Three Phase Buck type rectifier integrated with Current Fed Full Bridge

摘要

En los últimos años, la importancia de la energía eléctrica en aviónica ha ido en aumento, con la aparición de proyectos tan ambiciosos como “El avión más eléctrico”. Dado que, en aviónica, el peso es un factor muy importante, uno de los objetivos de los diseñadores de sistemas electrónicos de vuelo es incrementar la densidad de potencia de los mismos. La inclusión de convertidores conmutados permite ir aumentando la densidad de potencia a través de la inclusión de nuevos tipos de semiconductores que permiten aumentar la frecuencia de conmutación y, de este modo, reducir el tamaño de los magnéticos, los cuales representan una parte importante del volumen total del sistema. Concretamente, en los rectificadores trifásicos, que transforman la corriente alterna de los generadores a corriente continua para alimentar distintos tipos de cargas, los magnéticos no sólo los encontramos en el convertidor, sino también en los filtros EMI que se utilizan a la entrada de los mismos, con el objeto de mitigar los ruidos electromagnéticos producidos en las conmutaciones de los interruptores y poder cumplir con las normas de vuelo en cuanto a ruido electromagnético se refiere. De modo que el incremento de frecuencia de conmutación en los semiconductores se considera un método para lograr soluciones más compactas con niveles de potencia más altos. En el repaso del estado del arte se han estudiado diferentes soluciones de rectificadores trifásicos conmutados. Se han analizado diferentes topologías teniendo en cuenta los requerimientos de ruido electromagnético de la norma militar MIL-STD-461E, MIL-STD-704F. Estos límites son muy estrictos, ya que son independientes de la potencia del convertidor. En este capítulo, se han simulado las diferentes topologías, tanto de tipo reductor como de tipo elevador, y se han calculado, para unas mismas condiciones, el tamaño de las bobinas del filtro necesarias para cumplir la norma. Algunas de estas topologías incluyen aislamiento galvánico un requerimiento muy común en aplicaciones de aviónica. Dado que el aislamiento galvánico es un requisito de algunas aplicaciones, en el capítulo se revisan algunas de las topologías con aislamiento galvánico más utilizadas para rangos de potencia de cientos a miles de vatios. Estas topologías están basadas principalmente en puentes, completos o medios, con funcionamiento clásico, o resonante, alimentadas en corriente o en tensión. Una vez repasadas estas topologías, se evalúan diferentes combinaciones entre el rectificador tipo reductor, el cual parece el más adecuado para los rangos de tensión y potencia en los que se enmarca esta tesis, y los diferentes convertidores CC/CC con aislamiento. Estas combinaciones se comparan con las soluciones de una sola etapa con aislamiento galvánico. En esta tesis se ha analizado en detalle el rectificador trifásico tipo reductor y el puente completo alimentado en corriente. Este circuito permite reducir el número de magnéticos en el sistema, ya que la inductancia de salida del rectificador es compartida con la de entrada del puente completo alimentado en corriente. Esta solución abre las posibilidades de aplicar diferentes estrategias al sistema, dado que son dos etapas separadas. Por lo que, la motivación de esta tesis, es el análisis de este circuito, así como las posibles estrategias de control que puedan ayudar a mejorar la densidad de potencia del mismo. En el tercer capítulo se presenta la principal contribución de la tesis, la sincronización entre la etapa del rectificador trifásico tipo reductor y el puente completo alimentado en corriente. El concepto de sincronización ya fue propuesto por otros autores, conectando el rectificador tipo reductor y un elevador como segunda etapa. A diferencia de esa solución, en el circuito propuesto en esta tesis se añade el transformador, lo que permite optimizar los voltios por segundo aplicados a la bobina intermedia y de esta forma reducir su tamaño. Dado que este circuito dispone de dos variables de control (M y d), en este capítulo se evalúan las diferentes posibilidades de regulación disponibles. Estas posibilidades se clasifican en 3 estrategias. En la primera, se fija la variable de control del rectificador, M, y se modula el sistema con la variable de control del puente completo, D. En la segunda, se fija D y se regula el sistema con M, y en la tercera, se regula el sistema con las dos variables. En este capítulo, se analiza el impacto de las diferentes estrategias en el rendimiento. En el capítulo cuarto se analizan las posibles implementaciones del control digital propuesto. En una primera parte se comparan soluciones de bajo coste basadas en FPGA y DSP. A continuación se introducen en la comparación los SoC, dispositivos en los que conviven FPGA, DSP y ADC. Se presenta el diagrama de bloques necesario para el control propuesto, donde se observan las necesidades de medidas del sistema tanto para la modulación como para la regulación del circuito. Las diferentes implementaciones posibles sobre el dispositivo SoC se comparan en cuanto al tiempo necesario para la ejecución y la complejidad. En el capítulo quinto se validan los análisis teóricos presentados durante la tesis sobre un prototipo. En este capítulo se explica cómo se ha diseñado el prototipo del circuito así como del filtro EMI para cumplir con la normativa MIL-STD-461E, la cual es muy estricta. Aplicar esta norma afecta a la selección de los componentes y al diseño de los magnéticos por la aplicación de unos márgenes (derating) en cuanto a temperatura, tensiones y corrientes a soportar. Adicionalmente, las normas limitan los armónicos debidos a las frecuencias de conmutación, los cuales deben ser atenuados por el filtro EMI. Los resultados que se obtienen de estos prototipos son analizados. En el capítulo sexto, se analizan los resultados obtenidos, tanto teóricos como experimentales, presentando las aportaciones originales surgidas de este trabajo y se presentan las conclusiones obtenidas de esta tesis. ABSTRACT In the last years, the importance of the electrical energy in avionic applications has been increasing with numerous news and ambitious projects as “The More Electrical Aircraft” (MEA). Since in avionics, the weight is very importance, in order to reduce the consumption of fuel, one of the main goals for the designers of electronic systems has been increase the power density of the electronic systems. The introduction of commutated power supplies allows to increase the power density throughout using new type of semiconductors allowing increase the switching frequency. This fact helps to decrease the size of the magnetics, whose represents the most important part of the total volume of the system. In the three phase rectifiers, which transform the AC energy coming from the generators to DC to supply several loads, the magnetics can be found in the rectifiers but also in the EMI filters used to attenuate the noise induced by the switching frequency of the rectifiers. This EMI filters are needed to comply with the standards of avionic applications. Therefore, the increment of the switching frequency is a technique used to achieve higher power densities in the designs. In the review of the state of the art has been study several solutions of commutated three phase rectifiers. Several topologies have been analyzed considering the standards MIL-STD-461E, MIL-STD-704F. The EMI noise requirement are very strict because are independent of the power of the converter. In this chapter, several topologies have been simulated both for buck type and boost type. For the same conditions, the size of the inductors of both kind of topologies have been calculated to comply with the standards. Some of these topologies include galvanic isolation, which is a very common requirement in avionic applications. Since galvanic isolation is a requirement of this applications, in this chapter some of the most used topologies with isolation for hundreds to thousands of watts are reviewed. These topologies are mainly based on Bridges (Full Bridge and Half Bridge) with classic or resonant configurations, current or voltage fed. Once these topologies have been reviewed, several power architectures based on combinations between buck type rectifiers, which it is the most suitable topology for the voltage and power range specified in this thesis, and the DC/DC with isolation commented previously. These solutions are compared with the solutions of only one stage with galvanic isolation. In this thesis have been analyzed in detail the combination based on the buck type three phase rectifier and the Current Fed Full Bridge. This combination allows to reduce the total number of magnetics of the system because the output inductor of the rectifier is shared with the input inductor of the Current Fed Full Bridge. This combination gives the opportunity to analyze different control strategies applied to both stages in order to improve the global response. Therefore, the analysis of the design of integrating both stages, analyzing the design and the control possibilities is the main motivation for this thesis. In the third chapter is presented the main contribution of this thesis, the synchronization between the buck type stage and the Current Fed Full Bridge. The concept of synchronization was proposed by other authors, connecting the buck type rectifier and a boost converter as a second stage. The different approach to this solution is the inclusion of a power transformer. The transformer allows to optimize the volts per second applied to an intermediate inductor and consequently, reduce its size. Since this circuit has two variables of control (M and d), in this chapter the regulation possibilities are evaluated. There are three possible strategies. In the first strategy, the modulation index of the rectifier, M, is fixed and the system is modulated with d, the duty cycle of the Full-Bridge. In the second strategy, the duty cycle of the Full Bridge is fixed and the system is regulated with M. And the last strategy consists on regulate modifying both variables, M and d. The impact on the efficiency is analyzed in this chapter. In the fourth chapter are analyzed some possible implementations of the digital control proposed. First at all, low cost solutions based on FPGA and DSP are compared. Then, SoC devices are introduced in the comparison. SoC are deviced which includes microprocessor, FPGA and ADC, in the same chip. In the chapter is presented the block diagram of the control where can be appreciated the necessities of measurements of the control for the modulation and regulation of the circuit. Several possible implementations of the control in the SoC are compared in execution time and complexity. In the fifth chapter, the theoretical analysis presented during the thesis under a prototype are validated. In this chapter is explained how the prototype have been designed and the considerations to comply with the standards MIL-STD-461E and MIL-STD-704F that has been applied. This standard affects to the selection of the components and the design of the magnetics, where a derating should be considered. Additionally, the standards specify the limits for the harmonics induced at the switching frequency by the rectifier, which affects to the design of the EMI filter. The experimental results obtained are analyzed. In the sixth chapter, the results obtained, both theoretical and experimental are analyzed, highlighting the original contributions and presenting the conclusions of the work.