Hybrid Limit Cycles: from theory to practice in resonant converters - Groupement de Recherche en Modélisation, Analyse et Conduite des Systèmes dynamiques
Thèse Année : 2024

Hybrid Limit Cycles: from theory to practice in resonant converters

Cycles Limites Hybrides : de la théorie à la pratique dans les convertisseurs résonnants

Résumé

This dissertation addresses the stabilization of periodic trajectories in hybrid dynamical systems, focusing on resonant power converters from the both theoretical and practical perspectives. The focus is twofold: on one side there are the theoretical analyses and simulations that show specific behaviors; on the other side there is the ``on-the-field'' work involving hardware and software development and coding to create a functioning controller that confirms the validity of the theory. The aim of this dissertation is to integrate the theoretical control aspects with the practical power electronics aspects, starting from the analysis of different control laws that ensure an oscillating behavior, and ending with a current regulation problem on a power converter prototype. Initially, we build the theoretical framework for the formal analysis of systems exhibiting both continuous and discrete behavior, the so-called hybrid dynamical systems. We focus particularly on second-o! rder resonant converters, which are relatively easy to represent but present some challenges. In this initial part we overview control laws that ensure a desired self-oscillating behavior with different properties in terms of switching and design efficiency, with the focus on the Zero-Voltage Switching (ZVS) behavior. After focusing on the second-order resonant converter, we extend the control algorithm to the third-order LLC resonant converter. In other words, we apply the same controller used for second-order systems to a more complex converter with richer behavior and observe what is the outcome. This extension anticipates the eventual validation of our controller on a battery charger, which uses the LLC topology. Indeed, the latter part of the manuscript is dedicated to the realization and testing of an LLC prototype, with the objective of validating the theoretical results and the formulated conjectures. The prototype includes all power stages, from the resonant tank t! o the rectifier, as well as the necessary sensing. The control law is implemented in a Field-Programmable Gate Array (FPGA). The final step is the regulation of the output current of the converter while ensuring ZVS of the transistors.
Cette thèse traite de la stabilisation des trajectoires périodiques dans les systèmes dynamiques hybrides, en se concentrant sur les convertisseurs résonants de puissance, à la fois d'un point de vue théorique et pratique. L'objectif est double : d'un côté, des analyses théoriques et des simulations permettent de démontrer et mettre en évidence certains comportements ; de l'autre, une mise en œuvre expérimentale impliquant le développement de l'électronique et le codage pour créer un contrôleur fonctionnel illustre le bien-fondé des approches proposées d'un point de vue théorique. Le but de ce travail est d'intégrer les aspects théoriques du contrôle avec les aspects pratiques de l'électronique de puissance, en commençant par l'analyse de différentes lois de contrôle qui assurent un comportement oscillant, et en terminant par un problème de régulation de courant sur un prototype de convertisseur. Dans un premier temps, nous construisons le cadre théorique pour l'analyse formelle des systèmes présentant un comportement à la fois continu et discret, également appelés systèmes dynamiques hybrides. Nous nous concentrons particulièrement sur les convertisseurs résonants du second ordre, qui sont relativement faciles à représenter, mais qui présentent certains défis. Dans cette première partie, nous reproduisons et proposons des lois de contrôle qui garantissent un comportement auto-oscillant souhaité avec différentes propriétés en termes de commutation et d'efficacité de conception, en mettant l'accent sur le comportement de commutation à tension nulle (Zero-Voltage Switching – ZVS). Après nous être concentrés sur le convertisseur résonant de second ordre, nous étendons le contrôle au convertisseur résonant LLC de troisième ordre. En d'autres termes, nous appliquons le même contrôleur que celui utilisé pour les systèmes de second ordre �! � un convertisseur plus complexe au comportement plus riche, et nous observons le résultat. Cette extension anticipe la validation de notre contrôleur sur un chargeur de batterie, qui utilise la topologie LLC. Par conséquent, la dernière partie du manuscrit est consacrée à la réalisation et à l'essai d'un prototype LLC, dans le but de tester les résultats théoriques et les conjectures formulées. Le prototype comprend tous les étages de puissance, du réservoir résonant au redresseur et tous les capteurs nécessaires. La commande est mise en œuvre dans un circuit logique programmable (Field-Programmable Gate Array – FPGA). L'étape finale est la régulation du courant de sortie du convertisseur tout en garantissant le ZVS des transistors.
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Dates et versions

tel-04822505 , version 1 (06-12-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04822505 , version 1

Citer

Nicola Zaupa. Hybrid Limit Cycles: from theory to practice in resonant converters. Automatic. UPS Toulouse - Université Toulouse 3 Paul Sabatier, 2024. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04822505⟩
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