دانلود ترجمه مقاله کنترل چندلایه دیجیتالی برای PFC قطب Totem CRM

1. مقدمه 2. تاثیر کنترل چندلایه روی PFC قطب Totem مگاهرتزی و فیلتر DM آن 3. مقایسه عملکرد بین چندلایه حلقه باز و حلقه بسته برای PFC قطب CRM Totem مگاهرتزی 4. بهینه سازی چندلایه حلقه باز 5. تحلیل پایداری چندلایه حلقه باز در فرکانس سوئیچینگ مگاهرتز 6. نتیجه گیری

چکیده – این مقاله، مقایسه بین عملکرد روشهای کنترل چندلایه مختلف برای مدار تصحیح ضریب توان (PFC ) قطب توتم مد رسانایی فرکانس مگاهرتز بحرانی (CRM) مبتنی بر قطعات نیترید گالیم (GaN) را ارائه می دهد. هردوی چندلایه سازی حلقه بسته و حلقه باز برای CRM PFC 70 کیلوهرتز مناسب و خوب می باشند، اما برای یک CRM PFC در محدوده مگاهرتز با پیاده سازی میکروکنترلر (MCU)، چندلایه سازی حلقه باز عملکرد بهتری نسبت به حلقه بسته، فقط با خطای فاز کم و تقویت نشده، دارد. بعد از بهینه سازی نرم افزاری، خطای فاز چندلایه سازی حلقه باز در فرکانس 1MHz کمتر از 3 درجه می شود، هنگامی که این کنترل بوسیله یک MCU کم هزینه 60 مگاهرتز، پیاده سازی می شود. اثر حذف ریپل قابل توجه و کاهش اندازه فیلتر مد تفاضلی (DM) با لایه گذاری خوب حاصل می شود. برای یک PFC قطب توتم مگاهرتز 2/1 کیلوواتی، اندازه فیلتر DM به میزان یک چهارم در مقایسه با همتای PFC 100 کیلوهرتزی، کاهش می یابد. همچنین اینکه، پایداری چندلایه سازی حلقه باز نیز تحلیل شدند که نشان دهنده آن است که PFC قطب توتم MHz CRM با کنترل مد ولتاژ، چندلایه سازی حلقه باز و سنکروناسیون لحظه روشن شدن می توانند عملکرد مد بحرانی را با پایداری بهتر در مقایسه با CRM PFC 70 کیلوهرتز، حفظ کنند. نتیجه گیری: کنترل چندلایه سازی دقیق، برای کاهش موثر ریپل جریان ورودی و برای دستیابی به کاهش اندازه فیلتر EMI پیش بینی شده برای PFC قطب توتم CRM محدوده مگاهرتز، بسیار مهم است. مشخصه های عالی قطعات GaN، فرصت افزایش هنگفت فرکانس کلیدزنی یک مدال PFC همراه با پیاده سازی کلیدزنی نرم CRM را حاصل می کنند. اما، عملکرد در محدوده فرکانسی مگاهرتز، چالش های جدیدی برای روش های کنترل چندلایه فرکانس متغیر سنتی بوجود می آیند. علت آن است که با یک کنترلر دیجیتال با هزینه معقول، کنترل چندلایه سازی سیکل به سیکل در فرکانس مگاهرتز قابل تحقق نیست. تحت این شرایط، چندلایه سازی حلقه بسته قبلاً ترجیح داده شده، که قادر به دستیابی به عملکرد کلیدزنی نرم خوب و خطای فاز حداقل در 70 یا 130 کیلوهرتز هستند، باعث بوجود آمدن اثر حذف ریپل جریان ورودی ضعیف و ناپایدار در محدوده مگاهرتز می شود. درحالی که از جنبه دیگر، چندلایه سازی حلقه باز، عملکرد بسیار بهتری بخصوص بعد از بهینه سازی الگوریتم در MCU نشان می دهد. با پیادهسازی بوسیله یک MCU 60 مگاهرتز، خطای فاز کمتر از 3 درجه با چندلایه سازی حلقه باز حاصل می شود که این بسیار بهتر از خطای فاز 24 درجه بدست آمده بوسیله چندلایه سازی حلقه بسته است. افزایش هنگفت فرکانس کلیدزنی، فرصتی برای استفاده از فیلتر EMI مرحله 1 فراهم می کند. در عین حال، فیلتر مرحله 1، حساسیت کمتری به خطای فاز چندلایه سازی نشان می دهد. علاوه بر آن، هنگام مقایسه پاسخ دینامیک تحت اغتشاش، عملکرد 1 مگاهرتز، کاهش زمان نشست قابل توجه و در نتیجه پایداری بهتری نسبت به عملکرد 70 کیلوهرتز متداول، نشان می دهد. توجه به این پدیده هنگام افزایش فرکانس کلیدزنی افزایش می یابد، جریان منفی بیشتر و افت سیکل وظیفه بخاطر تشدید برای ZVS ساخته شده، بوجود می آید. PFC اساساً در مد DCM عمیق کار می کند، نه در مرز بین CCM و DCM. براساس تحلیل و نتایج، چندین مزیت سطح سیستم را می توان حاصل کرد که شامل بازده بهتر، چگالی توان بهینه بسیار بهبود یافته بخاطر کاهش اندازه اجزاء پسیو و فیلتر EMI، و پاسخ دینامیک بهتر تحت گذرایی ها می باشند که اینها همگی با افزایش هنگفت فرکانس کلیدزنی به لطف قطعات GaN حاصل شده اند.

This paper presents a comparison between the performances of different interleaving control methods for gallium nitride devices-based MHz critical conduction mode (CRM) totem-pole power factor correction (PFC) circuit. Both closed-loop interleaving and open-loop interleaving are good for the 70-kHz CRM PFC; but for a MHz frequency CRM PFC with microcontroller (MCU) implementation, the open-loop interleaving outperforms the closed-loop interleaving with only a small and nonamplified phase error. After software optimization, the phase error of the open-loop interleaving is smaller than 3° at 1 MHz, when the control is implemented by a 60-MHz low-cost MCU. Significant ripple cancellation effect and differential-mode (DM) filter size reduction are achieved with good interleaving. For a 1.2-kW MHz totem-pole PFC, the DM filter size is reduced to one quarter when compared with the counterpart of a 100-kHz PFC. Last but not least, the stability of the open-loop interleaving is also analyzed indicating that the MHz CRM totem-pole PFC with voltage-mode control, open-loop interleaving, and turn-on instant synchronization can maintain critical mode operation with better stability compared with the 70-kHz CRM PFC. CONCLUSIONS: Accurate interleaving control is very critical to effectively reducing input current ripple and to achieving the expected EMI filter size reduction for the MHz CRM totem-pole PFC. The superior characteristics of GaN devices offer the opportunity to dramatically increase the switching frequency of a PFC circuit with CRM simple soft switching implementation. However, MHz frequency operation bring new challenges to the traditional variable frequency interleaving control methods. This is because with a reasonable cost digital controller, cycle-by-cycle interleaving control cannot be realized at MHz. Under this circumstances the previously preferred closedloop interleaving, which is able to achieve good soft switching operation and minimal phase error at 70 kHz or 130 kHz, results in poor and unstable input current ripple cancellation effect at MHz. While on the other side, openloop interleaving demonstrates significantly better performance especially after algorithm optimization in MCU. Implemented by a 60 MHz MCU, a less than 3 degree phase error is accomplished with open-loop interleaving, which is far better than 24 degree phase error achieved by closed-loop interleaving. The dramatically increased switching frequency offer the opportunity to use 1-stage EMI filter. At the same time, 1-stage filter shows less sensitivity to the interleaving phase error. Furthermore, when comparing the dynamic response under perturbation, 1 MHz operation shows significantly reduced settling time and thus better stability than conventional 70 kHz operation. The insight of this phenomenon is when switching frequency is increased, there is more negative current and duty cycle loss due to resonance to realized ZVS. The PFC essentially operates in deep DCM mode rather than at the boundary between CCM and DCM. Based on the analysis and results, several system-level benefits can be projected including better efficiency, significantly improved power density due to size reduction of passive components and EMI filter, and better dynamic response under transient, which are all achieved by dramatically increased switching frequency enabled by GaN devices.