Modeling and real-time simulation of a three-level flying capacitor boost converter on a cost-effective MCU-based HIL Platform

This thesis presents the modeling and real-time Hardware-in-the-Loop (HIL) implementation of a three-level flying capacitor boost converter using a Model-Based Design (MBD) approach. The objective is to develop a computationally efficient averaged plant model capable of real-time execution and closed-loop validation with an external digital controller. The work began with an evaluation of industrial HIL platforms and the development of a detailed switching-level reference model in Simscape. Based on this reference model and the physical converter characteristics, a discrete-time averaged model was derived, incorporating improvements to accurately represent practical operating conditions. The averaged model was validated against the detailed Simscape switching model under startup, steady-state, and load transient conditions, demonstrating strong agreement in key state variables. The validated model was then deployed onto a Stellar E–based microcontroller using Embedded Coder and executed with a fixed-step discrete solver to ensure deterministic real-time performance. The system operates in a closed-loop HIL configuration with an STM32G4 controller board. Experimental HIL results confirm accurate dynamic behavior and stable closed-loop operation, demonstrating the effectiveness of the proposed real-time averaged modeling framework for digital power converter validation.

Questa tesi presenta la modellazione e l’implementazione Hardware-in-the-Loop (HIL) in tempo reale di un convertitore boost a tre livelli con condensatore volante, utilizzando un approccio di Model-Based Design (MBD). L’obiettivo è sviluppare un modello medio (averaged model) computazionalmente efficiente dell’impianto, in grado di essere eseguito in tempo reale e validato in anello chiuso con un controllore digitale esterno. Il lavoro è iniziato con la valutazione di piattaforme HIL industriali e con lo sviluppo di un modello di riferimento dettagliato a livello di commutazione in Simscape. Sulla base di tale modello di riferimento e delle caratteristiche fisiche del convertitore, è stato derivato un modello medio a tempo discreto, includendo miglioramenti per rappresentare accuratamente le condizioni operative reali. Il modello medio è stato validato rispetto al modello dettagliato di commutazione in Simscape durante le fasi di avviamento, regime stazionario e transitori di carico, mostrando un’elevata concordanza nelle principali variabili di stato. Il modello validato è stato quindi implementato su un microcontrollore basato su Stellar E mediante Embedded Coder ed eseguito con un solver discreto a passo fisso per garantire prestazioni deterministiche in tempo reale. Il sistema opera in una configurazione HIL in anello chiuso con una scheda di controllo STM32G4. I risultati sperimentali HIL confermano un comportamento dinamico accurato e un funzionamento stabile in anello chiuso, dimostrando l’efficacia del framework proposto di modellazione media in tempo reale per la validazione di convertitori di potenza digitali.