Análisis del artículo titulado “Implementación mediante FPGA de la técnica Interleaving para Sistemas Inversores Modulares”
A continuación se presenta el resumen publicado por los autores de esta investigación.
Resumen: Este trabajo presenta el diseño, implementación y evaluación de una técnica de interleaving aplicada al control de un sistema modular inversor controlado mediante un algoritmo de control quasi-sliding de frecuencia fija. El control del sistema modular incluye una estrategia de gestión de potencia que permite optimizar el rendimiento global del sistema y cuyo funcionamiento es compatible con la técnica interleaving diseñada. Se describe la realización práctica de la técnica interleaving mediante un dispositivo FPGA, que también implementa el control en modo de deslizamiento de cada módulo inversor y el sistema de gestión de potencia. Finalmente se muestran los resultados experimentales obtenidos sobre un sistema modular inversor formado por tres convertidores Buck conectados en paralelo. Estos resultados incluyen el análisis del espectro de alta frecuencia de la tensión y corriente de salida, saltos de carga y de tensión de referencia, así como pruebas de funcionamiento del sistema de gestión de potencia. Las pruebas realizadas validan las prestaciones de la técnica interleaving implementada, así como el control en modo de deslizamiento a frecuencia fija y el sistema de gestión de potencia.
Palabras claves: Interleaving; quasi-sliding; FPGA; sistemas modulares inversores;
A continuación se presenta el análisis realizado del artículo mencionado:
Uno de los campos más importantes de la electrónica de potencia es el de los sistemas conmutados, que debido a sus características de alto rendimiento energético, reducido tamaño, posibilidades de regulación del factor de potencia y de elevación de tensión, están presentes en un gran número de las etapas de alimentación de los equipos electrónicos actuales.
Entre los sistemas conmutados tenemos: convertidores DC-DC (fuentes conmutadas elevadoras, reductoras e inversoras), AC-AC y DC-AC. Los convertidores DC-AC son llamados también inversores, y tienen por función cambiar un voltaje de entrada DC a un voltaje simétrico de salida AC, con la magnitud y frecuencia deseada.
Por otra parte, para manejar potencias superiores a 25 W, y especialmente en potencias superiores a 150 W, una de las estrategias utilizadas para mejorar las prestaciones de los convertidores es el uso de la técnica denominada “interleaving” o entrelazado, definida como la puesta en paralelo de N convertidores idénticos desfasando sus señales de control de forma uniforme a lo largo del período de conmutación. En este modo, los interruptores electrónicos están sincronizados a una misma frecuencia de conmutación fija y desplazados en fase uniformemente, a lo largo del período de conmutación. El desplazamiento de las fases de las corrientes ocasiona que en las corrientes de entrada y salida del circuito se produzca una importante cancelación de armónicos a la frecuencia de conmutación, reduciéndose la amplitud de los rizados en dichas corrientes y en la tensión de salida.
Además, el efecto interleaving permite cumplir las especificaciones de rizados con unos condensadores de salida de capacidad reducida (menos volumen, no electrolíticos) y con bajos niveles de EMI. Aplicando esta estrategia, la conexión en paralelo de N convertidores construidos lo más idénticos posible permite distribuir la potencia nominal entre ellos distribuyéndose también las pérdidas. La disminución de los niveles de corriente en cada convertidor permite escoger dispositivos semiconductores de menor potencia. Por la misma razón, el diseño de los inductores también es más favorable.
Sintetizando, entre las ventajas de utilizar ésta técnica se encuentran:
A continuación se presenta el resumen publicado por los autores de esta investigación.
Resumen: Este trabajo presenta el diseño, implementación y evaluación de una técnica de interleaving aplicada al control de un sistema modular inversor controlado mediante un algoritmo de control quasi-sliding de frecuencia fija. El control del sistema modular incluye una estrategia de gestión de potencia que permite optimizar el rendimiento global del sistema y cuyo funcionamiento es compatible con la técnica interleaving diseñada. Se describe la realización práctica de la técnica interleaving mediante un dispositivo FPGA, que también implementa el control en modo de deslizamiento de cada módulo inversor y el sistema de gestión de potencia. Finalmente se muestran los resultados experimentales obtenidos sobre un sistema modular inversor formado por tres convertidores Buck conectados en paralelo. Estos resultados incluyen el análisis del espectro de alta frecuencia de la tensión y corriente de salida, saltos de carga y de tensión de referencia, así como pruebas de funcionamiento del sistema de gestión de potencia. Las pruebas realizadas validan las prestaciones de la técnica interleaving implementada, así como el control en modo de deslizamiento a frecuencia fija y el sistema de gestión de potencia.
Palabras claves: Interleaving; quasi-sliding; FPGA; sistemas modulares inversores;
A continuación se presenta el análisis realizado del artículo mencionado:
Uno de los campos más importantes de la electrónica de potencia es el de los sistemas conmutados, que debido a sus características de alto rendimiento energético, reducido tamaño, posibilidades de regulación del factor de potencia y de elevación de tensión, están presentes en un gran número de las etapas de alimentación de los equipos electrónicos actuales.
Entre los sistemas conmutados tenemos: convertidores DC-DC (fuentes conmutadas elevadoras, reductoras e inversoras), AC-AC y DC-AC. Los convertidores DC-AC son llamados también inversores, y tienen por función cambiar un voltaje de entrada DC a un voltaje simétrico de salida AC, con la magnitud y frecuencia deseada.
Por otra parte, para manejar potencias superiores a 25 W, y especialmente en potencias superiores a 150 W, una de las estrategias utilizadas para mejorar las prestaciones de los convertidores es el uso de la técnica denominada “interleaving” o entrelazado, definida como la puesta en paralelo de N convertidores idénticos desfasando sus señales de control de forma uniforme a lo largo del período de conmutación. En este modo, los interruptores electrónicos están sincronizados a una misma frecuencia de conmutación fija y desplazados en fase uniformemente, a lo largo del período de conmutación. El desplazamiento de las fases de las corrientes ocasiona que en las corrientes de entrada y salida del circuito se produzca una importante cancelación de armónicos a la frecuencia de conmutación, reduciéndose la amplitud de los rizados en dichas corrientes y en la tensión de salida.
Además, el efecto interleaving permite cumplir las especificaciones de rizados con unos condensadores de salida de capacidad reducida (menos volumen, no electrolíticos) y con bajos niveles de EMI. Aplicando esta estrategia, la conexión en paralelo de N convertidores construidos lo más idénticos posible permite distribuir la potencia nominal entre ellos distribuyéndose también las pérdidas. La disminución de los niveles de corriente en cada convertidor permite escoger dispositivos semiconductores de menor potencia. Por la misma razón, el diseño de los inductores también es más favorable.
Sintetizando, entre las ventajas de utilizar ésta técnica se encuentran:
- Realizando interleaving en N módulos con desfase
, la frecuencia f del rizado de la corriente de salida del sistema modular es N veces la frecuencia del rizado de la corriente de salida de un solo módulo convertidor lo que permite disminuir el tamaño de los componentes del filtro de salida. - Para una frecuencia f de rizado de corriente de salida, la frecuencia de conmutación de cada módulo individual puede ser reducida a
con la consiguiente reducción de las pérdidas de conmutación. - La amplitud del rizado de la corriente de salida se reduce en un factor de
.
El artículo mencionado presenta la aplicación de la técnica interleaving a los sistemas modulares de potencia. En muchos trabajos dedicados a la conversión DC-DC y DC-AC se ha implementado esta técnica, y están basados generalmente en la introducción de un desplazamiento en la señal de control PWM de cada célula conversora equivalente a un desfase de . Sin embargo, la mayoría han sido pensadas para un número fijo de módulos y no tienen en cuenta una variación del número de convertidores activos debida, por ejemplo, al fallo de un módulo o bien a la conexión-desconexión de módulos realizada por el sistema de gestión de potencia para maximizar el rendimiento global, en función de la demanda energética de la carga.
Por esta razón, se implementó con el uso de una FPGA, la técnica interleaving superando esta desventaja de manera que sólo estarán activos los módulos necesarios para satisfacer los requerimientos de la carga, además no existe límite en el número de módulos.
Los autores de esta investigación realizaron el diseño de la PWM digital de 8 bits de precisión que utiliza cada módulo inversor y se muestra en la figura 1.
Figura 1. Esquema del PWM digital.
El PWM diseñado consiste en un contador descendente de 8 bits que se encarga de generar una rampa de pendiente negativa. La rampa se compara mediante un comparador de 8 bits, con el valor 1-dk, siendo dk el valor del ciclo de trabajo en el período de conmutación k obtenido mediante el algoritmo de dinámica de promediado cero (ZAD). Cuando la salida del comparador se activa, se produce la conmutación de la señal de control dentro del período de conmutación.
La duración del período de conmutación, T, se corresponde con el tiempo que tarda el contador en, partiendo de un valor inicial de 255d (
-1), alcanzar el valor final de cuenta que es 0d. Esa duración esta dada por el producto del número de incrementos por el período de la señal de reloj:
La duración del período de conmutación, T, se corresponde con el tiempo que tarda el contador en, partiendo de un valor inicial de 255d (
-1), alcanzar el valor final de cuenta que es 0d. Esa duración esta dada por el producto del número de incrementos por el período de la señal de reloj:T =
. Tclock (1)Cuando el contador llega a final de cuenta, la salida del PWM conmuta, iniciándose de esta forma un nuevo período de conmutación.
Con respecto al algoritmo ZAD, éste establece que el ciclo de trabajo se calcule obligando a la salida, definida como una ecuación diferencial de primer orden en el error de tensión, tenga promedio cero en cada ciclo, además garantiza una frecuencia de conmutación fija y controla una variedad de fenómenos no lineales como bifurcaciones y caos, en la medida que el parámetro asociado a la dinámica de primer orden varía.
En el desarrollo de esta investigación se incorpora un sistema de control en modo quasi-sliding de frecuencia fijo basado en el algoritmo ZAD, que proporciona tanto la regulación de tensión de salida como la ecualización de corriente a través de los módulos inversores, con la finalidad de garantizar la potencia de salida requerida.
Por su parte, en un sistema modular síncrono formado por M módulos convertidores donde hay N convertidores activos, los generadores PWM de todos los módulos del sistema comparten el mismo contador; por este motivo se aplica la misma rampa a los generadores de señal PWM de forma que el inicio de la señal PWM coincide en los N convertidores activos que intervienen en el sistema. En contraparte, en los sistemas modulares en donde se aplica la técnica interleaving, cada módulo posee su propia generación de señal PWM en la cual está incorporado el desfase equitativo repartido a lo largo de T.
Si el sistema modular de alimentación está formado por M convertidores, de los cuales N están activos, controlados por una señal PWM de período de conmutación T, el desfase, en términos del período de conmutación T, introducido en la señal PWM aplicado al convertidor “j” vendrá dado por:
(2)Este desfase se consigue incorporando un contador independiente para cada generador de señal PWM de cada módulo convertidor. El valor inicial de cuenta de cada contador se ajusta adecuadamente para introducir el desfase deseado.
Teniendo en cuenta (2) se pueden calcular los posibles valores iniciales de cuenta asociados al contador del convertidor “j” en función del número N de convertidores activos. Estos valores iniciales vendrán dados, con una precisión de 8 bits por:
(3)donde int(x) es la función parte entera de x.
Los autores plantean almacenar los valores iniciales indicados en (3) en una memoria RAM de capacidad igual a M-1 posiciones por 8 bits. Para cargar el valor inicial en cada contador se utiliza la señal de fin de cuenta del contador asociado al convertidor 1, de forma que la carga se hace efectiva al comienzo del período de conmutación asociado al convertidor 1. En la figura 2 se muestra el esquema de la implementación práctica de la técnica interleaving.
Para implementar este diseño se utilizó la FPGA de Xilinx XC2S100_5TQ144. La capacidad de este dispositivo, estimado en 100.000 puertas lógicas equivalentes, permite implementar, no solo el esquema de la figura 2 sino además el control en modo de deslizamiento de frecuencia fija para tres módulos convertidores y el sistema de gestión de potencia. La ejecución concurrente de los controles y sistemas de gestión implementados en la FPGA permiten además obtener una elevada velocidad de proceso que difícilmente se puede conseguir con otros dispositivos digitales de carácter genérico como microprocesadores, microcontroladores o procesadores digitales de señal.
Los autores plantean almacenar los valores iniciales indicados en (3) en una memoria RAM de capacidad igual a M-1 posiciones por 8 bits. Para cargar el valor inicial en cada contador se utiliza la señal de fin de cuenta del contador asociado al convertidor 1, de forma que la carga se hace efectiva al comienzo del período de conmutación asociado al convertidor 1. En la figura 2 se muestra el esquema de la implementación práctica de la técnica interleaving.
Para implementar este diseño se utilizó la FPGA de Xilinx XC2S100_5TQ144. La capacidad de este dispositivo, estimado en 100.000 puertas lógicas equivalentes, permite implementar, no solo el esquema de la figura 2 sino además el control en modo de deslizamiento de frecuencia fija para tres módulos convertidores y el sistema de gestión de potencia. La ejecución concurrente de los controles y sistemas de gestión implementados en la FPGA permiten además obtener una elevada velocidad de proceso que difícilmente se puede conseguir con otros dispositivos digitales de carácter genérico como microprocesadores, microcontroladores o procesadores digitales de señal.
Figura 2. Esquema del sistema generador de interleaving.
Otras de las características más resaltantes de la FPGA empleada en el diseño son las siguientes:
· Posee 600 bloques lógicos programables.
· Posee 196 puertos de entrada/salida.
· Posee 40 K de memoria RAM.
· Capacidad de reprogramación ilimitada.
· Totalmente soportado por los sistemas de desarrollo más avanzados de Xilinx.
· Muy bajo costo.
Finalmente, en base a los resultados presentados en el artículo, se demuestra que la aplicación de la técnica interleaving en sistemas inversores modulares permite:
- Con respecto al análisis frecuencial, se logra disminuir la amplitud de los armónicos de alta frecuencia y la eliminación de los armónicos correspondientes con el triple de la frecuencia de conmutación, lo cual implica la disminución del rizado de la tensión de salida.
- Se comprueba la disminución del rizado de tensión y corriente de salida mediante el cálculo del valor RMS respectivo, obtenido con la técnica interleaving con respecto al control síncrono.
- Con respecto al análisis temporal, se observa una total correspondencia con respecto al comportamiento dinámico de un sistema modular síncrono para condiciones de carga y variación de la tensión de referencia.
- Se observa una mejora en la calidad de la señal sinusoidal de salida mediante la evaluación del factor de distorsión armónica (THD), con la aplicación de la técnica interleaving.
