Contribuições ao Controle Current Programmed Mode (CPM) Aplicado a Conversores CC-CC

Rogerio Luiz da Silva Júnior; Mauricio Dalla Vecchia; André Luís Kirsten; Telles Brunelli Lazzarin

doi:10.18618/REP.2021.2.0072

Authors

Rogerio Luiz da Silva Júnior Instituto de Eletrônica de Potência - INEP - UFSC, Florianópolis - SC, Brasil
Mauricio Dalla Vecchia Instituto de Eletrônica de Potência - INEP - UFSC, Florianópolis - SC, Brasil
André Luís Kirsten Instituto de Eletrônica de Potência - INEP - UFSC, Florianópolis - SC, Brasil
Telles Brunelli Lazzarin Instituto de Eletrônica de Potência - INEP - UFSC, Florianópolis - SC, Brasil

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.2021.2.0072

Keywords:

Conversor Buck, Conversor Forward

Abstract

Apesar de muito difundido na indústria, a estratégia de controle CPM aplicada a conversores CC-CC carece de discussões científicas e uma completa metodologia de projeto para sua correta implementação. Neste contexto, este artigo contribui com uma metodologia para a modelagem e o projeto do controle CPM para os conversores CC-CC Buck e Forward, destacando os desafios existentes em cada um deles. O modelo dos conversores considerando frequências subharmônicas é apresentado, além da consideração da corrente de magnetização como uma rampa externa de compensação no sistema de controle. A modelagem final do conversor Forward foi validada via simulação no circuito comutado e no espectro da frequência. Resultados de simulação e experimentais para validação da estratégia de controle discutida são apresentados para os seguintes parâmetros de projeto: 400V-24V de tensão de entrada e saída, 100kHz de frequência de comutação e 200 W de potência.

Downloads

Download data is not yet available.

Author Biographies

Rogerio Luiz da Silva Júnior, Instituto de Eletrônica de Potência - INEP - UFSC, Florianópolis - SC, Brasil

nascido em 1993 em Florianópolis, Santa Catarina, e Engenheiro Eletricista (2015) e Mestre (2018) em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina. Ele foi, de 2014 a 2015, bolsista de iniciação científica no Instituto de Eletrônica de Potência (INEP) e, de 2016 a 2018, mestrando em eletrônica de potência, também no INEP. Atualmente é Engenheiro de P&D no Instituto Brasileiro de Eletrônica de Potência e Energias Renováveis (IBEPE), e trabalha no desenvolvimento de um transformador de estado solido para redes de distribuição classe 15 kV. Suas áreas de interesse são: conversores a capacitor chaveado, transformadores de estado solido, fontes auxiliares alimentadas em média tensão e modelagem de magnéticos.

Mauricio Dalla Vecchia, Instituto de Eletrônica de Potência - INEP - UFSC, Florianópolis - SC, Brasil

nasceu em Francisco Beltrão, Paraná, Brasil, em 1990. Recebeu o grau de Engenheiro Eletricista e Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Florianópolis, Brasil, em 2014 e 2016, respectivamente. Recebeu o grau de Doutor em Engenharia Elétrica pela KU Leuven, Bélgica, em 2020. Atualmente é pesquisador de Pós Doutorado pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). A área de concentração do Dr. Dalla Vecchia e em Eletrônica de Potência, com ênfase em conversores a capacitor chaveado, conversores CC-CC de alto ganho e alto rendimento, conversores híbridos, inversores, conversores CA-CA, semicondutores com elevada largura de banda (WBG) e energias renováveis (eólica de grande porte e solar).

André Luís Kirsten, Instituto de Eletrônica de Potência - INEP - UFSC, Florianópolis - SC, Brasil

nasceu em Santa Maria, Brasil, em 1986. Recebeu o grau de Engenheiro Eletricista, Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) em 2009, 2011 e 2014, respectivamente. Atualmente é professor no Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa Catarina. Suas áreas de interesse são: projeto de conversores estáticos, sistemas embarcados aplicados a eletrônica de potência, controle digital e transformadores de estado solido.

Telles Brunelli Lazzarin, Instituto de Eletrônica de Potência - INEP - UFSC, Florianópolis - SC, Brasil

nasceu em Criciúma, Santa Catarina, Brasil, em 1979. Recebeu o grau de Engenheiro Eletricista, Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Florianópolis, Brasil, em 2004, 2006 e 2010, respectivamente. Atualmente é professor no Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica da UFSC. A área de concentração do Prof. Telles é em eletrônica de potência, com ênfase em energias renováveis (principalmente eólica de pequeno porte), inversores de tensão e conversores estáticos a capacitor chaveado. Prof. Telles e membro da SOBRAEP e do IEEE.

References

[ 1]Y. Wen and O. Trescases, "Dc-dc converter withdigital adaptive slope control in auxiliary phase foroptimal transient response and improved efficiency,"IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 27,no. 7, pp. 3396-3409, July, 2012. https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2181871 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2181871

[ 2]Yoon-Cheol Jeung, Ik-Chan Choi, and Dong-ChoonLee, "Robust voltage control of dual active bridge dc-dc converters using sliding mode control," in2016IEEE 8th International Power Electronics and MotionControl Conference (IPEMC-ECCE Asia), May, 2016,pp. 629-634. https://doi.org/10.1109/IPEMC.2016.7512358 DOI: https://doi.org/10.1109/IPEMC.2016.7512358

[ 3]Z. Liu, F. Gao, L. Xie, X. Li, and L. Xie, "Predictivefunctional control for buck dc-dc converter," inThe27th Chinese Control and Decision Conference (2015CCDC), May, 2015, pp. 320-325. https://doi.org/10.1109/CCDC.2015.7161711 DOI: https://doi.org/10.1109/CCDC.2015.7161711

[ 4]W. Chen, D. Li, and Y. Xi, "The applicationresearch of forward dc-dc converter control basedon decaying amplification aggregation strategy inpredictive control," inThe 27th Chinese Control andDecision Conference (2015 CCDC), May, 2015, pp.314-319. https://doi.org/10.1109/CCDC.2015.7161710 DOI: https://doi.org/10.1109/CCDC.2015.7161710

[ 5]E. Pazouki, J. A. De Abreu-Garcia, and Y. Sozer,"Fault tolerant control method for interleaved dc-dc converters under open and short circuit switchfaults," in2017 IEEE Energy Conversion Congress andExposition (ECCE), October, 2017, pp. 1137-1142. https://doi.org/10.1109/ECCE.2017.8095916 DOI: https://doi.org/10.1109/ECCE.2017.8095916

[ 6]T. Ohno and N. Hoshi, "Transient responseimprovement method with state space control fortriple active bridge dc/dc converter," in2019 8thInternational Conference on Renewable EnergyResearch and Applications (ICRERA), November,2019, pp. 657-662. https://doi.org/10.1109/ICRERA47325.2019.8996551 DOI: https://doi.org/10.1109/ICRERA47325.2019.8996551

[ 7]A. Parayandeh and A. Prodic, "Mixed-signal cpmcontrolled dc-dc converter ic with embedded powermanagement for digital loads," in2013 Twenty-EighthAnnual IEEE Applied Power Electronics Conferenceand Exposition (APEC), March, 2013, pp. 1352-1359. https://doi.org/10.1109/APEC.2013.6520475 DOI: https://doi.org/10.1109/APEC.2013.6520475

[ 8]L. Lu, Y. Zhang, S. M. Ahsanuzzaman, A. Prodi ́c,G. Calabrese, G. Frattini, and M. Granato, "Digitalaverage current programmed mode control for multi-level flying capacitor converters," in2018 IEEE19th Workshop on Control and Modeling for PowerElectronics (COMPEL), June, 2018, pp. 1-7. https://doi.org/10.1109/COMPEL.2018.8460017 DOI: https://doi.org/10.1109/COMPEL.2018.8460017

[ 9]O. Trescases, A. Prodi ́c, and W. T. Ng, "Digitallycontrolled current-mode dc-dc converter ic,"IEEETransactions on Circuits and Systems I: RegularPapers, vol. 58, no. 1, pp. 219-231, January, 2011. https://doi.org/10.1109/TCSI.2010.2071490 DOI: https://doi.org/10.1109/TCSI.2010.2071490

[ 10]Jung-Hui Cheng and A. F. Witulski, "Steady-stateand large-signal design of current-programmed dc-dcconverters,"IEEE Transactions on Power Electronics,vol. 12, no. 4, pp. 743-751, July, 1997. https://doi.org/10.1109/63.602570 DOI: https://doi.org/10.1109/63.602570

[ 11]V. L. Wisniewski, E. T. Maddalena, and R. B. Godoy,"Discrete-time regional pole-placement using convexapproximations: Theory and application to a boostconverter,"Elsevier Control Engineering Practice,vol. 91, 2019. https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2019.07.020 DOI: https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2019.07.020

[ 12]K. Seol, Y. Woo, G. Cho, G. Gho, and J. Lee,"A synchronous multioutput step-up/down dc-dcconverter with return current control,"IEEETransactions on Circuits and Systems II: ExpressBriefs, vol. 56, no. 3, pp. 210-214, March, 2009. https://doi.org/10.1109/TCSII.2009.2015372 DOI: https://doi.org/10.1109/TCSII.2009.2015372

[ 13]L. Lu, S. M. Ahsanuzzaman, A. Prodic, G. Calabrese,G. Frattini, and M. Granato, "Peak offsettingbased cpm controller for multi-level flying capacitorconverters," in2018 IEEE Applied Power ElectronicsConference and Exposition (APEC), March, 2018, pp.3102-3107. https://doi.org/10.1109/APEC.2018.8341543 DOI: https://doi.org/10.1109/APEC.2018.8341543

[ 14]F. Azcondo, C. Bracas, R. Casanueva, andD. Maksimovic, "Approaches to modeling converterswith current programmed control," inIEEEWorkshop Power Electronics Education, 2005.IEEE, June, 2005, pp. 98-104.

[ 15]Y. Halihal, Y. Bezdenezhnykh, I. Ozana, and M. M.Peretz, "Full fpga-based design of a pwm/cpmcontroller with integrated high-resolution fast adc anddpwm peripherals," in2014 IEEE 15th Workshopon Control and Modeling for Power Electronics(COMPEL), June, 2014, pp. 1-5. https://doi.org/10.1109/COMPEL.2014.6877116 DOI: https://doi.org/10.1109/COMPEL.2014.6877116

[ 16]G. Sen and M. E. Elbuluk, "Voltage and current-programmed modes in control of the z-sourceconverter,"IEEE Transactions on IndustryApplications, vol. 46, no. 2, pp. 680-686, 2010. https://doi.org/10.1109/TIA.2010.2040054 DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2010.2040054

[ 17]UCx84x Current-Mode PWM Controllers, Texasinstruments, January 1997.

[ 18]Current-Mode PWM Controller for off-line PowerSupplies featuring Peak Power Excursion, OnSemiconductor, March 2013.

[ 19]Z. Gao, M. Chen, K. Liu, J. Zhao, Y. Li, and G. Wang,"An asynchronous ac-dc boost converter with event-driven voltage regulator and 94% efficiency for low-frequency electromagnetic energy harvesting,"IEEETransactions on Circuits and Systems II: ExpressBriefs, pp. 1-1, February, 2021. https://doi.org/10.1109/TCSII.2021.3055949 DOI: https://doi.org/10.1109/TCSII.2021.3055949

[ 20]Ridley, Raymond B., "A New, Continuous-TimeModel For Current-Mode Control,"IEEE Transactionson Power Electronics, vol. 6, no. 2, p. 10, Apr. 1991. https://doi.org/10.1109/63.76813 DOI: https://doi.org/10.1109/63.76813

[ 21]Erickson, Robert W. and Maksimovic, D.,Fundamentals of Power Electronics, 2nd ed., 1997. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-7646-4 DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4615-7646-4

[ 22]V. Vlatkovic, J. Sabate, R. Ridley, F. Lee,and B. Cho, "Small-signal analysis of thephase-shifted PWM converter,"IEEE Transactionson Power Electronics, vol. 7, no. 1,pp. 128-135, Jan. 1992. https://doi.org/10.1109/63.124585 DOI: https://doi.org/10.1109/63.124585

[ 23]M. K. Kazimierczuk, "Pulse-width Modulated DC-DCPower Converters," p. 811, 2008. https://doi.org/10.1002/9780470694640 DOI: https://doi.org/10.1002/9780470694640

[ 24]J. C. Dias and T. B. Lazzarin, "Retificador boostbridgeless unidirecional monof ́asico com celula acapacitor chaveado,"Eletrônica de Potência,vol. 22, no. 4, pp. 340-349, Dezembro, 2017. https://doi.org/10.18618/REP.2017.4.2698 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2017.4.2698

[ 25]M. A. Salvador, T. P. Horn, T. B. Lazzarin, andR. F. Coelho, "Conversor cc-cc de alto ganho obtidopela combinac ̧ ̃ao entre redes de indutor e de capacitorchaveado,"Eletrônica de Potência, vol. 23,no. 2, pp. 161-170, Junho, 2018. https://doi.org/10.18618/REP.2018.2.2754 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2018.2.2754