Loss-Free Resistor-Based Power Factor Correction Using a Semi-Bridgeless Boost Rectifier in Sliding-Mode Control

Abstract

In this work, a Loss-Free Resistor based on a semibridgeless rectifier is proposed for power factor correction applications. This particular bridgeless rectifier type is composed of two different boost cells which operate complementarily during each half-line cycle. In case of two unbalanced inductors, many control techniques can produce different inductor current ripples during each half-line cycle that can result in the addition of a DC component to the line current. This work demonstrates that the application of sliding-mode control by means of hysteretic controllers results in a 1st order stable system that can mitigate these harmful consequences due to its capability to ensure the symmetry of the line input current waveform for both positive and negative half-line cycles. Thus, the system does not absorb any DC component from the grid and it is also capable to reduce dramatically the amplitude of the 3rd harmonic. The theoretical predictions have been validated by means of PSIM simulations and experimentally on a prototype of 1 kW which has been controlled using only one sliding control surface.Index Terms -AC-DC power conversion, loss-free resistor, sliding-mode control, power factor correction, semi-bridgeless boost rectifier. P

Banda de Histéresis Adaptativa para un Convertidor AC-DC Elevador sin Puente, con Correccion del Factor de Potencia y Control por Modos Deslizantes

“…El SBLB PFC posee dos interruptores Q1 y Q2, cuatro diodos D1, D2, D3, y D4, dos inductores L1 y L2, un condensador C y la resistencia de carga RL (Alam et al, 2017;Jovanovic y Jang, 2005;Xu et al, 2014). Los interruptores Q1 y Q2 son accionados por la misma señal de control (u) (Franceschini et al, 2012;Marcos-Pastor et al, 2015) operando en la región de corte y saturación; en consecuencia, los convertidores exhiben un comportamiento dinámico no lineal y discontinuo. La obtención del modelo matemático considera las siguientes suposiciones: 1) los interruptores de potencia tienen resistencia cero en el estado de encendido y resistencia infinita en el estado de apagado, 2) el tiempo de conmutación es infinitamente corto, 3) las fuentes pueden suministrar potencia infinita en corto circuito, 4) la frecuencia de conmutación (fsw) es mucho mayor que la frecuencia de la fuente de corriente alterna (f0) (fsw ≫ f0) y 5) los inductores L1 y L2 tiene igual valor (L1=L2 =L).…”

“…No obstante, el diseño de este controlador se realiza con base en el modelo lineal del convertidor y parámetros constantes; además, el cambio en la región de operación del convertidor y la variación de los parámetros limita la regulación y la respuesta dinámica del control lineal, estando inhabilitado para compensar perturbaciones significativas en la fuente o en la carga (Mohanty y Panda, 2017). El sistema de control lineal también es incapaz de compensar el componente DC en la corriente cuando el SBLB PFC tiene de forma inherente inductores de características diferentes en sus terminales (Marcos-Pastor et al, 2015).…”

“…El SMC también permite reducir el orden del sistema en lazo cerrado y suministrar la señal de activación y desactivación de los actuadores sin la intervención del sistema de modulación PWM, incrementando la velocidad de respuesta del controlador en lazo cerrado (Utkin, et al, 2017;Utkin, 1977;Utkin et al, 2009;Young et al, 1999). En (Marcos-Pastor et al, 2015) se desarrolla el SMC con circuitos analógicos para el SBLB PFC usando frecuencia de conmutación variable donde se evidencia el incremento del THDi debido a la deformación de la corriente en el cruce por cero; una forma de reducir esto consiste en el uso de un controlador de corriente con banda de histéresis de ancho fijo que evita la introducción del componente DC en la corriente de la fuente, asegurando la simetría en cada semi-ciclo de la red. No obstante, el control con banda de histéresis de ancho fijo causa que la frecuencia de conmutación sea variable de tal forma que se hace necesario aumentar el tamaño y el costo de los filtros, los inductores y los disipadores de calor del sistema (Huber et al, 2008).…”

Sliding Mode Control of the Isolated Bridgeless SEPIC High Power Factor Rectifier Interfacing an AC Source with a LVDC Distribution Bus

“…It has been demonstrated that this technique is able to track periodic references, forcing loss-free resistor behavior. This implies resistive behavior at the input port and power source behavior at the output port of a power converter [30], which in fact transforms the set rectifier-load into a virtual resistance, as it is successfully developed for a semi-bridge-less pre-regulator in the work of [31] and a three-phase HPF Vienna rectifier in the work of [32]. As in the case of the grid-connected inverters, the control must track a reference, which can be directly provided by a measurement of the input voltage or indirectly by a synchronized reference generator [33].…”

Fuzzy Sliding Mode Variable Structure Control for Brushless DC Motor Position Servo System

“…Sliding mode variable structure control is a robust nonlinear control method. The key point is to ensure the existence of the sliding surface and the system has good motion characteristics after entering the sliding surface [2][3] . In the literature [4], the neural network control method is introduced into the sliding mode variable structure control, which obtains a good control effect and eliminates the chattering phenomenon effectively.…”