A Design methodology for integrated inductor-based DC-DC converters

A design methodology for monolithic integration of inductor based DC-DC converters is proposed in this paper. A power loss model of the power stage, including the drive circuits, is defined in order to optimize efficiency. Based on this model and taking as reference a 0.35 mu m CMOS process, a buck converter was designed and fabricated. For a given set of operating conditions the defined power loss model allows to optimize the design parameters for the power stage, including the gate-driver tapering factor and the width of the power MOSFETs. Experimental results obtained from a buck converter at 100 MHz switching frequency are presented to validate the proposed methodology.

Experimental validation of a proposed single-phase five-level active rectifier operating with model predictive current control

This paper presents a model predictive current control applied to a proposed single-phase five-level active rectifier (FLAR). This current control strategy uses the discrete-time nature of the active rectifier to define its state in each sampling interval. Although the switching frequency is not constant, this current control strategy allows to follow the reference with low total harmonic distortion (THDF). The implementation of the active rectifier that was used to obtain the experimental results is described in detail along the paper, presenting the circuit topology, the principle of operation, the power theory, and the current control strategy. The experimental results confirm the robustness and good performance (with low current THDF and controlled output voltage) of the proposed single-phase FLAR operating with model predictive current control.

Suurnopeushilaohjain IGB-transistoreille

Hilalta ohjattavien tehokytkimien, kuten IGBT tai MOSFET, ohjaaminen toteutetaan ohjausjännitettä muuttamalla. Hilaohjaimen tehtävä on ladata tehokytkimen hilakapasitanssia ohjattuun jännitteeseen. Hilaohjaimen siirtämän varauksen suuruuteen vaikuttaa hilakapasitanssin todellinen suuruus ja käytettävä ohjausjännite. Hilaohjaimen virrankäsittelykyky määrittää hilaohjaimen nopeuden siinä mielessä, että ohjattavan komponentin hilavaraus tulisi pystyä lataamaan ja purkamaan tietyssä suhteessa kytkentätaajuuteen. Kytkentätaajuuksien kasvaessa myös hilaohjaimen virrankäsittelykyky sekä hilaohjaimen teho joutuvat uudelleen arvioitaviksi. Työssä perehdytään IGBT:n toimintaan ja hilaohjainratkaisuihin suurilla kytkentätaajuuksilla. Työssä ontutkittu mahdollisuutta rakentaa IGBT:n hilaohjain jo markkinoilla olevista MOSFET:ien hilaohjaimista. Suurnopeushilaohjaimesta suunnitellaanja rakennetaan prototyyppi. Prototyypin suoriutumista tehtävistään tarkastellaan tekemällä mittauksia. Lopuksi arvioidaan asioita joiden tulee muuttua matkalla kohti megahertsien kytkentätaajuuksia.

Taajuusmuuttajan häviöidensimulointityökalun kehitys

Diplomityössä on kehitetty kaksitasoisen jännitevälipiirillisen taajuusmuuttajan häviöiden simulointiin käytettävä simulointimalli osaksi säädettävän sähkömoottorikäytön simulointityökalua, jolla voidaan analysoida eri säätöalgoritmien, kuormituksen ja kytkentätaajuuden vaikutusta taajuusmuuttajan häviöihin. Aluksi on selvitetty yksityiskohtaisesti taajuusmuuttajan häviölähteet ja häviöiden fysikaalinen tausta. Taajuusmuuttajassa käytettäville komponenteille on esitetty simulointimalleja. Taajuusmuuttajan malli ja häviöiden laskenta-algoritmit on toteutettu C-kielellä. Taajuusmuuttajan malli vastaa perusrakenteeltaan ACS800-02-0260-5 - taajuusmuuttajaa. ACS800-02-0260-5 -taajuusmuuttajan häviöitä on simuloitu erilaisissa kuormitustilanteissa, ja simulointien tueksi taajuusmuuttajan häviöt on pyritty selvittämään laboratoriomittauksin.

DTC-induktiomoottorikäytön soveltaminen keskitaajuusalueelle

Työssä tarkastellaan olemassa olevan suoraa vääntömomentin säätöä käyttävän taajuudenmuuttajan soveltamista keskitaajuusalueella toimiviin induktiomoottorikäyttöihin. Keskinopeusalueen sovellusten pyörimisnopeudet ovat tyypillisesti 6000…30000rpm. Tällöin invertterin lähtötaajuuden on nelinapaista moottoria ohjattaessa ulotuttava 1000Hz:iin. ABB:n ACS600 taajuudenmuuttajan nykyinen syöttötaajuus ulottuu noin 400Hz:iin ja sen keskimääräinen kytkentätaajuus on luokkaa 3kHz. Taajuudenmuuttajan keskimääräistä kytkentätaajuutta ei haluta tästä merkittävästi nostaa, koska tällöin pääteasteen mitoitusta ja rakennetta on muutettava. Tarkastelussa keskitytään täten jännitemodulointiin, joka määrittelee invertterin lähtöjännitteen käyrämuodon ja pääteasteen tehokytkimien kytkentätaajuuden. Työssä esitetään suoran käämivuon säädön periaatetta soveltava 30-kulmainen modulointimenetelmä (30-modulointi), jolla moottorin syöttövirrasta voidaan eliminoida 5. ja 7. yliharmoninen komponentti. Yliharmonisten komponenttien eliminointi mahdollistaa passiivisilla komponenteilla toteutetun alipäästösuodattimen asentamisen invertterin lähtöön, jolloin moottorissa tapahtuvat tehohäviöt saadaan pieniksi. 30-moduloinnin ohjaukseen ja säätöön esitetään menetelmät, jotka mahdollistavat sen toteuttamisen nykyiseen taajuudenmuuttajaan ohjelmallisesti ilman suuria laitteistomuutoksia. 30-moduloinnin ominaisuuksia tarkastellaan analyyttisin menetelmin ja sen toimintaa testataan esitettyjen teorioiden perusteella simuloimalla. 30-moduloinnin ohjelmallinen implementointi nykyiseen ACS600:een mahdollistaa periaatteessa noin 600Hz:n syöttötaajuuden saavuttamisen. Tällöin invertterin keskimääräinen kytkentätaajuus voidaan säätää koko pyörimisnopeusalueella alle 4kHz:n tasolle.

Multilevel converter modulation: implementation and analysis

Multilevel converters provide an attractive solution to bring the benefits of speed-controlled rotational movement to high-power applications. Therefore, multilevel inverters have attracted wide interest in both the academic community and in the industry for the past two decades. In this doctoral thesis, modulation methods suitable especially for series connected H-bridge multilevel inverters are discussed. A concept of duty cycle modulation is presented and its modification is proposed. These methods are compared with other well-known modulation schemes, such as space-vector pulse width modulation and carrier-based modulation schemes. The advantage of the modified duty-cycle modulation is its algorithmic simplicity. A similar mathematical formulation for the original duty cycle modulation is proposed. The modified duty cycle modulation is shown to produce well-formed phase-to-neutral voltages that have lower total harmonic distortion than the space-vector pulse width modulation and the duty cycle modulation. The space-vector-based solution and the duty cycle modulation, on the other hand, result in a better-quality line-to-line voltage and current waveform. The voltage of the DC links in the modules of the series-connected H-bridge inverter are shown to fluctuate while they are under load. The fluctuation causes inaccuracies in the voltage production, which may result in a failure of the flux estimator in the controller. An extension for upper-level modulation schemes, which changes the switching instants of the inverter so that the output voltage meets the reference voltage accurately regardless of the DC link voltages, is proposed. The method is shown to reduce the error to a very low level when a sufficient switching frequency is used. An appropriate way to organize the switching instants of the multilevel inverter is to make only one-level steps at a time. This causes restrictions on the dynamical features of the modulation schemes. The produced voltage vector cannot be rotated several tens of degrees in a single switching period without violating the above-mentioned one-level-step rule. The dynamical capabilities of multilevel inverters are analyzed in this doctoral thesis, and it is shown that the multilevel inverters are capable of operating even in dynamically demanding metal industry applications. In addition to the discussion on modulation schemes, an overvoltage in multilevel converter drives caused by cable reflection is addressed. The voltage reflection phenomenon in drives with long feeder cables causes premature insulation deterioration and also affects the commonmode voltage, which is one of the main reasons for bearing currents. Bearing currents, on the other hand, cause fluting in the bearings, which results in premature bearing failure. The reflection phenomenon is traditionally prevented by filtering, but in this thesis, a modulationbased filterless method to mitigate the overvoltage in multilevel drives is proposed. Moreover, the mitigation method can be implemented as an extension for upper-level modulation schemes. The method exploits the oscillations caused by two consecutive voltage edges so that the sum of the oscillations results in a mitigated peak of the overvoltage. The applicability of the method is verified by simulations together with experiments with a full-scale prototype.

Induction Motor Drive Energy Efficiency - Simulation and Analysis

A coupled system simulator, based on analytical circuit equations and a finite element method (FEM) model of the motor has been developed and it is used to analyse a frequency-converterfed industrial squirrel-cage induction motor. Two control systems that emulate the behaviour of commercial direct-torque-controlled (DTC) and vector-controlled industrial frequency converters have been studied, implemented in the simulation software and verified by extensive laboratory tests. Numerous factors that affect the operation of a variable speed drive (VSD) and its energy efficiency have been investigated, and their significance in the simulation of the VSD results has been studied. The dependency of the frequency converter, induction motor and system losses on the switching frequency is investigated by simulations and measurements at different speeds for both the vector control and the DTC. Intensive laboratory measurements have been carried out to verify the simulation results.

Vaihtosuuntaajan reaaliaikainen lämpömalli

Vaihtosuuntaajan IGBT-moduulin liitosten lämpötiloja ei voida suoraan mitata, joten niiden arviointiin tarvitaan reaaliaikainen lämpömalli. Tässä työssä on tavoitteena kehittää tähän tarkoitukseen C-kielellä implementoitu ratkaisu, joka on riittävän tarkka ja samalla mahdollisimman laskennallisesti tehokas. Ohjelmallisen toteutuksen täytyy myös sopia erilaisille moduulityypeille ja sen on tarvittaessa otettava huomioon saman moduulin muiden sirujen lämmittävä vaikutus toisiinsa. Kirjallisuuskatsauksen perusteella valitaan olemassa olevista lämpömalleista käytännön toteutuksen pohjaksi lämpöimpedanssimatriisiin perustuva malli. Lämpöimpedanssimatriisista tehdään Simulink-ohjelmalla s-tason simulointimalli, jota käytetään referenssinä muun muassa implementoinnin tarkkuuden verifiointiin. Lämpömalli tarvitsee tiedon vaihtosuuntaajan häviöistä, joten työssä on selvitetty eri vaihtoehtoja häviölaskentaan. Lämpömallin kehittäminen s-tason mallista valmiiksi C-kieliseksi koodiksi on kuvattu tarkasti. Ensin s-tason malli diskretoidaan z-tasoon. Z-tason siirtofunktiot muutetaan puolestaan ensimmäisen kertaluvun differenssiyhtälöiksi. Työssä kehitetty monen aikatason lämpömalli saadaan jakamalla ensimmäisen kertaluvun differenssiyhtälöt eri aikatasoille suoritettavaksi sen mukaan, mikä niiden kuvaileman termin vaatima päivitysnopeus on. Tällainen toteutus voi parhaimmillaan kuluttaa alle viidesosan kellojaksoja verrattuna suoraviivaiseen yhden aikatason toteutukseen. Implementoinnin tarkkuus on hyvä. Implementoinnin vaatimia suoritusaikoja testattiin Texas Instrumentsin TMS320C6727- prosessorilla (300 MHz). Esimerkkimallin laskemisen määritettiin kuluttavan vaihtosuuntaajan toimiessa 5 kHz kytkentätaajuudella vain 0,4 % prosessorin kellojaksoista. Toteutuksen tarkkuus ja laskentakapasiteetin vähäinen vaatimus mahdollistavat lämpömallin käyttämisen lämpösuojaukseen ja lisäämisen osaksi muuta jo prosessorilla olemassa olevaa systeemiä.

Aktiivisen verkkosillan tuottaman yhteismuotoisen jännitteen vaimentaminen kaksitasoisessa, jännitevälipiirillisessä, taajuusmuuttajatopologiassa

Pulssinleveysmoduloidun vaihtosuuntaajan hyötysuhteen parantaminen ja kytkentätaajuuden suurentaminen ovat johtaneet lähtöjännitteen suuritaajuiseen taajuussisältöön kaksitasoisessa, jännitevälipiirillisessä taajuusmuuttajatopologiassa. Kasvava tarve siirtää tehoa myös verkkoon päin on lisännyt aktiivisen verkkosillan käyttöä. Kaksitasoisen aktiivisen verkkosillan vaikutuksesta DC-välipiirin keskipisteen ja kolmivaiheisen kuorman tähtipisteen välinen jännite on nollasta poikkeava aiheuttaen suurentuneen yhteismuotoisen jännitteen taajuusmuuttajan lähtöön ja verkon puolelle. Lisäksi yhteismuotoisten jännitteiden aiheuttamat kytkentätaajuiset häiriövirrat voivat aiheuttaa vikavirtasuojien tahatonta laukeamista, vaikeuttaa EMC-standardien vaatimusten täyttämistä, lisätä moottorin käämieristyksien rasitusta ja mahdollisuutta moottorin laakerivaurioille. Diplomityössä tutkitaan aktiivisen ja passiivisen verkkosillan tuottamaa yhteismuotoista jännitettä simuloinneilla. Esitellään aikaisempaa tutkimustietoa yhteismuotoisen jännitteen ja virran vaimennusratkaisuista aktiivista verkkosiltaa käytettäessä. Tutkimustiedon pohjalta suunnitellaan koelaitteistolle soveltuva suodin. Suotimen toiminta testataan simuloinnein sekä kokeellisin mittauksin. Tehdyt mittaukset osoittavat, että suunniteltu suodin vaimentaa yhteismuotoista jännitettä noin 20 dB verkkosillan kytkentätaajuudella ja tämän jälkeen yli 20 dB/dekadi taajuuteen 100 kHz asti. Lisäksi yhteismuotoisen virran suuruus syöttökaapelin kautta pieneni ehdotetun suotimen vaikutuksesta.

Limittelymenetelmän hyödyntäminen verkkovaihtosuuntaajassa: LCL-suotimen mitoitus

Teollisuudessa yleinen trendi on saada entistä tehokkaampia, halvempia, hyötysuhteeltaan parempia ja fyysisiltä mitoiltaan pienempiä sähkökäyttöjä. Luonnollisesti nämä vaatimukset ovat samoja myös taajuusmuuttajilla. Näiden vaatimusten välillä täytyy aina tehdä kompromisseja ja kehittää uusia menetelmiä. Monissa teollisuuden sähkökäytöissä tarvitaan verkkovaihtosuuntaajaa syöttämään tehoa generaattorilta tai jarrutettavalta moottorilta sähköverkkoon. Verkkovaihtosuuntaajassa käytännössä tarvitaan aina LCL-suodin, joka on fyysisesti järjestelmän suurin ja kallein yksittäinen komponentti, ja luonnollisesti suuritehoinen laite vaatii suuren LCL-suotimen. LCL-Suotimen fyysinen koko on kääntäen verrannollinen kytkentätaajuuteen. Tässä diplomityössä esitellään interleaving eli limittelymenetelmä, jonka avulla pystytään kasvattamaan verkkovaihtosuuntaajan ekvivalenttista kytkentätaajuutta ja pienentämään virran värettä sekä kokonaisharmonista säröä. Menetelmästä aiheutuu myös merkittävä haaste, kiertovirrat, joiden suodatusta tutkitaan kahdella eri menetelmällä. Käytetyt suodatustavat ovat LCL-suodin, jossa on lisäksi CM-kuristin ja LCL-suodin, jossa käytetään solujen välistä muuntajaa, ICT:tä. Työ suoritettiin teoriatutkimuksena ja simuloimalla. Tulokset osoittavat, että molemmat suodatustavat voivat toimia todellisessa sovelluksessa. Kuitenkin vain ICT:n omaava suodin on selkeästi vastaavan kokoista kaksitasoista verkkovaihtosuuntaajan suodinta pienempi. Tutkimus osoittaa myös sen, että tutkitussa sovelluskohteessa pelkkä fyysinen suodin ei riitä suodattamaan kiertovirtoja, vaan säätimeen täytyy tehdä myös muutoksia.

Kestomagneettitahtikonekäyttöjen erot

Permanent magnet drives with nominal power over 10 kW were not a cost-sufficient system 25 years ago due to high material expenses. The improvements in motor drives, the rise in competition and the tightening of standards and regulations have caused that the PM-drives are more and more common in the over 10 kW nominal power range. The goal of this thesis is to research the performance in relation to nominal power of a PM-drive technique that is vastly increasing its popularity in fan related devices. The studied motor technique brushless direct current drive (BLDC) consists of a voltage source inverter, permanent motor and six-step-control. The reference drive is a brushless alternating current drive (BLAC) which consists of a VSI, PM and a hysteresis control. As a conclusion there are no major obstacles that would impede the BLDC-drive technique from expanding to larger power stages. The following factors must be taken into consideration when designing a BLDC-drive: motor’s current change rate, inverter switching frequency, motor’s nominal electric frequency, phase inductance and the current handling capability of the inverter. The fluctuating material costs create instability to the end prices of PM-motors that can in the worst case lead to diminished interest towards BLDC- and PM-drives in general.

Minimizing Conducted RF-Emissions in Switch Mode Power Supplies Using Spread-Spectrum Techniques

Switching power supplies are usually implemented with a control circuitry that uses constant clock frequency turning the power semiconductor switches on and off. A drawback of this customary operating principle is that the switching frequency and harmonic frequencies are present in both the conducted and radiated EMI spectrum of the power converter. Various variable-frequency techniques have been introduced during the last decade to overcome the EMC problem. The main objective of this study was to compare the EMI and steady-state performance of a switch mode power supply with different spread-spectrum/variable-frequency methods. Another goal was to find out suitable tools for the variable-frequency EMI analysis. This thesis can be divided into three main parts: Firstly, some aspects of spectral estimation and measurement are presented. Secondly, selected spread spectrum generation techniques are presented with simulations and background information. Finally, simulations and prototype measurements from the EMC and the steady-state performance are carried out in the last part of this work. Combination of the autocorrelation function, the Welch spectrum estimate and the spectrogram were used as a substitute for ordinary Fourier methods in the EMC analysis. It was also shown that the switching function can be used in preliminary EMC analysis of a SMPS and the spectrum and autocorrelation sequence of a switching function correlates with the final EMI spectrum. This work is based on numerous simulations and measurements made with the prototype. All these simulations and measurements are made with the boost DC/DC converter. Four different variable-frequency modulation techniques in six different configurations were analyzed and the EMI performance was compared to the constant frequency operation. Output voltage and input current waveforms were also analyzed in time domain to see the effect of the spread spectrum operation on these quantities. According to the results presented in this work, spread spectrum modulation can be utilized in power converter for EMI mitigation. The results from steady-state voltage measurements show, that the variable-frequency operation of the SMPS has effect on the voltage ripple, but the ripple measured from the prototype is still acceptable in some applications. Both current and voltage ripple can be controlled with proper main circuit and controller design.

Minimizing Circulating Current in Parallel-Connected Photovoltaic Inverters

Parallel-connected photovoltaic inverters are required in large solar plants where it is not economically or technically reasonable to use a single inverter. Currently, parallel inverters require individual isolating transformers to cut the path for the circulating current. In this doctoral dissertation, the problem is approached by attempting to minimize the generated circulating current. The circulating current is a function of the generated common-mode voltages of the parallel inverters and can be minimized by synchronizing the inverters. The synchronization has previously been achieved by a communication link. However, in photovoltaic systems the inverters may be located far apart from each other. Thus, a control free of communication is desired. It is shown in this doctoral dissertation that the circulating current can also be obtained by a common-mode voltage measurement. A control method based on a short-time switching frequency transition is developed and tested with an actual photovoltaic environment of two parallel inverters connected to two 5 kW solar arrays. Controls based on the measurement of the circulating current and the common-mode voltage are generated and tested. A communication-free method of controlling the circulating current between parallelconnected inverters is developed and verified.

Choosing the most suitable analogue redesign method for forward-type digital power converters

This work proposes a method to objectively determine the most suitable analogue redesign method for forward type converters under digital voltage mode control. Particular emphasis is placed on determining the method which allows the highest phase margin at the particular switching and crossover frequencies chosen by the designer. It is shown that at high crossover frequencies with respect to switching frequency, controllers designed using backward integration have the largest phase margin; whereas at low crossover frequencies with respect to switching frequency, controllers designed using bilinear integration have the largest phase margins. An accurate model of the power stage is used for simulation, and experimental results from a Buck converter are collected. The performance of the digital controllers is compared to that of the equivalent analogue controller both in simulation and experiment. Excellent correlation between the simulation and experimental results is presented. This work will allow designers to confidently choose the analogue redesign method which yields the greater phase margin for their application.

Systematic selection of analogue redesign method for forward-type digital power converters

This article proposes a systematic approach to determine the most suitable analogue redesign method to be used for forward-type converters under digital voltage mode control. The focus of the method is to achieve the highest phase margin at the particular switching and crossover frequencies chosen by the designer. It is shown that at high crossover frequencies with respect to switching frequency, controllers designed using backward integration have the largest phase margin; whereas at low crossover frequencies with respect to switching frequency, controllers designed using bilinear integration with pre-warping have the largest phase margins. An algorithm has been developed to determine the frequency of the crossing point where the recommended discretisation method changes. An accurate model of the power stage is used for simulation and experimental results from a Buck converter are collected. The performance of the digital controllers is compared to that of the equivalent analogue controller both in simulation and experiment. Excellent closeness between the simulation and experimental results is presented. This work provides a concrete example to allow academics and engineers to systematically choose a discretisation method.