Metody sterowania integracyjnego tranzystorowych falowników napięcia klasy D z szeregowym obwodem rezonansowym

• Autorzy: Matysik J.
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Niniejsza rozprawa poświęcona jest wybranym metodom sterowania integracyjnego tranzystorowych falowników napięcia klasy D z szeregowym obwodem rezonansowym, pracujących jako przekształtniki typu DC/DC oraz DC/AC. Jako cel nadrzędny przyjęto warunek miękkiego przełączania zaworów (ZCS - Zero Current Switching) w pełnym zakresie regulacji, przy jednoczesnym zachowaniu ciągłości przepływu prądu w obwodzie rezonansowym. Skoncentrowano się na następujących metodach: - metoda bazująca na sterowaniu sygnałem będącym kombinacją sygnału o częstotliwości rezonansowej i jej subharmonicznych (SIC - Subharmonic Integration Control), - metoda modulacji gęstości impulsów zwarć przekątnej mostka na przeciąg czasu odpowiadający pojedynczej półfali prądowej (SWIPDM - Semi Wave Integral Pulse Density Modu- lation). Poza zagadnieniami teoretycznymi przedstawiono w pracy wyniki badań eksperymentalnych i symulacyjnych. Do najważniejszych osiągnięć uzyskanych w pracy należy zdaniem autora zaliczyć: - przeprowadzenie analizy i syntezy przetwornic tranzystorowych DC/DC i DC/AC sterowanych sygnałami o częstotliwościach będących subharmonicznymi częstotliwości rezonansowej. Najistotniejszymi wynikami tych prac było określenie efektów regulacji w zależności od rzędu subharmonicznej, wykazanie ścisłej zależności między charakterem pracy falownika jako źródłem prądu lub napięcia a parzystością subharmonicznej oraz wyznaczenie obszarów regulacji z prądem ciągłym, - opracowanie systemów sterowania opartych na metodzie funkcji stanu z bieżącą kontrolą 3 zmiennych charakteryzujących jednoznacznie stan obwodu rezonansowego (znak prądu, stan wy sterowania zaworów, stan przekroczenia wartości zadanej prądu). Zaproponowano dwa algorytmy sterowania dla metody SIC oraz jeden dla metody SWJPDM, - przedstawienie analizy właściwości regulacyjnych falowników tranzystorowych sterowanych przy użyciu metod integracyjnych opartych na teońi wartości i sekwencji przyrostów prądowych.

EN

The monograph is concerned with selected methods of integration control for class D transistor voltage source inverters with a series resonant circuit used as DC/AC and DC/DC converters. The main goal was to allow soft switching conditions (ZCS - zero current switching) in the full control range with simultaneous continuous current in the resonant circuit. The main focus of the work is based on the following methods: - integration control by the signal being the combination of resonant frequency and its subharmonics (SIC - Subharmonic Integration Control), - modulation of the density of the pulses shorting the diagonal of the bridge for a time of one current half-wave (SWIPDM - Semi Wave Integral Pulse Density Modulation). Besides the theoretical consideration, experimental and simulation results are presented. As the main results of the work, in author's opinion, the following should be mentioned: - Analysis and synthesis of transistor DC/DC and DC/AC converters controlled by subharmonic signals. The main achievements of this work are: proving close achievements between subharmonic order and the type of the inverter characteristics (voltage source vs. current source) and determination of control areas with continuous current. - The elaboration of the control systems based on the state function with temporary current monitoring of 3 variables. These variables uniquely describe the state of resonant circuit (the sign of current, the switching pattern of power transistor state, current setpoint over-draft state). Three control algorithms are proposed, two for the SIC method, and one for the SWIPDM method. Control property analysis of transistor converters with integration control based on the examination of values and sequences of the current increments. The elaboration of digital controllers for the SIC and SWIPDM methods with temporary monitoring of the current value in resonant circuit employing the proposed algorithms. The elaboration of specific computer simulation programs which enable control process recovery for given control algorithms for a close loop. The elaboration of automatic resonant tuning methods in a noncontinuous control system. Experimental models of the DC/DC and DC/AC converters controlled by the SIC and SWIPDM methods. The laboratory experiments have shown that the proposed methods allow the control of outward variables (current, voltage, power) fulfilling soft-switching conditions (ZCS) and provide higher efficiency in comparison with other methods.

Słowa kluczowe

PL

falowniki tranzystorowe; przetwornice tranzystorowe; badania symulacyjne

EN

integration control methods

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej
• Czasopismo: Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektryka
• Rocznik: 2001
• Tom: z. 114
• Strony: 3--110
• Opis fizyczny: Bibliogr. 104 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Matysik J.

• Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej, Wydział Elektryczny Politechniki Warszawskiej

• Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Wydział Elektryczny Politechniki Warszawskiej

Bibliografia

• [1] Alaraj M.: Falownik rezonansowy. I Krajowa Konferencja PES-1 ,,Postępy w Elektrotechnice Stosowanej" Zakopane-Kościelisko 16-20.06.1997.
• [2] Alonso M., Blanco C., Lopez E.: Analysis, design and optimization of LCC resonant inverter as a high-intensity discharge lamp ballast. IEEE Transactions on Power Electronics. Vol. 13, no 3, 1998.
• [3] Ashoka K.S.: A unifed approach for the steady-state analysis of resonant converters. IEEE Transactions on Industry Electronics. Vol. 38, no 4, August 1991.
• [4] Ashoka KS.: Operation of high frequency resonant converters on the utility line with improved characteristics. IEEE Transactions on Power Electronics. Vol. 12, no 4, July 1997.
• [5] Baxandall P.J.: Transistor sine-wave LC oscilators, some general considerations and new developments. Proc. IEE. Vol. 106, PT.B, suppl.16, pp. 748-758, May 1959.
• [6] Bernet S.: Characterisation and comparison of IGBT'S and MCTS in zero current switching converters. EPE'97, Trondheim.
• [7] Bolkowsld S.: Elektrotechnika teoretyczna, teoria obwodów elektrycznych. WNT, Warszawa 1982.
• [8] Brunello M.,Ferrieux J.P., Perard J.: Instability phenomenon in resonant converters. EPE 1989 pp. 683-688.
• [9] Bugyi R., Dmowski A, Posłuszny M.: Transistor converter design based on computer simulation. PEMC 1990, pp. 23-27.
• [10] Bugyi R., Dmowski A, Szewczyk P.: A novel series-resonant converter with full control of output voltage. EPE'93 Conference, 13-17.09.93 Brighton, Great Britain.
• [11] Bugyi R., Dmowski A, Szewczyk P.: Comparison of operating conditions of semiconductor devices in resonant and hard-switching converters. XIII Sympozjum ZEON94 Poznań, 1994.
• [12] Bugyi R., Dmowski A., Szewczyk P.: Przetwornica DC/DC z szeregowym obwodem rezonansowym z pełnią regulacją napięcia wyjściowego przy biegu jałowym. Wykorzystanie symulacji komputerowej przy projektowaniu przetwornicy. V Sympozjum ,,Podstawowe Problemy Energoelektroniki" 15-18.03.1993 Ustroń.
• [13] Bugyi R., Dmowski A., Szewczyk P.: Very high efficiency, resonant converter based on MCTs'. Xlll Sympozjum ZEON94 Poznań.
• [14] Bugyi R., Posłuszny M.: Resonant converters switching at 20-80 kHz. Krajowa Konferencja Energoelektroniki, Warszawa 1990.
• [15] Bugyi R.: DC/DC double conversion using resonant converters. Rozprawa doktorska, Warszawa, Politechnika Warszawska 1996.
• [16] Cho J, Sabate J., Hua Guiacho, Lee F.: Zero-voltage and zero-current switching full bridge PWM Converter for high power applications, IEEE Transactions on Power Electronics. Vol. 11, no 2, March 1996.
• [17] Cho J., Jeong C., Lee F: Zero-voltage and zero-current switching full bridge PWM converter using secondary actice clamp. IEEE Transactions on Power Electronics. Vol. 13, no 4, July 1998.
• [18] Choi Hyun Chil, Youn Myung Joong: A soft switched, high frequency resonant rectifier and characteristic of the control system, IEEE Transactions on Power Electonics. Vol. 12, no 1, January 1997, s. 161-172.
• [19] Citko T., Jałbrzykowski S.: Przeksztaltni.ki DCAJC z obwodem rezonansowym po stronie wtórnej transformatora. III Krajowa Konferencja Naukowa SENE'97, Łódź-Arturówek, 1997.
• [20] Citko T., Sikorski A., Tunia H.: Koncepcja rezonansowego przełączania tranzystorów w mostkowym układzie falownika napięcia. Mat. konf. Sympozjum Podstawowe Problemy Energoelektroniki i Elektromechaniki PPEE'97, Ustroń 1997.
• [21] Citko T., Sikorski A: Quasi oraz multirezonansowy przekształtnik napięcia stałego na stałe. Zeszyty Naukowe Politechniki Białostockiej. Nauki Techniczne Nr 111, Elektryka z. 14, 1996.
• [22] de Haan W.H., Lodder J.D.: A formalistic approach to series resonant conversion. EPE 1987, pp. 231-238.
• [23] de Haan W.H.: A new integral pulse module for the series resonant converters. IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol. IE-31, no 3, August 1984.
• [24] Dehmlow M., Heumann K., Sommer R.: Comparison of resonant converter topologies. IEEE 1993.
• [25] Divan D., Venkalaramanan G., DeDoncker R.: Design methodologies for soft switched inverters. IEEE Transactions on Industry Applications. Vol. 29, no 5, January/February 1993.
• [26] Divan D.: Low-stress switching for efficiency. IEEE Spectrum, December 1996.
• [27] Divan D.M., Venkataramanan G.: Comparative evaluation of soft-switching Inverter Topologies, EPE Florence 1991.
• [28] Divan D.M.: The resonant OC link converter - A new concept in static power conversion. IEEE Transactions on Industry Applications. Vol. 25, no 2, March/April 1989.
• [29] Dmowski A., Bugyi R., Szewczyk P.: A novel series-resonant DC/DC converter with full control of output voltage and no-load condition. Computer simulation based design aspects. IEEB-IAS Conference Records, 1987, pp. 626-639.
• [30] El-Hamamsy S.: Design of High-Efficiency RF Class-D Power Amplifier, IEEE Transactions on Power Electronics. Vol 9. no 3. May 1994 s. 297-308.
• [31] Farbiś M., Stankowski K.: Wysokoczęstotliwościowa przetwornica rezonansowa DC/DC o wysokim współczynniku sprawności. I Krajowa Konferencja PES-1 ,,Postępy w Elektrotechnice Stosowanej", Zakopane Kościelisko 16-20.06.1997.
• [32] Ferenczi O.: Zasilanie układów elektronicznych, zasilacze impulsowe. WNT, Warszawa 1989.
• [33] Ferenczi 0.: Zasilanie układów elektronicznych. WNT, Warszawa 1989.
• [34] Freeland S., Middlebrook R.D.: A unified analysis of converters with resonant switches. IEEE PESC 1987, pp. 20-29.
• [35] Fujita H., Akagi H.: Pulse-density-modulated power control of 4 kW, 450 kHz Voltage- source inverter for induction melting application. IEEE Transaction on Industry Applications. Vol. 32 March/April 1996.
• [36] Grzesik B., Kaczmarczyk Z, Kasprzak M., Stawarz. P.: Modulacja gęstości impulsów z częściowym powielaniem - nowa koncepcja sterowania mocy falownika rezonansowego klasy D i DE. VIII Sympozjum PPEE'99 - Ustroń, 22-25.03.1999.
• [37] Grzesik B., Kaczmarczyk Z, Kasprzak M.: Tranzystorowy falownik klasy DE 7 kW/500 kHz - zastosowanie w wysokoczęstotliwościowym nagrzewaniu indukcyjnym, II Konferencja Nowoczesne Urządzenia- Elektrotermiczne w Metalurgii, Międzybrodzie Żywieckie 1998, materiały konf. s. 80-86.
• [38] Hua G, Lee F.: Soft switching techniques in PWM converters. IEEE Transaction on Industrial Electronics. Vol. 42, no 6, December 1995.
• [39] Hube J.M., Flieller D and all: Phase Locking Control of a Resonant DC/AC Converter. EPE'97 Trondheim. s. 2.303-2.308.
• [40] Hui S., Gogani E., Zhang· J.: Practical evaluation of a quasi-resonant circuit for soft-switched inverters with minimum voltage stress. EPE Seville 1995.
• [41] lvensky G., Zeltser I., Kats A, Ben-Yakov-S.: Reducing IGBT losses in ZCS Series Resonant Converters. IEEE Transactions on Industrial Electonics. Vol. 46, no 1, February 1999.
• [42] Jain Praveen, Dawson F.P.,Dewan Shashi B.: A near-zero current-switching series resonant inverter using GTO's. IEEE Transaction On Industrial Electronics. Vol. 39, no 4, August 1992.
• [43] Joung G.B., Rim C.T., Cho G.H.: Integral cycle mode control of the series resonant converter. IEEE Transactions on Power Electronics. Vol. 4, no 1, January 1989.
• [44] Joung G.B., Rim C. T., Cho G.H.: Modeling of quantum series resonant converters controlled by integral cycle mode. IEEE IAS 1988, pp. 821-825.
• [45] Kaczmarczyk Z, Grzesik B., Kasprzak M.: Zbadanie strategii sterowania falowników rezonansowych klas D, DE ,E przy zmiennych parametrach odbiornika. Sprawozdanie z projektu badawczego nr 8 T10A00214. Grant KBN, Gliwice 1999.
• [46] Kaczorek T.: Teoria sterowania, układy liniowe ciągłe i dyskretne. PWN, Warszawa 1997.
• [47] Kassakian J, Schlecht M, Verghese G.: Principles of Power Electronics. Addison-Wesley Publishing Company. Inc. New York 1991.ch.9.2, pp. 202-212.
• [48] Kaźmierkowski M.P., Nowak M., Wojciak A.: Urządzenia elektroniki przemysłowej. WKiŁ, Warszawa 1982.
• [49] Kazimierczuk M.K., Czarkowski D.: Class D voltage - switching MOSFET power amplifier. IEEE Proceedings, November 1991, Vol. 138, no 6.
• [50] Kazimierczuk M.K., Czarkowski D.: Resonant Power Converters. John Wiley & Sons Inc. USA 1995.
• [51] Kazimierczuk M.K., Tadashi S.: Class D voltage-switching inverter with tapped resonant inductor. IEEE Proceedings. Vol. 140, no 3, May 1993.
• [52] Kazimierczuk M.K.,Szraniec W.: Class D zero-voltage-switching inverter with only one shunt capacitor. IEEE Proccedings-B. Vol. 139, no 5, September 1992.
• [53] Kim E.S., Joe K.Y., Kye Y.H., Yoon B.D.: An improved soft-switching PWM FB DC/DC converter for reducing conduction losses. IEEE Transactions on Power Electronics. Vol. 14, no 2, March 1999.
• [54] Koizumi H., Suetsugu T. and all: Class DE hihg-efficiency tuned power amplifier. IEEE Transactions on Circuits and Systems - 1: Fundamental Theory and Applications. Vol. 43, no 1, January 1996 s. 51-60.
• [55] Kulka Z, Nadachowski M.: Zastosowania wzmacniaczy operacyjnych. WNT, Warszawa 1986.
• [56] Kukut N., Divan D.,· Novotny W., Marion R.: Design consideration and topology selection for a 120kW IGBT converter for EV fast charging.
• [57] Martens A., Divan D.M.: A high frequency resonant DC link converter using IGBT's. IPEC-90 Record, s. 152.
• [58] Martens A.: Design of a 20 kV A resonant DC link IGBT inverter on the base of experimental device evaluation. EPE Florence 1991.
• [59] Matysik J.: Analiza i synteza przetwornic rezonansowych ze sterowaniem SIC w oparciu o metodę przyrostów prądowych. Przegląd Elektrotechniczny Nr 2, 1999.
• [60] Matysik J.: Analiza wartości sekwencji przyrostów prądowych w rezonansowych przetwornicach tranzystorowych sterowanych metodą SIC. Przegląd Elektrotechniczny Nr 12, 1998.
• [61] Matysik J.: Basic considerations and topologies of the transistor DC/DC converter with subharmonic integration control. Archives of Electrical Engineering, no 3, pp. 293-307 1998.
• [62] Matysik J.: Integracyjna metoda zwarć półfalowych w sterowaniu mostkowych przetwornic rezonansowych. Przegląd Elektrotechniczny Nr 3, 2000.
• [63] Matysik J.: Metoda subintegracyjna sterowania rezonansowych przetwornic tranzystorowych. Sprawozdanie z projektu badawczego KBN Nr 8, T10A 069 12 Grant KBN, Warszawa. 1998.
• [64] Matysik J.: Nowa metoda regulacji napięcia w rezonansowych przetwornicach DC/DC. Przegląd Elektrotechniczny Nr 11, 1995.
• [65] Matysik J.: Sterownik prądu przetwornicy z obwodem rezonansowym. Patent Nr 311107, 25.10.95.
• [66] Matysik J.: Sterowniki tranzystorowe o sprzężeniach magnetycznych w falownikach napięcia. Sympozjum ,,Podstawowe Problemy Energoelektroniki". Jaszowiec-Ustronie, 03.1993.
• [67] Matysik J.: Subharmonic integration control of resonant DC/DC converter. Archives of Electrical Engineering. No 2, pp. 219-230, 1996.
• [68] Matysik J.: Układy regulacji ekstremalnej w rezonansowych przetwornicach DC/AC. Przegląd Elektrotechniczny Nr 5, 1996.
• [69] Matysik J.: Układy sterowania przetwornic rezonansowych z generatorami synchronizowanymi. Przegląd Elektrotechniczny Nr 11, 2000.
• [70] Matysik J.: Analiza tranzystorowych przetwornic rezonansowych ze sterowaniem integracyjnym przy wykorzystaniu symulacji komputerowej. Konferencja PTETiS Modelowanie i Symulacja 2000, Kościelisko, 19-23.06.2000.
• [71] Matysik J.: Hybrydowe wzmacniacze mocy jako układy formowania przebiegów napięcia i prądu. Przegląd Elektrotechniczny Nr 3, 1999.
• [72] Matysik J.: Sterowane napięciowo przesuwniki fazy o stałym kącie i stałym czasie przesunięcia zrealizowane w oparciu o układ pętli fazowej PLL. Przegląd Elektrotechniczny Nr 4, 1991.
• [73] Matysik J.: Sterownik prądu przetwornicy z rezonansowej. Zgł. pat. Nr P 333 516, 02.06.1999.
• [74] Matysik J.: Sterownik integracyjny jako układ regulacji napięcia w tranzystorowych przetwornicach rezonansowych. Przegląd Elektrotechniczny Nr 6, 1996.
• [75] Mikołajuk K, Tobola A.: Właściwości przekształtnika szeregowo rezonansowego z niezależnym sterowaniem dwóch mostków. IV Krajowa Konferencja Energoelektroniki 1990.
• [76] Mikołajuk K., Trzaska Z: Elektrotechnika teoretyczna. PWN, Warszawa 1984.
• [77] Mohan N., Undeland T.M., Robbins W.P.: Power electronics, converters, applications and design. New York, John Wiley & Sons 1989 ch.7.4 pp. 164-170.
• [78] Mutko J.: Tranzystorowy konwerter rezonansowy o podwyżtszonej częstotliwości pracy i niskich stratach komutacyjnych. IV Krajowa Konf. Energoelektroniki, 1990.
• [79] Murai Y., Abeyrante S.G., Lipo T.A., Caldeira P.: Current peak limiting for a series resonant DC link power conversion using a saturable core. EPE Florence 1991.
• [80] Murai Y., Lipo T .A: High-frequency series-resonant DC link power conversion. IEEE Transactions on Industry Applications. Vol. 28, no 6, Nov/December 1992.
• [81] Nagai S., Kim Y., Nakaoka M.: Development of advanced soft-switching PWM7PFM hybrid control-based series-resonant inverter topologies for high-frequency applications. PEMC'94, Warszawa, wrzesień 1994, s. 474.
• [82] Nagy I.: Resonant DC/DC configurations. EPE 1989, pp. 1495-1500.
• [83] Nakahara Masatoshi: A fast computer algorithm for switching converters, IEEE Transactions on Power Electonics. Vol. 12, no 1, January 1997, s. 180-196.
• [84] Nowak M., Barlik R.: Poradnik inżyniera energoelektronika. WNT, Warszawa 1998.
• [85] Ogiwara H., Watanabe J., Nakaoka M.: High efficiency voltage clamped ZCS high frequency inverter for induction heating using SI devices.
• [86] Płatek T., Niewiadomski M.: Wysokonapięciowy zasilacz z falownikiem rezonansowym. Prace Instytutu Elektrotechniki, z. 200, 1999.
• [87] Płatek T., Niewiadomski M., Baranecki A.: Digital simulation and experimental testing of the resonant DC/DC converter. Archiwum Elektrotechniki, z. 3, 1994.
• [88] Płatek T.: Wielorezonansowy przekształtnik napięcia stałego na stałe. Prace Instytutu Elektrotechniki, z. 194, 1997.
• [89] Rangan R., Chen D.Y., Yang J., Lee J.: Application of insulated bipolar transistor to zero current switching converters. IEEE Transactions on Power Electronics. Vol. 4, no 1, January 1989.
• [90] Roudet J., Keradec J., Rafesthain T.: Comparision of switches losses between forced communication converter and resonant converter. EPE 1989 pp. 669-676.
• [91] Sabate J.A., Lee F.C.Y.: Off line application of the fixed frequency clamped mode series resonant converter. IBEE Transactions of Power Electronics. Vol. 6, no 1, January 1991.
• [92] Schlecht M.F., Casey.: Comparison of the square-wave and quasi-resonant topologies. IEEE Transactions On Power Electronics. Vol. 3, no 1, January 1988.
• [93] Schwarz F.C.: An improved method of resonant current pulse modulation for power converters. IEEE. Transactions of Industrial Electronics and Control Instrumentation. Vol. IECI-2, no 2, May 1976.
• [94] Sikorski A, Citko T.: Manner of the control of the new configuration of quasi-resonant DC link inverter, IEEE Conference, Budapest June 1-3, 1993, s. 777-779.
• [95] Sikorski A., Skorek A.: A new approach to the energy return system of resonant DC link inverter. Zeszyty Naukowe Politechniki Białostockiej, Nauki Techniczne Nr 111, Elektryka z. 14, 1996. , •
• [96] Smith K.M., Smendley K.M.: A comparison of voltage-mode soft switching methods for PWM Converters. IBEE Transactions on Power Electronics. Vol. 12, no 2, March 1997, s. 376-386.
• [97] Streigerwald R.L: A comparison of full-bridge resonant converter topologies. IEEE Trans. 1988, PE-3,(2), s. 174-182.
• [98] Theron P., Ferreira J.: The zero voltage switching·partial series resonant converter. IEEE Transactions on Industry Applications. Vol. 3, no 4, July/August 1995.
• [99] Tunia H., Winiarski B.: Podstawy Energoelektroniki. WNT, Warszawa 1980.
• [100] Valtchev S., Klaassens J., Wesenbeeck M.: Super-resonant converter with switched resonant inductor with PFM-PWM control. IEEE Transactions on Power Electronics. Vol. 10, no 6, November 1995.
• [101] Warda W.: Wysokonapięciowa, rezonansowa przetwornica DC/DC, o wysokiej dynamice i miękko przełączanych łącznikach półprzewodnikowych. I Krajowa Konferencja PES-1 Zakopane-Kościelisko 16-20.06.1997.
• [102] Weinberg A., Ghislanzoni L: A new zero voltage and zero current power switching technique. IEEE Transactions on Power Electronics. Vol. 7, no 4, October 1992.
• [103] Yang Z, Sen P.C.: A novel switch-mode DC/AC inverter with nonlinear robust control. IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol. 45, no 4, August 1998.
• [104] Yuan X., Barbi I.: Analysis, designing and experimentation of a transformer-assisted PWM zero-voltage switching pole inverter. IEEE Transactions on Power Electronics. Vol. 15, no 1, January 2000.