Análisis Dinámico y Control de un Convertidor Boost-Flyback

Abstract

En la tesis de doctorado se aborda el análisis y control de un convertidor elevador que usa inductores magnéticamente acoplados llamado boost-flyback, el cual presenta ventajas como alta ganancia, amplio rango de control y una alta eficiencia. El convertidor integra dos estructuras básicas: el boost y el flyback, compensando las desventajas de eficiencia y estrés en los dispositivos de conmutación que tiene cada estructura por separado. En principio, se propone modelar el convertidor por medio del formalismo de sistemas híbridos, identificando cada una de las topologías y los eventos de cambio de una topología a otra, luego, se construye un simulador basado en un autómata de estados finitos, obteniendo todas las variables de estado para la construcción de diagramas de bifurcaciones. Posteriormente, el sistema es controlado en modo de corriente y, utilizando una rampa de compensación, se obtiene una solución T-periódica evitando que el convertidor opere en comportamientos subarmónicos y soluciones caóticas. La estabilidad de la órbita T-periódica es analizada usando matrices de salto, permitiendo encontrar la matriz de monodromía del sistema y los valores propios o exponentes de Floquet. Con el propósito de mantener el convertidor operando en una solución T-periódica, se plantea una expresión para el diseño de la rampa de compensación por medio de aproximaciones lineales de cada trozo de la solución periódica, evitando inestabilidades a escala rápida inducidas por la frecuencia de conmutación. Teniendo en cuenta la sintonización del valor de la pendiente de la rampa de compensación, se utiliza la matriz de salto para resintonizar los valores de los parámetros de control y aumentar el rango de estabilidad de la órbita T-periódica. Finalmente se validan los resultados obtenidos usando dos prototipos de laboratorio de 100 W, alcanzando una eficiencia máxima del 92.5% y una ganancia de voltaje de hasta 8 veces el voltaje de entrada

Abstract: In this work a dc-dc converter with coupled inductors named boost-flyback is analyzed and controlled. This converter has advantages such as high voltage gain and high efficiency. The topology converter combines a boost converter and a flyback converter to circumvent problems associated to each converter when they work separately such as efficiency and voltage stress, by avoiding the saturation of the duty cycle and recycling the leakage energy in the inductor. Firstly, the converter is modeled by mean of a hybrid systems approach, identifying each converter topology's and the switching events between them, then, simulation algorithm is implemented by mean of finite automata, which allows to obtain all the states variables in real time and is plot bifurcation diagrams. The converter is then controlled using current mode control with slope compensation to avoid sub-harmonics and chaotics behavior, guaranteeing T-periodic orbit. The periodic solution stabilty is studied using saltation matrix method, finding the monodromy matrix to analyze the stability using the Floquet exponents. With the aim to operate in T-periodic solution, slope compensation approach is developed and using linear approximations, is obtained a mathematical expression for stability limits of the system at fast scale. The slope compensation computed is used to widen stability range employing saltation matrix method, where a new set of control parameters to maintain the T-periodic solution is found. Finally, two 100W experimental prototypes are built up to validate the numerical and analytical results, achieving a maximum efficiency of 92.5% and an output voltage gain up to eight times the input voltage