Digitally controlled buck converters for current regulated applications
Akım regülasyonlu uygulamalar için sayısal kontrollü alçaltıcı çeviriciler
- Tez No: 606166
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT YILMAZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 148
Özet
Bu tez çalışmasında, akım regülasyonlu uygulamalar için sayısal kontrollü DA-DA alçaltıcı çeviriciler incelenmiştir. Bilindiği gibi sayısal kontrol yöntemleri yüksek güç isteyen sistemlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Son dönemde gelişen teknoloji ve artan ihtiyaçlar neticesinde, düşük güçteki sistemlerde de sayısal kontrol uygulamaları yaygınlaşmaya başlamıştır. Bugüne kadar yapılan çalışmalar genellikle çıkış geriliminin regülasyonu üzerine gerçekleşmiştir. Ancak endüstrideki LED sürücü, lazer diyot sürücü, batarya şarj sistemleri gibi çeşitli uygulamalar, akım regülasyonuna ihtiyaç duymaktadır. Bu tezde yapılan çalışmalar, bu tip uygulamalar için çözüm getirmek üzerine yoğunlaşmıştır. Klasik alçaltıcı tip çevirici, filtre bobini sayesinde çıkışta kesintisiz akım sağlayabilmektedir. Bu bağlamda sabit akım regülasyonu için en uygun devre topojilerinden biridir. Çalışma kapsamında yeni nesil alçaltıcı bir sistem elde etmek amaçlanmıştır. Bu sebeple, sayısal kontrol çalışmalarına ek olarak endüstride uygulamaları gittikçe yaygınlaşmakta olan Gallium Nitride (GaN) tabanlı yeni nesil yarı iletkenler incelenmiş ve uygulanmıştır. Ek olarak, son dönemde klasik alçaltıcı çeviricilere alternatif olarak ortaya atılan üç seviyeli uçan kapasitörlü alçaltıcı çevirici yapısı incelenmiş, sayısal kontrol uygulaması gerçekleştirilmiştir. Sayısal kontrol yöntemlerini anlamak, geliştirmek ve DA-DA çeviricilerde uygulamak için öncelikli olarak analog kontrol yöntemlerinin incelenmesi gereklidir. DA-DA çeviriciler için kontrol yöntemleri biri değişken diğeri sabit frekans olmak iki kategoride değerlendirilebilir. Her iki yaklaşımın da kendine has avantajları olmakla birlikte, özellikle komponent seçimi ve tasarımı kolaylığı açısında sabit frekans daha çok tercih edilebilir durumdadır. Sabit frekans için analog tabanlı iki temel kontrol yaklaşımı bulunmaktadır; bunlardan biri gerilim mod kontrol metodu diğeri ise akım mod kontrol metodudur. Akım modu kontrol metodu, özellikle daha hızlı tepki vermesi ve geri besleme döngüsü transfer fonksiyonunu sadeleştirerek kontrolcü tasarımını kolaylaştırması sebepleriyle tercih edilmektedir. Akım modu kontrol yöntemleri tepe, ortalama ve vadi olmak üzere üç kategoride sınıflandırılmaktadır. DA-DA alçaltıcı çeviriciler için, ortalama bobin akımı aynı zamanda çıkış akımının da kontrol edilmesini sağlamaktadır. Bu sebeple özellikle akım regülasyonuna ihtiyaç duyan LED uygulamalarında ortalama akım kontrollü DA-DA topolojisi için piyasada pek çok entegre bulunmaktadır. Öte yandan tepe akım kontrolü hızlı tepki verebilmesi, doğal yüksek akım koruması sağlaması gibi sebeplerden dolayı anahtarlamalı güç kaynaklarında kullanımı yaygınlaşmıştır. Son dönemde, bu iki akım kontrol yöntemini birleştiren I2ACM kontrol tekniği ortaya atılmıştır. I2ACM kontrolü iç içe iki akım kontrol döngüsünden oluşmaktadır; içteki döngü tepe akım kontrolü gibi iken dıştaki döngü ortalama akımı kontrol etmektedir. Bu sebeple akım regülasyonlu uygulamalar için optimum çözüm olarak ortaya atılmıştır. Tez çalışmasının ilk kısmında tepe, ortalama ve I2ACM analog akım mod kontrol yöntemleri incelenmiştir. Literatürde varolan kontrol döngüsü modelleri kullanılarak küçük-sinyal modelleri ve transfer fonksiyonları karşılaştırılmıştır. Bu çalışmalar neticesinde I2ACM kontrol yönteminin düşük frekansta tepe, yüksek frekansta ise ortalama akım mod kontrol gibi davranış gösterdiği belirlenmiştir. Yapılan benzetişim çalışmalarıyla, kontrol sinyali, yük değişimi ve giriş gerilimi değişimlerinde geçiş tepkisinin ortalama akıma göre daha iyi olduğu tespit edilmiştir. Bu sebeple akım regülasyonlu uygulamalar için oldukça uygun olduğu belirlenmiştir. Çalışmanın üçüncü bölümü, GaN transistorlerinin senkron DA-DA alçaltıcı çeviriciler için fizibilitesine ayrılmıştır. Bu bölümde senkron alçaltıcı çeviricilerin kayıp ve verim analizi yapılarak GaN ve Si tabanlı çeviriciler için verim karşılaştırması yapılmıştır. Yapılan çalışmalar; deneysel çalışmalar ile desteklenmiş teorik değerler ile kıyaslanmıştır. Bu çalışmalar neticesinde GaN-tabanlı DA-DA alçaltıcı çeviricilerin Si-tabanlı olanlara kıyasla verim açısından daha avantajlı olduğu gösterilmiştir. Tez çalışmasının dördüncü bölümünde ise sayısal kontrol yöntemleri incelenmektedir. Sayısal kontrol ile analog kontrol ile yapılması mümkün olmayan optimal kontrol, otomatik ayarlama ve yapay sinir ağları gibi gelişmiş kontrol yöntemleri uygulanabilmektedir. Bununla birlikte önemli bir yaklaşım sayısal kontrolün; teorisi ve etkinliği kanıtlanmış analog kontrol yöntemlerinin emülasyonu şeklinde yapılmasıdır. Bu tez çalışmasında da bu tip bir yöntem benimsenmiştir. Bilindiği üzere; analog kontrolde kontrol işareti veya darbe genişliği döngüden-döngüye güncellenmektedir. Sayısal kontrolün çalışması da benzer şekildedir ancak ek olarak zaman kayıpları kontrol döngüsünde yer almaktadır. Bu kayıplar; örnekleme zamanı ve tipi, kontrol işaretinin hesaplanması ve sayısal darbe-modülasyon genişliği üretimi ile ilgili olmak üzere üç kategoride değerlendirilebilir. Kontrolcü tasarımı bu etmenler göz önüne alınarak tasarlanmalıdır. Çalışmanın bu kısmında; analog kontrol yönteminde olduğu gibi tepe ve ortalama akım mod kontrol yöntemlerinin sayısal uygulamaları incelenmiştir. Tepe akım yöntemi için kontrol döngüsü modeli çıkarılmış; benzetişim ve bir senkron alçaltıcı çevirici prototipi üzerinde gerçekleştirilen deneysel çalışmalar ile doğrulanmıştır. Sonrasında benzer bir çalışma ortalama akım mod yöntemi için gerçekleştirilmiştir. Ortalama akım yöntemi için de kontrol döngüsü modeli elde edilmiş; yapılan benzetişim ve deneysel çalışmalar ile doğrulanmıştır. Ortalama akım için; yük ve kontrol işareti değişimlerinde geçiş karateristikleri incelenmiş ve sonuçları değerlendirilmiştir. Ortalama akım modu için deneysel çalışmalar bir sonraki bölümde ortaya konulan yeni kontrol yöntemi için karşılaştırma açısından referans olmaktadır. Tez çalışmasının en önemli çıktısı olarak, akım regülasyonlu uygulamalarda kullanılabilecek DA-DA çeviriciler için yeni bir kontrol yöntemi ortaya konulmuştur. Yapılan bu çalışmalar; tezin beşinci kısmında detaylı olarak ele alınmaktadır. Ortaya konan sayısal hibrit akım mod kontrol metodu; sayısal tepe akım ve ortalama akım mod kontrol yöntemlerini birleştirmektedir. Bu kısımda kontrol döngüsü modeli çıkarılmış; benzetim ve deneysel çalışmalar ile doğrulanmıştır. Ortaya konan kontrol metodu için bir kontrolcü tasarım algoritması geliştirilmiş ve bu sayede önceden belirlenmiş kazanç ve faz payı için isabetli bir tasarım yapılabilmiştir. Özetle belirtmek gerekirse ortaya konan sayısal hibrit akım mod kontrolü I2ACM kontrol yönteminde olduğu gibi iç içe iki kontrol döngüsünden oluşmaktadır. İçteki döngü analog karşılaştırıcı ile analog tepe akım kontrolünde olduğu gibi anlık bobin akımı ile işaret sinyalini karşılaştırmaktadır. İşaret sinyali ise referans akım değeri ile ortalama akım değerinin farkından oluşan hata değerinin kontrolcü tarafından işlenmesiyle elde edilmektedir. Bu sebeple dıştaki akım döngüsü ortalama akım kontrolü sağlamaktadır. Ortalama akımı ise döngü başında örneklenen akım değeri ile bir önceki işaret sinyali yani tepe akım değerinin yarısına eşittir. Bu sebeple ortaya konan kontrol metodu her anahtarlama döngüsünde sadece bir kere akım örneklemesine ihtiyaç duymaktadır. Ek olarak en dışa bir gerilim döngüsü eklenerek gerilim regülasyonu da elde edilebilmektedir. Sayısal akım yöntemi ile karşılaştırıldığı durumda ortaya konan sayısal hibrit akım mod kontrol yöntemi kontrol sinyali ve yük değişimlerine %30 daha hızlı tepki verdiği ölçümlenmiştir. Tezi son kısmında, son dönemde klasik alçaltıcı çeviricilere alternatif olarak ortaya atılan üç seviyeli uçan kapasitör alçaltıcı çevirici incelenmiş; önerilen yeni sayısal hibrit akım mod kontrol yöntemi uygulanarak sonuçları tartışılmıştır. Üç seviyeli uçan kapasitör çeviriciler bobin üzerindeki efektif frekans değerini ikiye katlaması ve anahtarlar üzerindeki gerilim stresini yarıya düşürmesi sebebiyle klasik çeviricilere göre daha kompakt, yüksek güç yoğunluklu ve daha verimli olmakla birlikte; uçan kapasitörün gerilim dengesizliğinden dolayı kontrol açısından bazı zorluklar barındırmaktadır. Özellikle tepe akım mod kontrolünün doğal olarak gerilim kaçmasına neden olduğu literatürde yer almaktadır. Ortaya konan sayısal hibrit kontrol yöntemi de tepe akım modu kontrol yöntemine benzer bir karaktere sahiptir. Bu sebeple üç seviyeli uçan kapasitör alçaltıcı çeviriciler için asimetrik eğim kompanzasyonu şeklinde adlandırılan yeni bir kontrol mekanizması geliştirilmiştir. Geliştirilen asimetrik eğim kompanzasyonu yöntemi, sayısal hibrit kontrol yöntemi ile birlikte üç seviyeli uçan kapasitör alçaltıcı çeviriciye uygulaması benzetişim çalışmaları ile doğrulanmıştır. Yine bu kapsamda deneysel çalışmalar için dahili mikroişlemci içeren yarı-endüstriyel bir prototip geliştirilmiş; ve tez kapsamında detayları verilmiştir. Geliştirilen kontrol yöntemi bu prototip ile değişen kontrol sinyaline rağmen uçan kapasitör gerilimini giriş geriliminin yarısında dengede tutabildiği doğrulanarak sonuçları ortaya konulmuştur. Özetle, bu tez çalışmasında; akım regülasyonuna ihtiyaç duyan sistemler için sayısal, yeni-nesil alçaltıcı tip DA-DA çeviricileri incelenmektedir. Çalışmada, yeni bir sayısal hibrit akım mod kontrol yöntemi ortaya konmuş ve yeni bir kontrolcü tasarım algoritması sunulmuştur. Geliştirilen kontrol yönteminin ortalama akım modu kontrol metoduna göre üstünlüğü gösterilmiştir. GaN tabanlı anahtarlama aygıtları incelenmiş ve uygulanmıştır. Çalışma kapsamında yarı-endüstriyel üç-seviyeli uçan kapasitör alçaltıcı çevirici bir prototip donanım geliştirilmiş ve geliştirilen kontrol yöntemi uygulanmıştır. Bu kapsamda; uçan kapasitör gerilim dengelemesi için yeni bir asimetrik eğim kompanzasyon yöntemi geliştirilerek ortaya konan sayısal hibrit kontrol yöntemine eklenmiştir. Geliştirilen kapsayıcı kontrol yöntemi, prototip üzerindeki dahili karışık-sinyal mikroişlemciye uygulanarak doğrulanmıştır. Geliştirilen kontrol yöntemleri mikroişlemci tabanlı olması sebebiyle aynı zamanda maliyet etkinliği sağlamaktadır. Yapılan çalışmalar, gerek yarı-iletken anahtarlar, gerek sayısal kontrol ve gerekse gelişmiş DA-DA devre topolojileri açısından kapsayıcı çalışmalar içermekte ve literatüre katkı sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
In this thesis, digitally controlled DC-DC buck converters for current regulated applications are studied. As it is known, the digital control methods are widely used in high power systems. In recent years, the digital control started to replace the analog control in low power applications, due to increasing needs and developing technology. The studies in the literature carried out up to date are generally focused on the regulation of the output voltage. However, various applications such as LEDs, laser diode drivers, battery charging systems require current regulation. Studies in this thesis aim to provide digital solution for such applications. Traditional buck converter is one of the most suitable circuit topologies for current regulated applications due to filter inductor at the output; therefore, the studies are focused on the development of digital control for buck converters. In order to implement digital control, it is essential to understand the analog control methods. Therefore, at the beginning of the thesis, peak current mode (PCM), average current mode (ACM) and I2 average current mode control (I2ACM) which combines these two control techniques are investigated. Using the small-signal models existing in the literature, the loop transfer functions are compared. It is observed that the control loop transfer function of I2ACM control has high DC gain as in ACM and high bandwidth as in PCM, which makes it the most suitable control technique for DC-DC converters. The studies are further supported with simulations and transient response comparison to load, input voltage and control signal changes. One of the main goals of this thesis is to obtain a new generation step-down DC-DC converter. As a result, the GaN-based transistors are examined for the feasibility in low-power DC-DC converters. The studies on this subject include the efficiency and loss analysis of the synchronous buck converter and comparison of GaN and Si-based converter efficiencies, which are supported by experimental studies. The effectiveness of the GaN transistors for DC-DC buck converters are shown in terms of improving the efficiency and switching frequency. The digital control studies are conducted in two parts. In the first one, the basic properties of digital control are investigated. For PCM and ACM, digital control loop models are obtained and verified with simulations and experimental studies. Moreover, the transient response of the ACM control is examined which is later used to compare with the the proposed control technique. In the other part of the digital control studies, a novel digital hybrid current control (DHCM) method that combines the digital PCM and ACM is proposed. The proposed DHCM control method is a mixed signal technique consisting two current control loops; an inner current loop, which is applied in analog, and an outer current loop, which is in digital. For the control method both continuous and discrete-time models are built and verified with simulations and experiments. Furthermore, a compensator design algorithm, which provides an exact design for a specific gain and phase margin, is proposed. Using a synchronous buck prototype, the transient responses of the systems are analyzed. When the outer voltage loop is open, 30% faster dynamic response is measured by the digital HCM method as compared to digital ACM. Moreover, by adding a third loop for voltage compensation, comparable dynamic response on the output voltage is achieved without inductor current overshooting by the digital HCM control. In the last part of the thesis, the three-level flying capacitor (3LFC) buck converter, which is emerged recently as an alternative to traditional buck converters, is examined. Due to high effective frequency and reduced voltage stress on the switching devices, the 3LFC buck converter has potential to provide better efficiency and higher power density as compared to the traditional buck converter. However, the control implementation is challenging a result of flying capacitor instability issues. Therefore, the digital HCM control method is modified and implemented to 3LFC buck converter. Flying capacitor balancing is achieved by adjusting the slope compensation of the two switching pairs asymmetrically that is named as Asymmetric Slope Compensation (ASC) control. The effectiveness of the proposed ASC control method is verified with simulations. Moreover, within the scope of the study, a prototype hardware is developed and the proposed digital HCM control with ASC method is applied. The overall control method was verified by applying to the on-board mixed-signal microprocessor of the prototype. As the control methods developed in this thesis are microprocessor based, they also provide cost effective digital solution for the industry. In conlusion, the studies in this thesis include comprehensive studies about microcontroller based digital control techniques, three-level flying capacitor buck converters and new generation wide bandgap semiconductor switches to contribute to the literature for current regulated DC-DC applications.
Benzer Tezler
- Fotovoltaik panelden beslenen bir buzdolabı için elektronik kontrol sistemi tasarımı
Electronic control system design for a refrigerator that is supplied from photovoltaic panel
TAYYAR ÇAĞDAŞ ÇIRPAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ÖZGÜR ÜSTÜN
- Seri paralel rezonans güç çeviricisinin analizi ve sayısal kontrollu tasarımının yapılması
Analysis of series parallel resonant converter and digital controlled design implementation
MERTCAN AŞÇI
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ YILDIRIM
- Dijital kontrollü çok fazlı senkronize DC-DC alçaltıcı çevirici tasarımı
Digitally controlled multiphase synchronous DC-DC buck converter design
EKREM ERDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BÜNYAMİN TAMYÜREK
- RF güç yükselticiler için sayısal kontrol tabanlı gan transistörlü zarf izleyici güç kaynağı tasarımı
Design of digitally controlled envelope tracking power supply with gan transistor for rf power amplifiers
MELİS CANSU AYDOĞMUŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. COŞKU KASNAKOĞLU
- F-L-N parameter based power density optimized design and implementation of a digitally controlled 1-kW interleaved DC-DC step down converter
Yüksek güç yoğunluğu için F-L-N değerleri eniyilenmiş sayısal denetimli 1-kW indirici DC-DC dönüştürücü tasarım ve gerçeklenmesi
İLKER ŞAHİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET MASUM HAVA