Active Damping Stabilization of Power Converters by means of Loss-Free Resistors

Abstract

Aquest treball aborda els reptes associats a l'estabilització de convertidors de potència, proposant una metodologia integral que combina estratègies d'esmortiment passiu i actiu per mitigar les inestabilitats de funcionament i millorar l'eficiència energètica del sistema. Mitjançant l'ús de models dinàmics, es dissenyen xarxes d'amortiment que asseguren l'estabilitat del sistema, tot considerant restriccions addicionals com el cost, la mida i el pes. L'estudi se centra especialment en les inestabilitats provocades per càrregues de potència constant (CPL), un fenomen comú en sistemes multi bus moderns com ara vehicles elèctrics i microxarxes.Inicialment s'exploren tècniques d'amortiment passiu basades en l'anàlisi del comportament dinàmic del sistema a través del seu polinomi característic de tercer ordre i es desenvolupa una metodologia de disseny iterativa que permet seleccionar de manera intuïtiva els components de l’amortidor per complir els requisits dinàmics del sistema. A partir d'aquests resultats, la investigació avança cap a mètodes d'amortiment actiu, introduint els Resistors Lliures de Pèrdues (LFR) com una alternativa energèticament eficient. Una de les contribucions més destacades és el desenvolupament de l'estabilització mitjançant Resistors Lliures de Pèrdues en Sèrie (SLFR), implementada en topologies com el SEPIC.Les simulacions numèriques basades en models matemàtics i els resultats experimentals validen la capacitat de l’SLFR per estabilitzar convertidors de potència. Aquests procediments analítics i experimentals també es traslladen a la topologia d'amortiment actiu basada en un circuit RL en sèrie amb L, en què la resistència d'amortiment es substitueix per un LFR. L'estudi aborda, a més, reptes pràctics com l'increment de la complexitat del sistema, la necessitat d'aïllament galvànic mitjançant transformadors d'ald'alta freqüència i la gestió de múltiples freqüències de commutació i cicles de treball, factors clau en aplicacions multi bus. En conclusió, aquest treball presenta un procediment sistemàtic per dissenyar amortidors, tant passius com actius, fent èmfasi en l'eficiència energètica i l'adaptabilitat a entorns multi bus.

Este trabajo aborda los desafíos asociados con la estabilización de convertidores de potencia, proponiendo una metodología integral que combina estrategias de amortiguación pasiva y activa para mitigar las inestabilidades operativas y mejorar la eficiencia energética del sistema. Utilizando modelos dinámicos, se diseñan redes de amortiguación que garantizan la estabilidad del sistema, teniendo en cuenta restricciones adicionales como el costo, el tamaño y el peso. El estudio se centra especialmente en las inestabilidades provocadas por cargas de potencia constante (CPL), un fenómeno común en sistemas multibus modernos, como los vehículos eléctricos y las microrredes. Inicialmente, se exploran técnicas de amortiguación pasiva basadas en el análisis del comportamiento dinámico del sistema mediante su polinomio característico de tercer orden, desarrollándose una metodología de diseño iterativa que permite seleccionar de forma intuitiva los componentes del amortiguador para cumplir con los requisitos dinámicos del sistema. A partir de estos resultados, la investigación avanza hacia métodos de amortiguación activa, introduciendo los Resistores Libres de Pérdidas (LFR) como una alternativa energéticamente eficiente. Una de las contribuciones más destacadas es el desarrollo de la estabilización mediante Resistores Libres de Pérdidas en Serie (SLFR), implementada en topologías como el convertidor SEPIC. Las simulaciones numéricas basadas en modelos matemáticos y los resultados experimentales validan la capacidad del SLFR para estabilizar convertidores de potencia. Estos procedimientos analíticos y experimentales también se aplican a la topología de amortiguación activa basada en un circuito RL en serie con L, en el que la resistencia de amortiguación es reemplazada por un LFR. Además, el estudio aborda desafíos prácticos como el incremento de la complejidad del sistema, la necesidad de aislamiento galvánico mediante transformadores de alta frecuencia, y la gestión de múltiples frecuencias de conmutación y ciclos de trabajo, factores clave en aplicaciones multibus.En conclusión, este trabajo presenta un procedimiento sistemático para diseñar amortiguadores, tanto pasivos como activos, poniendo énfasis en la eficiencia energética y la adaptabilidad a entornos multibus.

This work addresses the challenges associated with stabilizing power converters, proposing a comprehensive methodology that combines passive and active damping strategies to mitigate operational instabilities and improve the system's energy efficiency. Using dynamic models, damping networks are designed to ensure system stability while considering additional constraints such as cost, size, and weight. The study focuses particularly on instabilities caused by constant power loads (CPL), a common phenomenon in modern multibus systems such as electric vehicles and microgrids.Initially, passive damping techniques are explored through the analysis of the system's dynamic behavior using its third-order characteristic polynomial. An iterative design methodology is developed, enabling intuitive selection of the damping components to meet the system's dynamic requirements.Building on these results, the research advances toward active damping methods, introducing Loss-Free Resistors (LFR) as an energy-efficient alternative. One of the most notable contributions is the development of stabilization using Series Loss-Free Resistors (SLFR), implemented in topologies such as the SEPIC converter. Numerical simulations based on mathematical models and experimental results validate the SLFR's ability to stabilize power converters while demonstrating its potential for energy reinjection into secondary buses.These analytical and experimental procedures are also applied to the active damping topology based on an RL circuit in series with L, where the damping resistor is replaced by an LFR. Furthermore, the study addresses practical challenges such as increased system complexity, the need for galvanic isolation using high-frequency transformers, and the management of multiple switching frequencies and duty cycles, which are critical factors in multibus applications.In conclusion, this work presents a systematic procedure for designing both passive and active dampers, emphasizing energy efficiency and adaptability to multibus environments.