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%.