to less than half of the input current compared to a normal single transistor boost converter. - The current load through the switches is less compared to a classic interleaved boost converter. - The inductor voltage Vu is significantly reduced compared to a normal boost converter and is completely canceled under certain operating conditions. - Consequently, the input ripple current is significantly reduced and, under certain operating conditions, completely cancelled.
Praktisk testing og teoretiske simuleringer har avslørt et problem relatert til styringen av TSSC. Kretsen har nemlig hatt en tendens til å være ubalansert med tanke på strømmen gjennom svitsjene, noe som har forårsaket et behov for komponenter med større nominelle verdier enn forventet, dvs. kretsen har ikke vist seg å håndtere effekten som den var forventet å gjøre når den ble laget. Ubalansen har opphav i ubalanserte voltsekundprodukter hos TSSC-transformatorviklingene som forårsaker en DC-magnetiseringsstrøm som tilføres på ett av parene diode/transistor og subtraheres fra det andre paret. Det er også en risiko for metning av TSSC-transformatoren. Practical testing and theoretical simulations have revealed a problem related to the management of the TSSC. Namely, the circuit has tended to be unbalanced in terms of the current through the switches, which has caused a need for components with larger ratings than expected, i.e. the circuit has not been found to handle the power as it was expected to when it was made. The imbalance originates from unbalanced volt-second products at the TSSC transformer windings which cause a DC magnetizing current to be applied to one of the diode/transistor pairs and subtracted from the other pair. There is also a risk of saturation of the TSSC transformer.
Ytterligere eksempler på TSSC har vært vist i publikasjoner som "Generation of a Family of the Non-Isolated DC-DC PWM Converters Using New Three-State Additional examples of TSSCs have been featured in publications such as "Generation of a Family of the Non-Isolated DC-DC PWM Converters Using New Three-State
Switching Cells", av Torrico-Bascopé, Grover V.; og Ivo Barbi, Proe. Power Electronics Specialists Conference, PESCOO, Galey Ireland, 2000, sider 858-863. En annen publikasjon som beskriver TSSC er "Nova Familia de Conversores CC-CC PWM nao Isolados Utilizando Células de Comutacåo de Tres Estados" av Grover Victor Torrico-Bascopé, Florianopolis, SC-Brazil, 2001. Switching Cells", by Torrico-Bascopé, Grover V.; and Ivo Barbi, Proe. Power Electronics Specialists Conference, PESCOO, Galey Ireland, 2000, pages 858-863. Another publication describing TSSC is "Nova Familia de Conversores CC- CC PWM nao Isolados Utilizando Células de Comutacåo de Tres Estados" by Grover Victor Torrico-Bascopé, Florianopolis, SC-Brazil, 2001.
Ingen av disse publikasjonene viser en løsning på problemene angående ubalanse hos TSSC. None of these publications show a solution to the problems regarding TSSC imbalance.
Formålet med den foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe en enkeltfaset effektfaktorkorreksjonskrets med en tretilstands svitsjecelle og en fremgangsmåte for styring av den tretilstands svitsjecellen hvor strømmen i hver gren styres for å unngå ulempene nevnt ovenfor. Følgelig kan mindre komponenter, dvs. transformator, transistorer, dioder anvendes, for med dette å oppnå en mindre og billigere omformer. Formålet er også å redusere eller unngå risiko for metning av TSSC-transformatoren. En annen effekt, heller enn reduksjon av komponentene, vil være at effekten som overføres kan økes med de samme komponentene som tidligere. The purpose of the present invention is to provide a single-phase power factor correction circuit with a three-state switching cell and a method for controlling the three-state switching cell where the current in each branch is controlled to avoid the disadvantages mentioned above. Consequently, smaller components, i.e. transformer, transistors, diodes, can be used, in order to achieve a smaller and cheaper converter. The purpose is also to reduce or avoid the risk of saturation of the TSSC transformer. Another effect, rather than a reduction of the components, will be that the power transmitted can be increased with the same components as before.
Sammendrag av oppfinnelsen Summary of the invention
Fremgangsmåten i samsvar med oppfinnelsen er definert i krav 1. Styringsanordningen i samsvar med oppfinnelsen er definert i de selvstendige krav 5-7. The method in accordance with the invention is defined in claim 1. The control device in accordance with the invention is defined in the independent claims 5-7.
Foretrukne utføre]sesformer av oppfinnelsen er definert i de uselvstendige kravene. Preferred embodiments of the invention are defined in the independent claims.
Detaljert beskrivelse Detailed description
En foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i detalj med henvisning til de vedlagte tegningene: Fig. 1 viser en effektfaktorkorreksjonskrets (PFC)-krets i samsvar med kjent teknikk hvor en boost-omformer er implementert som en tretilstands svitsjecelle (TSSC). Fig. 2 viser kretsen i fig. 1 hvor transformatoren er vist som en ideell transformator med en magnetiseringsinduktans Lm. A preferred embodiment of the present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings: Fig. 1 shows a power factor correction (PFC) circuit in accordance with the prior art where a boost converter is implemented as a three-state switching cell (TSSC). . Fig. 2 shows the circuit in fig. 1 where the transformer is shown as an ideal transformer with a magnetizing inductance Lm.
Fig. 3-5 illustrerer ubalansen hos kretsen i fig. 2. Fig. 3-5 illustrates the imbalance of the circuit in fig. 2.
Fig. 6 viser en utførelsesform av en omformer med TSSC og styringskrets i samsvar med oppfinnelsen. Fig. 6 shows an embodiment of a converter with TSSC and control circuit in accordance with the invention.
Fig. 7 viser en utførelsesform av styringskretsen. Fig. 7 shows an embodiment of the control circuit.
Fig. 8 viser pulsbreddemodulatoren i fig. 7. Fig. 8 shows the pulse width modulator in fig. 7.
Fig. 9 viser en simulering av strømmen gjennom inngangsinduktoren ved et første inngangsspenningsnivå. Fig. 10 og 11 viser simuleringer av magnetiseringsstrømmen henholdsvis uten og med bruk av svitsjestrømmene som input til styringskretsen ved det første inngangsspenningsnivået. Fig. 12 viser en simulering av strømmen gjennom inngangsinduktoren ved et andre inngangsspenningsnivå. Fig. 13 og 14 viser simuleringer av magnetiseringsstrømmen henholdsvis uten og med bruk av svitsj estrømmene som input til styringskretsen, ved det andre inngangsspenningsnivået. Fig. 9 shows a simulation of the current through the input inductor at a first input voltage level. Fig. 10 and 11 show simulations of the magnetization current respectively without and with the use of the switching currents as input to the control circuit at the first input voltage level. Fig. 12 shows a simulation of the current through the input inductor at a second input voltage level. Fig. 13 and 14 show simulations of the magnetization current respectively without and with the use of the switching currents as input to the control circuit, at the second input voltage level.
PFC-omformerkretsen av kjent type som anvender en TSCC-boost er vist i fig. 1. Kretsen omfatter en brolikeretter forsynt med en AC-input og en inngangsinduktor L3 koblet til en TSSC indikert som en stiplet boks. TSSC-en omfatter en autotransformator Tl koblet til dioder Dl, D2 og til svitsjer Ql, Q2. Konverterkretsen omfatter videre en utgangsfilterkondensator Co. Prinsippet med TSSC-en er at strømmen deles i de to grenene for transformatoren Tl, som er beskrevet i detalj i PESC<*>04-publikasjonen av Torrico-Bascopé et al. The PFC converter circuit of a known type using a TSCC boost is shown in fig. 1. The circuit comprises a bridge rectifier provided with an AC input and an input inductor L3 connected to a TSSC indicated as a dashed box. The TSSC comprises an autotransformer Tl connected to diodes Dl, D2 and to switches Ql, Q2. The converter circuit further comprises an output filter capacitor Co. The principle of the TSSC is that the current is divided in the two branches for the transformer Tl, which is described in detail in the PESC<*>04 publication by Torrico-Bascopé et al.
Svitsjene er her felteffekttransistorer (FET), men andre passende svitsjer kan også anvendes. The switches here are field effect transistors (FET), but other suitable switches can also be used.
Ubalansen i TSSC vil bli kort beskrevet med henvisning til fig. 2-5.1 fig. 2 er autotransformatoren Tl fra fig. 1 vist som en ideell transformator med en magnetiseringsinduktans Lm som er kjent for en fagperson på området. The imbalance in the TSSC will be briefly described with reference to fig. 2-5.1 fig. 2 is the autotransformer Tl from fig. 1 shown as an ideal transformer with a magnetizing inductance Lm known to a person skilled in the art.
I fig. 3 er et første svitsjetrinn illustrert, hvor den første svitsjen Ql er på. Inngangsstrømmen Il3 er vist med heltrukken (rød) linje; DC-magnetiseringsstrømmen Im er vist med tynn heltrukken (blå) linje. Inngangsstrømmen Il3 er som forventet delt i Ili og lu i de respektive første og andre grenene av transformatoren omfattende henholdsvis den første dioden Dl eller den første svitsjen Ql og den andre dioden D2 eller den andre svitsjen Q2. In fig. 3, a first switching stage is illustrated, where the first switch Q1 is on. The input current Il3 is shown by the solid (red) line; The DC magnetizing current Im is shown with a thin solid (blue) line. The input current Il3 is, as expected, divided into Ili and lu in the respective first and second branches of the transformer comprising, respectively, the first diode Dl or the first switch Ql and the second diode D2 or the second switch Q2.
I fig. 3 er inngangsstrømmen lu fordelt mellom den andre dioden D2 og den første svitsjen Ql. Imidlertid vil halvparten av utgangsspenningen Vo ligge over hver av viklingene hos transformatoren som vist i fig. 3, med motsatt fortegn. Følgelig adderes en magnetiseirngsstrøm Imi i den første grenen med den første svitsjen Ql og en magnetiseringsstrøm Im2 (lik Imj) subtraheres fra den andre grenen med den andre dioden D2. In fig. 3, the input current lu is distributed between the second diode D2 and the first switch Q1. However, half of the output voltage Vo will lie across each of the windings of the transformer as shown in fig. 3, with the opposite sign. Accordingly, a magnetizing current Imi is added in the first branch with the first switch Q1 and a magnetizing current Im2 (equal to Imj) is subtracted from the second branch with the second diode D2.
I flg. 4 er et andre svitsjetrinn illustrert, hvor begge de første og andre svitsjene Ql, Q2 er av. Inngangsstrømmen lu vil bli fordelt mellom den første dioden Dl og den andre dioden D2. Her vil magnetiseringsinduktoren Lm utlade sin energi, noe som fører til en økning i strømmen (vist som Imi) hos den første dioden Dl og som en minkning i strømmen (vist som Im2) hos den andre dioden D2. In Fig. 4, a second switching stage is illustrated, where both the first and second switches Q1, Q2 are off. The input current lu will be distributed between the first diode D1 and the second diode D2. Here, the magnetizing inductor Lm will discharge its energy, which leads to an increase in the current (shown as Imi) in the first diode Dl and as a decrease in the current (shown as Im2) in the second diode D2.
I fig. 5 er et tredje svitsjetrinn illustrert, hvor den andre svitsjen Q2 er på. Inngangsstrømmen vil bli fordelt som Ili og Il2 mellom den første dioden Dl og den andre svitsjen Q2. Som i fig. 3 ovenfor vil halvparten av utgangsspenningen Vo igjen opptre over hver av viklingene hos transformatoren som vist i fig. 5, med motsatt fortegn, noe som fører til en økning i strømmen (vist som Imi) hos den første dioden Dl og en minkning (vist som lmi) i strømmen hos den andre svitsjen Q2. In fig. 5, a third switching stage is illustrated, where the second switch Q2 is on. The input current will be distributed as Ili and Il2 between the first diode Dl and the second switch Q2. As in fig. 3 above, half of the output voltage Vo will again occur across each of the windings of the transformer as shown in fig. 5, with the opposite sign, leading to an increase in the current (shown as Imi) in the first diode D1 and a decrease (shown as lmi) in the current in the second switch Q2.
Ulempene med denne ubalansen er nevnt ovenfor. The disadvantages of this imbalance are mentioned above.
En styringskrets for konverteren som anvender TSSC-en i samsvar med oppfinnelsen er vist i fig. 6, og detaljer angående styringskretsen er vist i fig. 7. A control circuit for the converter using the TSSC in accordance with the invention is shown in fig. 6, and details regarding the control circuit are shown in fig. 7.
Strømmålingsanordninger og spenningsmålingsanordninger er koblet til konverteren for å oppnå input til styringskretsen. Input til styringskretsen er den første inngangsspenningen Vj„ (inngangsstrøm Ij„), og utgangsspenningen Vout-1 tillegg er den første og andre svitsjestrømmen Iqi, Iq2 hos svitsjene Ql, Q2 input til styringskretsen. I den foretrukne utførelsesformen av oppfinnelsen er styringsfremgangsmåten for styring av inngangsstrømmen i en effektfaktorkorreksjonskrets basert på gjennomsnittelig strømmodusstyring (average current mode control). Denne fremgangsmåten er beskrevet i "Application Note U-159", med tittel " Boostpower factor corrector design with the UC3853" av Philip C. Todd, utgitt av Unitrode Corporation, som herved innlemmes ved referanse. I tillegg anvendes en toppverdi strømmodusfremgangsmåte (peak current mode control method) inkludert rampekompensering i den foretrukne utførelsesformen av oppfinnelsen for styring av strømmen til å bli Hk i de to svitsjene i TSSC, som vil bli beskrevet i detalj nedenfor. Toppverdi strømmodusstyring inkludert rampekompensasjon er vanlig i bruk for andre kretser, som f.eks. beskrevet i produktbeskrivelsen for LM3477 MOSFET svitsjeregulatorkontroller fra National Semiconductor (kan bli nedlastet fra Current measuring devices and voltage measuring devices are connected to the converter to provide input to the control circuit. Input to the control circuit is the first input voltage Vj„ (input current Ij„), and the output voltage Vout-1 is additionally the first and second switching currents Iqi, Iq2 at the switches Ql, Q2 input to the control circuit. In the preferred embodiment of the invention, the control method for controlling the input current in a power factor correction circuit is based on average current mode control. This method is described in "Application Note U-159", entitled "Boostpower factor corrector design with the UC3853" by Philip C. Todd, published by Unitrode Corporation, which is hereby incorporated by reference. In addition, a peak current mode control method (peak current mode control method) including ramp compensation is used in the preferred embodiment of the invention for controlling the current to become Hk in the two switches of the TSSC, which will be described in detail below. Peak current mode control including ramp compensation is commonly used for other circuits, such as described in the product description for the LM3477 MOSFET switching regulator controller from National Semiconductor (can be downloaded from
http:// www. national. com/ pf/ LM/ LM3477. htmn. http://www. national. com/ pf/ LM/ LM3477. htmn.
Styringskretsen omfatter en første komparator 100 som sammenligner utgangsspenningen Vout med utgangsspenningen Vref. Sammenlikningssignalet forsynes til en spenningskompensator 102 som tilveiebringer et feilsignal B. The control circuit comprises a first comparator 100 which compares the output voltage Vout with the output voltage Vref. The comparison signal is supplied to a voltage compensator 102 which provides an error signal B.
Feilsignalet B forsynes til en beregningsenhet 104. Beregningsenheten 104 er også forsynt med et signal A lik inngangsspenningen Vjn multiplisert med en forsterkningskonstant Kl. En ytterligere input til beregningsenheten 104 er et signal C lik en kvadrert og filtrert utgangsspenning Wm. Beregningsenheten 104 tilveiebringer et strømreferansesignal Iref Hk signalet A multiplisert med signalet B dividert på signalet C. The error signal B is supplied to a calculation unit 104. The calculation unit 104 is also supplied with a signal A equal to the input voltage Vjn multiplied by a gain constant Kl. A further input to the calculation unit 104 is a signal C equal to a squared and filtered output voltage Wm. The calculation unit 104 provides a current reference signal Iref Hk the signal A multiplied by the signal B divided by the signal C.
En komparator 106 sammenligner strømreferansen Iref og den målte inngangsstrømmen Ii„. Differansen mellom Iref og Ijn leveres til en strømkompensator 108 som tilveiebringer et styringssignal Vc. A comparator 106 compares the current reference Iref and the measured input current Ii„. The difference between Iref and Ijn is supplied to a current compensator 108 which provides a control signal Vc.
Styringskretsen omfatter ytterligere en første pulsbreddemodulator PWM1 110 og en andre pulsbreddemodulator PWM2 112 for styring av henholdsvis den første og andre svitsjen Ql og Q2. PWM1 og PWM2 er hver forsynt med styringsspenningen Vc. Videre forsynes PWM1 og PWM2 med første og andre svitsjstrømsignåler Iqi, Iq2, som vist i fig. 7. Det skal bemerkes at svitsjestrømsignalene Iqi, Iq2 faktisk er spenninger fra strømmålingsanordningene som er proporsjonale med svitsj estrømmene Iqi, Iq2. Utgangene fra PWM1 og PWM2 er henholdsvis svitsj styringssignalene Sqi og Sq2. The control circuit further comprises a first pulse width modulator PWM1 110 and a second pulse width modulator PWM2 112 for controlling the first and second switches Q1 and Q2, respectively. PWM1 and PWM2 are each supplied with the control voltage Vc. Furthermore, PWM1 and PWM2 are supplied with first and second switching current signals Iqi, Iq2, as shown in fig. 7. It should be noted that the switching current signals Iqi, Iq2 are actually voltages from the current measuring devices which are proportional to the switching currents Iqi, Iq2. The outputs from PWM1 and PWM2 are respectively the switch control signals Sqi and Sq2.
PWM (PWM1 eller PWM2 ovenfor) er vist i detalj i fig. 8. PWM omfatter en rampesignalgenerator 120 som produserer et rampesignal. Rampesignalet adderes til svitsjestrømmen Iq i en adderingsanordning 122, for å oppnå slope-kompensasjon (slope compensation) og de adderte signaler gis inn til en komparator 124. Den andre inngangen av komparatoren 124 forsynes med styringsspenningen Vc. Komparatoren 124 produserer et resetsignal som forsynes til en resettingstermial R hos en flipp-flopp-anordning 126. Flipp-flopp-anordningen 122 omfatter videre en settingsterminal S som forsynes med et pulssignal generert av en pulssignalgenerator 128. Utgangen av flipp-flopp-anordningen 126 er et svitsjestyringssignal Sq som styrer av/på-tilstanden til svitsjen Q (svitsj Ql eller svitsj Q2 ovenfor). PWM (PWM1 or PWM2 above) is shown in detail in fig. 8. The PWM comprises a ramp signal generator 120 which produces a ramp signal. The ramp signal is added to the switching current Iq in an adding device 122, to achieve slope compensation (slope compensation) and the added signals are fed into a comparator 124. The second input of the comparator 124 is supplied with the control voltage Vc. The comparator 124 produces a reset signal which is supplied to a reset terminal R of a flip-flop device 126. The flip-flop device 122 further comprises a setting terminal S which is supplied with a pulse signal generated by a pulse signal generator 128. The output of the flip-flop device 126 is a switch control signal Sq that controls the on/off state of switch Q (switch Q1 or switch Q2 above).
I det følgende vil simuleringsresultatene vist i fig. 9-13 bli beskrevet for å illustrere det den foreliggende oppfinnelsen oppnår. Simuleringene viser forskjellene mellom bruk av en styringsanordnmg som ikke anvender første og andre svitsj estrømmer Iqi» Iq2 som input, og bruk av en styringskrets som anvender første og andre svitsjestrømmer Iq1} Iq2 som input. Simuleringsprogramvaren PSpice er anvendt for simuleringene. Fig. 9-11 viser simuleringen hvor et første inngangsspenningsnivå på 90 V AC anvendes. Utgangsspenningen er betraktet å være en DC-spenning på 400 V. Fig. 12 og 13 viser simuleringer hvor et andre inngangsspenningsnivå på 230 V AC anvendes. Den samme utgangsspenningen som ovenfor anvendes. Fig. 9 viser strømmen gjennom inngangsinduktoren L3 og viser en halvperiodisk sinuskurve hos inngangsspenningen med 50 Hz. Ekstremverdien er 30 A. Denne simuleringen er lik for konverterne som anvender styringskrets med og uten bruk av de første og andre svitsj estrømmene Iqi, Iq2 som input. Fig. 10 viser magnetiseringsstrømmen gjennom magnetiseringsinduktor Lm når den første og andre svitsjestrømmen Iqi, Iq2 ikke anvendes som input til styringskretsen. Resultatet er en magnetiseringsstrøm med en ekstremverdi på nær 6,0 A. Fig. 11 viser magnetiseringsstrømmen gjennom magnetiseringsinduktoren Lm når første og andre svitsjestrømmer Iqi, Iq2 anvendes som input til styringskretsen. Resultatet er en magnetiseringsstrøm med ekstremverdier mellom +0,5 A og -0,8 A, som er en betydelig reduksjon sammenlignet med flg. 10. Fig. 12 viser strømmen gjennom inngangsinduktoren L3 ved det andre spenningsnivået, som resulterer i en ekstremverdi på 12 A. Ved to punkter er inngangsstrømrippelen redusert til null, siden inngangsspenningen her er halvparten av utgangsspenningen. In the following, the simulation results shown in fig. 9-13 be described to illustrate what the present invention achieves. The simulations show the differences between using a control device that does not use first and second switching currents Iqi» Iq2 as input, and using a control circuit that uses first and second switching currents Iq1} Iq2 as input. The simulation software PSpice is used for the simulations. Fig. 9-11 shows the simulation where a first input voltage level of 90 V AC is used. The output voltage is considered to be a DC voltage of 400 V. Fig. 12 and 13 show simulations where a second input voltage level of 230 V AC is used. The same output voltage as above is used. Fig. 9 shows the current through the input inductor L3 and shows a half-periodic sine curve at the input voltage with 50 Hz. The extreme value is 30 A. This simulation is the same for the converters that use a control circuit with and without the use of the first and second switching currents Iqi, Iq2 as input. Fig. 10 shows the magnetization current through the magnetization inductor Lm when the first and second switching currents Iqi, Iq2 are not used as input to the control circuit. The result is a magnetizing current with an extreme value of close to 6.0 A. Fig. 11 shows the magnetizing current through the magnetizing inductor Lm when first and second switching currents Iqi, Iq2 are used as input to the control circuit. The result is a magnetizing current with extreme values between +0.5 A and -0.8 A, which is a significant reduction compared to Fig. 10. Fig. 12 shows the current through the input inductor L3 at the second voltage level, which results in an extreme value of 12 A. At two points, the input current ripple is reduced to zero, since the input voltage here is half the output voltage.
Det skal bemerkes at rippelkansellering er én fordel med TSSC boost-konverteren sammenlignet med en vanlig boost-konverter. Den samme inngangsrippelen kan mottas i en interleaved boost-konverter. Imidlertid kanselleres ikke den fysiske rippelstrømmen i interleaved boost-konverteren, siden hver av de parallelle boost-konverterne ikke har rippelkansellering. Det er kun summen som går til null ved halvparten av inngangsspenningen. Så, selv om inngangsstrømmen ser lik ut, er den virkelige rippelen svært ulik en TSSC-boost sammenlignet med to interleaved boost-konvertere. Dette vil påvirke en effektivitetssammenligning til å foretrekke TSSC-boost. Fig. 13 viser magnetiseringsstrømmen gjennom magnetiseringsinduktoren Lm når den første og andre svitsjestrømmen Iqi, Iq2 anvendes som input til styringskretsen. Det andre inngangsspenningsnivået anvendes. Resultatet er en magnetiseringsstrøm med ekstremverdier mellom +0,9 A og -1,1 A. Fig. 14 viser magnetiseringsstrømmen gjennom magnetiseringsinduktoren Lm når den første og andre svitsjestrøm Iqi, Iq2 ikke anvendes som input til styringskretsen. Igjen anvendes det andre inngangsspenningsnivået. Resultatet er en magnetiseringsstrøm med en ekstremverdi på nær 4,4 A. It should be noted that ripple cancellation is one advantage of the TSSC boost converter compared to a conventional boost converter. The same input ripple can be received in an interleaved boost converter. However, the physical ripple current in the interleaved boost converter is not canceled since each of the parallel boost converters does not have ripple cancellation. It is only the sum that goes to zero at half the input voltage. So, although the input current looks similar, the real ripple is very different from a TSSC boost compared to two interleaved boost converters. This will bias an efficiency comparison to favor TSSC boost. Fig. 13 shows the magnetizing current through the magnetizing inductor Lm when the first and second switching currents Iqi, Iq2 are used as input to the control circuit. The second input voltage level is used. The result is a magnetizing current with extreme values between +0.9 A and -1.1 A. Fig. 14 shows the magnetizing current through the magnetizing inductor Lm when the first and second switching currents Iqi, Iq2 are not used as input to the control circuit. Again, the second input voltage level is used. The result is a magnetizing current with an extreme value of close to 4.4 A.
Som det kan ses fra simuleringene ovenfor er konsekvensene at komponentene med mindre nominelle verdier kan anvendes uten risiko for metning, overoppheting, etc. Dette reduserer igjen kostnaden for kretsen. Videre er det ikke bare kostnaden som reduseres, risikoen for feil på grunn av utilbørlig varme eller utilbørlige strømmer eller spenninger elimineres. As can be seen from the simulations above, the consequences are that the components with smaller nominal values can be used without the risk of saturation, overheating, etc. This in turn reduces the cost of the circuit. Furthermore, not only is the cost reduced, the risk of failure due to undue heat or undue currents or voltages is eliminated.
Ytterligere modifikasjoner og variasjoner vil være nærliggende for en fagperson på området når han leser beskrivelsen ovenfor. Konverteren i beskrivelsen ovenfor er en boost-konverter, men oppfinnelsen kan også anvendes for andre typer konvertere som anvender TSSC. Det skal bemerkes at inngangsinduktoren L3 i en buck-konverterkonfigurasjon vil bli betraktet som en utgangsinduktor, noe som vil forstås av en fagperson på området. Further modifications and variations will be apparent to one skilled in the art upon reading the above description. The converter in the description above is a boost converter, but the invention can also be used for other types of converters that use TSSC. It should be noted that the input inductor L3 in a buck converter configuration would be considered an output inductor, as would be understood by one skilled in the art.
Det er selvfølgelig mulig å anvende en digital signalprosesseringsenhet (DSP) for å utføre fremgangsmåten i samsvar med oppfinnelsen, og styringsanordningen i samsvar med oppfinnelsen kan utformes som en DSP-enhet. It is of course possible to use a digital signal processing unit (DSP) to carry out the method in accordance with the invention, and the control device in accordance with the invention can be designed as a DSP unit.
Rammen av oppfinnelsen vil fremkomme fra de følgende krav og deres ekvivalenter. The scope of the invention will emerge from the following claims and their equivalents.
Claims (7)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
NO20053122A NO323385B1 (en) | 2005-06-24 | 2005-06-24 | Control method and device for inverters using a TSSC |
PCT/NO2006/000235 WO2006137744A1 (en) | 2005-06-24 | 2006-06-21 | Control method and device for a converter using a three-state switching cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
NO20053122A NO323385B1 (en) | 2005-06-24 | 2005-06-24 | Control method and device for inverters using a TSSC |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
NO20053122D0 NO20053122D0 (en) | 2005-06-24 |
NO20053122L NO20053122L (en) | 2006-12-27 |
NO323385B1 true NO323385B1 (en) | 2007-04-16 |
Family
ID=35295291
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
NO20053122A NO323385B1 (en) | 2005-06-24 | 2005-06-24 | Control method and device for inverters using a TSSC |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
NO (1) | NO323385B1 (en) |
WO (1) | WO2006137744A1 (en) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB201100219D0 (en) | 2011-01-07 | 2011-02-23 | Tdk Lambada Uk Ltd | Power factor correction device |
GB201105145D0 (en) | 2011-03-28 | 2011-05-11 | Tdk Lambda Uk Ltd | Controller |
EP2973974B1 (en) * | 2013-06-26 | 2020-05-13 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Dc-dc boost converter for photovoltaic applications based on the concept of the three-state switching cell |
EP2863528B1 (en) | 2013-10-16 | 2018-07-25 | Siemens Aktiengesellschaft | Operation of an inverter as a DC/DC-converter |
CN115039327A (en) | 2020-04-24 | 2022-09-09 | 华为数字能源技术有限公司 | Bridgeless single-phase PFC multi-level push-pull type power converter |
-
2005
- 2005-06-24 NO NO20053122A patent/NO323385B1/en not_active IP Right Cessation
-
2006
- 2006-06-21 WO PCT/NO2006/000235 patent/WO2006137744A1/en active Application Filing
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
NO20053122D0 (en) | 2005-06-24 |
WO2006137744A1 (en) | 2006-12-28 |
NO20053122L (en) | 2006-12-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7639520B1 (en) | Efficient power supply | |
US10256712B2 (en) | Current ripple sensing controller for a single-stage LED driver | |
US20120092905A1 (en) | Method and systems for converting power | |
EP2781011A1 (en) | Led power source with over-voltage protection | |
Siwakoti et al. | Power electronics converters—An overview | |
EP2975753B1 (en) | A three-level converter | |
US20230074022A1 (en) | Power converter topologies with power factor correction circuits controlled using adjustable deadtime | |
NO323385B1 (en) | Control method and device for inverters using a TSSC | |
KR101034263B1 (en) | DC-DC Convert for the Photovoltaic System | |
Ruan et al. | Isolated multiple-input DC/DC converter using alternative pulsating source as building cells | |
US20230208284A1 (en) | Systems and Methods of Unwanted Harmonic Content Removal for Power Conversion | |
Rajasekaran et al. | Implementation of an A-source DC–DC boost combination phase-shifting full-bridge converter for electric car rapid charging applications | |
RU2761179C2 (en) | Inverter with a direct alternating current bridge and an improved topology for converting direct current into alternating current | |
KR101609726B1 (en) | Control circuit of switching rectifier with high power factor | |
Tiwari et al. | An interleaved multilevel converter for onboard EV charging application | |
US20230071003A1 (en) | Power factor correction circuits controlled using adjustable deadtime | |
US20230076369A1 (en) | Unidirectional power converters with power factor correction circuits controlled using adjustable deadtime | |
Sathyaseelan et al. | Design and implementation of comprehensive converter | |
Ramesh et al. | Single phase AC-DC power factor corrected converter with high frequency isolation using buck converter | |
Singh et al. | Unity power factor operated PFC converter based power supply for computers | |
Cipriano da Silva Filho et al. | Family of single‐phase high‐frequency isolated AC–AC converters | |
Qu et al. | Current‐fed isolated PFC pre‐regulator for multiple LED lamps with extended lifetime | |
RU80075U1 (en) | POWER CORRECTOR | |
dos Santos et al. | Three‐phase bidirectional isolated LLC resonant DC‐DC converter for DC microgrid applications | |
Kalpana | High performance three-phase PFC rectifiers for telecom power supply |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM1K | Lapsed by not paying the annual fees |