Investigation of DC-DC Converter Modeling from the Perspective of Control and Input-Filter Influence
Contribution à la modélisation des convertisseurs continu/continu dans une perspective de commande – Influence du filtre d'entrée
Résumé
Modeling and control of switched-mode dc-dc converters has occupied a center stage in the field of modern power electronics due to their widespread military and industrial applications. Averaged modeling is most commonly applied as an effective tool to analyze dynamic behavior of a converter and to get physical insights into various dynamical phenomena. State-space averaged models are widely accepted in practice mainly because of their simplicity, generality and demonstrated practical utility. Various averaged models have been presented in literature; however, some fundamental questions regarding averaging methodologies still lack satisfactory answers. These unresolved modeling issues are primarily related to their practical validation, inclusion of circuit parasitics and their application to the control-loop design. One of the primary concerns of this thesis is to study and evaluate the performance of averaged modeling of dc-dc converters from control perspective. In particular, the main emphasis is placed on the theoretical and experimental investigation of averaged modeling in discontinuous conduction mode (DCM). Various analytical averaged models of different orders, presented in literature, are reformulated in this thesis by including all appropriate parasitics. Parasitics are introduced to take into account those phenomena which can possibly induce instability. Then, the validities of these averaged models are experimentally examined by comparing analytical results with experimental results measured from a hardware prototype.
As far as control is concerned, stability is of prime importance in any dc voltage regulation system. However, closed-loop stability is not guaranteed if a low-pass filter is present at converter-input. The origin of this problem lies in the filter interactions with the negative dynamic resistance behavior of the dc-dc converter input port. Literature provides a gateway to solve this issue and proposes a ?passive? solution to damp the input-filter oscillations. Although exact values of the required damping resistance can be determined using an ideal converter model, this value is not systematically confirmed through experiments. In this thesis small-signal control-to-output transfer functions are used to systematically formulate some design rules to avoid instability. Safe operating regions are identified in terms of damping-circuit parameters and this approach is subsequently extended to the case of cascade converters. Throughout this study the small-signal averaged modeling is used for the stability analysis.
Although adding adequate resistance to the filter can solve instability problem, one drawback for which passive damping is commonly criticized is the undesirable power dissipation in the damping resistors. To properly investigate its adverse impact on conversion efficiency, these damping losses are quantified in this thesis. A detailed theoretical power-loss analysis is presented under varying operating conditions followed by its experimental verification. Obtained results are generalized for all fundamental topologies.
One of the main themes of this dissertation is the development of a control solution for the stability of dc-dc converter in presence of input filter, hence avoiding the use of dissipative damping.
To achieve this objective, this thesis suggests the use of full state-feedback control with pole-placement technique. An augmented state-space averaged model is used to design the controller which combines state-feedback with PI-control loop. First of all a theoretical approach is presented. Then the effectiveness of the proposed control algorithm is demonstrated with simulation studies. It appears that an adequate level of dynamic performance under large perturbations can be achieved by using a varying gain state-feedback. A pseudo large-signal stability analysis is also performed with the help of this technique. Importantly, this control strategy assures stability of the system without using any passive components in the filter circuit and thus avoiding undesirable losses. An alternate control scheme, chosen from the literature, is also discussed for filter-converter system stability. This scheme is based upon sliding-mode control and Lyapunov function approach. Its dynamic performance is compared with that of the full state-feedback controller proposed in this thesis while explaining pros and cons of both control strategies.
As far as control is concerned, stability is of prime importance in any dc voltage regulation system. However, closed-loop stability is not guaranteed if a low-pass filter is present at converter-input. The origin of this problem lies in the filter interactions with the negative dynamic resistance behavior of the dc-dc converter input port. Literature provides a gateway to solve this issue and proposes a ?passive? solution to damp the input-filter oscillations. Although exact values of the required damping resistance can be determined using an ideal converter model, this value is not systematically confirmed through experiments. In this thesis small-signal control-to-output transfer functions are used to systematically formulate some design rules to avoid instability. Safe operating regions are identified in terms of damping-circuit parameters and this approach is subsequently extended to the case of cascade converters. Throughout this study the small-signal averaged modeling is used for the stability analysis.
Although adding adequate resistance to the filter can solve instability problem, one drawback for which passive damping is commonly criticized is the undesirable power dissipation in the damping resistors. To properly investigate its adverse impact on conversion efficiency, these damping losses are quantified in this thesis. A detailed theoretical power-loss analysis is presented under varying operating conditions followed by its experimental verification. Obtained results are generalized for all fundamental topologies.
One of the main themes of this dissertation is the development of a control solution for the stability of dc-dc converter in presence of input filter, hence avoiding the use of dissipative damping.
To achieve this objective, this thesis suggests the use of full state-feedback control with pole-placement technique. An augmented state-space averaged model is used to design the controller which combines state-feedback with PI-control loop. First of all a theoretical approach is presented. Then the effectiveness of the proposed control algorithm is demonstrated with simulation studies. It appears that an adequate level of dynamic performance under large perturbations can be achieved by using a varying gain state-feedback. A pseudo large-signal stability analysis is also performed with the help of this technique. Importantly, this control strategy assures stability of the system without using any passive components in the filter circuit and thus avoiding undesirable losses. An alternate control scheme, chosen from the literature, is also discussed for filter-converter system stability. This scheme is based upon sliding-mode control and Lyapunov function approach. Its dynamic performance is compared with that of the full state-feedback controller proposed in this thesis while explaining pros and cons of both control strategies.
La modélisation et la commande des convertisseurs de type continu/continu occupent une place de plus en plus importante dans le domaine de l'électronique de puissance. La « modélisation moyenne » est la plus courante. C'est un outil efficace permettant d'analyser le comportement dynamique global d'un convertisseur et de dégager les principaux phénomènes physiques intervenant sur ce comportement. Les modèles moyennés en espace d'état sont largement acceptées dans la pratique, principalement de par leur simplicité, leur généralité et leur utilité pratique qui n'est plus à démontrer. Divers modèles moyennés ont été présentés dans la littérature spécialisée. Il subsiste cependant quelques questions fondamentales en ce qui concerne les méthodologies moyennes qui n'apportent pas toujours une réponse satisfaisante. Ces problèmes non résolus de modélisation touchent essentiellement à la validation pratique, à l'intégration des parasites du circuit électrique réel et à l'application à la conception de la boucle de commande. L'une des principales préoccupations de cette thèse est d'étudier et d'évaluer les performances de la modélisation moyenne des convertisseurs dc/dc en vue de leur commande. En particulier, l'accent est mis sur l'étude théorique et expérimentale des modèles moyennés en mode de conduction discontinu (DCM). Divers modèles moyens analytiques de différents ordres, présentés dans la littérature, sont reformulés en incluant les parasites. Leur validité relative est examinée expérimentalement par rapport à un prototype physique.
En ce qui concerne la commande, la stabilité est d'une importance capitale dans tout système de régulation de tension. Toutefois, assurer la stabilité en boucle fermée n'est pas évident en présence d'un filtre en entrée du convertisseur. L'origine de ce problème réside dans l'interaction du filtre avec le comportement du convertisseur dc/dc de type « résistance dynamique négative ». La littérature fournit une solution pour résoudre ce problème et propose une solution « passive » pour amortir les oscillations liées au filtre d'entrée. La valeur de la résistance d'amortissement nécessaire peut être déterminée en utilisant un modèle de convertisseur idéal. Toutefois, cette valeur n'est pas systématiquement confirmée par l'expérience. Dans cette thèse, des fonctions de transfert en régime de petits signaux sont utilisés pour formuler systématiquement des règles de dimensionnement pour éviter l'instabilité. Les régions de la stabilité sont déterminées en fonction des paramètres du circuit d'amortissement. Cette approche est étendue au cas de convertisseurs en cascade. Tout au long de cette étude, la modélisation moyenne en petit-signal est utilisée pour l'analyse de la stabilité.
Bien que l'ajout d'une résistance suffisante assure la stabilité, l'amortissement passif est critiquable à cause de pertes énergétiques indésirables dans les résistances utilisées. Afin d'en étudier les retombées sur le rendement du convertisseur, les pertes dues à l'amortissement sont quantifiées d'une manière plus systématique dans cette thèse. Une analyse théorique de ces pertes est présentée dans diverses conditions de fonctionnement. La validation expérimentale est toujours présente. Les résultats obtenus sont généralisés à toutes les topologies fondamentales de convertisseurs.
L'un des principaux thèmes de cette thèse touche au développement d'une commande assurant la stabilité du convertisseur dc/dc avec son filtre d'entrée sans utiliser d'amortisseur dissipatif.
Afin d'atteindre cet objectif, une solution avec commande par retour d'état et placement des pôles est proposée. Un modèle moyen d'ordre élevé est mis en place pour concevoir un correcteur qui combine le retour d'état avec une boucle PI. L'efficacité de l'algorithme de commande proposé est démontrée par des résultats de simulation. Il apparaît que des performances dynamiques intéressantes peuvent être atteintes en présence de grandes perturbations en utilisant un retour d'état avec gains variables. En outre, cette stratégie de commande assure la stabilité du système sans composant passif additionnel dans le filtre d'entrée et sans pertes supplémentaires. Ensuite, dans un deuxième temps, une commande par mode-glissement basée sur l'approche de la fonction de Lyapunov est discutée, laquelle est présentée dans la litérature pour l'ensemble abaisseur-filtre. Nous discutons les performances de la commande par retour d'état, proposée dans cette thèse, comparées à celles d'un contrôleur mode-glissant.
En ce qui concerne la commande, la stabilité est d'une importance capitale dans tout système de régulation de tension. Toutefois, assurer la stabilité en boucle fermée n'est pas évident en présence d'un filtre en entrée du convertisseur. L'origine de ce problème réside dans l'interaction du filtre avec le comportement du convertisseur dc/dc de type « résistance dynamique négative ». La littérature fournit une solution pour résoudre ce problème et propose une solution « passive » pour amortir les oscillations liées au filtre d'entrée. La valeur de la résistance d'amortissement nécessaire peut être déterminée en utilisant un modèle de convertisseur idéal. Toutefois, cette valeur n'est pas systématiquement confirmée par l'expérience. Dans cette thèse, des fonctions de transfert en régime de petits signaux sont utilisés pour formuler systématiquement des règles de dimensionnement pour éviter l'instabilité. Les régions de la stabilité sont déterminées en fonction des paramètres du circuit d'amortissement. Cette approche est étendue au cas de convertisseurs en cascade. Tout au long de cette étude, la modélisation moyenne en petit-signal est utilisée pour l'analyse de la stabilité.
Bien que l'ajout d'une résistance suffisante assure la stabilité, l'amortissement passif est critiquable à cause de pertes énergétiques indésirables dans les résistances utilisées. Afin d'en étudier les retombées sur le rendement du convertisseur, les pertes dues à l'amortissement sont quantifiées d'une manière plus systématique dans cette thèse. Une analyse théorique de ces pertes est présentée dans diverses conditions de fonctionnement. La validation expérimentale est toujours présente. Les résultats obtenus sont généralisés à toutes les topologies fondamentales de convertisseurs.
L'un des principaux thèmes de cette thèse touche au développement d'une commande assurant la stabilité du convertisseur dc/dc avec son filtre d'entrée sans utiliser d'amortisseur dissipatif.
Afin d'atteindre cet objectif, une solution avec commande par retour d'état et placement des pôles est proposée. Un modèle moyen d'ordre élevé est mis en place pour concevoir un correcteur qui combine le retour d'état avec une boucle PI. L'efficacité de l'algorithme de commande proposé est démontrée par des résultats de simulation. Il apparaît que des performances dynamiques intéressantes peuvent être atteintes en présence de grandes perturbations en utilisant un retour d'état avec gains variables. En outre, cette stratégie de commande assure la stabilité du système sans composant passif additionnel dans le filtre d'entrée et sans pertes supplémentaires. Ensuite, dans un deuxième temps, une commande par mode-glissement basée sur l'approche de la fonction de Lyapunov est discutée, laquelle est présentée dans la litérature pour l'ensemble abaisseur-filtre. Nous discutons les performances de la commande par retour d'état, proposée dans cette thèse, comparées à celles d'un contrôleur mode-glissant.
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