tutorial - boost pfc converter control loop design

10
Boost PFC Converter Control Loop Design 1 Powersim Inc. www.powersimtech.com SmartCtrl Tutorial Boost PFC Converter Control Loop Design

Upload: baguspermana7

Post on 12-Mar-2015

256 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: Tutorial - Boost PFC Converter Control Loop Design

Boost PFC Converter Control Loop Design

‐ 1 ‐  Powersim Inc. www.powersimtech.com 

SmartCtrl Tutorial 

Boost PFC Converter Control Loop Design 

Page 2: Tutorial - Boost PFC Converter Control Loop Design

Boost PFC Converter Control Loop Design

‐ 2 ‐  Powersim Inc. www.powersimtech.com 

SmartCtrl1 is a general‐purpose controller design software specifically for power electronics applications. This tutorial is intended to guide you, step by step, to design the control loops of a PFC (power factor correction) boost converter with the SmartCtrl Software.  

The example used in this tutorial is the PFC boost converter circuit that comes with the PSIM example set (the PSIM file is “UC3854_PFC.sch” under the folder “examples\PWM IC”). The PSIM schematic is shown below: 

50Hz324Vpk

Rcs0.25

Q

Do

Co450uF

Rpk21.8k

Rpk110k

Rmo3.9k

Rci10k

Rcz6.66432K

CVF

356.753n

RVF

14.2082KC31uF

RVI26.1667K

RVD0.5k

RVAC620k

Rset

10k

CT 1.2n

VVo

Rload592

Lm

1mH

RB1

150kRFF1910k

RFF2

91k

RFF320k

CFF10.1uF

RENA22k

CFF20.47uF

Css 1n

Cpk100pF

1

2

3

4

5

6

7

8 9

10

11

12

13

14

15

16

C1100u

Ccz1.59211n

C21u

15

1

Rs

100

R130k

V Vcc

UC3854

A

Iin

Vin

Lf

300uCf

1u

Vvea

Vv_io

10k

The circuit includes the inner current loop and the outer voltage loop. The current loop regulator parameters are the resistance Rcz and the capacitance Ccz, and the voltage regulator parameters are the resistance RVF and the capacitance CVF, highlighted in the red dotted boxes above.  

Let’s assume that these values are unknown. The objective is to design the current/voltage regulators using the SmartCtrl software. The design procedure is described below. 

To begin the design process, in SmartCtrl, click on the icon        , or from the Data menu, select Predefined topologies ‐> AC/DC converters ‐> PFC Boost converter.

The dialog window will appear as follows.  

Voltage regulator

Current regulator

1 SmartCtrl is copyright in 2010 by Carlos III University of Madrid, GSEP Power Electronics Systems Group, Spain

Page 3: Tutorial - Boost PFC Converter Control Loop Design

Boost PFC Converter Control Loop Design

‐ 3 ‐  Powersim Inc. www.powersimtech.com 

The PFC boost converter is controlled by a double loop control scheme. The inner loop is a current loop, and  the outer  loop  is  a  voltage  loop. Note  that  the PFC boost  converter design must be  carried out sequentially. The SmartCtrl program will guide you through this process.  

Inner Loop Design 

1. Define the converter 

Select the plant as Boost (LCS_VMC) PFC for boost PFC converter with the current loop and the voltage loop. Complete the parameters in the corresponding input data window. Note that the input voltage is the peak value. When finished, click OK to continue. 

2. Select the current sensor  

Select the current sensor among the available types. In this example, select Current sensor, and set the gain to 0.25 based on the circuit (this value is equivalent to the sense resistor value). 

 

Page 4: Tutorial - Boost PFC Converter Control Loop Design

Boost PFC Converter Control Loop Design

‐ 4 ‐  Powersim Inc. www.powersimtech.com 

3. Select the current regulator 

From the inner loop regulator drop‐down menu, select PI as the current regulator type.  

4. Select the crossover frequency and the phase margin

SmartCtrl provides a guideline and an easy way of selecting the crossover frequency and the phase margin through the Solution Map. Click on the Set button, and the Solution Map will be shown as below.

In the Solution Map, each point within the white area corresponds to a combination of the crossover frequency and the phase margin that leads to a stable solution. In addition, when a point is selected, the attenuation given by the sensor and the regulator at the switching frequency is provided.  

To carry out the selection, left click a point within the white area, or enter the crossover frequency and the phase margin manually. 

Page 5: Tutorial - Boost PFC Converter Control Loop Design

Boost PFC Converter Control Loop Design

‐ 5 ‐  Powersim Inc. www.powersimtech.com 

Once the crossover frequency and the phase margin are selected, the Solution Map will be shown on the right side of the converter input window. If, at any time, one needs to change the crossover frequency or the phase margin, click on the white area of the Solution Map, as shown in the figure below. 

Once the inner loop design is completed, one can move on to the outer loop design.

Page 6: Tutorial - Boost PFC Converter Control Loop Design

Boost PFC Converter Control Loop Design

‐ 6 ‐  Powersim Inc. www.powersimtech.com 

Outer Loop Design 

The procedure of designing  the outer  loop  is  similar  to  that of  the  inner  loop design.  It  includes  the following: 

1. Select the voltage sensor 

When  using  a  voltage  divider,  one  must  enter  the  reference  voltage,  and  the  program  will automatically calculate the sensor gain.  In this example, the reference voltage  is 7.5V. The sensor input data window is shown below. 

Reference voltage

 

Then press on “Calculate Vref/Vo from Vref” button to set the attenuation of the voltage divider. 

Page 7: Tutorial - Boost PFC Converter Control Loop Design

Boost PFC Converter Control Loop Design

‐ 7 ‐  Powersim Inc. www.powersimtech.com 

2. Select the outer loop regulator 

In this example, select PI as the regulator type, and enter the regulator parameters as below. 

 

3. Determine the crossover frequency and the phase margin 

Similar  to  the  inner  loop design,  the crossover  frequency and  the phase margin of  the outer  loop must be selected. A Solution Map is also provided to help select a stable solution. Press the Solution map (outer loop) button and the solution map will appear.  

Page 8: Tutorial - Boost PFC Converter Control Loop Design

Boost PFC Converter Control Loop Design

‐ 8 ‐  Powersim Inc. www.powersimtech.com 

 

Then select a point by clicking within the white area, and click OK to continue. 

 

Once the crossover frequency and the phase margin are selected, the Solution Map will appear on the  right  side of  the  converter  input window.  If, at any  time,  these  two parameters need  to be changed, click in the white area of the Solution Map, as shown in the figure below. 

Page 9: Tutorial - Boost PFC Converter Control Loop Design

Boost PFC Converter Control Loop Design

‐ 9 ‐  Powersim Inc. www.powersimtech.com 

Accept  the  selected  design  by  clicking  on OK.  The  program will  automatically  show  the  control system performance by means of the Bode plots, the Nyquist plot, phase margin, etc. 

SmartCtrl provides the regulator component values needed to implement the regulators, as well as the  voltage  divider  resistors.  Since  there  are  two  control  loops,  one must  select  which  one  to display. 

Display inner loop

Display outer loop

Display outer loopsolutions map

Display inner loopsolutions map

At this point, the control loop design of the converter will be completed. We will validate the design by means of time‐domain simulation. 

Page 10: Tutorial - Boost PFC Converter Control Loop Design

Boost PFC Converter Control Loop Design

‐ 10 ‐  Powersim Inc. www.powersimtech.com 

Design Verification through Simulation 

In order to validate the design from SmartCtrl, time‐domain simulation is carried out in PSIM. 

We will compare the performance of the converter with two different designs. 

Design #1  Design #2 

Inner loop: fcross=3 kHz Phase Margin=45º 

Outer loop: fcross=30 Hz 

Inner loop: fcross=15 kHz Phase Margin=45º 

Outer loop: fcross=30 Hz 

Output voltage

Input voltage

Input current*50

Output voltage

Input voltage

Input current*50

It can be observed that Design #2 shows a much less waveform distortion that Design #1, and that the waveform distortion can be greatly reduced by increasing the crossover frequency of the inner loop.  

This example  illustrates that SmartCtrl  in combination with PSIM provide a fast and powerful platform for the design and validation of converter control for power factor correction applications.