Control strategy for mitigating current distortion in interleaved totem-pole PFC converter based on WBG device

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the commercialization of electric vehicles (EVs) and the increasing demand for extended driving ranges, research on achieving high power density in power conversion systems (PCSs) has been actively conducted. The development of wide bandgap (WBG) devices has enabled higher switching frequency in PCS, thereby reducing the volume of passive components and facilitating high power density designs. However, these fast switchings induce higher dv/dt and di/dt, generating significant switching noise that couples into the control components. This results in degraded power factor correction (PFC) performance and increased current distortion.
This thesis proposes a robust feedforward control strategy with enhanced noise immunity to mitigate controller instability and current distortion caused by high-frequency switching noise in PFC converters. The proposed strategy replaces conventional feedforward components, which are susceptible to noise, with noise-immune components derived from internal controller computations performed during the pre-charging stage. As a result, this proposed strategy ensures stable control performance and maintains a current total harmonic distortion (THD) below 5%, even under high-frequency switching and low inductance conditions. The effectiveness of the proposed strategy is validated through simulations and experiments conducted on an 11-kW interleaved totem-pole PFC hardware prototype.

국문 초록 (Abstract)

전기 자동차 (Electric Vehicles, EVs)의 상용화와 주행거리 증가에 대한 수요 증가에 따라 전력 변환 시스템 (Power Conversion Systems, PCSs)의 고전력 밀도 달성을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 와이드 밴드갭 (Wide Band Gap, WBG) 소자의 개발로 PCSs의 스위칭 주파수 증가는 수동 소자 크기 감소에 따른 전력밀도 향상의 이점을 갖는다. 하지만 PCSs의 빠른 스위칭은 높은 dv/dt 및 di/dt를 유발하여 제어 성분에 영향을 미치는 스위칭 노이즈를 증가시키며, 이는 역률 개선 (Power Factor Correction, PFC) 성능 저하 및 전류 왜곡 증가를 야기한다.
스위칭 노이즈가 제어기에 미치는 영향 분석을 위해 본 논문에서는 PFC 컨버터의 구성 및 동작 원리에 대한 분석을 진행한다. 또한, PFC 컨버터의 zero-crossing 지점 전류 왜곡 발생 원인을 상세히 분석하고, 이를 개선하기 위한 방안으로 피드포워드 보상의 필요성을 강조한다. 하지만 기존의 피드포워드 보상 성분은 측정값을 기반으로 하여 스위칭 노이즈에 취약하다는 단점이 있으며, 이로 인해 고속 스위칭 동작에 따른 스위칭 노이즈 증가는 제어기의 오작동을 유발하여 전류 왜곡이 발생한다.
따라서 본 논문에서는 기존의 스위칭 노이즈에 민감한 성분들로 구성된 피드포워드 보상을 노이즈에 강인한 성분으로 대체하기 위한 제어 전략을 제안한다. 제안된 제어 전략은 스위칭 동작이 이루어지지 않는 초기충전 단계에서의 측정값과 제어기 내부 연산을 활용하며, 이를 flow chat를 통해 단계별로 설명한다.
결과적으로, 제안하는 방식은 고주파 스위칭 및 낮은 인덕턴스 조건에서도 안정적인 제어 성능을 보장하며, 전류 왜곡을 효과적으로 저감한다. 제안하는 전략의 우수성 검증을 위해 11-kW interleaved totem-pole PFC 컨버터의 프로토타입을 제작하고 실험을 수행하였으며, 45% 이상 부하 조건에서 전류 총 고조파 왜곡률 (Total Harmonic Distortion, THD) 5% 미만을 만족한다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• 1. Research background and necessity 1
• 2. Contents of the research 5
• II. Necessity of PFC Circuit 7
• 1. Power factor and distortion of waveform 7
• 2. Limitations of conventional diode rectifier circuits 9
• 3. Passive and active PFC circuits 13
• Ⅲ. Review of Advanced Active PFC Converter 17
• 1. Active PFC converter topologies 17
• 2. Common-mode noise analysis 20
• 3. Operation principles of interleaved totem-pole PFC 24
• Ⅳ. Proposed Control Strategy 27
• 1. Necessity of feedforward compensation 27
• 2. Limitations of conventional feedforward control 31
• 3. Proposed feedforward control strategy 34
• Ⅴ. Validation of Proposed Control Strategy 39
• 1. Experimental validation results of the prototype 39
• 2. Comparison with previous studies 43
• Ⅵ. Conclusion 46
• References 47
• Korean Abstract 50