Nonlinear control of dc-dc switching converters with constant power load

Abstract

Aquesta tesi descriu de manera analítica la connexió en cascada de convertidors amb les condicions de subministrament de la potència constant i proposa estratègies simples de control que poden fer front a la inestabilitat causada per la càrrega de potència constant (CPL). Amb aquest objectiu, s'estudia l'ús de diferents estratègies com; el control lineal, el control de manera lliscant (SMC), el control digital de mode (DSMC) i el control PWM no lineal a la regulació d'un convertidor elevador que subministra una CPL. El punt de partida és l'anàlisi dels convertidors elementals que s'ha posat en funcionament a la frontera entre el mode de conducció continuada (CCM) i el mode de conducció discontinu (DCM). Després s'analitza en temps continu el control en mode lliscant d'un convertidor elevador que alimenta una CPL que resulta en una implementació analògica. També, s'aborda el control en mode lliscant amb PWM en temps de discret que resulta en una implementació digital. Dos controls analògics no lineals amb modulador per amplitud de pols son presentats com a solucions alternatives per regular el voltatge de sortida d'un convertidor a una freqüència de commutació constant. Primer, una malla virtual s'utilitza tant per estabilitzar el convertidor com per regular indirectament la tensió de sortida. Seguidament, es presenta un mecanisme per estimar la potència de la CPL. Finalment, s'apropa la implementació de convertidors que funcionin com a CPL mitjançant la presentació d'un procediment sistemàtic general de síntesi.

Esta tesis describe analíticamente la conexión en cascada de convertidores en condiciones de suministro de potencia constante y propone estrategias simples de control que pueden hacer frente a la inestabilidad causada por la carga de potencia constante (CPL). Con este objetivo, se estudia el uso de diferentes estrategias como; el control lineal, el control de modo deslizante (SMC), el control digital de modo deslizante (DSMC) y el control PWM no lineal en la regulación de un convertidor elevador que suministra una CPL. El punto de partida es el análisis de los convertidores elementales en lazo abierto operando en la frontera entre el modo de conducción continua (CCM) y el modo de conducción discontinua (DCM). Después se analiza en tiempo continuo el control de modo deslizante de un convertidor elevador que alimenta una CPL lo que resulta en una implementación analógica. También, se aborda el control en modo deslizante con PWM en tiempo discreto que resulta en una implementación digital. Dos controles analógicos no lineales con modulador por anchura de pulsos son presentados como soluciones alternativas para regular el voltaje de salida del convertidor a una frecuencia de conmutación constante. Primero, una malla virtual es utilizada tanto para estabilizar el convertidor como para regular indirectamente la tensión de salida. Luego, se presenta un mecanismo para estimar la potencia de la CPL. Finalmente, se aborda la implementación de convertidores actuando como CPL mediante la presentación de un procedimiento sistemático general de síntesis.

This thesis describes analytically the cascade connection of converters under constant power supply conditions, and propose simple control solutions that can cope with the potential instability caused by the constant power load (CPL). With this aim, the use of different strategies such as linear control, sliding-mode control (SMC), digital SMC (DSMC), and nonlinear PWM control is studied in the regulation of a boost converter supplying a CPL. The starting point is the analysis of the elementary converters in open-loop in the boundary between continuous conduction-mode (CCM) and discontinuous conduction-mode (DCM). Then, the SMC of a boost converter feeding a CPL is exhaustingly covered by a continuous-time approach leading to an analogue implementation. A discrete-time approach for sliding-mode control using a PWM resulting in a digital implementation is presented. Two analogue PWM-based nonlinear controllers as alternative solutions to regulate the output voltage in constant switching frequency operation are proposed. First, the use of a virtual mesh is developed to both stabilize the converter and indirectly regulate the output voltage. Then, a mechanism to estimate the power of the CPL is presented. Finally, the implementation of converters with CPL behavior by presenting a general systematic procedure of synthesis is addressed.