Input and output total currents characterization in BCM and CCM Interleaved Power Converters Under Inductance Mismatch

This paper presents a complete characterization of input and output currents in interleaved power converters with inductance mismatch, operating in Boundary Conduction Mode (BCM) and Continuous Conduction Mode (CCM). The proposal allows to compute these currents in several interleaved converter topologies for the entire range of operating points, considering any number of phases and any inductance ratio. Input and output currents are recovered from the values obtained when adding the phase currents in the instants where the slopes change; values that are thus defined as key points. This methodology is based on the coincidences that exist between the instants of the phase current key points and those of total currents. By using the computed key points, ripple amplitude, rms value and harmonic content of input and output total currents for the entire range of operating points can be easily obtained. Simulations are conducted on a 5-phase boost converter and a 5-phase buck converter under different conditions in order to validate the proposal expressions. Experimental tests on a 5- phase buck converter are presented under different operation conditions to verify that the proposed method can be applied in real situation.Fil: Cervellini, María Paula. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica; ArgentinaFil: Carnaghi, Marco. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica; ArgentinaFil: Antoszczuk, Pablo Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica; ArgentinaFil: Garcia Retegui, Rogelio Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica; ArgentinaFil: Funes, Marcos Alan. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica; Argentin

Interleaved Boundary Conduction Mode Versus Continous Conduction Mode Magnetic Volume Comparison in Power Converters

Power converters operating in boundary conduction mode (BCM) can benefit from an efficiency increase compared to continuous conduction mode (CCM) based on the soft-switching transitions at turn-on and/or turn-off. However, for a given average inductor current, the RMS current in BCM converters becomes larger than in CCM converters, leading to an increase in conduction losses. Interleaving smaller BCM power converters overcome this drawback by reducing the total ripple current amplitude at the expense of an increase in complexity and in magnetic parts count. Nevertheless, as the magnetic devices are among the largest components in power converters, it is convenient to find the design conditions under which BCM or CCM could yield the smaller net volume. This paper proposes a method to estimate the volume ratio for magnetic parts, between single-phase CCM and multiple interleaved BCM power converters as a function of the number of phases, inductor loss, and switching frequency. The results obtained can be applied to boost, forward, and flyback dc-to-dc topologies.Fil: Antoszczuk, Pablo Daniel. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Electrónica. Laboratorio de Instrumentación y Control; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Garcia Retegui, Rogelio Adrian. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Electrónica. Laboratorio de Instrumentación y Control; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Uicich, Gustavo Cesar. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Electrónica. Laboratorio de Instrumentación y Control; Argentin

Digital Control for a Multiple-Stage Pulsed Current Source

Multiple-stage converters are composed of a set of structures with different voltage, current and switching frequency capabilities. In particular, in applications like particle accelerator beam deflection and focusing, the requirement is high-current high-precision current pulses generation. In order to satisfy the specifications of this application, a novel multiple-stage converter topology was proposed and presented in a previous work. However, said proposal should be complemented with a control system to perform the control of each structure, manage its global interconnection and execute the regulation loops. This work describes the implementation of the digital control developed for the proposed converter. Experimental results are presented by applying the proposed control to a prototype.Fil: Wassinger, Nicolás. Universidad Nacional de Mar del Plata; ArgentinaFil: Garcia Retegui, Rogelio Adrian. Universidad Nacional de Mar del Plata; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Funes, Marcos Alan. Universidad Nacional de Mar del Plata; ArgentinaFil: Benedetti, Mario. Universidad Nacional de Mar del Plata; Argentin

Open-Circuit Fault Identification Method for Interleaved Converters Based on Time-Domain Analysis of the State Observer Residual

Fault-tolerance capability is a critical matter in power conversion systems that require continuous operation. Multiphase converters provide an inherent redundancy that gives them fault-tolerant capability. In addition, the interleaved operation of these converters provides them with some advantages regarding total current ripple, which otherwise would be lost under a fault condition. This issue can be solved by means of an identification and reconfiguration system. This paper proposes a method for open-circuit fault identification, based on the time-domain comparison of the residual of a state-space observer with signatures per phase. Signature online generation, together with a proper normalization and thresholding strategy, provides immunity with respect to the operation point. The use of the phase information associated to the interleaved operation allows to reduce the number of sensed variables, making it possible to identify the faulty leg by only sensing input and output signals, which are conventionally used for control purposes. Hence, the measurement of signals within every leg is avoided. Experimental results on a four-phase interleaved buck converter validate the method capacity to identify faults in two switching periods. Robustness regarding abrupt changes in the operational conditions was tested.Fil: Wassinger, Nicolás. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica; ArgentinaFil: Penovi, Emiliano. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica; ArgentinaFil: Garcia Retegui, Rogelio Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica; ArgentinaFil: Maestri, Sebastian Oscar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica; Argentin

Optimized Switching Sequence for Multiphase Power Converters Under Inductance Mismatch

Multiphase power converters allow to reduce semiconductor stress and to improve total ripple characteristics, when compared to a single-phase converter. Semiconductor stress is reduced by dividing the total current among the N parallel-connected converters or phases. Furthermore, total ripple amplitude is reduced and its frequency increases to N times the switching frequency by interleaving each phase current ripple, which lessens the requirements on the total current filtering. These improvements, however, are detrimented mainly by mismatches among the phase inductors value, leading to different ripple amplitudes among phases. As a consequence, when compared to the ideal case, total ripple amplitude is increased, ripple cancellation points are lost, and switching frequency component and its N-1 harmonics are generated. This letter proposes a method to mitigate this problem by selecting the phase switching sequence, in converters operating in the continuous conduction mode, which minimizes the switching frequency component and its harmonics in the total ripple. The proposed method efficiently finds the proper switching sequence for any number of phases, by using a previously presented current ripple characterization as the objective function for the optimization procedure. Simulations validate the proposal and show the improvement, when compared to another strategy present in the literature, which uses the switching sequence modification principle.Fil: Antoszczuk, Pablo Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica.; ArgentinaFil: Cervellini, María Paula. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica.; ArgentinaFil: Garcia Retegui, Rogelio Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica.; ArgentinaFil: Funes, Marcos Alan. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica.; Argentin

Current ripple characterization in DCM interleaved power converters under inductance mismatch

This paper proposes a thorough methodology for the steady-state characterization of input and output current ripples in Discontinuous Conduction Mode (DCM) interleaved power converters, under inductance mismatch. The proposal analyses total ripple for any number of phases, any inductance ratio and operating point. Furthermore, calculation of amplitude, rms value and harmonic content of total input and output current ripples is presented. Experimental tests on a 5-phase boost converter are conducted under different conditions to verify the presented method.Fil: Cervellini, María Paula. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica; ArgentinaFil: Antoszczuk, Pablo Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica; ArgentinaFil: Garcia Retegui, Rogelio Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica; ArgentinaFil: Funes, Marcos Alan. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica; Argentin

Current Ripple Amplitude Measurement in Multiphase Power Converters

Improvements in the total current ripple in interleaved power converters are mainly determined by differences between the phase inductor values. Several methods have been presented in the literature to mitigate this problem, which requires the knowledge of the relative current ripple amplitude. However, in these methods, the measurement of such an amplitude is not addressed. This characteristic is difficult to measure because of the switching noise and the necessity to precisely locate the current waveforms peaks, despite the switches and drivers delay. Furthermore, the above-mentioned methods either perform the correction in real time or in a self-commissioning state. Therefore, it is necessary to implement the amplitude measurement in the same platform as the current control, which implies that the computational overhead should be minimized. This work presents a methodology for the measurement of the ratio among phase current ripple amplitudes in the frequency domain. The proposal allows us to precisely determine this characteristic, with a reduced sampling frequency and high noise immunity. Experimental tests on a four-phase buck converter validate the proposal.Fil: Cervellini, María Paula. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica.; ArgentinaFil: Antoszczuk, Pablo Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica.; ArgentinaFil: Garcia Retegui, Rogelio Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica.; ArgentinaFil: Funes, Marcos Alan. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica.; Argentin

Event-Based Control System Suitable for High-Precision Pulsed Current Source Applications with Improved Switching Behavior

This work presents a control system suitable for high-precision pulsed current sources. The proposed control system is based on the detection of events so as to define changes in the power converter state to produce the required current waveform with a good dynamic response. Additionally, this control system is designed to regulate the flat-top current with a well-defined precision. In order to mitigate the effect of the measurement noise, an estimation algorithm for the controlled current is incorporated. This algorithm generates a filtered version of the controlled variable without affecting the control dynamics. The use of the estimated current allows to improve the detection of the events and to avoid an increase in the number of commutations due to possible erratic comparisons. Then, the estimator gains are tuned by using genetic algorithm techniques to optimize the root-mean-square value for a typical pulse. Furthermore, in order to independently perform the required set of tasks, the proposed control system is implemented by using a digital platform based on a field-programmable gate array. Additionally, due to the demanding precision in these applications, different considerations regarding its implementation, such as the digital wordlength, binary point position, rounding method, and overflow behavior, have been taken into account. Experimental results obtained from the application of the proposed control system to a laboratory prototype are presented.Fil: Penovi, Emiliano. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica.; Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Electrónica. Laboratorio de Instrumentación y Control; ArgentinaFil: Maestri, Sebastian Oscar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica.; Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Electrónica. Laboratorio de Instrumentación y Control; ArgentinaFil: Garcia Retegui, Rogelio Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica.; Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Electrónica. Laboratorio de Instrumentación y Control; ArgentinaFil: Wassinger, Nicolás. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica.; Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Electrónica. Laboratorio de Instrumentación y Control; ArgentinaFil: Benedetti, Mario. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Científicas y Tecnológicas en Electrónica.; Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Electrónica. Laboratorio de Instrumentación y Control; Argentin

Optimized Implementation of a Current Control Algorithm for Multiphase Interleaved Power Converters

Multiphase converters have become an attractive alternative for high-current power converters due to their inherent reduction of semiconductor stress. Additionally, total current ripple frequency can be increased and its amplitude decreased by the phases ripple interleaving. These converters require a different number of phases and control specifications depending on the application. A wide range of applications imposes challenging requirements in the control algorithm and its implementation, such as digital platforms and resources optimization. A previous proposal presented a current control algorithm developed to provide a solution to the highly demanding constraints present in high-power applications, where short settling times are required when fast transients in the current reference or the load voltage are present. This work presents the implementation of the above-mentioned algorithm and its optimizations, aimed to obtain a modular and efficient design. The proposed implementation and system scalability are evaluated by means of an experimental setup.Fil: Antoszczuk, Pablo Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Electrónica. Laboratorio de Instrumentación y Control; ArgentinaFil: Garcia Retegui, Rogelio Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Electrónica. Laboratorio de Instrumentación y Control; ArgentinaFil: Funes, Marcos Alan. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Electrónica. Laboratorio de Instrumentación y Control; ArgentinaFil: Carrica, Daniel Oscar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Electrónica. Laboratorio de Instrumentación y Control; Argentin

Control System for a Pulsed Current Source based on Digital Hysteresis and Current Estimation

This work presents the implementation of a control system for a high-precision pulsed current source. The proposed control scheme employs a digital hysteresis to achieve a well-defined precision and a high dynamic response. The existence of measurement noise, comparable with the amplitude of the hysteresis bands, generates unwanted commutations that tend to increase the power losses in the semiconductors and to reduce overall system efficiency. As a solution, a current estimation algorithm is proposed. This estimator incorporates the semiconductors state information to improve the filtering capability without affecting the measurement dynamics. Experimental results validate the proposed control scheme.Fil: Penovi, Emiliano. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Electrónica. Laboratorio de Instrumentación y Control; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Maestri, Sebastian Oscar. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Electrónica. Laboratorio de Instrumentación y Control; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Garcia Retegui, Rogelio Adrian. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Electrónica. Laboratorio de Instrumentación y Control; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Wassinger, Nicolás. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Electrónica. Laboratorio de Instrumentación y Control; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Benedetti, Mario. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Electrónica. Laboratorio de Instrumentación y Control; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin