Modelado, simulación y control de un convertidor boost acoplado magnéticamente

Abstract

This thesis covered the modeling, simulation as well as the design of a control law for a coupled inductor Boost converter. In particular, from the point of view of modeling, we focused on the use of averaged modeling and linear complementarity systems (LCS), in order to obtain the dynamic of a coupled inductor Boost converter, which works in discontinuous conduction mode (DCM). The analysis of the converter was performed assuming ideal voltage-current characteristics in the switch and the diodes. In addition, those models were validated through simulation with the model of the converter obtained from the simulation tool for electrical circuits Psim. The interest in researching this converter topology was mainly due to its high efficiency and high conversion rate without extreme duty cycle values. Moreover, from the point of view of control we have proposed a cascade control architecture. The inner loop is a sliding mode current control loop, while the outer one is a PI controller that tunes the current reference to regulate the output voltage to a reference value. The performance and the effectiveness of the feedback control was validated under the presence of load disturbances and input voltage variations through computer simulations by using the linear complementarity model as well as experimentally. Additionally from the linear complementarity model of the converter, it was performed an analysis of the ideal dynamic that takes place when occurs sliding motions in the converter and numerical stability analysis was also carried out.

La presente tesis abarca el modelado, simulación y diseño de una ley de control para un convertidor Boost de inductancias acopladas. En particular, desde el punto de vista de modelado, nos enfocamos en las teoíıas de modelos promediados y sistemas lineales complementarios (LCS), para obtener la dinámica del convertidor Boost de inductancias acopladas, el cual trabaja en modo discontinuo de conducción (DCM). El análisis del convertidor se lleva a cabo asumiendo características ideales de tensión-corriente en el interruptor y los diodos. Además, los modelos obtenidos son validados mediante simulación con el modelo del convertidor proporcionado por la herramienta de simulación para circuitos eléctricos Psim. El interés en la topología de este convertidor se debe principalmente a su alta eficiencia y su elevada tasa de conversión sin necesidad de ciclos de trabajos extremos. Por otra parte, desde el punto de vista de control se propone una arquitectura de control en cascada. El lazo interno del control se compone de una estrategia de control no lineal, similar a la teoría de control en modo de deslizamiento, mientras que para el lazo externo se diseña un control de tipo PI. El principal objetivo del control diseñado es regular el voltaje de salida del convertidor a el valor de referencia deseado. La efectividad y desempeño del controlador diseñado es validada tanto en simulación como experimentalmente ante diferentes escenarios que incluyen perturbaciones en la carga y el voltaje de entrada. Adicionalmente a partir del modelo lineal complementario del convertidor, se lleva a cabo un análisis de la dinámica ideal de deslizamiento y un análisis numérico de la estabilidad cuando se tiene modo de deslizamiento.