Titelaufnahme

Bei der Entwicklung von isolierten DC-DC-Wandlern zeichnet sich die Topologie des Serien-Parallel-Resonanzkonverters (SPRC) durch einen breiten Betriebsbereich, einen hohen Wirkungsgrad sowie durch eine hohe Dynamik aus. Im Gegensatz zur phasenverschobenen Vollbrücke (PSFB) weist die Topologie des SPRC eine nichtlineare Charakteristik auf, weshalb diese auf dem Anwendungsfeld von Gleichstromwandlern bislang nur in eingeschränkter Weise zum Einsatz kommt. Eine aufwändige Modellierung sowie der Entwurf einer geeigneten Regelung sind die wesentlichen Herausforderungen, die der Einsatz eines Serien-Parallel-Resonanzkonverters aufgrund seiner Komplexität mit sich bringt.Das primäre Ziel dieser Arbeit war es, eine ausgewogene Modellierungsmethode für den SPRC zu finden, die einen Kompromiss zwischen Komplexität und Genauigkeit bezüglich der nichtlinearen Charakteristik erlaubt. Bei der Erforschung von optimierten Modulationsstrategien wurde festgestellt, dass der Modulator in jeder Halbperiode der Resonanzschwingung abgetastet und die Schaltfrequenz zu diesen Zeitpunkten angepasst werden kann. Aus dieser Erkenntnis heraus erscheint es sinnvoll, das Verfahren der Abtastung mit variabler Schrittweite in die Modellierung und den Reglerentwurf mit einzubeziehen. Das zeitdiskretisierte System mit synchronisierten Abtastschritten für Konverter, Modulator und Regelung wird „Halbperioden-abgetastetes diskretes (HSD) System“ genannt. Es hat sich als ausgewogenster Modellansatz zur Beschreibung des SPRC herausgestellt. Dieser nutzt die zur Verfügung stehenden Rechenressourcen in effizienter Weise und garantiert dabei gleichzeitig eine ausreichende Genauigkeit für den SPRC. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es, den entsprechenden Regler auszulegen, um die Dynamik des SPRC zu verbessern. Mit dem akkuraten, dynamischen Modell des SPRC kann auch der diskrete Regler m

In the development of isolated DC-DC converters, series-parallel-resonant converter (SPRC) demonstrates its advantages with regard to wide operation range, high efficiency and highly dynamic performance. Compared to phase-shifted full bridge converter (PSFB), SPRC topology presents a limited utilization, because of its nonlinear gain and dynamic characteristics. The complexity of its model and further difficulties of its control design are the bottle-necks of this problem. Due to the nonlinear characteristics of the SPRC, the primary objective of this work is to find a balanced modelling method for the SPRC between its complexity and accuracy. In the research of optimized modulation strategy (OM), it is interesting to find out the control signals in the OM modulator are sampled every half cycle of resonant oscillation with varying the switching frequency. From this point, this varying-step sampling can be applied in the modelling approach and also in the control design. This discrete system, with synchronized sampling steps in converter, modulator and controller, is called “half-cycle-sampled discrete (HSD) system”. It is proved to be the best balanced modelling approach for describing the SPRC. It efficiently utilizes the calculation resources and has sufficient accuracy for the SPRC. This HSD modelling approach takes the dynamic behaviour of the modulator into consideration. The second objective of this work is to design the appropriate controller in order to improve the dynamic performance of the SPRC. With the accurate dynamic model of the SPRC, the discrete controller with the varying sampling step is considered an optional improvement. The other improvement is to utilize the width of pulses as the control signal instead of the duty ratio. A novel control algorithm, HSD-PW control, is proposed combining these two improvements. It demonstrates that HSD-PW control clearly reduces the control settling