Control de convertidores en casacada con un solo interrumptor activo.

Tesis (Doctorado en Control y Sistemas Dinámicos)"En las últimas dos décadas, se han dado a conocer un gran número de aplicaciones para convertidores conmutados de Corriente Directa a Corriente Directa (CD-CD). Los nuevos desarrollos tecnológicos requieren de fuentes de poder con relaciones de conversión mucho más amplías tanto para la reducción como para la elevación de voltajes. Una clase de convertidores que provee una amplia relación de voltaje es el convertidor en cascada, el cual consiste de dos o más convertidores básicos de CD-CD conectados en cascada. Una solución alternativa es el uso de un convertidor en cascada de n-etapas con un solo interruptor activo. Esta clase de convertidores se estudia en esta tesis. Un análisis de las ganancias de CD se muestra con las correspondientes fórmulas para los rizos en los voltajes de los capacitores y corrientes de los inductores. Las condiciones en los inductores para la operación en conducción continua son dadas también. Los modelos lineal conmutado, promedio no lineal y promedio linealizado se derivan para la anterior clase de convertidores. Estos modelos son usados para estudiar su comportamiento dinámico. Para un convertidor de dos etapas o cuadrático se realiza el estudio de estabilidad usando sus funciones de transferencia. Este análisis se extiende a los convertidores de n-etapas por medio del segundo método de Lyapunov. Posteriormente, se contempla el desarrollo de una metodología para el diseño de controladores en modo-corriente promedio. Este tipo de convertidores presenta ceros complejos en el lado derecho del plano-s, lo cual dificulta el diseño de dichos controladores. Se estudia el efecto de la ganancia del controlador, y se propone una metodología analítica de diseño basada en el moldeo de la ganancia de lazo, garantizando estabilidad del lazo cerrado y robustez. Así mismo, permite localizar fácilmente los principales parámetros del circuito de control que optimizan el funcionamiento del regulador. Finalmente, se obtienen resultados experimentales para un regulador conmutado usando un convertidor cuadrático elevador, los cuales muestran sus buenas características de regulación y robustez ante cambios en el voltaje de entrada, cambios en la carga y cambios en la señal de referencia del voltaje de salida. Estos resultados se comparan contra los resultados de un controlador modo-voltaje que se construye para el mismo convertidor.""During the last two decades, a great number of applications for switch-mode DC-DC converters have been reported. New technological developments require power supplies with wide conversion rates, which result in significant step-up or step-down voltages. A class of converters that provides a wide voltage ratio is the cascade converter, which consists in two o more basic switch-mode DC-DC converters connected in cascade. An alternative solution is to use an n-stage cascade converter with a single active switch. This class of cascade converters is studied in this thesis. An analysis of the DC gains is shown with the corresponding formulae for the voltage ripples in the capacitors and the current ripples of the inductors. The conditions in the inductors for continuous conduction mode are also given. Switched linear, nonlinear averaged and linear averaged models are derived for the aforementioned class of converters. These models are used to study their dynamic behavior. For a two-stage or quadratic converter, a stability analysis is developed from the corresponding transfer functions. Furthermore, the stability of higher order converters is verified using the second method of Lyapunov. A methodology is developed for the design of the controller under average current-mode control. However, this class of converters exhibits complex right-half side zeros, the above makes the controller difficult to design. The effect of the gain of the controller is studied and a design methodology is proposed based on loop gain shaping to obtain good robust stability characteristics. The designoriented analytic results allow the designer to easily pinpoint the control circuit parameters that optimize the regulator’s performance. At the end, experimental results are given for a switching regulator using a quadratic boost converter to show the output voltage of the converter under changes in the input voltage, load resistance and reference signal. Current-mode control is compared with voltage-mode control to assess the performance of the proposed scheme.