Real-time modeling and control of a bridge-less totem-pole Power Factor Corrector

This thesis explores the modeling and control methodologies for a bridge-less totem-pole power factor corrector (PFC) converter in real time. The research begins with an analysis of the averaging and sub-cycle averaging modeling methods, highlighting the improvement in model fidelity achieved by using sub-cycle averaging (SCA). Plant models are validated on a Speedgoat® FPGA-based target machine using real-time simulations against a golden reference model. The results demonstrate that the sub-cycle model accurately mimics the behavior of the golden reference model. Moreover, the real-time requirements and prerequisites are discussed, and the implementation aspects of the proposed models and control strategies in a real-time environment are examined in detail. Control strategies are also investigated, starting with double-loop proportional-integral (PI) controllers for continuous conduction mode (CCM) and hysteretic current controllers (HCC) for zero-voltage switching (ZVS). Real-time simulations validate the effectiveness of these control algorithms. Then, a model predictive control (MPC)-based algorithm is introduced in CCM, demonstrating superior performance in transient response and total harmonic distortion (THD) reduction.

Questa tesi esplora le metodologie di modellazione e controllo per un convertitore correttore del fattore di potenza (PFC) totem-pole senza ponte in tempo reale. La ricerca inizia con un'analisi dei metodi di modellazione mediante averaging e sub-cycle averaging, evidenziando il miglioramento della fedeltà del modello ottenuto utilizzando il sub-cycle averaging (SCA). I modelli dell’impianto sono validati su una macchina target basata su FPGA Speedgoat® utilizzando simulazioni in tempo reale confrontate con un modello di riferimento “golden”. I risultati dimostrano che il modello sub-cycle riproduce accuratamente il comportamento del modello di riferimento. Vengono inoltre discusse le esigenze e i prerequisiti del tempo reale, e vengono esaminati in dettaglio gli aspetti implementativi dei modelli e delle strategie di controllo proposte in un ambiente real-time. Le strategie di controllo sono anch’esse oggetto di indagine, a partire da controllori proporzionale-integrale (PI) a doppio anello per la modalità di conduzione continua (CCM) e controllori di corrente isteretici (HCC) per lo switching a zero tensione (ZVS). Le simulazioni in tempo reale validano l’efficacia di questi algoritmi di controllo. Successivamente, viene introdotto un algoritmo basato sul controllo predittivo del modello (MPC) in CCM, che dimostra prestazioni superiori nella risposta ai transitori e nella riduzione della distorsione armonica totale (THD).