Design Acceleration and Integration of Linear Controllers and Gate Drivers for Efficient High-Voltage DC-DC Converters

Dans les industries automobile et aérospatiale, les interfaces électroniques sont des composants intégraux de tout véhicule moderne, facilitant la transmission des signaux de commande depuis l'ordinateur de commande du véhicule pour commander et surveiller ses divers capteurs et actionneurs. Cette thèse se concentre sur le système d'interface des capteurs de puissance (PSI), un convertisseur DC-DC spécialisé utilisé pour piloter des actionneurs électrohydrauliques tels que les vannes solénoïdes et les servovalves. Le système PSI fait face à deux défis principaux. Premièrement, les implémentations actuelles manquent de polyvalence et dépendent de composants standards volumineux, lourds, coûteux et énergivores, entraînant une opération inefficace avec beaucoup de câblage et un surdimensionnement du refroidissement. Deuxièmement, le système PSI doit atténuer efficacement les surtensions transitoires et les creux de tension dans le réseau d'alimentation électrique du véhicule, assurant ainsi une opération stable et fiable. Cette recherche doctorale relève ces défis en exploitant des techniques avancées de circuits haute tension (HV) et mixtes pour intégrer et accélérer la conception de contrôleurs et de pilotes de portes (GD) pour des convertisseurs DC-DC efficaces. Initialement, une méthode systématique est proposée pour atteindre une combinaison synergique des contrôleurs de pré-alimentation de tension d'entrée (IVFF) et de rétroaction en mode tension (VFB) afin d'améliorer la régulation dynamique des convertisseurs DC-DC. Utilisant l'approche du locus de stabilité limite (SBL), cette méthode prend en compte l'effet des non-linéarités pratiques dans les modulateurs à largeur d'impulsion basés sur IVFF sur la dynamique en boucle fermée, permettant la sélection graphique des gains optimaux du contrôleur VFB. Prenant le convertisseur abaisseur (buck) comme étude de cas pour gérer les surtensions, un prototype de contrôleur est conçu et fabriqué en technologie CMOS HV de 0,35 µm avec une empreinte minimale. Les résultats expérimentaux démontrent sa performance en boucle fermée remarquable en atténuant des variations de ligne atteignant ±80 V/ms, en éliminant complètement ou en réduisant significativement les pointes de tension de sortie (≤ 100 mV) tout en atteignant une haute efficacité énergétique du système avec une valeur maximale de 95,14%.

Abstract

In the automotive and aerospace industries, electronic interfaces are integral to any modern vehicle. They facilitate the transmission of command signals from the vehicle’s control computer to properly drive, control, and monitor its various sensors and actuators. One of the commonly used electronic interfaces is the power sensor interface (PSI) system, which is a specialized DC-DC converter used to drive electrohydraulic actuators such as solenoid and servo valves. The PSI system faces two primary challenges. Firstly, the current implementations lack versatility and rely on bulky, heavy, costly, and power-hungry off-the-shelf components, leading to inefficient operation with lots of wiring and cooling overhead. Secondly, the PSI system should effectively mitigate the transient overvoltage and undervoltage surges in the vehicle’s power supply grid, ensuring a stable and reliable operation. This doctoral research addresses the above challenges by leveraging advanced high-voltage (HV) and mixed-signal circuit techniques to integrate and accelerate the design process of controllers and gate drivers (GDs) aimed at optimizing the efficiency and performance of DC-DC converters. Initially, a systematic method is proposed to achieve a synergistic combination of input-voltage feedforward (IVFF) and voltage-mode feedback (VFB) controllers for enhancing the dynamic regulation of DC-DC converters. Using the stability boundary locus (SBL) approach, this method accounts for the impact of the practical nonlinearities in IVFF-based pulse-width modulators on the closed-loop dynamics, enabling the graphical selection of optimal VFB controller gains. Taking the buck converter as a case study in handling overvoltage surges, a controller prototype is designed and fabricated in an HV 0.35-µm CMOS technology with a minimal footprint. Experimental results demonstrate its remarkable closed-loop performance in mitigating line variations up to ±80 V/ms, eliminating or significantly reducing the output voltage spikes (≤ 100 mV) while achieving a high system power efficiency with peak value of 95.14%.