Fixed-switching frequency sliding mode control applied to power converters

Abstract

The application of the sliding mode control in power converters has a well-known inconvenient from the practical point of view, which is to obtain fixed switching frequency implementations. This thesis deals with the development of a hysteresis band controller in charge of fixing the switching frequency of a sliding motion in power electronics applications. The proposed control measures the switching period of the control signal and modifies the hysteresis band of the comparator in order to regulate the switching frequency of the sliding motion. The proposed structure becomes in an additional control loop aside from main control loop implementing the sliding mode controller. In the first part of the thesis, the switching frequency control system is modelled and a design criteria for the control parameters are derived for guaranteeing closed loop stability, under different approaches and taking into account the most expectable working scenarios. In the second part of the thesis, the proposed strategies are applied to several power converters prototypes. Specifically, DC-to-DC and DC-to-AC power converters are built and the experimental results are shown. In this part, the strategies used for implementing the controllers are also deeply discussed.

La aplicación del control en modo deslizante en el ámbito de la electrónica de potencia presente una problemática ampliamente conocida, obtener aplicaciones a frecuencia fija de operación. Es esta tesis se estudia el desarrollo de un comparador con histéresis variable encargado de regular el periodo de conmutación de controladores bajo regímenes deslizantes en convertidores de potencia. La estructura propuesta mide el periodo de conmutación de la señal de control y actualiza, de manera adecuada, la banda de histéresis del comparador a tal fin de regular la frecuencia de conmutación al valor deseado. La solución propuesta forma un segundo lazo de control, además del lazo de control principal que implementa el controlador en modo deslizante. En la primera parte de la tesis, éste segundo lazo es modelado, haciendo posible el estudio de las condiciones de estabilidad bajo realizaciones en tiempo continuo y en tiempo discreto. Además, se estudian las condiciones típicas de trabajo de los controladores utilizados en convertidores de potencia, como son los esquemas de regulación y de seguimiento de señales variantes en el tiempo. La segunda parte de la tesis se centra en evaluar, de manera experimental, los desarrollos teóricos de los controladores propuestos en convertidores de potencia. Concretamente, en la tesis se presentan los resultados experimentales obtenidos con diversos convertidores DC-DC y DC-AC. Adicionalmente, las metodologías y técnicas de implementación de los controladores son, de igual modo, ampliamente descritas.