One-Quadrant Switched-Mode Power Converters

This article presents the main topics related to one-quadrant power converters. The basic topologies are analysed and a simple methodology to obtain the steady-state output-input voltage ratio is set out. A short discussion of different methods to control one-quadrant power converters is presented. Some of the reported derived topologies of one-quadrant power converters are also considered. Some topics related to one-quadrant power converters such as synchronous rectification, hard and soft commutation, and interleaved converters are discussed. Finally, a brief introduction to resonant converters is given.Comment: 25 pages, contribution to the 2014 CAS - CERN Accelerator School: Power Converters, Baden, Switzerland, 7-14 May 201

Design of LLC resonant converter with silicon carbide MOSFET switches and nonlinear adaptive sliding controller for brushless DC motor system

Introduction. The high voltage gain DC-DC converters are increasingly used in many power electronics application systems, due to their benefits of increased voltage output, reduced noise contents, uninterrupted power supply, and ensured system reliability. Most of the existing works are highly concentrated on developing the high voltage DC-DC converter and controller topologies for goal improving the steady state response of brushless DC motor driving system and also obtain the regulated voltage with increased power density and reduced harmonics, the LLC resonant DC-DC converter is implemented with the silicon carbide MOSFET switching devices Problem. Yet, it facing the major problems of increased switching loss, conduction loss, error outputs, time consumption, and reduced efficiency. Also the existing works are mainly concentrating on improving the voltage gain, regulation, and operating performance of the power system with reduced loss of factors by using the different types of converters and controlling techniques. The goal of this work is to obtain the improved voltage gain output with reduced loss factors and harmonic distortions. Method. Because, this type of converter has the ability to generate the high gain DC output voltage fed to the brushless DC motor with reduced harmonics and loss factors. Also, the nonlinear adaptive sliding controller is implemented to generate the controlling pulses for triggering the switching components properly. For this operation, the best gain parameters are selected based on the duty cycle, feedback DC voltage and current, and gain of silicon carbide MOSFET. By using this, the controlling signals are generated and given to the converter, which helps to control the brushless DC motor with steady state error. Practical value. The simulation results of the proposed LLC silicon carbide MOSFET incorporated with nonlinear adaptive sliding controller controlling scheme are validated and compared by using various evaluation indicators. Вступ. Високовольтні перетворювачі постійного струму з високим коефіцієнтом посилення напруги все частіше використовуються в багатьох прикладних системах силової електроніки через їх переваги, пов'язані з підвищеною вихідною напругою, зниженим рівнем шуму, безперебійним живленням і гарантованою надійністю системи. Більшість існуючих робіт значною мірою зосереджені на розробці топологій високовольтного перетворювача постійного струму і контролера з метою поліпшення усталеного відгуку системи приводу безщіткового двигуна постійного струму, а також отримання регульованої напруги з підвищеною щільністю потужності і зменшеними гармоніками; резонансний LLC-перетворювач постійного струму, реалізований на перемикаючих пристроях на основі польових МОП-транзисторах з карбіду кремнію. Проблема. Тим не менш, це стикається з основними проблемами, пов'язаними зі збільшенням втрат при перемиканні, втратами провідності, помилками на виході, витратами часу та зниженням ефективності. Крім того, існуючі роботи в основному зосереджені на покращенні коефіцієнта посилення напруги, регулювання та робочих характеристик енергосистеми із зменшенням факторів втрат за рахунок використання різних типів перетворювачів та методів управління. Метою роботи є отримання покращеного коефіцієнта посилення напруги зі зниженими коефіцієнтами втрат і гармонійних спотворень. Метод. Таким чином, цей тип перетворювача здатний генерувати вихідну постійну напругу з високим коефіцієнтом посилення, що подається на безщітковий двигун постійного струму, зі зменшеними коефіцієнтами гармонік та втрат. Крім того, реалізований нелінійний адаптивний ковзний регулятор для генерування керуючих імпульсів для належного спрацьовування перемикаючих компонентів. Для цієї операції вибираються найкращі параметри посилення на основі робочого циклу, постійної напруги та струму зворотного зв'язку, а також коефіцієнта посилення польового МОП-транзистора з карбіду кремнію. При цьому керуючі сигнали генеруються і передаються на перетворювач, який допомагає керувати безщітковим двигуном постійного струму з помилкою, що встановилася. Практична цінність. Результати моделювання запропонованого LLC-перетворювача на основі польових МОП-транзисторів з карбіду кремнію зі схемою управління нелінійним адаптивним ковзним регулятором перевіряються та порівнюються з використанням різних показників оцінки.&nbsp

Linearized large signal modeling, analysis, and control design of phase-controlled series-parallel resonant converters using state feedback

This paper proposes a linearized large signal state-space model for the fixed-frequency phase-controlled series-parallel resonant converter. The proposed model utilizes state feedback of the output filter inductor current to perform linearization. The model combines multiple-frequency and average state-space modeling techniques to generate an aggregate model with dc state variables that are relatively easier to control and slower than the fast resonant tank dynamics. The main objective of the linearized model is to provide a linear representation of the converter behavior under large signal variation which is suitable for faster simulation and large signal estimation/calculation of the converter state variables. The model also provides insight into converter dynamics as well as a simplified reduced order transfer function for PI closed-loop design. Experimental and simulation results from a detailed switched converter model are compared with the proposed state-space model output to verify its accuracy and robustness

Frequency-modulation control of a DC/DC current-source parallel-resonant converter

This paper proposes a frequency-modulation control scheme for a dc/dc current-source parallel-resonant converter with two possible configurations. The basic configuration comprises an external voltage loop, an internal current loop, and a frequency modulator: the voltage loop is responsible for regulating the output voltage, the current loop makes the system controllable and limits the input current, and the modulator provides robustness against variations in resonant component values. The enhanced configuration introduces the output inductor current as a feed-forward term and clearly improves the transient response to fast load changes. The theoretical design of these control schemes is performed systematically by first deriving their small-signal models and second using Bode diagram analysis. The actual performance of the proposed control schemes is experimentally validated by testing on a laboratory prototype.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Nonlinear implementable control of a dual active bridge series resonant converter

This paper presents a novel control strategy for a Dual Active Bridge Series Resonant Converter (DAB-SRC). The strategy seeks to ensure the stability of the converter over its entire dynamic range while enhances the transient response. Both properties allow the use of the converter in new applications where fast dynamics are required, surpassing the performance of existing feedback loops. Starting from the generalized averaged model of the converter, we propose a nonlinear control strategy by means of Lyapunov's stability theory. After that, we derive a series of modifications in order to implement the strategy in a microcontroller or a DSP, including a sensorless method to tackle the lack of measurements of certain variables and an adaptive control law to deal with uncertain parameters in the model. The strategy is evaluated in simulations and experiments, employing a commercial converter and comparing the results with other control policies

Development of modified sliding mode control of the LCC series-parallel resonant converter based on frequency variation

This paper discusses the elements of high frequency power supplies and high voltages which are used considerably in high voltage applications, for industrial applications, atmospheric pressure plasma processing, X-ray high voltage applications, electrostatic precipitation, etc. For this reason, the LCC criteria presents a reliable option incorporated in its topology, which makes upmost use of leakage inductance and convoluting capacitance to remove the negative effects of converter operation. These render it a viable choice in most power and energy applications. The LCC Series-Parallel Resonant Converter adopts the desirable properties of both the parallel and series resonant converter which include reduced peak currents, miniature variations in switching frequency and high efficiency. Sliding Mode Control (SMC) is a satisfactory robust control technique suitable for a specific array of nonlinear systems. Sliding mode approach is able to disregard certain anomalies and irregularities in converter topology. SMC in its form of control directs paths of signals onto a surface, commonly referred to as the sliding surface or hyperplane. The sliding surface or hyperplane, allows a control signal to direct trajectory points. In this paper, a current-mode control is adopted. The configuration of the sliding mode controller is robust amplitude modulated. The small-signal modelling analysis was done to equalize and mathematically derive the system parameters due to its non-linearities, verified through simulation and experimental results

On modeling and real-time simulation of a robust adaptive controller applied to a multicellular power converter

Introduction. This paper describes the simulation and the robustness assessment of a DC-DC power converter designed to interface a dual-battery conversion system. The adopted converter is a Buck unidirectional and non-isolated converter, composed of three cells interconnected in parallel and operating in continuous conduction mode. Purpose. In order to address the growing challenges of high switching frequencies, a more stable, efficient, and fixed-frequency-operating power system is desired. Originality. Conventional sliding mode controller suffers from high-frequency oscillation caused by practical limitations of system components and switching frequency variation. So, we have explored a soft-switching technology to deal with interface problems and switching losses, and we developed a procedure to choose the high-pass filter parameters in a sliding mode-controlled multicell converter. Methods. We suggest that the sliding mode is controlled by hysteresis bands as the excesses of the band. This delay in state exchanges gives a signal to control the switching frequency of the converter, which, in turn, produces a controlled trajectory. We are seeking an adaptive current control solution to address this issue and adapt a variable-bandwidth of the hysteresis modulation to mitigate nonlinearity in conventional sliding mode control, which struggles to set the switching frequency. Chatter problems are therefore avoided. A boundary layer-based control scheme allows multicell converters to operate with a fixed-switching-frequency. Practical value. Simulation studies in the MATLAB / Simulink environment are performed to analyze system performance and assess its robustness and stability. Thus, our converter is more efficient and able to cope with parametric variation.Вступ. У статті описується моделювання та оцінка надійності силового перетворювача постійного струму, призначеного для взаємодії із системою перетворення з двома батареями. Прийнятий перетворювач є односпрямованим і неізольованим перетворювачем Бака, що складається з трьох паралельно з’єднаних між собою осередків, що працюють в режимі безперервної провідності. Мета. Для вирішення проблем, пов’язаних з високими частотами перемикання, потрібна більш стабільна, ефективна система живлення з фіксованою частотою. Оригінальність. Звичайний регулятор ковзного режиму страждає від високочастотних коливань, викликаних практичними обмеженнями компонентів системи та зміною частоти перемикання. Отже, ми дослідили технологію м’якого перемикання для вирішення проблем інтерфейсу та комутаційних втрат, а також розробили процедуру вибору параметрів фільтра верхніх частот у багатоосередковому перетворювачі зі ковзним режимом. Методи. Ми припускаємо, що ковзний режим управляється смугами гістерезису як надлишками смуги. Ця затримка обміну станами дає сигнал управління частотою перемикання перетворювача, який, своєю чергою, створює керовану траєкторію. Ми шукаємо рішення для адаптивного керування струмом, щоб вирішити цю проблему і адаптувати гістерезисну модуляцію зі змінною смугою пропускання для пом’якшення нелінійності у звичайному ковзному режимі керування, яке щосили намагається встановити частоту перемикання. Таким чином вдається уникнути проблем із деренчанням. Схема керування на основі прикордонного шару дозволяє перетворювачам з кількома осередками працювати з фіксованою частотою перемикання. Практична цінність. Імітаційне моделювання у середовищі MATLAB/Simulink виконується для аналізу продуктивності системи та оцінки її надійності та стабільності. Таким чином, наш перетворювач ефективніший і здатний справлятися зі зміною параметрів

Dynamic modelling and control schemes for current-source resonant converters

Versió amb diverses seccions retallades, per drets de l'editorThis thesis focuses on the control methods applied to current source resonant converters, especially in two different applications of switching power supplies and wire-less power transfer systems. In fact, the existing applications are mostly working with voltage source resonant converters. For voltage-source resonant converters, many control strategies have been analyzed and investigated, turning this into a mature technology nowadays. The current-source resonant converter is an alternative solution as they offer well-known advantages such as non-pulsating input current, low stress for switches, simple driving circuitry, and short circuit protection capabilities. However, there is an obvious lack of control methods applicable to current-source resonant converters. In addition, obtaining an appropriate dynamic model to be used in control design is the other challenging issue in this field. Hence, the objectives of this thesis are used to fill these gaps. The proposed control schemes are: - Frequency modulation control scheme applied to a DC/DC current-source parallel resonant converter. - Sliding mode control scheme with amplitude modulation applied to a DC/DC current-source parallel resonant converter. - A control scheme for a multiple-output DC/DC current-source parallel resonant converter. - A communication-less control scheme for a variable air-gap wireless energy transfer system using a current-source resonant converter.Esta tesis doctoral está centrada en los métodos de control aplicados a los convertidores resonantes con fuente de corriente, especialmente en dos aplicaciones distintas como son fuentes de alimentación conmutadas y sistemas de transferencia de energía sin hilos. De hecho, las aplicaciones existentes trabajan principalmente con convertidores alimentados mediante fuentes de tensión. Para los convertidores resonantes con fuente de tensión, se han analizado muchas estrategias de control en la literatura, lo que hace hoy en día que esta sea una tecnología madura. El convertidor resonante con fuente de corriente es una solución alternativa, que ofrece ventajas conocidas como corriente de entrada no pulsante, baja tensión para interruptores, circuitos de conducción sencillos y capacidades de protección contra cortocircuitos. Sin embargo, existe una falta evidente de métodos de control aplicables a los convertidores resonantes con fuente de corriente. Además, otro desafío en este tema es la obtención de modelos dinámicos apropiados para el diseño del control. Por lo tanto, los objetivos de esta tesis se utilizan para llenar estos vacíos. Los esquemas de control propuestos son: - Esquema de control en frecuencia aplicado a un convertidor resonante paralelo con fuente de corriente para reguladores de tensión en continua - Esquema de control en modo de deslizamiento con modulación de amplitud aplicado a un convertidor resonante paralelo con fuente de corriente para reguladores de tensión en continua. - Esquema de control para un convertidor resonante paralelo con fuente de corriente para la regulación de tensión en continua de varias salidas. - Esquema de control sin comunicaciones para un sistema de transferencia de energía sin hilos con un transformador con entrehierro variable basado en un convertidor resonante con fuente de corriente.Postprint (published version

A simplified controller and detailed dynamics of constant off-time peak current control

A fast and reliable current control is often the base of power electronic converters. The traditional constant frequency peak control is unstable above 50 % duty ratio. In contrast, the constant off-time peak current control (COTCC) is unconditionally stable and fast, so it is worth analyzing it. Another feature of the COTCC is that one can combine a current control together with a current protection. The time dynamics show a zero-transient response, even when the inductor changes in a wide range. It can also be modeled as a special transfer function for all frequencies. The article shows also that it can be implemented in a simple analog circuit using a wide temperature range IC, such as the LM2903, which is compatible with PV conversion and automotive temperature range. Experiments are done using a 3 kW step-up converter. A drawback is still that the principle does not easily fit in usual digital controllers up to now

Nonlinear dynamic modeling and analysis of self-oscillating H-bridge parallel resonant converter under zero current switching control: unveiling coexistence of attractors

This paper deals with the global dynamical analysis of an H-bridge parallel resonant converter under a zero current switching control. Due to the discontinuity of the vector field in this system, sliding dynamics may take place. Here, the sliding set is found to be an escaping region. Different tools are combined for studying the stability of oscillations of the system. The desired crossing limit cycles are computed by solving their initial value problem and their stability analysis is performed using Floquet theory. The resulting monodromy matrix reveals that these cycles are created according to a smooth cyclic-fold bifurcation. Under parameter variation, an unstable symmetric crossing limit cycle undergoes a crossing-sliding bifurcation leading to the creation of a symmetric unstable sliding limit cycle. Finally, this limit cycle undergoes a double homoclinic connection giving rise to two different unstable asymmetric sliding limit cycles. The analysis is performed using a piecewise-smooth dynamical model of a Filippov type. Sliding limit cycles divide the state plane in three basins of attraction, and hence, different steady-state solutions may coexist which may lead the system to start-up problems. Numerical simulations corroborate the theoretical predictions, which have been experimentally validated.Postprint (author's final draft