V tem delu je predstavljena izdelava naprednega regulatorja DC/DC prepletenega
pretvornika navzgor. Preprosta izvedba regulatorja temelji na enakomerni porazdelitvi moči pretvornika med vsemi vejami pretvornika. Implementacija takšne preproste izvedbe regulatorja onemogoča delovanje konverterja z maksimalnim izkoristkom. Ta pomanjkljivost je odpravljena z implementacijo regulatorja, ki prilagaja število aktivnih vej tekom obratovanje glede na obremenitev pretvornika.
Z implementacijo regulatorja je odpravljena tudi težava neenakomerne rabe tranzistorskih vej, ki povečuje možnosti predčasne odpovedi posameznih vej, ki so bile v uporabi dlje časa. To posledično skrajša življenjsko obratovalno dobo pretvornika. Z namenom odprave te težave je v regulator vključen algoritem, ki s prilagajanjem obratovalnega časa vej pretvornika in z enakomerno distribucijo moči med posameznimi vejami pretvornika zagotavlja njihovo enakomerno rabo.
Regulator se izvaja na mikrokrmilniku. Njegovo delovanje je bilo preizkušeno s simulacijo strojne opreme v zanki. Za namene razvijanja in testiranja regulatorja je bilo vzpostavljeno laboratorijsko okolje. Meritve so pokazale, da je razviti regulator sposoben prilagajanja števila aktivnih vej pretvornika tekom obratovanja in tudi zagotavljanja enake rabe pretvornikovih vej.
Uvod
Prepleteni DC/DC pretvorniki so zaradi svoje robustnosti, tolerantnosti do napake in prilagodljivosti pri uporabi posamezne tranzistorske veje pogosto uporabljeni v električnih pogonskih sistemih avtomobilov, vlakov in letal. Za namene povečanja izkoristka pretvornika se lahko tekom obratovanja prilagodi število aktivnih vej z aktivacijo oziroma deaktivacijo posameznih vej pretvornika. V primeru pojava napake v posameznih tranzistorskih vejah je pretvornik zmožen nadaljnjega obratovanja s preostalimi delujočimi vejami. Poleg zmožnosti obratovanja z visokim izkoristkom in odpornosti proti napakam ima prepleteni pretvornik tudi manjšo valovitost vhodnega toka.
Prilagajanje aktivnega števila vej pretvornika tako, da veje pretvornika niso enakomerno uporabljene, povzroči različno staranje komponent v posameznih vejah pretvornika. Glavni razlog za staranje komponent pretvornika je njihova izpostavitev termalnemu stresu, ki je neposredno odvisen od generiranih izgub tekom prenosa energije. Pri načrtovanju pretvornika je potrebno upoštevati tudi zahteve glede življenjske dobe pretvornika z vidika odpornosti proti napakam in stroškovne optimizacije dimenzioniranja komponent pretvornika.
Pri uravnoteženem delovanju vzporednega DC/DC pretvornika je vhodna moč enakomerno porazdeljena med veje pretvornika. Posledično so vse veje izpostavljene enakemu termalnemu stresu. V realnosti različni dejavniki povzročajo neenakomerno porazdelitev pretoka moči med vejami. Posledica tega je različna termalnega obremenitev posameznih vej in s tem različno staranje vej pretvornika. To lahko povzroči predčasno odpoved delovanja posamezne veje in posledično skrajšanja življenjske dobe pretvornika. Dva vidika sta bistvena za uravnoteženo staranje vej v vzporednih pretvornikih: enakomerna raba vej in regulacija distribucije moči.
Raziskava [1] je pokazala, da so močnostni moduli sestavne komponente pretvornika z največjo verjetnostjo odpovedi zaradi napake. Mnogi postopki so na voljo za določitev akumulirane poškodovanosti močnostnega modula, ki je posledica močnostnih izgub generiranih znotraj modula. Na podlagi opazovanja spreminjanja vrednosti določenih električnih parametrov modula, kot je na primer upornost prevodnega kanala (RDS,on) pri MOSFET modulu in napetost med kolektorjem in emitorjem (UCE) pri IGBT modulih, je možno določiti akumulirano poškodovanost modula [2][3]. Brezsenzorske metode, ki temeljijo na matematičnih modelih, kot sta na primer Coffin-Mansonov model, Bayereov model in njune izpeljanke, se lahko tudi uporabijo za določevanje akumulirane poškodovanosti modula [2][3][4][5]. Z namenom izboljšanja življenjske dobre obratovanja pretvornika mora regulator pretvornika zagotoviti enakomerno rabo vej. Distribucija moči med vejami pretvornika je lahko implementirana z uporabo aktivnega termalnega regulatorja, ki je lahko implementiran na različnih nivojih pretvornika: močnostnega modula, preko modulacijske tehnike, z umestitvijo v samo regulacijsko zanko pretvornika in tudi na nivoju sistemskega regulatorja.
Cilji
Glavni cilj magistrske naloge je izdelava regulacijskega algoritma, ki izvaja distribucijo moči in termalni nadzor pretvornikih vej. Algoritem, ki se izvaja na mikrokrmilniku, mora opravljati distribucijo moči tako, da izenačuje različno izrabljenost vej pretvornika. Poleg ocenjevanja rabe posameznih vej pretvornika in distribucije moči mora regulacijski algoritem prilagajati število aktivnih nog pretvornika, da je doseženo delovanje z maksimalnim možnim izkoristkom tudi takrat, ko pretvornik obratuje z vrednostmi močmi, ki se razlikujejo od nazivne.
Struktura magistrske naloge
Magistrska naloga je sestavljena iz petih delov: raziskave najsodobnejših rešitev, predstavitve laboratorijskega okolja, implementacije regulacijskega algoritma, meritev ter zaključka.
- Raziskava najsodobnejših rešitev: Podaja ugotovitve raziskave, ki se je primarno osredotočala na uporabo DC/DC pretvornikov v avtomobilski industriji, najpogostejših napak pretvornika in trenutnih metod za regulirano distribucijo moči ter metod določevanja izkoriščenosti modulov.
-Laboratorijsko okolje: Opisuje orodja, ki so del laboratorijskega okolja uporabljenega za opravljene praktičnega dela magistrske naloge.
-Izdelava regulatorja: Predstavljeno je delovanje in sestava regulatorja.
-Meritve: Predstavlja rezultate in njihovo analizo, s katero je opravljena validacija in primerjava delovanja različnih verzij regulacijskega algoritma.
-Zaključek: V zaključku so strnjeno podani rezultati ciljev magistrske naloge
in predlogi glede nadaljnjega dela.
|
