[論文レビュー] Synchronous Multistep Predictive Spectral Control of the Switching Distortion in DC--DC Converters

Christian Korte, Till Luetje+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2022

Advanced DC-DC Converters被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、出力スペクトル、スイッチング周波数、電圧リップルを同時に最適化することで、リアルタイムにスイッチング歪みを整形する同期マルチステップ予測制御方式を、DC-DCコンバータに提案する。この手法により、従来のPWMと比較して最大スペクトルピークが48 dB低減され、感応周波数帯域におけるEMIを抑えるためにリアルタイムでスペクトルギャップ挿入が可能となる。

ABSTRACT

In automotive power electronics, distortion and electromagnetic interference (EMI) generated by the switching action of power semiconductors can be a significant challenge for the design of a compact, lightweight vehicle. As semiconductor switching frequencies increase, e.g., through the introduction of new materials, such as gallium nitride and silicon carbide, this problem becomes more severe. We present a control scheme for an automotive dc-to-dc converter that reduces the EMI generated by shaping switching distortion predictively at the run time. The multistep model-predictive control scheme chooses the subsequent switching state that optimizes the output spectrum according to predefined criteria. To achieve real-time operation, it evaluates the possible switching state candidates for the next modulation step without explicitly solving a single Fourier transform. In addition, the switching rate and voltage ripple are controlled in a single unified control law. We present and experimentally validate that the control scheme can indeed run at real time already with currently available mid-range hardware. The results demonstrate that the largest spectral peak of the switching distortion can be decreased by 48 dB compared to conventional pulse-width modulation. Furthermore, spectral gaps can be implemented in the output distortion and altered in real-time, allowing certain frequency bands -- e.g., bands used by other sensitive electronics such as sensors, communication busses, or tuners -- to be kept free of EMI from the converter's switching actions.

研究の動機と目的

• 広帯域ギャップ半導体を用いた自動車用DC-DCコンバータにおける高周波スイッチングに起因する電磁干渉（EMI）の増大する課題に対処すること。
• 大型の受動フィルターやシールドに依存せずに、スイッチング歪みのスペクトルコンテンツを出力源で整形することで、導通および放射EMIを低減すること。
• 統一された制御則を用いて、スイッチング周波数と電圧リップルを同時に制御しながら、出力スペクトルをリアルタイムで予測制御すること。
• 中程度のFPGAハードウェア上で、リアルタイム性能と動的スペクトル適合性を有する制御方式の実現可能性を実証すること。

提案手法

• 制御方式は、次の変調ステップにおけるすべての可能なスイッチング状態候補を、明示的なフーリエ変換の計算を伴わずに評価するマルチステップ予測制御アプローチを採用する。
• スペクトル整形（ユーザー定義のスペクトルフィルタ G(ω) を用いて）、スイッチング周波数の最小化、電圧リップル制御を重みパラメータ λ₁, λ₂, λ₃ を用いて統合したコスト関数を採用する。
• スペクトル制御は、予測予測ホライズン M の範囲で、各候補スイッチング状態に対する予測出力波形の離散フーリエ変換（DFT）を評価することで実装される。
• リアルタイム実装では、事前計算されたDFT基底ベクトルと再帰的更新を活用することで、完全なDFT計算を回避し、高速なスペクトル評価を実現する。
• コントローラは、電圧レギュレータとスペクトルコントローラを二重ループ構造で統合し、スペクトルコントローラがコスト関数に基づいて最適なスイッチング状態を選択する。
• G(ω) をリアルタイムで調整することで、ラジオやセンサが使用する周波数帯域など、特定の周波数帯域におけるEMIを抑えるための動的スペクトルギャップ挿入が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハードウェア複雑性を増加させることなく、予測スペクトル制御方式によりDC-DCコンバータのスイッチング歪みのピークスペクトル密度を低減できるか？
• RQ2 スイッチング周波数と出力電圧リップルを、単一の予測フレームワーク内でスペクトル整形と同時に制御できるか？
• RQ3 明示的なフーリエ変換計算を伴わず、中程度のデジタルハードウェア上でリアルタイム動作を達成できるか？
• RQ4 感応電子機器を保護するために、どの程度の動的スペクトルギャップをリアルタイムで実装・調整できるか？
• RQ5 従来のPWMおよびスプレッドスペクトラム技術と比較して、実現可能なEMI低減およびスペクトル整形性能はどの程度か？

主な発見

• 提案された制御方式により、従来のパルス幅変調（PWM）と比較して、スイッチング歪みの最大スペクトルピークが48 dB低減された。
• 本手法により、周囲の周波数帯域と比較して約100倍（40 dB）の抑制深度を持つリアルタイムスペクトルギャップ挿入が可能となった。
• コスト関数の重み λ₂ を調整することで、平均スイッチング周波数を低減可能であり、スイッチングを最小化した場合、ピーク・トゥ・ピーク電圧リップルは1.8倍、分散は2.7倍に増加した。
• 最大K_maxステップごとにスイッチングを強制することで、電圧リップル分散を2倍以上低減し、平均スイッチング周波数は5％未満の増加に抑えることが可能となった。
• 制御方式は、出力スペクトルをリアルタイムで適応可能であり、10 kHzから23 kHzへのスペクトルギャップの移動が1.2 kHz/sの速度で実現され、一貫した抑制深度が維持された。
• 明示的なDFT計算を伴わず、効率的なスペクトル評価技術を用いて、中程度のFPGAハードウェア上でもリアルタイムで動作を達成した。