Systèmes de distribution d'énergie robustes exploitant des convertisseurs CC-CC efficaces

L’essor de l’électrification et l’intégration des énergies renouvelables dans les secteurs industriels et automobiles modernes ont intensifié la demande de systèmes de gestion de l’énergie performants et efficaces. Les convertisseurs DC-DC jouent un rôle fondamental dans des applications telles que les véhicules électriques, les systèmes industriels et l’électronique grand public, en stabilisant et optimisant le flux d’énergie sous des charges variables et dans des conditions environnementales fluctuantes. Cette thèse apporte une contribution significative dans le domaine en abordant les défis techniques des convertisseurs DC-DC. Elle y parvient en concevant des systèmes efficaces et thermiquement intelligents via l’intégration de contrôleurs basés sur des boucles à verrouillage de phase (BVP), une modélisation précise des composants, et des capteurs thermiques avancés. Les recherches ont débuté par la conception de contrôleurs BVP adaptés aux convertisseurs abaisseurs (Buck) et Zeta, visant à fournir des temps de réponse rapides et une stabilité robuste même sous des conditions de charge fluctuantes. Les résultats expérimentaux obtenus pour le convertisseur abaisseur, présentés lors de la conférence LASCAS, ont démontré un rendement maximal de 93,5%, avec une ondulation de tension réduite à 35 mV dans des conditions d’exploitation typiques. Ce résultat est notable, car il dépasse le rendement actuel des convertisseurs abaisseur de pointe, contribuant ainsi à l’avancement de l’électronique de puissance. Par ailleurs, le convertisseur Zeta, détaillé dans un article soumis à IEEE Access, a atteint une sortie stable avec une régulation de charge inférieure à 0,1% pour une large gamme de variations d’entrée, tout en maintenant une efficacité de 94% sous des charges nominales. Ces résultats soulignent la robustesse et l’adaptabilité des contrôleurs conçus, caractéristiques essentielles pour les applications réelles où une régulation de tension constante est cruciale. En plus de l’amélioration des techniques de contrôle, cette recherche aborde les limitations des modèles de composants conventionnels qui négligent souvent des éléments tels que la résistance série de l’inducteur et la résistance en conduction des MOSFET, ce qui entraîne des inexactitudes dans les simulations. La nouveauté de cette recherche réside dans l’intégration exhaustive de ces paramètres dans le modèle, qui a démontré une forte fidélité avec les performances réelles, améliorant ainsi la précision de la prévision des réponses transitoires et stationnaires sous des charges de forte intensité par rapport aux modèles traditionnels. Cette approche de modélisation avancée permet de mieux aligner les résultats de simulation avec les mesures pratiques, offrant ainsi un cadre de conception de convertisseurs plus fiable et de haute précision.

Abstract

The drive toward electrification and renewable energy integration in modern industrial and automotive sectors has intensified the demand for efficient, high-performance power management systems. DC-DC converters are fundamental in electric vehicles, industrial systems, and consumer electronics applications, stabilizing and optimizing power flow under variable loads and environmental conditions. This thesis significantly contributes to the field by addressing the technical challenges of DC-DC converters. It does so by designing high-efficiency, thermally aware systems through integrating Phase-Locked Loop (PLL)-based controllers, precise component modeling, and advanced thermal sensing. The research began with designing PLL-based controllers tailored for both Buck and Zeta converters, aiming to deliver rapid response times and robust stability even under fluctuating load conditions. The experimental results from the Buck converter, presented at the LASCAS conference, demonstrated a peak efficiency of 93.5% with significantly reduced voltage ripple, measuring only 35 mV under typical operating conditions. This result is significant as it surpasses the current state-of-the-art efficiency for Buck converters, thereby contributing to the advancement of power electronics. Moreover, the Zeta converter, detailed in the IEEE Access submission, achieved a stable output with load regulation of less than 0.1% across a wide range of input variations, maintaining an efficiency of 94% under nominal loads. These results are significant as they demonstrate the robustness and adaptability of the designed controllers, which is crucial for real-world applications. These PLL-based controllers minimized transient overshoot and improved steady-state stability, supporting high-power-density applications where consistent voltage regulation is critical. In addition to advancing control techniques, this research addresses limitations in conventional component modeling, which often neglects elements such as inductor series resistance and MOSFET ON resistance, leading to simulation inaccuracies. The novelty of this research lies in the comprehensive incorporation of these parameters into the model, which has shown high fidelity with real-world performance, improving accuracy in predicting transient and steady-state responses under high-current loads compared to traditional models. This enhanced modeling approach aligns simulation outcomes with practical measurements, offering a more reliable framework for high-precision converter designs.