Stratégies de commande numérique pour un convertisseur DC/DC SEPIC en vue de l’intégration

Digital control strategies for DC/DC SEPIC converters towards integration

• Auteur / Autrice : Nan Li
• Direction : Bruno Allard, Xuefang Lin-Shi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 29/05/2012
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Godoy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Allard, Xuefang Lin-Shi, Emmanuel Godoy, Guillaume Gateau, Eric Ostertag
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Gateau, Eric Ostertag

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique de puissance

Mots clés libres

Electronique de puissance intelligente

Convertisseur de puissance

Convertisseur DC-DC

Commande électronique

Alimentation électrique

Alimentation à découpage

Système embarqué

Régulation de tension

Commande non linéaire

FPGA - field-programmable gate array

Conception de convertisseur

Circuit logique programmable

Modulation de largeur d'impulsions - MLI

Commande prédictive

Commande par mode glissants

Estimateur de Kalman

Power Electronics

Power Converter

DC-to-DC converter

Electronic Control

Power Supply

SMPs - Switched mode power supplies

Embedded System

SEPIC - Single-Ended Primary Inductor Converter

Non linear control

FPGA - field-programmable gate array

Converter Design

Programmable Logic Circuit

PWM - Pulse Width Modulation

Predictive control law

Sliding mode control

Kalman Estimator

Résumé

L’utilisation des alimentations à découpage (SMPSs : switched mode power supplies) est à présent largement répandue dans des systèmes embarqués en raison de leur rendement. Les exigences technologiques de ces systèmes nécessitent simultanément une très bonne régulation de tension et une forte compacité des composants. SEPIC (Single-Ended Primary Inductor Converter) est un convertisseur à découpage DC/DC qui possède plusieurs avantages par rapport à d’autres convertisseurs de structure classique. Du fait de son ordre élevé et de sa forte non linéarité, il reste encore peu exploité. L’objectif de ce travail est d’une part le développement des stratégies de commande performantes pour un convertisseur SEPIC et d’autre part l’implémentation efficace des algorithmes de commande développés pour des applications embarquées (FPGA, ASIC) où les contraintes de surface silicium et le facteur de réduction des pertes sont importantes. Pour ce faire, deux commandes non linéaires et deux observateurs augmentés (observateurs d’état et de charge) sont exploités : une commande et un observateur fondés sur le principe de mode de glissement, une commande prédictive et un observateur de Kalman étendu. L’implémentation des deux lois de commande et l’observateur de Kalman étendu sont implémentés sur FPGA. Une modulation de largeur d’impulsion (MLI) numérique à 11-bit de résolution a été développée en associant une technique de modulation Δ-Σ de 4-bit, un DCM (Digital Clock Management) segmenté et déphasé de 4-bit, et un compteur-comparateur de 3-bit. L’ensemble des approches proposées sont validées expérimentalement et constitue une bonne base pour l’intégration des convertisseurs à découpage dans les alimentations embarquées.

The use of SMPS (Switched mode power supply) in embedded systems is continuously increasing. The technological requirements of these systems include simultaneously a very good voltage regulation and a strong compactness of components. SEPIC ( Single-Ended Primary Inductor Converter) is a DC/DC switching converter which possesses several advantages with regard to the other classical converters. Due to the difficulty in control of its 4th-order and non linear property, it is still not well-exploited. The objective of this work is the development of successful strategies of control for a SEPIC converter on one hand and on the other hand the effective implementation of the control algorithm developed for embedded applications (FPGA, ASIC) where the constraints of Silicon surface and the loss reduction factor are important. To do it, two non linear controls and two observers of states and load have been studied: a control and an observer based on the principle of sliding mode, a deadbeat predictive control and an Extended Kalman observer. The implementation of both control laws and the Extended Kalman observer are implemented in FPGA. An 11-bit digital PWM has been developed by combining a 4-bit Δ-Σ modulation, a 4-bit segmented DCM (Digital Clock Management) phase-shift and a 3-bit counter-comparator. All the proposed approaches are experimentally validated and constitute a good base for the integration of embedded switching mode converters