Details

Autor(en) / Beteiligte

• Grote, Tobias
• Böcker, Joachim
• Petzoldt, Jürgen

Titel

Digital control for interleaved boost power factor correction (PFC) rectifiers

Erscheinungsjahr

2014

Verknüpfte Titel

Beschreibungen/Notizen

• Tag der Verteidigung: 11.04.2014
• Paderborn, Univ., Diss., 2014
• ger: Zur Verbesserung der Netzqualität besitzen moderne elektronische Stromversorgungen eingangsseitig eine netzfreundliche Pulsgleichrichterstufe (PFC). Um schaltfrequente Störanteile im Eingangsstrom zu reduzieren und bei höherer Geräteleistung werden typischerweise mehrere Konverter parallel betrieben und phasenversetzt angesteuert. Die Regelung solcher PFC-Stufen muss gleichzeitig drei Regelungsaufgaben bewältigen: Die innere Stromregelung muss einen hohen Leistungsfaktor gewährleisten, indem der Eingangsstrom der sinusförmigen Netzspannung nachgeführt wird. Die äußere Spannungsregelung soll am Ausgang eine konstante Gleichspannung bereitstellen. Die Stromsymmetrierung muss die gleichmäßige Leistungsaufteilung auf alle parallelen Konverter sicherstellen. Es werden vier neuartige Regelungskonzepte vorgestellt und bewertet, bei denen Teile oder die komplette Regelung digital implementiert sind: 1. Beim semi-digitalen Regelungskonzept sind die Funktionen sinnvoll auf digitale und analoge Teile gesplittet. 2. DSPs mit integrierten analogen Komparatoren ermöglichen eine digitale Spitzenstromregelung. Für die erforderliche Slope-Kompensation und den PFC Betrieb wurden spezielle Algorithmen entwickelt. 3. Für den Parallelbetrieb an der Lückgrenze wurde eine digitale Phasenwinkelnachführung entwickelt. 4. Der Parallelbetrieb an der Lückgrenze oder im Lückbetrieb lässt sich auch nur mit einem Vorsteueralgorithmus erzielen. Dieser bietet durch das einstellbare Lückintervall einen Freiheitsgrad für weitere Optimierung, z.B. Minimierung des THD. Mit den untersuchten Regelungsstrategien lässt sich die Leistungsfähigkeit von PFC-Stufen steigern. Eine digitale Realisierung ist jedoch kein Patentrezept. Oftmals ergibt erst die Kombination von digitaler Regelung mit analogen Komponenten das optimale Regelungskonzept.
• eng: Rectifiers with low power factor cause line interferences and reactive power. Hence, power factor correction (PFC) rectifiers have been established as front end stage of AC-DC converters. To increase the power level and reduce the high-frequency interferences two or more boost converters are operated in parallel with phase shifted switching cycles. For those interleaved PFC rectifiers three different control tasks must be performed at once: The inner current controller needs to achieve high power factor by forcing the input current to track the sinusoidal line voltage. The outer voltage controller has to maintain nearly constant DC output voltage. The current balancing must ensure equal rail power for the paralleled converters. Four advanced control concepts for interleaved PFC using digital control are presented and evaluated: 1. In a semi-digital PFC control concept analog and digital control parts are smartly combined. 2. DSPs containing analog on-chip comparators enable digital peak current control. For the required slope compensation a digital algorithm is presented. Adaptive algorithms enable adjustable compensation and sinusoidal input current for PFC. 3. For interleaved PFC converters operating in boundary conduction mode (BCM) a digital phase shift control is developed to enable multi-rail interleaving. 4. A feed-forward control for multi-rail interleaved PFC converters operating in BCM and DCM is presented. With adjustable DCM ratio a degree of freedom results, which is used to improve the performance, e.g. to minimize the THD in the input current. The introduced innovations provide additional functionality for interleaved PFC rectifiers and improve the performance in different categories. The investigations have shown that digital control is not a general solution for enhanced performance. Often it is beneficial to combine digital control with suitable analog parts such as analog comparators.