Design of sigma-delta modulators for analog-to-digital conversion intensively using passive circuits

This thesis presents the analysis, design implementation and experimental evaluation of passiveactive discrete-time and continuous-time Sigma-Delta (ΣΔ) modulators (ΣΔMs) analog-todigital converters (ADCs). Two prototype circuits were manufactured. The first one, a discrete-time 2nd-order ΣΔM, was designed in a 130 nm CMOS technology. This prototype confirmed the validity of the ultra incomplete settling (UIS) concept used for implementing the passive integrators. This circuit, clocked at 100 MHz and consuming 298 μW, achieves DR/SNR/SNDR of 78.2/73.9/72.8 dB, respectively, for a signal bandwidth of 300 kHz. This results in a Walden FoMW of 139.3 fJ/conv.-step and Schreier FoMS of 168 dB. The final prototype circuit is a highly area and power efficient ΣΔM using a combination of a cascaded topology, a continuous-time RC loop filter and switched-capacitor feedback paths. The modulator requires only two low gain stages that are based on differential pairs. A systematic design methodology based on genetic algorithm, was used, which allowed decreasing the circuit’s sensitivity to the circuit components’ variations. This continuous-time, 2-1 MASH ΣΔM has been designed in a 65 nm CMOS technology and it occupies an area of just 0.027 mm2. Measurement results show that this modulator achieves a peak SNR/SNDR of 76/72.2 dB and DR of 77dB for an input signal bandwidth of 10 MHz, while dissipating 1.57 mW from a 1 V power supply voltage. The ΣΔM achieves a Walden FoMW of 23.6 fJ/level and a Schreier FoMS of 175 dB. The innovations proposed in this circuit result, both, in the reduction of the power consumption and of the chip size. To the best of the author’s knowledge the circuit achieves the lowest Walden FOMW for ΣΔMs operating at signal bandwidth from 5 MHz to 50 MHz reported to date

Analysis of the aliasing effect caused in hardware-in-the-loop when reading PWM inputs of power converters

Hardware-in-the-loop (HIL) systems are commonly used to debug controllers in closed-loop operation. Therefore, the frequency response of the emulated subsystem is of special relevance. Undesirable oscillations can appear as a consequence of digitally sampling the switch control signals in power converter HIL models. These oscillations at relatively low frequencies, below the switching frequency, may confound the closed-loop operation and, therefore, the appropriate debugging of the controller. This paper shows that the lost information when an HIL model reads a PWM signal may create some output offset error or steady-state fluctuations, especially when the switching period and the sampling step get closer. The aliasing frequencies produced by the input sampling are calculated, and the small-signal analysis explains the relation between the output oscillation and the input PWM sub-harmonics. The output error spectrum proves that the main error sub-harmonics have the same aliasing frequency components. Both captured oscilloscope results obtained by an NI myRIO device and MATLAB simulations verify that significant distortions can be seen in the output inductor current if there is a low aliasing frequency in the digital version of the input PWM signal read by the HIL mode

Oversampled analog-to-digital converter architectures based on pulse frequency modulation

Mención Internacional en el título de doctorThe purpose of this research work is providing new insights in the development of voltage-controlled oscillator based analog-to-digital converters (VCO-based ADCs). Time-encoding based ADCs have become of great interest to the designer community due to the possibility of implementing mostly digital circuits, which are well suited for current deep-submicron CMOS processes. Within this topic, VCO-based ADCs are one of the most promising candidates. VCO-based ADCs have typically been analyzed considering the output phase of the oscillator as a state variable, similar to the state variables considered in __ modulation loops. Although this assumption might take us to functional designs (as verified by literature), it does not take into account neither the oscillation parameters of the VCO nor the deterministic nature of quantization noise. To overcome this issue, we propose an interpretation of these type of systems based on the pulse frequency modulation (PFM) theory. This permits us to analytically calculate the quantization noise, in terms of the working parameters of the system. We also propose a linear model that applies to VCO-based systems. Thanks to it, we can determine the different error processes involved in the digitization of the input data, and the performance limitations which these processes direct to. A generic model for any order open-loop VCO-based ADCs is made based on the PFM theory. However, we will see that only the first-order case and a second order approximation can be implemented in practice. The PFM theory also allows us to propose novel approaches to both single-stage and multistage VCObased architectures. We describe open-loop architectures such as VCO-based architectures with digital precoding, PFM-based architectures that can be used as efficient ADCs or MASH architectures with optimal noise-transfer-function (NTF) zeros. We also make a first approach to the proposal and analysis of closed loop architectures. At the same time, we deal with one of the main limitations of VCOs (especially those built with ring oscillators), which is the non-linear voltage to- frequency relation. In this document, we describe two techniques mitigate this phenomenon. Firstly, we propose to use a pulse width modulator in front of the VCO. This way, there are only two possible oscillation states. Consequently, the oscillator works linearly. To validate the proposed technique, an experimental prototype was implemented in a 40-nm CMOS process. The chip showed noise problems that degraded the expected resolution, but allowed us to verify that the potential performance was close to the expected one. A potential signal-to-noise-distortion ratio (SNDR) equal to 56 dB was achieved in 20 MHz bandwidth, consuming 2.15 mW with an occupied area equal to 0.03 mm2. In comparison to other equivalent systems, the proposed architecture is simpler, while keeping similar power consumption and linearity properties. Secondly, we used a pulse frequency modulator to implement a second ADC. The proposed architecture is intrinsically linear and uses a digital delay line to increase the resolution of the converter. One experimental prototype was implemented in a 40-nm CMOS process using one of these architectures. Proper results were measured from this prototype. These results allowed us to verify that the PFM-based architecture could be used as an efficient ADC. The measured peak SNDR was equal to 53 dB in 20 MHz bandwidth, consuming 3.5 mW with an occupied area equal to 0.08 mm2. The architecture shows a great linearity, and in comparison to related work, it consumes less power and occupies similar area. In general, the theoretical analyses and the architectures proposed in the document are not restricted to any application. Nevertheless, in the case of the experimental chips, the specifications required for these converters were linked to communication applications (e.g. VDSL, VDSL2, or even G.fast), which means medium resolution (9-10 bits), high bandwidth (20 MHz), low power and low area.El propósito del trabajo presentado en este documento es aportar una nueva perspectiva para el diseño de convertidores analógico-digitales basados en osciladores controlados por tensión. Los convertidores analógico-digitales con codificación temporal han llamado la atención durante los últimos años de la comunidad de diseñadores debido a la posibilidad de implementarlos en su gran mayoría con circuitos digitales, los cuales son muy apropiados para los procesos de diseño manométricos. En este ámbito, los convertidores analógico-digitales basados en osciladores controlados por tensión son uno de los candidatos más prometedores. Los convertidores analógico-digitales basados en osciladores controlados por tensión han sido típicamente analizados considerando que la fase del oscilador es una variable de estado similar a las que se observan en los moduladores __. Aunque esta consideración puede llevarnos a diseños funcionales (como se puede apreciar en muchos artículos de la literatura), en ella no se tiene en cuenta ni los parámetros de oscilación ni la naturaleza determinística del ruido de cuantificación. Para solventar esta cuestión, en este documento se propone una interpretación alternativa de este tipo de sistemas haciendo uso de la teoría de la modulación por frecuencia de pulsos. Esto nos permite calcular de forma analítica las ecuaciones que modelan el ruido de cuantificación en función de los parámetros de oscilación. Se propone también un modelo lineal para el análisis de convertidores analógico-digitales basados en osciladores controlados por tensión. Este modelo permite determinar las diferentes fuentes de error que se producen durante el proceso de digitalización de los datos de entrada y las limitaciones que suponen. Un modelo genérico de convertidor de cualquier orden se propone con la ayuda de este modelo. Sin embargo, solo los casos de primer orden y una aproximación al caso de segundo orden se pueden implementar en la práctica. La teoría de la modulación por frecuencia de pulsos también permite nuevas perspectivas para la propuesta y el análisis tanto de arquitecturas de una sola etapa como de arquitecturas de varias etapas construidas con osciladores controlados por tensión. Se proponen y se describen arquitecturas en lazo abierto como son las basadas en osciladores controlador por tensión con moduladores digitales en la etapa de entrada, moduladores por frecuencia de pulsos que se utilizan como convertidores analógico-digitales eficientes o arquitecturas en cascada en las que se optimizan la distribución de los ceros en la función de transferencia del ruido. También se realiza una aproximación a la propuesta y el análisis de arquitecturas en lazo cerrado. Al mismo tiempo, se aborda una de las problemáticas más importantes de los osciladores controlados por tensión (especialmente en aquellos implementados mediante osciladores en anillo): la relación tensión-freculineal que presentan este tipo de circuitos. En el documento, se describen dos técnicas cuyo objetivo es mitigar esta limitación. La primera técnica de corrección se basa en el uso de un modulador por ancho de pulsos antes del oscilador controlado por tensión. De esta forma, solo existen dos estados de oscilación en el oscilador, se trabaja de forma lineal y no se genera distorsión en los datos de salida. La técnica se propone de forma teórica haciendo uso de la teoría desarrollada previamente. Para llevar a cabo la validación de la propuesta teórica se fabricó un prototipo experimental en un proceso CMOS de 40-nm. El chip mostró problemas de ruido que limitaban la resolución, sin embargo, nos permitió velicar que la resolución ideal que se podrá haber obtenido estaba muy cercana a la resolución esperada. Se obtuvo una potencial relación señal-(ruido-distorsión) igual a 56 dB en 20 MHz de ancho de banda, un consumo de 2.15 mW y un área igual a 0.03 mm2. En comparación con sistemas equivalentes, la arquitectura propuesta es más simple al mismo tiempo que se mantiene el consumo así como la linealidad. A continuación, se propone la implementación de un convertidor analógico digital mediante un modulador por frecuencia de pulsos. La arquitectura propuesta es intrínsecamente lineal y hace uso de una línea de retraso digital con el fin de mejorar la resolución del convertidor. Como parte del trabajo experimental, se fabricó otro chip en tecnología CMOS de 40 nm con dicha arquitectura, de la que se obtuvieron resultados notables. Estos resultados permitieron verificar que la arquitectura propuesta, en efecto, podrá emplearse como convertidor analógico-digital eficiente. La arquitectura consigue una relación real señal-(ruido-distorsión) igual a 53 dB en 20 MHz de ancho de banda, un consumo de 3.5 mW y un área igual a 0.08 mm2. Se obtiene una gran linealidad y, en comparación con arquitecturas equivalentes, el consumo es menor mientras que el área ocupada se mantiene similar. En general, las aportaciones propuestas en este documento se pueden aplicar a cualquier tipo de aplicación, independientemente de los requisitos de resolución, ancho de banda, consumo u área. Sin embargo, en el caso de los prototipos fabricados, las especificaciones se relacionan con el ámbito de las comunicaciones (VDSL, VDSL2, o incluso G.fast), en donde se requiere una resolución media (9-10 bits), alto ancho de banda (20 MHz), manteniendo bajo consumo y baja área ocupada.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Michael Peter Kennedy.- Secretario: Antonio Jesús López Martín.- Vocal: Jörg Hauptman

Multi-Stage Noise-Shaping Continuous-Time Sigma-Delta Modulator

The design of a single-loop continuous-time ∑∆ modulator (CT∑∆M) with high resolution, wide bandwidth, and low power consumption is very challenging. The multi-stage noise-shaping (MASH) CT∑∆M architecture is identified as an advancement to the single-loop CT∑∆M architecture in order to satisfy the ever stringent requirements of next generation wireless systems. However, it suffers from the problems of quantization noise leakage and non-ideal interstage interfacing which hinder its widespread adoption. To solve these issues, this dissertation proposes a MASH CT∑∆M with on-chip RC time constant calibration circuits, multiple feedforward interstage paths, and a fully integrated noise cancellation filter (NCF). The prototype core modulator architecture is a cascade of two single-loop second- order CT∑∆M stages, each of which consists of an integrator-based active-RC loop filter, current-steering feedback digital-to-analog converters, and a four-bit flash quantizer. On-chip RC time constant calibration circuits and high gain multi-stage operational amplifiers are realized to mitigate quantization noise leakage due to process variation. Multiple feedforward interstage paths are introduced to (i) synthesize a fourth-order noise transfer function with DC zeros, (ii) simplify the design of NCF, and (iii) reduce signal swings at the second-stage integrator outputs. Fully integrated in 40 nm CMOS, the prototype chip achieves 74.4 dB of signal-to-noise and distortion ratio (SNDR), 75.8 dB of signal-to-noise ratio, and 76.8 dB of dynamic range in 50.3 MHz of bandwidth (BW) at 1 GHz of sampling frequency with 43.0 mW of power consumption (P). It does not require external software calibration and possesses minimal out-of-band signal transfer function peaking. The figure-of-merit (FOM), defined as FOM = SNDR + 10 log10(BW/P), is 165.1 dB

Linearization of Time-encoded ADCs Architectures for Smart MEMS Sensors in Low Power CMOS Technology

Mención Internacional en el título de doctorIn the last few years, the development of mobile technologies and machine learning applications has increased the demand of MEMS-based digital microphones. Mobile devices have several microphones enabling noise canceling, acoustic beamforming and speech recognition. With the development of machine learning applications the interest to integrate sensors with neural networks has increased. This has driven the interest to develop digital microphones in nanometer CMOS nodes where the microphone analog-front end and digital processing, potentially including neural networks, is integrated on the same chip. Traditionally, analog-to-digital converters (ADCs) in digital microphones have been implemented using high order Sigma-Delta modulators. The most common technique to implement these high order Sigma-Selta modulators is switchedcapacitor CMOS circuits. Recently, to reduce power consumption and make them more suitable for tasks that require always-on operation, such as keyword recognition, switched-capacitor circuits have been improved using inverter-based operational amplifier integrators. Alternatively, switched-capacitor based Sigma- Delta modulators have been replaced by continuous time Sigma-Delta converters. Nevertheless, in both implementations the input signal is voltage encoded across the modulator, making the integration in smaller CMOS nodes more challenging due to the reduced voltage supply. An alternative technique consists on encoding the input signal on time (or frequency) instead of voltage. This is what time-encoded converters do. Lately, time-encoding converters have gained popularity as they are more suitable to nanometer CMOS nodes than Sigma-Delta converters. Among the ones that have drawn more interest we find voltage-controlled oscillator based ADCs (VCOADCs). VCO-ADCs can be implemented using CMOS inverter based ring oscillators (RO) and digital circuitry. They also show noise-shaping properties. This makes them a very interesting alternative for implementation of ADCs in nanometer CMOS nodes. Nevertheless, two main circuit impairments are present in VCO-ADCs, and both come from the oscillator non-idealities. The first of them is the oscillator phase noise, that reduces the resolution of the ADC. The second is the non-linear tuning curve of the oscillator, that results in harmonic distortion at medium to high input amplitudes. In this thesis we analyze the use of time encoding ADCs for MEMS microphones with special focus on ring oscillator based ADCs (RO-ADCs). Firstly, we study the use of a dual-slope based SAR noise shaped quantizer (SAR-NSQ) in sigma-delta loops. This quantizer adds and extra level of noise-shaping to the modulator, improving the resolution. The quantizer is explained, and equations for the noise transfer function (NTF) of a third order sigma-delta using a second order filter and the NSQ are presented. Secondly, we move our attention to the topic of RO-ADCs. We present a high dynamic range MEMS microphone 130nm CMOS chip based on an open-loop VCO-ADC. This dissertation shows the implementation of the analog front-end that includes the oscillator and the MEMS interface, with a focus on achieving low power consumption with low noise and a high dynamic range. The digital circuitry is left to be explained by the coauthor of the chip in his dissertation. The chip achieves a 80dBA peak SNDR and 108dB dynamic range with a THD of 1.5% at 128 dBSPL with a power consumption of 438μW. After that, we analyze the use of a frequency-dependent-resistor (FDR) to implement an unsampled feedback loop around the oscillator. The objective is to reduce distortion. Additionally phase noise mitigation is achieved. A first topology including an operational amplifier to increase the loop gain is analyzed. The design is silicon proven in a 130 nm CMOS chip that achieves a 84 dBA peak SNDR with an analog power consumption of 600μW. A second topology without the operational amplifier is also analyzed. Two chips are designed with this topology. The first chip in 130 nm CMOS is a full VCO-ADC including the frequencyto- digital converter (F2D). This chip achieves a peak SNDR of 76.6 dBA with a power consumption of 482μW. The second chip includes only the oscillator and is implemented in 55nm CMOS. The peak SNDR is 78.15 dBA and the analog power consumption is 153μW. To finish this thesis, two circuits that use an FDR with a ring oscillator are presented. The first is a capacity-to-digital converter (CDC). The second is a filter made with an FDR and an oscillator intended for voice activity detection tasks (VAD).En los últimos años, el desarrollo de las tecnologías móviles y las aplicaciones de machine-learning han aumentado la demanda de micrófonos digitales basados en MEMS. Los dipositivos móviles tienen varios micrófonos que permiten la cancelación de ruido, el beamforming o conformación de haces y el reconocimiento de voz. Con el desarrollo de aplicaciones de aprendizaje automático, el interés por integrar sensores con redes neuronales ha aumentado. Esto ha impulsado el interés por desarrollar micrófonos digitales en nodos CMOS nanométricos donde el front-end analógico y el procesamiento digital del micrófono, que puede incluir redes neuronales, está integrado en el mismo chip. Tradicionalmente, los convertidores analógicos-digitales (ADC) en micrófonos digitales han sido implementados utilizando moduladores Sigma-Delta de orden elevado. La técnica más común para implementar estos moduladores Sigma- Delta es el uso de circuitos CMOS de capacidades conmutadas. Recientemente, para reducir el consumo de potencia y hacerlos más adecuados para las tareas que requieren una operación continua, como el reconocimiento de palabras clave, los convertidores Sigma-Delta de capacidades conmutadas has sido mejorados con el uso de integradores implementados con amplificadores operacionales basados en inversores CMOS. Alternativamente, los Sigma-Delta de capacidades conmutadas han sido reemplazados por moduladores en tiempo continuo. No obstante, en ambas implementaciones, la señal de entrada es codificada en voltaje durante el proceso de conversión, lo que hace que la integración en nodos CMOS más pequeños sea complicada debido a la menor tensión de alimentación. Una técnica alternativa consiste en codificar la señal de entrada en tiempo (o frecuencia) en lugar de tensión. Esto es lo que hacen los convertidores de codificación temporal. Recientemente, los convertidores de codificación temporal han ganado popularidad ya que son más adecuados para nodos CMOS nanométricos que los convertidores Sigma-Delta. Entre los que más interés han despertado encontramos los ADCs basados en osciladores controlados por tensión (VCO-ADC). Los VCO-ADC se pueden implementar usando osciladores en anillo (RO) implementados con inversores CMOS y circuitos digitales. Esta familia de convertidores también tiene conformado de ruido. Esto los convierte en una alternativa muy interesante para la implementación de convertidores en nodos CMOS nanométricos. Sin embargo, dos problemas principales están presentes en este tipo de ADCs debidos ambos a las no idealidades del oscilador. El primero de los problemas es la presencia de ruido de fase en el oscilador, lo que reduce la resolución del ADC. El segundo es la curva de conversion voltaje-frecuencia no lineal del oscilador, lo que causa distorsión a amplitudes medias y altas. En esta tesis analizamos el uso de ADCs de codificación temporal para micrófonos MEMS, con especial interés en ADCS basados en osciladores de anillo (RO-ADC). En primer lugar, estudiamos el uso de un cuantificador SAR con conformado de ruido (SAR-NSQ) en moduladores Sigma-Delta. Este cuantificador agrega un orden adicional de conformado de ruido al modulador, mejorando la resolución. En este documento se explica el cuantificador y obtienen las ecuaciones para la función de transferencia de ruido (NTF) de un sigma-delta de tercer orden usando un filtro de segundo orden y el NSQ. En segundo lugar, dirigimos nuestra atención al tema de los RO-ADC. Presentamos el chip de un micrófono MEMS de alto rango dinámico en CMOS de 130 nm basado en un VCO-ADC de bucle abierto. En esta tesis se explica la implementación del front-end analógico que incluye el oscilador y la interfaz con el MEMS. Esta implementación se ha llevado a cabo con el objetivo de lograr un bajo consumo de potencia, un bajo nivel de ruido y un alto rango dinámico. La descripción del back-end digital se deja para la tesis del couator del chip. La SNDR de pico del chip es de 80dBA y el rango dinámico de 108dB con una THD de 1,5% a 128 dBSPL y un consumo de potencia de 438μW. Finalmente, se analiza el uso de una resistencia dependiente de frecuencia (FDR) para implementar un bucle de realimentación no muestreado alrededor del oscilador. El objetivo es reducir la distorsión. Además, también se logra la mitigación del ruido de fase del oscilador. Se analyza una primera topologia de realimentación incluyendo un amplificador operacional para incrementar la ganancia de bucle. Este diseño se prueba en silicio en un chip CMOS de 130nm que logra un pico de SNDR de 84 dBA con un consumo de potencia de 600μW en la parte analógica. Seguidamente, se analiza una segunda topología sin el amplificador operacional. Se fabrican y miden dos chips diseñados con esta topologia. El primero de ellos en CMOS de 130 nm es un VCO-ADC completo que incluye el convertidor de frecuencia a digital (F2D). Este chip alcanza un pico SNDR de 76,6 dBA con un consumo de potencia de 482μW. El segundo incluye solo el oscilador y está implementado en CMOS de 55nm. El pico SNDR es 78.15 dBA y el el consumo de potencia analógica es de 153μW. Para cerrar esta tesis, se presentan dos circuitos que usan la FDR con un oscilador en anillo. El primero es un convertidor de capacidad a digital (CDC). El segundo es un filtro realizado con una FDR y un oscilador, enfocado a tareas de detección de voz (VAD).Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Antonio Jesús Torralba Silgado.- Secretaria: María Luisa López Vallejo.- Vocal: Pieter Rombout

Eingangsadmittanz-Modellierung und passivitätsbasierte Stabilisierung von digital-stromgeregelten, netzgebundenen Umrichtern

Due to the ever increasing number of renewable energy systems in the electrical power grid, the application of power electronic-based circuits is gaining more and more importance. It has however been known for a while that interactions of one or multiple converters with resonances in the grid can lead to poorly damped oscillations, and thus, may threaten the stability of parts of the power system. The passivity theory has proven to be particularly powerful in preventing such situations. Accordingly, the stability of the power grid can be guaranteed by design if all components act passive. This means that all active loads and energy feeding converters have an input admittance with a non-negative real part. This can theoretically be achieved using passive or active damping strategies, but most research neglects real-world effects, which arise from the sampling of high-frequency switching harmonics. The aim of this dissertation is therefore to review the complete modeling and analysis of digitally current-controlled grid-connected converters and to extend the controller as well as filter design. On the basis of typical single-input single-output models of the converter’s input admittance, methods for the design of a passive damping or an active feed-forward are proposed and it is discussed which aspects have to be considered when implementing the filters. However, since the used models cannot reproduce all alias effects, in the further part of the thesis a multiple-input multiple-output converter model is developed. It is shown that the mirroring of high-frequency signal components onto low-frequency components can in principle be described by a dynamic uncertainty that affects the behavior of the converters' baseband dynamics. Due to this new insight it becomes clear which criteria passive or active filters should fulfill in order to specifically counteract the often negative mirroring effects of digital control. Finally, it is demonstrated that a robust passivation of the converter input admittance can prevent a destabilization of the power system by harmonics for a large number of grid impedances. The presented theory and the developed controller design are illustrated and verified by various simulations of an exemplary converter system.Aufgrund der immer größer werdenden Anzahl von erneuerbaren Energieanlagen im elektrischen Energieversorgungsnetz gewinnt der Einsatz von leistungselektronischen Schaltungen immer mehr an Bedeutung. Es ist jedoch seit längerem bekannt, dass Wechselwirkungen von einem oder mehreren Umrichtern mit Resonanzen im Netz zu schlecht gedämpften Schwingungen führen und damit die Stabilität von Teilen des Energienetzes gefährden können. Die Passivitätstheorie hat sich als besonders wirkungsvoll erwiesen, um solche Situationen zu verhindern. Demnach kann die Stabilität des Stromnetzes bereits in der Designphase gewährleistet werden, indem alle Komponenten passiv wirken. Das bedeutet, dass alle aktiven Verbraucher und einspeisenden Umrichter eine Eingangsadmittanz mit nicht negativem Realteil besitzen. Dies ist theoretisch mit Hilfe von passiven oder aktiven Dämpfungsstrategien zu erreichen. Die meisten Forschungsarbeiten vernachlässigen jedoch reale Effekte, die bei der Abtastung von hochfrequenten Harmonischen entstehen. Ziel dieser Dissertation ist es daher, den kompletten Modellierungs-, Analyse- und Regler- sowie Filterentwurfsprozess von digital-stromgeregelten, netzgebundenen Umrichtern zu überprüfen und zu erweitern. Auf der Basis typischer Eingrößenmodelle der Umrichter-Eingangsadmittanz werden Verfahren für die Auslegung einer passiven Dämpfung bzw. einer aktiven Vorsteuerung vorgeschlagen und es wird diskutiert, welche Aspekte bei der Implementierung der Filter zu berücksichtigen sind. Da sich mit den Modellen jedoch nicht alle Alias-Effekte abbilden lassen, wird im weiteren Teil der Arbeit ein Mehrgrößen-Umrichtermodell entwickelt. Es zeigt sich, dass die Spiegelung hochfrequenter Signalanteile auf niederfrequente Anteile prinzipiell durch eine dynamische Unsicherheit beschrieben werden kann, die das Grundfrequenzverhalten der Umrichter beeinflusst. Dank dieser neuen Erkenntnisse wird deutlich, welche Kriterien passive oder aktive Filter erfüllen sollten, um den oft negativen Spiegeleffekten der digitalen Regelung gezielt entgegenzuwirken. Es wird demonstriert, dass eine robuste Passivierung der Umrichter-Eingangsadmittanz eine Destabilisierung des Energienetzes durch Harmonische für eine Vielzahl von Netzimpedanzen verhindern kann. Die vorgestellte Theorie und der erarbeitete Reglerentwurf werden anhand diverser Simulationen eines beispielhaften Umrichtersystems verdeutlicht und validiert

Digital Current Controller with Error-Free Feedback Acquisition and Active Resistance

Digital current controllers have the key impact on the performance of grid-side converters and ac drives. The voltage disturbances are commonly suppressed by enhancing the controller with an inner active resistance feedback. In cases where the switching noise and parasitic oscillations introduce sampling errors, conventional sampling is replaced by the oversampling-based error-free feedback acquisition which derives the average of the measured currents over the past switching period. The time delay introduced into the feedback path creates difficulties in designing the current controller with the active resistance. In this paper, we introduce a novel structure of the current controller which includes the error-free sampling and the active resistance feedback. Devised structure improves the disturbance rejection by extending the range of permissible values of the active resistance. Controller structure is based on the internal model principles and it maintains the input step response unaffected. The paper comprises analytical design, the gain setting procedure, computer simulation and experimental results obtained from an experimental setup with a three-phase inverter, digital controller, and a permanent magnet synchronous motor

Design and Control of Power Converters 2019

In this book, 20 papers focused on different fields of power electronics are gathered. Approximately half of the papers are focused on different control issues and techniques, ranging from the computer-aided design of digital compensators to more specific approaches such as fuzzy or sliding control techniques. The rest of the papers are focused on the design of novel topologies. The fields in which these controls and topologies are applied are varied: MMCs, photovoltaic systems, supercapacitors and traction systems, LEDs, wireless power transfer, etc