Variable Switching Frequency Pulse-Width Modulation with FPGA for Power Converters
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-12-27
Department
Major/Subject
Microelectronic Circuit Design
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Electronics and Nanotechnology
Language
en
Pages
69
Series
Abstract
Modern information society is critically reliant on electricity as a power source. Electricity is generated, transferred, stored and consumed in different voltage and frequency levels. To transform electricity for each application case, devices known as electrical power converters are used. As such power converters are crucial part of the energy transfer chain, and therefore high efficiency is prioritized for maximum delivery of power. For switch controlled power controllers, Variable Switching Frequency (VSF) may offer increased efficiency without any hardware changes, making it a potential method for increasing power converter yield. The objective of this work is to implement a VSF pulse-width modulator on a Field Programmable Gate Array (FPGA) for power converter applications. This work includes a literary research for topic of Pulse-width Modulation (PWM) with focus on sinusoidal PWM, and introduces power converters as electrical devices. For basing of the implementation of a pulse-width modulator, Hardware Description Languages (HDL) and FPGAs are additionally covered. The primary focus of the work is the documentation of design process, implementation and verification of the designed VSF pulse-width modulator. A Verilog HDL description of a VSF pulse-width modulator was created. The behavior of the description was verified with ModelSim software, and the performance of the design as a converter controller was further studied by using the generated PWM signals as gate inputs in a Simulink simulation of a DC-AC power converter. Compatibility with the rest of the converter control system was verified with a Hardware-in-the-Loop based system integration test. In this work it was concluded that the implementation was successful and that the implemented modulator can be used for VSF PWM generation in a power converter control system. On basis of the developed modulator, further research on optimal switching strategies can be pursued for the system in order to increase the converter efficiency.Nykyaikainen tietoyhteiskunta on riippuvainen sähköstä tehonlähteenä. Sitä tuotetaan, siirretään, varastoidaan ja kulutetaan eri jännite- ja taajuustasoilla, mikä luo tarpeen muuntaa sähköä tarkoituskohtaisesti sähköisillä tehomuuntimilla. Energian siirtoketjussa häviöt on minimoitava, jonka takia tehomuuntimien hyötysuhteen maksimointi on tärkeää. Kytkentäkomponentteihin perustuvien tehomuuntajien hyötysuhteeseen voi vaikuttaa hallitsemalla komponenteissa tapahtuvia häviöitä vaihtamalla kytkentätaajuutta. Tämän työn tavoite on toteuttaa vaihtuvakytkentätaajuuksinen pulssinleveysmodulaattori kenttäohjelmoitavalla porttimatriisilla (FPGA) tehomuunnin käyttöön. Työhön sisältyy kirjallisuuskatsaus pulssinleveysmodulaatioon, painopisteenä sinusoidaalinen pulssinleveysmodulaatio. Lisäksi työ pitää sisällään lyhyet katsaukset tehomuuntimiin, laitteistokuvauskieliin ja FPGA-piireihin. Työn pääpaino on pulssinleveysmodulaattorin sunnittelu-, toteutus- ja testauskappaleessa. Työssä suunniteltiin pulssinleveysmodulaattori osaksi tehomuunninohjausjärjestelmän FPGA:ta. Tätä varten luotiin kuvaus pulssinleveysmodulaattorista Verilog-laitteistokuvauskielellä, jonka toiminnallisuus vahvistettiin ModelSim-ohjelmistolla. Lisäksi modulaattorin toimintaa tehomuuntimen ohjaimena arviointiin Simulink-ohjelmistolla simuloidulla vaihtosuuntaajalla. Yhteensopivuus tehomuuntimien ohjausjärjestelmän kanssa vahvistettiin järjestelmän integraatiotestissä Hardware-in-the-Loop simulaatiolaitteistolla. Työ käy läpi suunnitteluprosessissa tehdyt valinnat ja simulaatiovaiheissa ilmenneet haasteet, sekä löydetyt ratkaisut. Lopuksi työ arvioi toteutuksen onnistumista ohjausjärjestelmän integraatiotestissä. Toteutuksen todettiin onnistuneen ja kehitetyn modulaattorin olevan kelvollinen vaihtuvataajuuksisen pulssinleveysmoduloidun ohjaussignaalin generoimiseen tehomuuntimille. Kehitetyn modulaattorin perustella on mahdollista jatkaa tutkimuksia vaihtuvan kytkentätaajuuden vaikutuksista tehomuuntimien hyötysuhteeseen.Description
Supervisor
Ryynänen, JussiThesis advisor
Kohtamäki, TuomoKosunen, Marko
Keywords
variable switching frequency, pulse-width modualtion, PWM, field programmable gate array, FPGA, power converter, implementation