Syftet med detta examensarbete var att designa en DC/DC-omvandlare så att den kan driva en 200 W LED-panel med hög effektförbrukning. Arbetet har utförs på uppdrag av INDUSEC AB, ett företag i skerhetsbranschen. DC/DC-omvandlaren kommer att utgöra en del av en produkt i företagets sortiment som de planerar att sälja på den internationella marknaden. Arbetet har realiserats på företaget samt vid Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm. Uppsatsen är en dokumentation över processen och resultatet av arbetet med att designa DC/DC-omvandlaren. I syfte att ge läsaren en djupare förståelse för innehållet i denna text inleds uppsatsen med en teoretisk förklaring till några grundläggande principer för DC/DC-omvandlare följt av teori kring de komponenter som används i arbetet. Dokumentet innehåller två viktiga delar som utgör huvuddelen av arbetet; beräkningen av värdena för komponenterna samt kretsarnas simulering. Resultatet av de gjorda simuleringarna analyseras och utifrån det designas kretsen. Beräkningen av värdena för komponenterna samt kretsarnas simulering jämförs och diskuteras för att få en bättre förståelse för problematiken kring att designa en slutlig krets som uppfyller de ställda kraven. Uppsatsen avslutas med en slutsats och förslag för det fortsatta arbetet. / This report has the main purpose to design and dimensioning a part of a product to be finished, the product will be built by INDUSEC AB with plans to be sold in the international market. The part that we are going to design is a DC/DC converter that powers a Led array platform with high power consumption. The work is performed at the company facilities and at the Royal Institute of Technology in Stockholm. The document is started with a theoretical explanation of some fundamentals about basic DC/DC converters followed by a bit of theory about some components in order to provide a deeper understanding to the reader of this text. The report includes two important parts that are fundamental to the project; the calculation of the values of the components and the circuit simulation. The circuit design will be based on simulation results. The results from both parts are compared and discussed to get a better understanding about the difference between the calculated values and the final circuit. We summarized the document with a conclusion and some suggestions for further work.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / There are various types of power electronic converters available in recent days. In some applications (e.g. PC power supply), it is required to supply more than one load from a single power supply. One of the main challenges while designing a power converter is to increase its e ciency especially when the number of power switches employed is relatively large. While several loads are supplied from a single source, if the power loss in the switches cannot be reduced, then the expected utilization of using a single source is not very feasible. To reduce the loss and increase e ciency, the thesis presents a novel design with reduced number of switches. The scope of this thesis is not limited to the dc-dc converter only, the converter to supply three phase ac loads from a single dc source is also presented. This discussion includes an improved fault tolerant configuration of the inverter part. The generated waveforms from the simulations are included as a demonstration of satisfactory results.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第18992号 / 工博第4034号 / 新制||工||1621(附属図書館) / 31943 / 京都大学大学院工学研究科電気工学専攻 / (主査)教授 篠原 真毅, 教授 和田 修己, 教授 山川 宏 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Object my master’s thesis is the design a Medical device uninterruptible power supply with managment system utilizing I2C bus. Norm EN 61000-3-2 define electric parameters for medical device power supply. In case of power supply for medial equipment is expressive accent on increased electric strength. This power supply have usually primary and secondary power circuit. Primary power circuit form line accumulator, which supplies needed output to the load and recharge reserve battery. Secondary is formed battery-pack, which serve as back-up power supply at drop-out prime circle. They have a minimum weight, small proportions, large overall effectivity also charging battery-pack and monitoring battery-pack charging condition. Result whole those master’s thesis is design Medical device uninterruptible power supply with managment system utilizing I2C bus and realization board layout. Resulting characteristics designed supply unit are: Output voltages are 5V/ 3 A , 12V/ 1,5 A and -12V/ 0,1 A. Managment support information about: Line adapter/ battery pack switch, battery-pack charging condition and actuall tempera-ture battery-pack.

This diploma thesis deals with the design of a partially integrated charge pump in 0.25 micron technology ACMOS. The work is divided into two main parts, theoretical and practical. The theoretical section describes in detail various topologies of higher voltage generation of a charge pump and selected methods of regulating the output voltage of charge pumps. The practical part deals with the the actual design of a charge pump together with the arguments for the choice of the TPVD topology and the type of the regulation. Three regulation methods of a charge pump were implemented, tested and are dealt with: Pulse Skip, Constant frequency and PWM. There are 3 sub chapters, each describing a different regulation method, defining all the key elements of the design of such a charge pump and the results of the simulations are discussed. Conclusion of the thesis summarizes the results of the design of charge pumps, comparing them on the basis of the chosen type of output voltage regulation.

Les systèmes électroniques commutés sont de plus en plus utilisés dans plusieurs domaines domestiques ou industriels: les écrans à cristaux liquides, les appareils électroménagers, l'éclairage, les ordinateurs personnels, les centrales électriques, les véhicules de transport et ainsi de suite. L'efficacité des opérations de toutes les applications dépend du travail essentiel réalisé par des systèmes électroniques à commutation, dont le comportement est déterminé par une interconnexion et un contrôle appropriés des dispositifs analogiques et numériques. Comme motivation de ce travail, nous considérons les convertisseurs DC-DC de puissance. Cette thèse contribue à fournir des solutions aux problèmes de contrôle hybrides et non linéaires des plusieurs types de convertisseurs de puissance. Dans la première partie nous intéressons au problème de la régulation de la tension des convertisseurs de puissance fonctionnant dans le mode de conduction discontinue. Deux convertisseurs de puissance sont considérés: le convertisseur boost et le convertisseur buck-boost. L'objectif de commande est la génération d'une orbite périodique. Notre principale contribution est un algorithme simple et robuste qui donne des formules explicites pour les temps de commutation sans approximations. Les résultats de simulation et expérimentaux sont présentés. Dans la deuxième partie une classe de convertisseurs de puissance qui peut être globalement stabilisé avec un contrôleur PI a été identifiée. Par ailleurs, nous allons prouver que l'observateur I&I peut être combiné avec le contrôleur PI tout en préservant les propriétés de stabilité asymptotique globale de la boucle fermé. La classe se caractérise par une inégalité matricielle linéaire simple. Le nouveau contrôleur est illustré avec le convertisseur très - populaire, et difficile à contrôler, le SEPIC, pour lequel les résultats de simulation et expérimentaux sont présentés. / Switched electronic systems are used in a huge number of everyday domestic and industrial utilities: liquid crystal displays, home appliances, lighting, personal computers, power plants, transportation vehicles and so on. Efficient operations of all such applications depend on the essential “hidden work" done by switched electronic systems, whose behavior is determined by a suitable interconnection and control of analog and digital devices. As a motivation of this work, we consider the DC-DC power converters. This thesis contributes to provide hybrid and nonlinear control problem solutions to several types of power converters. In the first part we are interested in the problem of voltage regulation of power converters operating in discontinuous conducting mode. Two power converters are considered: the boost converter and the buck-boost converter. The system does not admit a (continuous--time) average model approximation, hence is a hybrid system where the control objective is the generation of a periodic orbit and the actuator commands are switching times. Our main contribution is a simple robust algorithm that gives explicit formulas for the switching times without approximations. Simulation and experimental results that illustrate the robustness of the scheme to parameter uncertainty, as well as performance comparisons with current practice, are presented. In the second part a class of power converters that can be globally stabilized with an output-feedback PI controller has been identified. Moreover, we will prove that the I&I observer can be combined with the PI controller preserving the GAS properties of the closed-loop. The class is characterized by a simple linear matrix inequality. The new controller is illustrated with the widely-popular, and difficult to control, single-ended primary inductor converter, for which simulation and experimental results are presented.

Cette thèse traite de la commande hiérarchique de réseaux à courant continu multi-terminaux à haute tension (MT-HVDC) intégrant des sources d'énergie renouvelables à grande échelle. Le schéma de contrôle proposé est composé de quatre ‘couches’ : le contrôle local où se trouvent les convertisseurs de puissance, avec une échelle de temps de l’ordre de la milliseconde ; le contrôle primaire qui est décentralisé et appliqué à plusieurs terminaux avec une échelle du temps de l’ordre de la seconde ; un niveau de commande où la communication est prise en compte et où l’approche de Modèle du Commande Prédictive (MPC) assure la planification de la tension et de la puissance à leur état d'équilibre, pour l'ensemble du système; enfin, le contrôleur de niveau supérieur, qui est principalement basé sur les techniques d'optimisation, où les aspects économiques sont pris en compte (il s’agit du réglage dit tertiaire).Au niveau des convertisseurs, un accent particulier est mis sur les convertisseurs bidirectionnels DC/DC. Dans cette thèse, trois topologies différentes sont étudiées en profondeur: deux phases Dual Active Bridge (DAB), trois phases DAB, et l’utilisation de la technologie Modular Multilevel converter (MMC) comme convertisseur DC/DC. Pour chaque topologie, une commande non-linéaire spécifique est discutée. D’autre part une nouvelle fonction pour le convertisseur DC/DC est étudiée. Il s’agit de son utilisation comme disjoncteur à courant continu (DC-CB). En ce qui concerne le contrôle primaire, qui permet de maintenir le niveau de tension continue dans le réseau, nous avons étudié trois philosophies de contrôle: celle de maître/esclave, celui du contrôle « voltage margin control » et celle de la commande du statisme (droop control). Enfin, nous avons choisi d'utiliser le droop control, entre autres, parce que la communication entre les nœuds n’est pas nécessaire. Concernant la commande secondaire, son principal objectif est de planifier le transfert de puissance entre les nœuds du réseau, qui fournissent la tension et la puissance de référence aux contrôleurs locaux et primaires, même lorsque des perturbations apparaissent. Dans cette partie, nous avons proposé une nouvelle approche pour résoudre les problèmes de flux de puissance (équations non-linéaires) basée sur le théorème du point fixe de l’application contractive. Ceci permet d'utiliser plus d'un slack bus, contrairement à l’approche classique basée sur la méthode de Newton-Raphson. Par ailleurs, le réglage secondaire joue un rôle très important dans les applications pratiques, en particulier lorsque les sources d'énergie renouvelables (variables dans le temps). Dans de tels cas, il est intéressant de considérer des dispositifs de stockage afin d'améliorer la stabilité de tout le système. Il est également possible d'envisager différents types de prévisions (météo, charge, ..) basées sur la gestion des réserves de stockage. Toutes ces caractéristiques ont suggéré l'utilisation d'une approche MPC. Dans ce contexte, plusieurs critères d'optimisation ont été considérés, en particulier la minimisation des pertes de transmission ou des congestions dans le réseau.La tâche principale de réglage tertiaire est de d'atteindre l'optimisation économique de l'ensemble du réseau. Dans cette thèse, nous avons pu maximiser le profit économique du système en agissant sur le marché réel, et en optimisant l'utilisation des périphériques de stockage. Dans le but de mettre en œuvre la philosophie de contrôle hiérarchique présentée dans cette thèse, nous avons construit un banc d'essai expérimental. Cette plate-forme dispose de quatre terminaux reliés entre eux par l'intermédiaire d'un réseau à courant continu, et connectés au réseau principal de courant alternatif. Ce réseau DC peut fonctionner à un maximum de 400 V, et avec une courant maximal de 15 A. / This thesis focuses on the hierarchical control for a multi-terminal high voltage direct current (MT-HVDC) grid suitable for the integration of large scale renewable energy sources. The proposed control scheme is composed of 4 layers, from the low local control at the power converters in the time scale of units of ms; through distributed droop control (primary control) applied in several terminals in the scale of unit of seconds; and then to communication based Model Predictive Control (MPC) that assures the load flow and the steady state voltage/power plan for the whole system, manage large scale storage and include weather forecast (secondary control); finally reaching the higher level controller that is mostly based on optimization techniques, where economic aspects are considered in the same time as longer timespan weather forecast (tertiary control).Concerning the converters' level, special emphasis is placed on DC/DC bidirectional converters. In this thesis, three different topologies are studied in depth: two phases dual active bridge (DAB), the three phases DAB, and the use of the Modular Multilevel Converter (MMC) technology as DC/DC converter. For each topology a specific non-linear control is presented and discussed. In addition, the DC/DC converter can provide other important services as its use as a direct current circuit breaker (DC-CB). Several operation strategies are studied for these topologies used as DC-CB.With respect to primary control, which is the responsible to maintain the DC voltage control of the grid, we have studied several control philosophies: master/slave, voltage margin control and droop control. Finally we have chosen to use droop control, among other reasons, because the communication between nodes is not required. Relative to the secondary control, its main goal is to schedule power transfer between the network nodes providing voltage and power references to local and primary controllers, providing steady state response to disturbances and managing power reserves. In this part we have proposed a new approach to solve the power flow problem (non-linear equations) based on the contraction mapping theorem, which gives the possibility to use more than one bus for the power balance (slack bus) instead of the classic approach based on the Newton-Raphson method. Secondary control plays a very important role in practical applications, in particular when including time varying power sources, as renewable ones. In such cases, it is interesting to consider storage devices in order to improve the stability and the efficiency of the whole system. Due to the sample time of secondary control is on the order of minutes, it is also possible to consider different kinds of forecast (weather, load,..) and to achieve additional control objectives, based on managing storage reserves. All these characteristics encourage the use of a model predictive control (MPC) approach to design this task. In this context, several possibilities of optimization objective were considered, like to minimize transmission losses or to avoid power network congestions.The main task of tertiary control is to manage the load flow of the whole HVDC grid in order to achieve economical optimization. This control level provides power references to the secondary controller. In this thesis we were able to maximize the economic profit of the system by acting on the spot market, and by optimizing the use of storage devices. In this level it is again used the MPC approach.With the aim of implementing the hierarchical control philosophy explained in this thesis, we have built an experimental test bench. This platform has 4 terminals interconnected via a DC grid, and connected to the main AC grid through VSC power converters. This DC grid can work at a maximum of 400 V, and with a maximum allowed current of 15 A.

L'utilisation des convertisseurs de puissance pour des applications de la vie quotidienne devient de plus en plus importante. Les applications technologiques actuelles demandent simultanément un haut niveau de précision et de performance, ainsi les convertisseurs DC-DC ont un rôle très important dans les systèmes nécessitant la conversion et l’adaptation du niveau d'énergie. Nous nous intéressons dans le cadre des travaux de cette thèse à une analyse des approches de modélisation et de synthèse de loi de commande permettant d’assurer la stabilité et un certain niveau de performances dans l’ensemble du domaine de fonctionnement défini par un cahier des charges tout en prenant en compte la problématique de leur application dans un environnement industriel. L'objectif de nos travaux de recherche est donc de proposer des lois de commandes dont la synthèse est fondée sur une approche formalisé {modélisation + commande} en vue d’obtenir des lois de commande adaptées au point de fonctionnement. Les principes exploités sont fondés sur la commande et l’observation par modes glissants d’une part, et sur la théorie de passivité pour la synthèse des lois de commande, complétées par un couple {observateur d’état + estimateur de charge} dont la synthèse est fondée sur l’exploitation des principes d'immersion et invariance, d’autre part. Le souci de la validation expérimentale et de l’implantation des structures de commande avec du matériel disponible industriellement a été en permanence un fil conducteur. Pour démontrer l’efficacité des méthodes proposées, leur application expérimentale a été effectuée sur un convertisseur de type SEPIC. Ce convertisseur présente plusieurs avantages par rapport à autres convertisseurs. Cependant, il reste peu exploité, en dépit de ces avantages, en raison des difficultés pour obtenir des lois commande performantes permettant la stabilisation de sa tension de sortie dans tout l’ensemble du domaine de fonctionnement. / The use of power converters for real life applications is continuously increasing. Technological requirements include high precision levels and very good performances at the same time, where DC-DC converters have always played an important role in energy conversion-based systems. Our interest, throughout this thesis, is to analyze modeling and control law synthesis approaches in order to provide efficient control laws that are stable within the operating range, in response to certain specifications and also taking into account the problem of being industrially applicable. The aim of our research is hence to propose control law synthesis based on formalized {modeling + control} approaches, and adaptable to the operating point change. The exploited principles deal with Sliding Mode Observation and Control on one hand, and with the Passivity theory for control law synthesis coupled with the Immersion and Invariance principle for synthesizing {observers + load estimators} on the other. Also, the ease of implementing and validating the control law structures with common hardware available in the industry has always been a main issue throughout our study. In the view of illustrating the efficacy of the proposed methods, their experimental validation has been carried out on the SEPIC. This type of converter has many advantages compared to other converters. However, despite its advantages, it is still not well-exploited due to the difficulty in obtaining control laws capable of stabilizing its output voltage within a wide operating range.

L'autonomie énergétique des systèmes embarqués est un frein majeur au développement de l'intelligence ambiante et de l'internet des objets. Cette thèse présente un système générique de gestion de micro-puissance capable d'alimenter un nœud de réseau de capteurs autonomes et communicant sans fil (WSN). L'architecture proposée est basée sur un convertisseur DC/DC abaisseur simple inductance multi-entrées multi-sorties (SI MIMO) associé à un circuit de recherche du point de puissance maximal (MPPT) très basse consommation. Nous montrons dans ce travail que cette famille de convertisseurs permet d'hybrider efficacement plusieurs sources et plusieurs éléments de stockage pour fournir les tensions régulées nécessaires à l'alimentation électrique d'un nœud de WSN. Pour ce faire, et dans le cadre du projet PCB², nous avons réalisé un convertisseur SI MIMO à base de composants discrets ultra basse consommation sur carte PCB. Ce convertisseur interface un récupérateur piézoélectrique, une cellule photovoltaïque et une batterie fine au LIPON (Lithium Phosphorous Oxynitride) enterrée dans le circuit imprimé, pour alimenter un capteur de température enregistreur. Le développement de modèles pour chacun de ces dispositifs et leur implémentation dans un environnement de simulation système en VHDL-AMS a permis, dans un premier temps, de valider le concept présenté, puis, a guidé le travail de conception et d'optimisation du circuit du démonstrateur. Le rendement ainsi obtenu avoisine 55% dans les conditions normales d'utilisation et tend vers 70% lorsque le niveau de puissance qui transite dans le convertisseur dépasse 500 µW. / Energy supply of embedded systems is limiting the development of the internet of things and more generally of the ambient intelligence paradigm. This thesis presents a generic micro-power management system able supply a wireless sensor node. The proposed architecture is based on a Single Inductor Multi Inputs Multi Outputs (SI MIMO) DC/DC converter coupled to an ultra low power Maximum Power Point Tracking circuit. In this work, we show that this family of converter allows to efficiently hybridizing several power sources with power storage elements in order to provide different DC regulated voltages that can supply a sensor node. In this end, and in the framework of the PCB² project, we realized a SI MIMO converter made of discrete components on a printed circuit board. This converter interfaces a piezoelectric generator, a photovoltaic cell, and a thin-film LIPON Lithium Phosphorous Oxynitride) battery buried in the PCB, in order to power a temperature data-logger. The concept validation and the design of the demonstrator have been done thanks to devices modeling and system simulations in a VHD-AMS environment. The efficiency of the circuit is about 55% in standard usage conditions and reaches 70% when the power passing through the converter exceeds 500µW.

Depuis trois décennies, la tendance du marché répond à la demande actuelle de miniaturisation et d'augmentation de performances des appareils multimédias. Or, toute réduction des dimensions d'un facteur donné impose une diminution des tensions (pour des raisons de fiabilité). Afin d'y répondre, la réduction de taille des circuits intégrés CMOS atteint des échelles d'intégration submicroniques entrainant une baisse importante de la fiabilité des composants et en particulier des transistors. La création de porteurs chauds, ainsi que la dissipation thermique à l'intérieur des circuits submicroniques, sont les deux phénomènes physiques principaux à l'origine de la baisse de fiabilité. La solution technique permettant de garder un bon degré de fiabilité, tout en réduisant la taille des composants, consiste à réduire la tension d'alimentation des circuits. Parallèlement aux contraintes de performances, les normes environnementales demandent une consommation la plus réduite possible. La difficulté consiste alors en la réalisation de circuits associant une alimentation basse puissance (tension et courant) d'où la notion de circuits " Low Power ". Ces circuits sont pour certains déjà utilisés dans le domaine du multimédia, du médical, avec des contraintes d'intégration différentes (possibilité de composants externes, stabilité, etc.). L'augmentation des performances en vitesse des circuits digitaux nécessite par ailleurs l'utilisation de technologies générant des fuites de plus en plus importantes qui sont incompatibles avec une réduction de la consommation dans des modes de veille sans la mise en place de nouvelles techniques / For three decades, the market trend answers the current demand of miniaturization and performance increase of the multimedia devices. Yet, any reduction of the dimensions of a given factor imposes a decrease of the tensions (for reasons of reliability). To answer this question, the downsizing of CMOS integrated circuits reaches submicron scales of integration resulting in a significant decrease in the reliability of components and in particular transistors. The hot carriers creations, as well as heat dissipation within the submicron circuits, are the two main physical phenomena behind the reliability decline. The technical solution to maintain a good degree of reliability, while reducing component size, is to reduce the supply voltage of circuits. In parallel to performance constraints, environmental standards require consumption as small as possible. The challenge is then to build circuits combining low power supply (voltage and current) where the concept of circuits "Low Power". These circuits are used for some already in the field of multimedia, medical, integration with various constraints (possibility of external components, stability, etc..). The speed increase performance of digital circuits also requires the use of technologies that generate leaks increasingly important that are inconsistent with consumption reduction in standby modes without the introduction of new techniques.