Model predictive voltage control of step-down DC-DC converters : implementation and hardware design

The focus of this thesis is the development of a model predictive control technique applied to a power converter for the automotive filed. The state of the art of the converter used in such field is firstly discussed. In particular, the work is centered on a low voltage Step Down DC-DC converter, used to provide a stabilized DC output voltage value (i.e. creating a stable DC bus) which supply power to the auxiliary utilities. To this aim, two different methods of model predictive control are proposed, the first one based on a modulator, the second one based on a direct control of the power converter gating signals. Furthermore, a comparison between this two techniques and a classical control method, e.g. PI controller, is carried out, highlighting strengths and weaknesses encountered. The control techniques have been implemented on microcontroller platform through the automatic code generation provided by MATLAB/Simulink. Regarding the topology, a comparison between a two-level and a three-level neutral point clamped (3L-NPC) converters has been provided. This is done to highlight the main features and investigate their usage as suitable replacement in such specific field. For the 3L-NPC converter, a customized prototype (based on T-type configuration) has been designed with the aim to extend the application range not only to low voltage, but also to medium voltage, e.g. according to future trends. To this aim, a modular approach has been chosen in order to realize a single module composed by a gate board and a power board, covering the studies of components housing and power and signal trace dispositions. Hence, the hardware design as well as the control implementation represents the core part of this thesis. Critical remarks and discussions regarding the results from simulation to implementation, are proposed.

Lo scopo di questa tesi è quello di sviluppare una tecnica di controllo predittivo applicato ad un convertitore di potenza in ambiente automotive. Lo stato dell'arte relativo al convertitore viene prima discusso. In particolare lo studio si è focalizzato su un convertitore Step Down DC-DC, utilizzato per stabilizzare un'uscita di tensione (ad es. un DC bus) il quale viene adoperato per fornire potenza alle utenze ausiliarie. A tal fine vengono proposte due varianti di controllo predittivo, una basata su un modulatore, l'altra basata su un controllo diretto ai gate del convertitore di potenza. Inoltre viene effettuato un paragone tra queste due tecniche e una tecnica di controllo classica, (ad es. controllo PI), evidenziando pregi e difetti riscontrati. Le tecniche di controllo sono state implementate su un microcontrollore attraverso un generatore di codice automatico fornito da MATLAB/Simulink. Riguardo la topologia, viene presentato un confronto tra un convertitore a due livelli e un convertitore a tre livelli (3L-NPC). Ciò viene effettuato per sottolineare le principali caratteristiche e studiare un possibile utilizzo in questo campo di applicazione. Per quanto riguarda il convertitore 3L-NPC, è stato disegnato un prototipo custom (basato su una topologia a T) in modo da estendere l'applicazione non solo per quanto riguarda la bassa tensione, ma anche per la media tensione, in modo da soddisfare le tendenze future. Per questo, è stato scelto un approccio modulare al fine di realizzare un singolo modulo che racchiude una scheda di potenza e una scheda di azionamento, studiando la collocazione dei componenti e la disposizione delle tracce di potenza e dei segnali. Dunque, la realizzazione del prototipo e l'implementazione del controllo rappresentano i punti chiave di questa tesi. Infine viene proposta un'analisi critica riguardo i risultati ottenuti sia per la parte di simulazione che per la parte di implementazione.