Implementation and Modeling of Online Efficiency Optimization Techniques for High-Frequency dc-dc Converters in Automotive Applications

In recent years, the automotive industry has been characterized by a growth in the field of electronics. This growth concerns many aspects in the car design such as energy efficiency, safety, x-by-wire systems, connectivity and comfort. For this reason, while in the past electronic power consumption was negligible with respect to the total car energy consumption, a particular attention is paid nowadays to the efficiency of these devices. Furthermore, there is a political and social pressure to reduce CO2 emissions that results in penalties and taxes for those companies who do not comply with the limits imposed by national and international targets. It is clear that failure to meet these standards causes a loss of competitiveness and profit. Therefore many efforts have been made during the last years by the automotive industry to find affordable solutions to improve the energy efficiency of each part of the vehicle. For small power devices such as safety systems (airbag, adaptive cruise control, collision avoidance etc...), vehicle networking, body (windows drivers, led driver etc...) the state of the art technologies belong to the class Smart Power Technology (SPT). Such class of technologies allows to include in the same chip die low voltage digital and analog devices like MOSFET and bipolar transistors (smart part) and power devices like high voltage DMOS (power part). The smart part of the technology is used by designers to implement systems like over temperature, short circuit protection and over voltage management circuits, while the power part is used to implement the power stage. The most widespread class of power stages is so far represented by linear regulators because of their relative simplicity, low noise, small size and low cost. The major weakness, however, is their typically poor efficiency. As a consequence, although linear regulators still represent the main source of profit, the automotive silicon industry is investing more in highly efficient solutions such as switching converters. The main reasons that obstruct the diffusion of switched-mode power supplies in low power automotive applications are the additional costs and additional area consumption caused by the need to include bulky inductors. Goal of this Ph.D. research is to explore on the fly efficiency optimization strategies, also known as online efficiency optimization techniques, in which the converter is dynamically brought to its maximum efficiency operating point regardless of the specific operating conditions. This research activity is conducted through the collaboration between Infineon Technologies Italia and the Department of Information Engineering (DEI) of the University of Padova within the framework of a contract of Apprenticeship in Higher Education and Research, and focuses on modeling and design of efficiency optimization techniques for high-frequency dc-dc converters in automotive applications. Part of the research activity has been developed during a six months visiting period at the Colorado Power Electronics Center of the University of Colorado at Boulder, under the supervision of Prof. Dragan Maksimovic. The approach followed during the research activity aims to transfer the hardware complexity from the power stage, that is typically the most expensive part, to the control stage. In this regard, the digital control appears a natural choice enabling the possibility to explore advanced control strategies and modulation schemes that exploit the degrees of freedom offered by the converter for purpose of regulation and efficiency optimization. Moreover, being the compactness one of the major issues, the soft switching capability become a crucial aspect allowing to thereby increase the switching frequency without compromise the converter efficiency and to reduce the passive component size. The thesis is organized as follows. First of all, a general overview of the automotive power electronics is presented in order to clarify the motivation of this research. The first part of the thesis focuses on the steady state analysis of the Dual Half Bridge converter with particular regard to the efficiency characterization. Such topology is considered, in both its resonant and non-resonant versions, because of its degrees of freedom inherently available in the converter modulation space. Control strategy are proposed that allow to accomplish the output voltage regulation and an online efficiency optimization. In systems like the one under consideration, the controller moves the converter from one operating point to a new one every time a new event occurs (for example a load step or battery line variation). For this reason, a wide area of the control space can be potentially spanned during the normal operations, therefore an accurate dynamic analysis is mandatory to ensure the stability of the system throughout the entire control space. For this reason another important topic analyzed in this thesis is the dynamic study of digitally controlled Dual Active Bridge converters. The dynamics introduced by uniformly sampled phase shift modulators and combined phase shift and pulse width modulators is analyzed in detail and incorporated into a multi-harmonic small-signal model valid for both the resonant and non resonant dual half-bridge topologies. All the results presented in this thesis are validated both via simulations and experiments made on discrete components prototype.

Negli ultimi anni si è assistito ad un rapido sviluppo nell'ambito dell'elettronica di potenza applicata all'industria automobilistica. Questa evoluzione riguarda molti aspetti nella progettazione dell'automobile, ad esempio l'efficienza energetica, la sicurezza, l'introduzione di sistemi x-by-wire, connettività e confort. Per questa ragione, mentre in passato il consumo di potenza associato ai dispositivi elettronici era trascurabile rispetto al consumo totale dell'auto, oggi si presta molta attenzione all'efficienza di ciascun dispositivo. Vi sono inoltre pressioni sociali e politiche che spingono verso la riduzione delle emissioni di CO2. Queste si traducono in sanzioni e tasse aggiuntive per le aziende inadempienti nei confronti dei limiti imposti dalle normative nazionali e internazionali, e in un conseguente danno di immagine delle stesse. È perciò chiaro che non rispettare questi standard causa una perdita di profitto e competitività. Perciò, negli ultimi anni, sono stati fatti molti investimenti finalizzati a trovare soluzioni economicamente realizzabili con lo scopo di migliorare l'efficienza energetica di ogni parte del veicolo. A questo proposito, il progetto di sistemi di alimentazione ad alta efficienza è di cruciale importanza. Per sistemi di alimentazione di dispositivi a bassa potenza quali i sistemi di sicurezza (airbag, sistemi anti-collisione etc...), connettività e illuminazione, lo stato dell'arte prevede l'utilizzo di circuiti di potenza appartenenti alla classe Smart Power Technology (SPT). Questa tecnologia permette di includere nello stesso chip, componenti analogici, digitali e transistori di potenza. Il punto di forza più importante di questa tecnologia è la possibilità di includere nello stesso circuito integrato oltre che al convertitore, sistemi di anti-surriscaldamento, protezione da cortocircuiti e sovratensioni e implementare sistemi di gestione intelligente dell'energia. Per molto tempo, la classe di convertitori di potenza più utilizzata è rappresentata dai regolatori lineari. Le caratteristiche principali di questi convertitori sono la loro bassa complessità dell'hardware e la riduzione dei costi e dimensioni. Per contro, risultano poco efficienti dal punto di vista energetico poiché la regolazione della tensione di uscita avviene dissipando la potenza in eccesso nel convertitore stesso. Di conseguenza, benché i regolatori lineari rappresentino ancora la maggior fonte di profitto, l'industria automobilistica sta investendo in soluzioni più efficienti come ad esempio i convertitori a commutazione. Le ragioni più importanti che hanno ostacolato la diffusione di questa classe di convertitori nell'ambito dei sistemi a bassa potenza sono i costi tipicamente più elevati e l'ingombro causato dall'impiego di componenti esterni quali induttori e condensatori di filtro. Questa attività di ricerca di dottorato si inquadra quindi nell'ambito dello sviluppo di tecniche di ottimizzazione online dell'efficienza, ossia sistemi nei quali il convertitore è mantenuto nel suo punto operativo di massima efficienza a prescindere dalle condizioni in cui esso si trova. L'attività di ricerca è svolta in cotutela con Infineon Technologies Italia Srl nell'ambito di un contratto di Apprendistato in Alta Formazione e Ricerca dal titolo “Studio e progetto di architetture e topologie circuitali innovative per convertitori DC/DC ad alta efficienza e ad alta frequenza di commutazione per applicazioni nel campo dell'industria automobilistica”. Una parte dell'attività è stata svolta durante un periodo di studio di sei mesi presso il Colorado Power Electronics Center dell'Università del Colorado a Boulder, sotto la supervisione del Prof. Dragan Maksimovic. L'approccio seguito mira a trasferire la complessità dell'hardware dal convertitore al controllo con un impatto minimo sul costo complessivo del sistema. A questo proposito, l'implementazione digitale del controllore rende possibile lo sviluppo di strategie di controllo avanzate e schemi di modulazione che sfruttano i gradi di libertà del convertitore per motivi di regolazione e ottimizzazione dell'efficienza. Un esempio è la possibilità di utilizzare tecniche soft-switching le quali consentono di aumentare notevolmente la frequenza di commutazione senza compromettere l’efficienza del convertitore e, in aggiunta, di ridurre le dimensioni dei componenti passivi. In particolare la ricerca è focalizzata sullo studio dei convertitori a doppio mezzo ponte, nelle loro versioni risonante e non risonante. Questa classe di convertitori è stata scelta per la bassa complessità dell'hardware e per il numero dei gradi di libertà che possono essere utilizzati per finalità di controllo. La prima parte della tesi tratta il tema della modellizzazione di questi convertitori dal punto di vista statico con particolare attenzione agli aspetti che riguardano la caratterizzazione dell'efficienza. Sulla base dei risultati ottenuti, sono proposte delle tecniche di controllo multivariabile e ottimizzazione online dell’efficienza. In sistemi di questo tipo, il convertitore si porta da un punto operativo all'altro ogni volta che si verifica un evento (ad esempio una variazione del carico o della tensione di batteria). Per questo motivo, durante il normale funzionamento, il punto operativo del convertitore può attraversare un'ampia porzione dello spazio di controllo quindi è richiesta un'accurata analisi dinamica per garantire la stabilità del sistema. Un'importante tematica affrontata in questa tesi, è lo studio dinamico dei convertitori a doppio mezzo ponte con controllo digitale multivariabile. In dettaglio, sono stati approfonditi aspetti riguardanti la modellistica della dinamica introdotta dai modulatori a sfasamento digitale a campionamento uniforme e dai modulatori a sfasamento e larghezza d'impulso a campionamento uniforme. Tali modelli sono stati impiegati al fine di costruire un modello ai piccoli segnali di tipo multi-armonica per il convertitore a doppio mezzo ponte con controllo digitale multivariabile. Tutti i risultati presentati in questa tesi sono validati tramite simulazioni e misure sperimentali fatte su prototipi a componenti discreti.