Controllo di corrente digitale-predittivo per convertitori Buck multilivello con capacità flottanti

This thesis investigates the use of digital predictive current-mode control (DPCMC) in dc-dc multi-level flying-capacitor (MLFC) Buck converters. In particular, stability and flying-capacitor (FC) voltages balancing properties of predictive peak, average and valley current-mode controllers are studied when operated in single-sampled and multi-sampled mode. In fact, although the DPCMC technique has been extensively studied for traditional dc-dc converters, its application to MLFC converters is not documented in the current literature. This thesis proposes a unified analysis methodology that can be used for predicting the FC voltages stability properties in such converters. The developed analysis approach can be used for the generic MLFC Buck converters with generic number of levels as well for all operating modes. In addition to stability analysis tools, this thesis provides an implementation methodology for DPCMC control that takes full advantage of the multi-level topology. In fact, when MLFC converters operate with stable and balanced FC voltages, the output LC filter is excited by signal whose frequency is integer multiple of the switching frequency. Precisely, by indicating with N-LFC Buck the MLFC step-down converter which has N voltage levels available at the switching node, it is possible to show that during the steady-state operation the output LC filter is excited by a signal with frequency equal to N-1 times the switching frequency. This equivalent frequency multiplication effect allows the N-LFC Buck converter to gain advantages deriving from the increasing of the switching frequency without actually increasing it. In addition to the advantages in terms of inductance and output capacitance reduction, it is possible to exploit this property to increase dynamic performance. The proposed control called multi-sampled DPCMC (MS-DPCMC) exploits exactly this opportunity and allows to obtain a faster inner-current loop, thus increasing the available bandwidth for the outer-voltage loop. Additionally, a variant of the MS-DPCMC obtained through a fast-update of the duty cycle command is disclosed and analyzed. When the available hardware makes it possible, the fast-update implementation increase the speed of the corrective action on the inductor current error, further increasing the available bandwidth for the outer-voltage control loop. For the 3-LFC Buck converter, simulating and experimental results indicate that single-sampled peak, valley and average DPCMC are always stable, and that fast-update approaches can strongly improve the converter dynamic response. Multi-sampled controllers are also shown to be inherently more robust than single-sampled ones against timing mismatches in the control signals, resulting in a smaller flying-capacitor voltage imbalance. All developed stability results regarding the 3-LFC Buck converter are validated in simulation and experimentally on a custom prototype.

Questa tesi studia l'uso del controllo digitale-predittivo della corrente (DPCMC) nei convertitori Buck multi-livello con capacità flottanti (MLFC). In particolare, vengono studiate stabilità e proprietà di bilanciamento delle tensioni ai capi delle capacità flottanti (FC) dei controlli di corrente digitale-predittivo di picco, valor medio e valle in modalità a singolo campionamento e multi-campionamento. Infatti, sebbene la tecnica DPCMC sia stata ampiamente studiata per i convertitori dc-dc tradizionali, la sua applicazione ai convertitori MLFC non è documentata nella letteratura attuale. Questa tesi propone una metodologia di analisi unificata che può essere utilizzata per prevedere le proprietà di stabilità delle tensioni FC in tali convertitori. L'approccio di analisi sviluppato può essere utilizzato per i generici convertitori Buck MLFC con un generico numero di livelli e per tutte le modalità operative. Oltre agli strumenti di analisi della stabilità, questa tesi fornisce una metodologia di implementazione per il controllo DPCMC che sfrutta appieno la topologia multilivello. Infatti, quando i convertitori MLFC operano con tensioni ai capi delle FC stabili e bilanciate, il filtro LC di uscita viene eccitato da un segnale la cui frequenza è un multiplo intero della frequenza di commutazione. Precisamente, indicando con N-LFC Buck il convertitore di tipo step-down MLFC che ha N livelli di tensione disponibili al nodo di commutazione, è possibile dimostrare che durante il funzionamento a regime, il filtro LC di uscita è eccitato da un segnale con frequenza pari a N-1 volte la frequenza di commutazione. Questo effetto equivalente di moltiplicazione della frequenza permette ai convertitori N-LFC Buck di ottenere diversi vantaggi derivanti dall'aumento della frequenza di commutazione senza aumentarla effettivamente. Oltre ai vantaggi in termini di riduzione dell'induttanza e della capacità di uscita, è possibile sfruttare questa proprietà per aumentare le prestazioni dinamiche. Il controllo proposto chiamato DPCMC a multi-campionamento (MS-DPCMC) sfrutta esattamente questa opportunità e permette di ottenere un anello di controllo interno della corrente più veloce, aumentando così la larghezza di banda disponibile per l’anello di controllo esterno della tensione di uscita. Inoltre, una variante del controllo MS-DPCMC ottenuta attraverso un aggiornamento rapido del comando di controllo è proposta ed analizzata. Questa implementazione è stata denominata a fast-update MS-DPCMC. Quando l'hardware disponibile lo rende possibile, tale implementazione aumenta la velocità dell'azione correttiva sull'errore di corrente dell'induttore, aumentando ulteriormente la larghezza di banda disponibile per l'anello di controllo esterno della tensione di uscita. Per il convertitore Buck 3-LFC, i test di simulazione e i risultati sperimentali indicano che i controlli di picco, valor medio e valle di tipo DPCMC a singolo campionamento sono sempre stabili, e che le implementazioni fast-update MS-DPCMC possono ulteriormente migliorare la risposta dinamica del convertitore. I controllori che sfruttano il multi-campionamento hanno anche dimostrato di essere intrinsecamente più robusti di quelli a singolo campionamento rispetto disallineamenti temporali nei segnali di controllo, con il risultato finale di un minore sbilanciamento di tensione della tensione ai capi del condensatore flottante. Tutti i risultati teorici ottenuti dall’approccio analitico sviluppato, riguardanti il convertitore Buck 3-LFC, sono convalidati in simulazione e sperimentalmente mediante l’utilizzo di un prototipo sviluppato e costruito appositamente per questo caso di studio.