Publication: Diseño e implementación de un modulador de alta resolución para el control digital de convertidores conmutados de potencia que trabajan en alta frecuencia
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Publication date
2022-03
Defense date
2022-03-21
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Abstract
Since the end of the 20th century, technological evolution has been focused on achieving further compact circuit designs in order to improve efficiency and to reduce the weight and volume of electronic equipment. This has been driven by an increase in demand from society's needs due to the reduction in the cost of electronic devices, which has made technology easily accessible and thus making it a product of daily consumption. A very competitive market has increased in order to satisfy all these technological needs demanded by society, which has led to development of more complex electronic designs offering a great number of functions to meet all these needs. All this pursuit of technological innovation has led to the development of large technological systems such as telecommunication networks, aeronautical systems and transport networks. In addition, these advances have allowed to satisfy more daily needs with the design of intelligent devices that help in the domestic field, provide access to information or generate entertainment.
Under this context of technological evolution, the use of power converters has played a main role focused on efficient energy management. Its development has been so important that it has served as the basis for technological solutions previously unfeasible. For instance, cochlear implants, which enable people with hearing problems to distinguish sounds, these implants are supplied by a non-contact energy transfer system. They also have a small size and weight in order to be implanted inside the human body and to reduce power consumption as much as possible. Overall, technological evolution has followed a trend towards ever more compact circuit designs in order to improve efficiency or autonomy and to reduce weight and volume.
In line with this trend of miniaturization of circuits, this thesis is focused on the solution of one of the most common problems related to the increase of the switching frequency of power converters controlled by digital devices, which is the limited resolution of the modulator. For this purpose, two architectures are presented and implemented for digital pulse width modulators (DPWM), both implemented in FPGAs, to increase the resolution of the converter modulator. These solutions are designed, implemented, and applied in power converters operating at high frequency to test their real performance.
In order to design the proposed DPWMs, a review of the different proposals in the state of the art has been made considering a distinction according to the technology and the different types of architectures used. Once the advantages and disadvantages of each of the advantages have been identified, it was decided to work with FPGA technology.
The first original contribution proposed is a modulator capable of generating a pulse where the falling edge is controlled with very high resolution. The DPWM solves many of the problems presented by different state-of-the-art architectures, such as the fact that it does not require manual calibration and automatic routing can be performed on the FPGA. In addition, this design is implemented on two models of Xilinx FPGAs (Artix-7 and Kintex UltraScale-7), where the resolution is significantly improved compared to existing solutions (79.9 ps and 4.997 ps, respectively). The second original proposed architecture allows providing high resolution and independently control to the rising and falling edges. Taking advantage of this independent control of the high-resolution edges, a third original architecture is proposed and used to generate complementary pulses.
A first analysis is carried out through simulations with the manufacturer's tool in order to implement the proposed architectures. This information is used to get a first approach of the architectures behavior and observe how the signals are generated by the FPGA. This simulation tool provides an estimation of the resolution achieved with the architecture. Once this simulation has been carried out, the architectures are implemented in the FPGA and the performance and real resolution of the digital controller's output signal is characterized. However, given the difficulty of performing time measurements with an optimal resolution to obtain the minimum increment of the architecture, it was decided to use indirect measurements to determine this value. The temporal resolution measurement is achieved through an indirect calculation of the minimum increase in the mean value of the signal generated with the proposed architectures.
Finally, a third high-resolution architecture has been designed for application in the control of real high-frequency power converters. This new architecture is based on the previous one and is capable of generating complementary signals with high resolution. Due to the performed tests, it is possible to obtain a comparison of the effects of having high resolution in different converters together with the importance of the use of the proposed architectures. In addition, the use of this high resolution has been explored in other power electronics applications such as the identification of the frequency response of switched-mode converters operating at high frequency. This allows to design, with a better knowledge of the real converter plant, the high-frequency control loops.
The conclusions drawn from each part of this document have been presented in summary form at the end of each chapter. All of them have been validated by experimental tests, simulations with the manufacturer's tools or compared with published literature.
Desde finales del siglo XX, la evolución tecnológica ha avanzado en el camino de conseguir diseños de circuitos cada vez más compactos con el fin de mejorar la eficiencia y reducir el peso y volumen de los equipos. Esto se ha debido a un incremento en la demanda de las necesidades tecnológicas por parte de la sociedad a causa de la reducción de los costes en los dispositivos electrónicos. Lo que ha permitido que la tecnología sea más accesible, convirtiéndose en un producto de consumo cotidiano. El satisfacer todas estas necesidades tecnológicas que demanda la sociedad han generado un mercado muy competitivo, lo que ha provocado que cada vez se requiera de implementar diseños electrónicos más complejos que abarquen un mayor número de funciones para cubrir todas estas necesidades. Toda esta carrera de innovación tecnológica ha llegado a impulsar el desarrollo de grandes sistemas tecnológicos como las redes de telecomunicaciones, sistemas aeronáuticos o redes de transporte. Además, estos avances han permitido satisfacer necesidades más cotidianas con el diseño de dispositivos inteligentes que ayudan en el ámbito doméstico, facilitan el acceso a la información o generan entretenimiento. En este contexto de evolución tecnológica, el uso de convertidores de potencia ha jugado un papel principal centrado en la gestión eficiente de la energía. Tal ha sido la importancia de su desarrollo que han servido de base para que sea posible lograr soluciones tecnológicas inviables hasta ese momento. Un claro ejemplo son los implantes cocleares, los cuales permiten a las personas con problemas de audición a distinguir sonidos. Estos implantes se alimentan a través de un sistema de transferencia de energía sin contacto. Además, poseen un tamaño y peso pequeño para implantarse dentro del cuerpo humano y reducir el consumo lo máximo posible. En general, la evolución tecnológica ha seguido una tendencia donde se trata de conseguir diseños de circuitos cada vez más compactos con el fin de mejorar la eficiencia o autonomía y reducir el peso y volumen. En base a esta tendencia de miniaturización de los circuitos, esta tesis se centra en resolver uno de los problemas más comunes debidos al aumento de la frecuencia de conmutación de los convertidores de potencia controlados mediante dispositivos digitales, que es la resolución limitada del modulador. Para ello, se presentan e implementan dos arquitecturas para moduladores digitales por ancho de pulso (DPWM), implementadas en FPGAs, para incrementar la resolución del modulador del convertidor. Estas soluciones se diseñan, se implementan, y se aplican en convertidores de potencia que operan en alta frecuencia para comprobar su funcionamiento real. Para los diseños de los DPWM propuestos, se ha realizado una recopilación de las diferentes propuestas en el estado de la técnica diferenciando según la tecnología y realizando distinciones de las tipologías de arquitecturas empleadas. Una vez se ha identificado las ventajas y desventajas de cada una de las tecnologías digitales y tipos de arquitecturas, se decide trabajar con la tecnología FPGA. La primera contribución original que se propone en esta tesis es un modulador capaz de generar un pulso cuyo flanco de bajada se controla con muy alta resolución. Este diseño soluciona muchos de los problemas que presentan las diferentes arquitecturas del estado del arte, como que no necesita de calibración manual y se puede realizar un rutado automático en la FPGA. Además, este diseño se implementa en dos modelos de FPGAs de Xilinx (Artix-7 y Kintex UltraScale-7), donde se mejora notablemente la resolución frente a las existentes (79,9 ps y 4,997 ps, respectivamente). La segunda arquitectura original propuesta permite dotar de una alta resolución a los flancos de subida y bajada de los pulsos de control de manera independiente. Aprovechando esta ventaja de control independiente de los flancos de alta resolución, se propone una tercera arquitectura original que se utiliza para generar pulsos complementarios. Para la implementación de las arquitecturas propuestas, se realiza un primer análisis a través de simulaciones con la herramienta del fabricante. Esta información se utiliza para tener un primer contacto del funcionamiento de las arquitecturas y cómo se comportan las señales de que genera el controlador. Con la herramienta de simulación, se obtiene una aproximación de cuál es la resolución alcanzada con la arquitectura. Una vez realizada esta simulación, se implementa las arquitecturas en el controlador y se caracteriza el comportamiento y la resolución real de la señal de salida del controlador. Ante la dificultad de realizar mediciones temporales con una resolución óptima para obtener cual es el mínimo incremento de la arquitectura, se decide utilizar medidas indirectas para conocer este valor. La medida de resolución temporal se logra a través de un cálculo indirecto en el mínimo incremento que se produce en el valor medio de la señal generada con las arquitecturas propuestas. Por último, se ha diseñado una tercera arquitectura de alta resolución con el objetivo de aplicarse en el control de convertidores reales de potencia de alta frecuencia. Esta nueva arquitectura está basada en la anterior y es capaz de generar señales complementarias con alta resolución. Gracias a las pruebas realizadas se puede obtener una comparación razonada de cómo afecta tener alta resolución en diferentes convertidores y de la importancia de la utilización de las arquitecturas propuestas. Además, se ha explorado el uso de esta alta resolución en otras aplicaciones de la electrónica de potencia como es la identificación de la respuesta en frecuencia de los convertidores conmutados que funcionan a alta frecuencia. Esto permite poder diseñar, con un mayor conocimiento de la planta real del convertidor, los lazos de control de alta frecuencia para que el convertidor opere en base a un punto de trabajo ajustando de manera autónoma las señales de control. Las conclusiones obtenidas de cada una de las partes de este documento han sido resumidas al final de cada capítulo. Todas ellas han sido validadas a través de pruebas experimentales, simulaciones con herramientas del fabricante o comparadas con las publicaciones realizadas.
Desde finales del siglo XX, la evolución tecnológica ha avanzado en el camino de conseguir diseños de circuitos cada vez más compactos con el fin de mejorar la eficiencia y reducir el peso y volumen de los equipos. Esto se ha debido a un incremento en la demanda de las necesidades tecnológicas por parte de la sociedad a causa de la reducción de los costes en los dispositivos electrónicos. Lo que ha permitido que la tecnología sea más accesible, convirtiéndose en un producto de consumo cotidiano. El satisfacer todas estas necesidades tecnológicas que demanda la sociedad han generado un mercado muy competitivo, lo que ha provocado que cada vez se requiera de implementar diseños electrónicos más complejos que abarquen un mayor número de funciones para cubrir todas estas necesidades. Toda esta carrera de innovación tecnológica ha llegado a impulsar el desarrollo de grandes sistemas tecnológicos como las redes de telecomunicaciones, sistemas aeronáuticos o redes de transporte. Además, estos avances han permitido satisfacer necesidades más cotidianas con el diseño de dispositivos inteligentes que ayudan en el ámbito doméstico, facilitan el acceso a la información o generan entretenimiento. En este contexto de evolución tecnológica, el uso de convertidores de potencia ha jugado un papel principal centrado en la gestión eficiente de la energía. Tal ha sido la importancia de su desarrollo que han servido de base para que sea posible lograr soluciones tecnológicas inviables hasta ese momento. Un claro ejemplo son los implantes cocleares, los cuales permiten a las personas con problemas de audición a distinguir sonidos. Estos implantes se alimentan a través de un sistema de transferencia de energía sin contacto. Además, poseen un tamaño y peso pequeño para implantarse dentro del cuerpo humano y reducir el consumo lo máximo posible. En general, la evolución tecnológica ha seguido una tendencia donde se trata de conseguir diseños de circuitos cada vez más compactos con el fin de mejorar la eficiencia o autonomía y reducir el peso y volumen. En base a esta tendencia de miniaturización de los circuitos, esta tesis se centra en resolver uno de los problemas más comunes debidos al aumento de la frecuencia de conmutación de los convertidores de potencia controlados mediante dispositivos digitales, que es la resolución limitada del modulador. Para ello, se presentan e implementan dos arquitecturas para moduladores digitales por ancho de pulso (DPWM), implementadas en FPGAs, para incrementar la resolución del modulador del convertidor. Estas soluciones se diseñan, se implementan, y se aplican en convertidores de potencia que operan en alta frecuencia para comprobar su funcionamiento real. Para los diseños de los DPWM propuestos, se ha realizado una recopilación de las diferentes propuestas en el estado de la técnica diferenciando según la tecnología y realizando distinciones de las tipologías de arquitecturas empleadas. Una vez se ha identificado las ventajas y desventajas de cada una de las tecnologías digitales y tipos de arquitecturas, se decide trabajar con la tecnología FPGA. La primera contribución original que se propone en esta tesis es un modulador capaz de generar un pulso cuyo flanco de bajada se controla con muy alta resolución. Este diseño soluciona muchos de los problemas que presentan las diferentes arquitecturas del estado del arte, como que no necesita de calibración manual y se puede realizar un rutado automático en la FPGA. Además, este diseño se implementa en dos modelos de FPGAs de Xilinx (Artix-7 y Kintex UltraScale-7), donde se mejora notablemente la resolución frente a las existentes (79,9 ps y 4,997 ps, respectivamente). La segunda arquitectura original propuesta permite dotar de una alta resolución a los flancos de subida y bajada de los pulsos de control de manera independiente. Aprovechando esta ventaja de control independiente de los flancos de alta resolución, se propone una tercera arquitectura original que se utiliza para generar pulsos complementarios. Para la implementación de las arquitecturas propuestas, se realiza un primer análisis a través de simulaciones con la herramienta del fabricante. Esta información se utiliza para tener un primer contacto del funcionamiento de las arquitecturas y cómo se comportan las señales de que genera el controlador. Con la herramienta de simulación, se obtiene una aproximación de cuál es la resolución alcanzada con la arquitectura. Una vez realizada esta simulación, se implementa las arquitecturas en el controlador y se caracteriza el comportamiento y la resolución real de la señal de salida del controlador. Ante la dificultad de realizar mediciones temporales con una resolución óptima para obtener cual es el mínimo incremento de la arquitectura, se decide utilizar medidas indirectas para conocer este valor. La medida de resolución temporal se logra a través de un cálculo indirecto en el mínimo incremento que se produce en el valor medio de la señal generada con las arquitecturas propuestas. Por último, se ha diseñado una tercera arquitectura de alta resolución con el objetivo de aplicarse en el control de convertidores reales de potencia de alta frecuencia. Esta nueva arquitectura está basada en la anterior y es capaz de generar señales complementarias con alta resolución. Gracias a las pruebas realizadas se puede obtener una comparación razonada de cómo afecta tener alta resolución en diferentes convertidores y de la importancia de la utilización de las arquitecturas propuestas. Además, se ha explorado el uso de esta alta resolución en otras aplicaciones de la electrónica de potencia como es la identificación de la respuesta en frecuencia de los convertidores conmutados que funcionan a alta frecuencia. Esto permite poder diseñar, con un mayor conocimiento de la planta real del convertidor, los lazos de control de alta frecuencia para que el convertidor opere en base a un punto de trabajo ajustando de manera autónoma las señales de control. Las conclusiones obtenidas de cada una de las partes de este documento han sido resumidas al final de cada capítulo. Todas ellas han sido validadas a través de pruebas experimentales, simulaciones con herramientas del fabricante o comparadas con las publicaciones realizadas.
Description
Mención Internacional en el título de doctor
Keywords
Circuitos, Convertidores de potencia, Moduladores digitales por ancho de pulso