Fault Tolerant Power Systems

This Ph.D. thesis documents the research work performed in partial fulfillment of the requirements for obtaining the Ph.D. degree from the Technical University of Denmark. Among the additional requirements for obtaining the Ph.D. degree is teaching activities and course participation both of which have been fulfilled. The topic of this project is fault tolerant power systems although a more universal classification would be reliability enhancement techniques for power electronic systems. The research originated with a state of the art examination in order to establish a foundation on which the techniques could be based. To assist in this examination a database was created. In addition to the database a solid theoretical foundation for reliability assessment is established. Both of these topics are covered in chapter ‘3 Concept clarification and point of origin’. From the theoretical examinations a more practical approach in system design was taken, which lead to the array-based redundancy concept presented in chapter ‘4 Array-based redundancy’. Although this work is mainly theoretical, suggestions for real-world power system implementations are presented and discussed. Based on the promising results from the array-based redundancy, the concept of digital control in power electronic systems are further examined in chapter ‘5 Digital control of DC-DC converters’, where the major elements are timing issues, software execution speed and analytical redundancy. The results in this chapter show that the use of low-cost microcontrollers allows for easy, cheap and relatively high performing converter implementations. Having explored the capabilities of digital converter control, the focus of the research work is turned towards analog system implementations utilizing parallel-connection as a means to achieve high reliability. This work is presented in chapter 6 and chapter 7. Chapter ‘6 Load sharing’ focuses on the use of dedicated load share controllers and the information needed for optimum system reliability. Chapter ‘7 Thermal droop load sharing’ concerns the implementation of power systems for high current/low voltage applications. The techniques presented in this chapter provide a simple means for parallel-connecting multiple power converters to form a single high-power system. A consequence of the proposed techniques is an equalization of the individual converter temperatures, which in turn results in improved overall reliability. Finally, the research work performed at University of California, Berkeley is described in chapter 8. This work included participation in a major project managed by Partners for Advanced Transit and Highways. Among other things this work resulted in examination of real-world problems associated with operating heavy machinery in urban areas. The overall conclusion of the the work presented in this thesis is that several reliability techniques apply to modern power system. Among the techniques considered during the Ph.D. project, several result in significant improvements in system reliability. A technique that unfortunately did not provide the anticipated reliability increase is the digital control of DC-DC converters. The overall failure rate of the digital controller is simply too high to be compensated by the additional features provided by increase in ‘intelligence’. Due to the rather high volume of data related to this project it has been decided to include all information on a CD, including a pdf-version of this thesis. A detailed table of contents for the CD can be found in the appendix. Resume (Abstract in Danish) Denne rapport dokumenterer det arbejde, der er gennemført som led i erhvervelsen af ph.d. graden fra Danmarks Tekniske Universitet (DTU). Ph.d. studiet er finansieret via et DTU stipendium, et sponsorat fra Alcatel Space Denmark, økonomisk støtte fra mine bedsteforældre Esther og Willy Madsen samt legater fra COWIfonden, Otto Mønsteds Fond og Knud Højgaards Fond. I takt med samfundets stigende brug af elektroniske systemer stiger også behovet for en øget pålidelighed for disse systemer. Det betyder, at området fejltolerance bliver en stadig vigtigere del af ethvert moderne design. Dette forhold danner grundlag for nærværende forskningsprojekt, som undersøger pålidelighedsoptimeringer i DC-DC konvertere. Mange af de opnåede resultater viser sig at være helt generelle, hvorfor disse resultater tillige kan anvendes inden for andre områder af effektelektronikken. Rapporten tager udgangspunkt i alment accepterede og anvendte teknikker for derved at skabe en direkte forbindelse mellem kendt teknik og de i nærværende rapport beskrevne forskningsresultater. Med udgangspunkt i den kendte teknik skabes et teoretisk grundlag for pålidelighedsvurdering af elektroniske systemer. Da flere af de opnåede forskningsresultater adskiller sig væsentligt fra den kendte teknik, må de teoretiske overvejelser tilpasses tilsvarende. Dette er beskrevet i kapitel 3. Kapitel 4 anvender de tilpassede teoretiske resultater på et parallelforbundet system med indbygget N+2 redundans. Den måde, hvorpå systemet fungerer, adskiller sig betydeligt fra traditionelle parallelforbundne systemer, idet parallelforbindelsen foretages på flere forskellige niveauer. Pålidelighedsberegninger bekræfter de forbedringer, som det var forventet, at teknikken ville tilføre det samlede system. Til trods for, at teknikken beskrevet i dette kapitel hovedsageligt er af teoretisk karakter, vises en praktisk implementering af en testkonverter. På grund af de positive resultater fra kapitel 4 blev det besluttet at undersøge mulighederne for digital styring af konvertere. Dette arbejde er beskrevet i kapitel 5, hvor en simpel buck konverter implementeres med en microcontroller som styrende element. Da digitale styreenheder generelt tillader intelligent stillingtagen til pludseligt opståede situationer, er der i buck konverteren tillige implementeret analytisk redundans. Dette bevirker, at visse fejlsituationer helt kan undgås, hvilket øger det samlede systems pålidelighed. På baggrund af pålidelighedsvurderinger viser det sig imidlertid, at de mange transistorer, som indgår i den digitale styreenhed, forringer det samlede systems pålidelighed set i forhold til en tilsvarende analog realisering. I takt med at fremstillingsprocessen for digitale kredsløb forbedres, vil pålideligheden for digitalt styrede konvertere blive øget, hvorfor digitalt styrede konvertere på et tidspunkt med fordel vil kunne erstatte tilsvarende analoge realiseringer på grund af de mange ekstra overvågningsfunktioner, som en digital realisering muliggør. Efter undersøgelsen af mulighederne for digital styring af konvertere blev fokus vendt mod de mere traditionelle analoge realiseringer af parallelforbundne systemer. I denne forbindelse blev mulighederne for at forbedre parallelforbundne systemers pålidelighed undersøgt. Resultaterne af denne undersøgelse/parameterevaluering er beskrevet i kapitel 6 og kapitel 7. Som afslutning på hovedrapporten beskrives det gennemførte udlandsophold ved University of California, Berkeley. Dette ophold gav blandt andet mulighed for deltagelse i et stort forskningsprojekt sponsoreret af det Californiske trafikministerium. Projektet er ledet af Partners for Advanced Transit and Highways og fokuserer på langsigtede løsninger af de stigende trafikale problemer på det amerikanske motorvejsnet. Arbejdet med dette projekt er beskrevet i kapitel 8. I rapportens bilag gives der en kort beskrivelse af de emner, som vurderes at falde uden for hovedrapportens centrale rammer. Herudover findes der i bilagene en liste over de i løbet af forskningsprojektet indsendte konferenceog tidsskriftpublikationer.