Study of Control Methods of a High-Frequency Cycloconverter for Domestic Induction Heating Appliances

A high-frequency cyclonverter acts as a direct ac-to-ac power converter circuit that does not require a diode bidge rectifier. Bridgeless topology makes it possible to remove forward voltage drop losses that are present in a diode bridge. In addition, the on-state losses can be reduced to 1.5 times the on-state resistance of switches in half-bridge operation of the cycloconverter. A high-frequency cycloconverter is reviewed and the charging effect of the dc-capacitors in ``back-to-back'' or synchronous mode operation operation is analyzed. In addition, a control method is introduced for regulating dc-voltage of the ac-side capacitors in synchronous operation mode. The controller regulates the dc-capacitors and prevents switches from reaching overvoltage level. This can be accomplished by variating phase-shift between the upper and the lower gate signals. By adding phase-shift between the gate signal pairs, the charge stored in the energy storage capacitors can be discharged through the resonant load and substantially, the output resonant current amplitude can be improved. The above goals are analyzed and illustrated with simulation. Theory is supported with practical measurements where the proposed control method is implemented in an FPGA device and tested with a high-frequency cycloconverter using super-junction power MOSFETs as switching devices.

Korkeataajuus syklokonvertteri toimii ac-ac teholähteenä, joka ei hyödynnä diodisiltaa. Sillaton topologia mahdollistaa kokonaan diodisillan jännitehäviöiden vähentämisen. Syklokonvertterin käyttö mahdollistaa, jopa johtumishäviöiden vähentämisen puolitoistakertaisen kytkinlaitteen muodostamiin häviöihin. Diplomityössä tutkitaan korkeataajuus syklokonvertterin tasajännitteen muodostumista, kun konvertteria operoidaan back-to-back (synkroonisessa) moodissa. Tämän lisäksi esitetään säätäjä, joka rajoittaa tulopuolen kondensaattoreiden jännitteen nousun estäen ylijännitteen muodostumisen. Säätäjän toiminta perustuu kytkinparien vaihe-eron säätelyyn. Vaihe-eroa säätämällä, voidaan tulopuolen kondensaattoreiden tasajännite purkaa kuormaan ja samalla kasvattaa resonanssivirran amplitudia. Yllä olevat tavoitteet analysoidaan ja esitetään simuloimalla. Teoriaosiuutta tukee käytännön mittaukset, missä esitetty säätäjän logiikka toteutetaan FPGA laitteelle ja käytännön mittaukset suoritetaan syklokonvertterilla käyttäen teho MOSFETteja kytkiminä.