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Contribution to the robust control of relay systems and its experimental implementation : Application to DC-DC power converters
No full textLe travail présenté dans cette thèse comporte deux volets. Le premier est orienté sur la synthèse de lois de commande stabilisantes pour les systèmes à relais en prenant en compte les incertitudes du modèle. Dans la littérature, la plupart des résultats présentés sont dédiés à la stabilisation de ces systèmes en considérant le modèle comme parfaitement connu. Par conséquent, ces résultats ne sont pas exploitables en pratique où les incertitudes peuvent exister. Nous nous sommes dès lors intéressés à cette problématique. La synthèse de commande proposée se base sur la théorie de Lyapunov, l’introduction d’un contrôleur dynamique et sur l’existence d’une commande continue par retour d’état stabilisante. De plus, sous certaines conditions, une méthode constructive de synthèse des gains du contrôleur, basée sur les inégalités matricielles linéaires (Linear Matrix Inequalities (LMI) en anglais), est fournie. Le deuxième volet de cette thèse porte sur la mise en œuvre expérimentale de la loi de commande à relais avec une application sur l’interconnexion de convertisseurs DC-DC en parallèle. Nous porterons une attention particulière sur la prise de mesures des grandeurs électriques malgré les fréquences variables de la commande. La validation expérimentale de notre approche est effectuée en utilisant une MicrolabBox qui est un équipement dSpace permettant le prototypage rapide de code VHDL sur FPGA. Finalement, une comparaison avec l’approche classique basée sur la technique de la Modulation à Largeur d’Impulsion (MLI) est présentée afin de bien mettre en évidence les avantages et inconvénients de chacune d’elles.This thesis is dedicated to the design and the implementation of a robust control law for uncertain relay systems. Various approaches have been proposed for the design of stabilizing switching rules in the literature under the assumption that the equilibrium point is perfectly known. However, uncertainties prevent those results to be implemented in most practical cases. Here, to cope with model uncertainties, a dynamic controller is introduced in the design procedure which is based on the existence of an exponentially globally stabilizing continuous state feedback controller. Asymptotic stability of the closed-loop system, as well as zero steady-state error on the controlled output, are proven. Besides, under certain conditions, a constructive method to compute the gains of the controller parameters is provided using Linear Matrix Inequalities (LMI). The proposed strategy is then applied on a parallel interconnection of DC/DC converters. For this system, an extensive discussion is offered on specific difficulties about ill-conditioned matrix inequalities. The experimental validation of our approach is carried out using a user-programmable Field-Programmable Gate Array (FPGA). Finally, a comparison with Pulse Width Modulation (PWM) approaches is presented to put in light the advantages and drawbacks of each strategy
Vibration analysis and reduction of a space cryocooler : from multiphysic modeling to non-linear control
No full textLes satellites météorologiques, scientifiques et militaires d'observation de la Terre sont parfois équipés de caméras thermiques. Ces imageurs doivent être refroidis à très basse température pour limiter le bruit induit sur les images de la Terre par la température des capteurs eux-mêmes ainsi que par des sources de chaleur proches des détecteurs infrarouges. Cette thèse s'intéresse à un refroidisseur cryogénique de type « tube à gaz pulsé » qui remplit cette fonction. Elle traite plus particulièrement des vibrations qu'il génère car elles peuvent notamment déstabiliser le satellite ou mettre en mouvement le plan focal des caméras. Les objectifs sont alors de comprendre et de réduire les vibrations induites par le fonctionnement du refroidisseur cryogénique. Ces travaux de thèse comportent deux parties principales. Dans la première, après une analyse du refroidisseur et de son fonctionnement, son comportement vibratoire est modélisé. Ce modèle multiphysique global a pour objectif d'identifier les dissymétries, les non-linéarités et les comportements mécaniques susceptibles d’induire des vibrations. L’approche système proposée fait appel à différentes disciplines scientifiques telles que l’électromagnétisme, la mécanique des solides, la mécanique des fluides et la thermodynamique. Des études de sensibilité sont conduites et le modèle est confronté à des expériences, en mettant en exergue les limites des moyens de mesure et des méthodes de vérification. Dans un second temps, la réduction des vibrations du refroidisseur par la commande est étudiée. L'ensemble du contrôleur actuel de réduction des vibrations est remis en question. Les améliorations proposées concernent les capteurs de vibration, l’algorithme d’analyse fréquentielle, l'algorithme de réduction des vibrations ainsi que le mode de commande. Les solutions de pilotage, de conception et de fabrication du refroidisseur qui résultent de cette thèse offrent des opportunités pour améliorer les performances du système et diminuer son coût.Earth observation satellites for meteorological, scientific or military applications sometimes carry infrared imagers. These cameras need to be cooled down to very low temperatures in order to avoid blurry infrared pictures of the Earth, due to the thermal noise of the detector or heat sources nearby. This PhD thesis focuses on a pulse tube cryocooler used in such applications. It deals with induced vibrations as they can destabilize the satellite or make the camera focal plane move. The goals are to understand and reduce the vibrations induced by the pulse tube cryocooler. These PhD works are composed of two main parts. First, the cryocooler is analyzed and modelled to reproduce observed induced vibrations. This global multiphysics model is aimed at identifying dissymmetry, non-linearity and mechanical behaviors which cause vibrations. This approach uses different fields of science such as electromagnetism, mechanics, fluid mechanics and thermodynamics. Sensitivity studies are done and the model is confronted to experiments highlighting measurement tools limits and checking methodologies. Next, vibration reduction using control strategies is studied. The whole control loop is questioned. The improvements proposed concern the vibration sensors, the frequency analysis algorithm, the vibration reduction algorithm and the type of control. Solutions for control, conception and manufacturing resulting from this PhD work offer opportunities to improve the system and lower its cost
Induction machine speed sensorless drive : Application to electrica traction
No full textLe problème de la commande de machine asynchrone sans capteur mécanique de vitesse est très étudié dans les domaines de l'automatique et de l'électrotechnique. Ce travail porte sur la faisabilité de ce type de commande sur l'ensemble de la plage de vitesse et pour tout type de machine asynchrone afin d'être utilisée en traction ferroviaire. Une étude poussée de l'observabilité permet de définir une mesure quantitative continue de l'observabilité de la vitesse de la machine, appelée index d'observabilité. La synthèse d'un observateur confirme ainsi la correspondance entre les zones de faible index d'observabilité et celles où l'observation est de mauvaise qualité. L'index d'observabilité défini dans cette thèse permet donc de prédire les performances d'observation d'un système. L'originalité principale des travaux présentés tient dans l'utilisation de cet index d'observabilité dans la commande de la machine asynchrone sans capteur mécanique de vitesse. En tirant profit du degré de liberté qu'offre la variation d'amplitude du flux, nous proposons de garantir un index d'observabilité au-dessus d'un seuil tout en respectant les autres contraintes de la commande. L'observation de la vitesse devient alors précise sur toute la plage de vitesse, et un fonctionnement long est possible en tout point sans perturber le couple réalisé. Des expérimentations sur simulateur numérique viennent confirmer ces résultats, y compris lors de phases de patinage. L'observation des paramètres électriques est également étudiée afin de garantir la précision de l'observation de vitesse. Pour cela, la sensibilité de l'observation de vitesse aux variations de paramètres électriques et l'observabilité de ces paramètres sont étudiées, permettant de définir une nouvelle stratégie d'observation des paramètres électriques. Des essais sur banc de puissance, puis en application réelle sur un train régional, valident les performances de la commande sans capteur de vitesse proposée sur toute la plage de vitesse, et son adéquation aux contraintes d'une application ferroviaire.The problem of speed sensorless control of induction machine is a well-studied problem in the field of automatic control and electrical engineering. This work addresses the problem of the feasibility of induction machine control over the whole speed range and for any type of induction machine, aiming at being used in a railway application. An intensive study of observability has defined a continuous quantitative measurement of the speed observability, named observability index. An observer was developped to confirme the correspondence between low-observability index areas and poor observation quality. The observability index defined in this thesis is thus a way to predict the observation performance of systems. The main originality of the work presented in this thesis is the use of this observability index in the induction machine speed sensorless drive. By taking advantage of the degree of freedom given by the variation of the flux amplitude, we propose to guarantee the observability index value above a given threshold while respecting the other constraints of the control. The speed observation becomes precise over the entire speed range, and a long time operation is possible on any point, without interfering with torque regulation. Experiments on real-time simulator confirm these results, including when slipping and sliding occurs. The electrical parameter observation is also studied to ensure the accuracy of speed observation. For this, the sensitivity of the speed observation to electrical parameter variations and the observability of these parameters are studied, leading to the definition of the electrical parameter observation strategy. The testings on power bench, and in real application on a regional train, validate the performance of the speed sensorless drive proposed on the entire speed range, and its suitability to the constraints of a railway application
Control allocation for electrical engineering and power electronics
No full textCette thèse s'inscrit dans le cadre de l'utilisation de l'allocation de commande dans le domaine de l'électrotechnique et l'électronique de puissance. Elle comporte deux volets, le premier orienté sur la théorie de l'allocation de commande et le second en lien avec la conception de lois de commande pour les convertisseurs en parallèles. L'allocation de commande donne des solutions pour commander des systèmes redondants en entrée. Toutefois les définitions et caractérisations de cette classe de systèmes souffrent d'un manque d'uniformité. C'est pourquoi dans le premier volet, cette thèse présente de nouvelles définitions et caractérisations générales de systèmes linéaires redondants en entrée en prenant en compte les contraintes d'entrée et d'état. Le cadre d'application de la technique d'allocation dite "géométrique" est également étendu pour prendre en compte des contraintes d'entrée. À la lumière de ces contributions, nous montrons dans le second volet que le système de convertisseurs continus en parallèle alimentant une charge unique est redondant en entrée. Sur ce système, des techniques de commande basées sur l'allocation de commande sont utilisées en apportant des preuves de stabilité et de performance. Ces développements sont appuyés par des simulations et des expérimentations.This thesis is about the use of control allocation theory in the field of electrical engineering and power electronics. It is composed of two parts. The first one is related to control allocation theory and the second one focuses on the control of a particular application: the parallel interconnection of DC/DC converters. The control allocation theory gives tools to design control laws for input redundant systems. However, current definitions about those systems suffer from a lack of uniformity. That is why the first part provides new definitions and characterisations of input redundant systems in order to take input and state constraints into account. Furthermore, the control allocation method named "geometric approach" is enhanced to deal with input constraints while designing the control law. Thanks to those contributions, it is shown in the second part that the system composed of the parallel interconnection of DC/DC converters to a single load is an input redundant system. On this system, some methods of the control allocation theory are used to design a controller with stability and performance guarantees. Simulations and experimentations are given to highlight those development
Dynamic modeling of two-phase exchangers applied to refrigeration units controlled by an advanced control
No full textLe contrôle précis des boucles de régulation existantes sur une machine frigorifique est essentiel à son bon fonctionnement. Il existe plusieurs méthodes de régulation parmi lesquelles on retrouve la plus ancienne et la plus connue : la commande PID (Proportionnelle, Intégrale et Dérivée). Malgré la simplicité apparente des relations mises en jeu, le régulateur PID est assez délicat à ajuster sur des processus présentant de fortes perturbations comme les installations frigorifiques. L’objectif du travail présenté est de mettre en œuvre une commande prédictive fonctionnelle (PFC) afin de réguler la surchauffe en sortie d’évaporateur, la pression de condensation et la puissance frigorifique sur une installation munie d’un compresseur à vitesse variable. L’utilisation d’une commande PFC nécessite de réaliser une prédiction de l’évolution à venir de la sortie du procédé. C’est un modèle interne qui fait office de modèle de connaissance. En assimilant le procédé à un système du premier ordre, la mise en œuvre de cette commande ne nécessite que trois paramètres : un gain statique, une constante de temps et un retard pur. L’originalité de la démarche développée a consisté à réaliser une modélisation physique de la machine afin de déterminer les paramètres précédents par une approche macroscopique. Une bibliothèque de modèles physiques a été élaborée permettant de simuler le comportement de différents évaporateurs, condenseurs, compresseurs ou vannes de détente. La commande développée a ensuite été implantée sur un automate industriel programmable et des expériences ont été réalisées sur deux machines différentes. La première est constituée de deux échangeurs à tubes et calandre et d’un compresseur à pistons, alors que la seconde comprend un évaporateur à plaques, une batterie à ailettes et un compresseur à vis.An accurate control of fluids flow is essential in any refrigeration system. As the conventional Proportional-Integral-Derivative (PID) control with invariable parameters can lead to unsatisfactory performance because of the variation of refrigeration unit parameters under disturbances, the aim of the work presented here is to develop a method for using Predictive Functional Control (PFC) to regulate the evaporator superheat, the condensing pressure and the cooling capacity on a variable-speed refrigeration system. Using a predictive controller requires to predic future change at the output of the process. This prediction is based on an internal model used as known model. By assuming that the behaviour of refrigerating machine heat exchangers can be represented using a first-order model, the implementation of PFC requires only three parameters: gain, time constant and time delay. In order to determine these parameters an original method has been developed which is based on the physical modelling of the machine. Physical models for different types of evaporator, condenser, compressor or expansion valve have been established to quantify heat transfer and refrigerant flow rate in these components. The control system created has been incorporated into an industrial programmable logic controller and used for experiments on two different refrigerating machines: the first one is composed of two shell and tube heat exchangers and a reciprocating compressor, whereas the second one is composed of a plate evaporator, a finned-tube condenser and a screw compressor. The tests performed show that PFC controller succeed in maintaining a precise chilled liquid temperature
Contribution to High Voltage AC/DC conversion
No full textLe courant alternatif (AC) se prêtant bien à la majorité des problématiques de production, de transport et de distribution de l'électricité, on comprend qu'il soit massivement utilisé. Cependant, depuis plus d'un siècle, les bénéfices du courant continu haute tension (HVDC, pour High Voltage Direct Current) pour les longues distances sont bien connus. Aux interfaces, des convertisseurs AC/DC sont requis, leur composition évoluant au fil des avancées technologiques. Après avoir présenté les spécificités du HVDC et les contraintes qu'il introduit sur les convertisseurs AC/DC, ce manuscrit se focalise sur trois topologies : Modular Multilevel Converter (MMC), Alternate Arm Converter (AAC) et Series Bridge Converter (SBC). Elles sont présentées, dimensionnées et analysées en détail, puis comparées de façon quantitative en utilisant des indicateurs de performance originaux. Il en ressort que le MMC et le SBC sont particulièrement intéressants. La méthode de commande conventionnelle du MMC est ensuite présentée et ses propriétés structurelles sont mises en évidence. Une première loi de commande originale est présentée, avec des performances similaires mais une complexité inférieure à l'état de l'art. La seconde est non linéaire, basée sur la théorie de la platitude différentielle, et permet un suivi de puissance très rapide tout en assurant la stabilité exponentielle globale du système. Ces lois de commande sont évaluées en simulation, avec un modèle moyen et un modèle détaillé intégrant 180 sous-modules par bras. La dernière partie concerne le SBC. Après l'avoir modélisé, des résultats concernant une analyse structurelle de la topologie sont présentés ainsi qu'une loi de commande originale. Le rôle fondamental du transformateur pour les convertisseurs à structure série comme le SBC est souligné. Enfin, les performances de la loi de commande proposée sont testées en simulation.As Alternating Current (AC) is well suited for most of the production, transmission, and distribution applications, its massive use is easy to understand. However, for over a century, the benefits of High Voltage Direct Current (HVDC) for long-distance energy transmission are well known. To connect both, AC/DC converters are mandatory, whose nature evolves with technological progress. After the problematic induced by HVDC on AC/DC converters is presented, this manuscript is focused on three topologies: Modular Multilevel Converter (MMC), Alternate Arm Converter (AAC) and Series Bridge Converter (SBC). They are presented, sized, analyzed thoroughly, and compared in quantitative terms, using original key performance indicators. It appears that MMC and SBC are particularly promising. The conventional control method of the MMC is then presented, and its structural properties are highlighted. A first original control law is presented, with similar performances but less complexity than the state-of-the-art. A second control law, non-linear and based on differential flatness theory, is introduced. It allows a very fast power tracking response while ensuring the global exponential stability of the system. These control laws are tested in simulation, using an average model and a detailed model with 180 sub-modules per arm. The last part is dedicated to the SBC. After a modeling step, some results regarding its structural analysis are presented, and an original control law is introduced. The essential role of the transformer for series converters like the SBC is highlighted. Finally, the performance of the proposed control law is assessed in simulation
Proposal and implementation of a multifunctional inverter topology with regulated DC bus voltage for electric traction
No full textDans le cadre de la traction électrique pour les véhicules routiers, il est indispensable de recourir à des onduleurs dont le rôle est de convertir l’énergie électrique entre une source de stockage continue de type batterie et une machine électrique à courant alternatif triphasé. Il apparaît inévitablement une limitation de la tension avec laquelle un onduleur est capable d’alimenter une machine électrique. Pour analyser cette limitation, nous avons proposé une modélisation fine des chutes de tension de l’onduleur afin de permettre une estimation analytique rapide et fidèle. Les résultats expérimentaux valident le modèle proposé dans la quasi-totalité des points de fonctionnement atteignables. Une solution utilisée industriellement pour pallier cette limitation de l’onduleur est d’ajouter un convertisseur DC – DC élévateur. L’inconvénient de cette solution est qu’elle introduit un deuxième étage de conversion pouvant impacter le rendement global et la fiabilité de la chaîne de traction. Ces dernières années, des architectures d’onduleur élévateur en un étage de conversion ont été proposées dans la littérature. L’une de ces architectures, l’onduleur à Split Source (SSI), est apparue récemment et présente des avantages compétitifs par rapport à ses homologues. Néanmoins, nous avons montré que ce convertisseur était incompatible avec la traction électrique due principalement au manque de réversibilité et à une perte de degré de liberté pour le pilotage de la charge. Par la suite, nous avons proposé, analysé et modélisé une nouvelle architecture triphasée et réversible basée sur le convertisseur SSI, appelée B-ASSI, qui est compatible avec l’application visée. Une modulation pour son pilotage, ainsi qu’une stratégie de contrôle de sa tension de bus ont été développées. Enfin, le B-ASSI a été construit et testé expérimentalement pour une preuve de concept de quelques kW. La possibilité d’introduire une fonctionnalité d’abaissement de la tension d’alimentation au sein B-ASSI a également été étudiée, simulée et validée expérimentalement.When it comes to electric traction for road vehicles, inverters are essential. Their role is to convert electrical energy between a continuous storage source, such as a battery, and the AC load represented by a three-phase electrical machine. The voltage with which an inverter can supply an electrical machine is inevitably limited. To thoroughly analyze this limitation, we have proposed a detailed modeling of the voltage drops of the inverter to allow for a quick and accurate analytical estimation. The experimental results validate the proposed model in almost all reachable operating points. One solution used industrially to overcome this drawback of the inverter is to add a DC-DC boost converter. The disadvantage of this solutions is that it introduces a new converter that can impact the overall efficiency and reliability of the drive train. In recent years, single-stage boost inverter architectures have been proposed in the literature. One of these architectures, the Split Source Inverter (SSI), has emerged, and offers competitive advantages over its counterparts. As it stands, however, this inverter is incompatible with the aimed application, as it loses a degree of freedom for the load control. This work focuses on the proposal and implementation of a new converter based on the SSI to make it compatible with the targeted application. The named B-ASSI converter is analyzed, modeled, and a modulation and a bus voltage control strategy is developed. Finally, the B-ASSI is developed and experimentally validated with a proof-of-concept of a few kW. This work, then focuses on the possibility of introducing inverter voltage step-down functionality. An extension of the B-ASSI to allow the lowering of its bus voltage is studied and proposed, including an initial experimental validation of the operating principle
Contribution to the development of a full-electric mini-excavator : A predictive Approch to an efficient and compliant control of an electro-mechanical actuator
No full textLes actionneurs électromécaniques supplantent les solutions d’actionnement hydrauliques concurrentes dans un nombre croissant d’applications industrielles, particulièrement en aéronautique. Ils le doivent à leurs rendements élevés et à une relative simplicité de commande. Fort de ces avantages, cette technologie a été mise en place dans le cadre du projet ELEXC, en vue de remplacer les vérins hydrauliques sur une mini-excavatrice tout-électrique et s’attaquant pour la première fois au secteur du bâtiment et des travaux publics. Cependant, cette intégration s’accompagne de doutes sur la performance et la durabilité de ces actionneurs dans ce cas précis d’utilisation. Pour répondre à ces interrogations, ce manuscrit se focalisera dans un premier volet sur la caractérisation des performances d’une structure spécifique, permise par la mise en place d’un banc de test multi-énergies instrumenté. Cette étude aboutira à la mise en place d’un modèle par lois physiques dont les paramètres auront été identifiés expérimentalement.Deux solutions innovantes vont ensuite être proposées, visant respectivement à réduire les répercussions, notamment énergétiques, de la caractéristique discrète du convertisseur à découpage, et à parer au manque de compliance de l’actionneur tout en conservant ses capacités de creusage. Elles seront toutes deux associées au concept de commande prédictive, mais offriront chacune une spécificité par rapport à l’implémentation standard de ce type de commande tout en conservant ses avantages. La première prendra la forme d’un modulateur fondé sur le principe d’une modulation de largeur d’impulsion vectorielle, dont la séquence sera sélectionnée par un contrôleur prédictif en rapport avec une fonction de coût alliant les ondulations de courant, les pertes par commutation et la tension de mode commun spécifiques aux séquences. La seconde consistera en un contrôleur d’impédance à boucle de position interne, dont les paramètres d’impédance seront variables et définis par un contrôleur prédictif afin de permettre une bonne pénétration dans l’environnement tout en limitant la dynamique et la valeur maximale de l’effort de compression sur la transmission.Nowadays, the electro-mechanical actuators (EMA) are seen as an alternative to the conventional hydraulic cylinders in a growing number of industrial applications, including the aeronautic sector, thanks to their high efficiency and relatively simple commandability. According to this features, this actuator technology was selected to replace the hydraulic cylinders of the actuation system of a full-electric compact excavator in the ELEXC project. However, some concerns arose from the lack of existing examples with EMA functioning in relatively severe working conditions implying collisions of the actuators with stiff environments. Therefore, this manuscript will first focus on the characterization of the electro-mechanical actuator and of its performances in this specific case of application, enabled by the development of a multi-energy test-rig. Beside the validation of the EMA capacities, a physic law model will be developed, and its parameters tuned according to the experimental results. In a second part of this manuscript, two novel control laws will be proposed, aiming respectively to reduce the negative repercussions of the discrete characteristic of the electrical converter, and to counterpart the lack of natural compliance of the mechanical actuator. They will be both based on the concept of predictive control, but will differ from the conventional implementation of this type of controller. The first proposed topology is a modulator based on a vector Pulse Width Modulation, in which the PWM sequence to be used is defined online by a predictive controller according to a cost function that takes into account the current ripples, the switching losses and the common mode voltages specific to the sequences. Next, a position-based impedance controller, whose impedance parameters are defined online by a predictive controller, is introduced, in order to enable the EMA to penetrate a stiff environment with a relatively low dynamic increase of compression force on the mechanical transmission
Study and realisation of a single inductor bipolar output converter for mobile platforms
No full textLes objectifs de la thèse concernent l’optimisation du rendement énergétique, la minimisation de l’empreinte et du coût de l’alimentation en tension d’amplificateurs audio pour l’application casque des plateformes mobiles. Après une présentation du contexte des plateformes mobiles et des caractéristiques principales des amplificateurs audio dédiés, l’introduction conclut sur la nécessité d’une alimentation en tensions bipolaires, symétriques et donne les spécifications principales d’une telle alimentation en énergie électrique. Le chapitre d’état de l’art présente dans un premier temps les architeture les plus compétitves permettant de générer deux tensions symétriques. Une figure de mérite englobe le rendement énergétique, l’empreinte sur la plateforme et le coût en composants passifs externes de chacune des solutions présentées. Une architecture de convertisseur utilisant une seule inductance pour obtenir des tensions régulées symétriques se révelle etre un candidat interessant pour l’alimentation des amplificateurs dédiés aux casques audio. Cette architecture à été démontrée mais cependant loin des spécifications de l’application casque audio. Basée sur cette architecture, le chapitre troisième présente un étage de puissance et ses modes de conduction correspondant aux spécifications de l’application casque audio. Des détails concernent en particulier la conception des interrupteurs ainsi que la stratégie d’asservissement et de régulation. Des premières estimations de rendement sont évaluées dans les pires cas de fonctionnement. Très tôt dans le déroulement de la thèse, il y a eu une opportunité de tester l’étage de puissance en technologie CMOS 130nm. Le chapitre 4 présente l’implémentation du convertisseur sur un circuit de test. Le convertisseur est embarqué notamment à côté d’un amplificateur audio dédié, autorisant des tests plus proches de la réalité d’usage. Les campagnes de mesures ont concerné les aspects fonctionnels et les valeurs de rendement. Les résultats sont encourageants mais confirment les éléments non optimaux du dispositif. Dans l’idée d’un second silicium, le chapitre cinquième décrit plus théoriquement l’approche d’asservissement et de régulation et met en évidence des cas critiques, peu probables mais concrets, liés à l’évaluation sur des profils de charge réelle du convertisseur. Des simulations permettent de transformer un flux audio en courbe de courant absorbé par l’amplificateur audio, c’est-à-dire la charge réelle vue par le convertisseur de tensions symétriques. Le chapitre sixième décrit des améliorations à propos des modes de conduction, à savoir l’introduction des modes discontinu ou d’élimination d’impulsion (pulse skipping). Malheureusement une crise économique a barré l’accès à un silicium de validation finale. Le manuscrit est conclu par un rappel des résultats principaux et des perspectives. Les travaux ont fait l’objet de publications à des conférences internationales.The objectives of this thesis were the optimization of the power efficiency and the minimization of the footprint area and cost of the integrated power supply of headset audio amplifiers on mobile platforms (fig. 1). The thesis took place in the Analog System Design group at ST Ericsson in strong collaboration with Ampere laboratory at INSA de Lyon. The french agency ANRT provided part of the project funding. The first chapter presents the current mobile platform context as well as the main characteristics of audio amplifiers driving headphones. This chapter concludes giving the need of a symmetrical power supply for the headset audio amplifiers and giving a set of electrical specifications for this power supply. The second chapter presents the state-of-the-art in terms of symmetrical power supply architectures able to fit the previously given characteristics and specifications. A set of key parameters based on the power efficiency, the relative silicon area, the relative external bill of material, the number of Input/Output pins and the external passive components area, is employed to benchmark all existing architectures to supply such audio amplifiers. This benchmark reveals the novel Single Inductor Bipolar Output (SIBO) converter as very promising. The similar existing circuits are also detailed and pros and cons of each one of them are discussed to define the most suited architecture. The third chapter proposes a dedicated power stage architecture and related conduction schemes. The design of the power stage is described as well as its dedicated control strategy. Some ideal efficiency estimations are given. The fourth chapter presents the realization of a first prototype, designed in a 130 nm ST Microelectronics CMOS process to be an early demonstrator of the architecture in chapter 3. Measurements on efficiency, control and transient performances are presented and discussed. This circuit embedded on the same die as an audio amplifier proves its effectiveness in supplying such a circuit. The fifth chapter presents a theoretical analysis of the feedback control of this SIBO converter. Mathematical linear model of the converter is derived to obtain its transfer function matrix, then the feedback structure design is defined thanks to dedicated mathematical tools. A set of classical PID controllers is proposed and validated with piecewise linear model while playing different audio popular songs. The sixth chapter describes the design of improvements of the first test chip as well as simulation results about these improvements. The main improvements presented in this chapter are a Discontinuous Conduction Mode (DCM) as well as a Pulse Skipping Mode (PSM). No silicon result can be presented here due to a budget restriction that impacted the course of the thesis. The final chapter is a discussion about the proposed solutions and some perspectives to the present work
Design and test of digitally-controlled power management IPs in advanced CMOS technologies
No full textLes technologies avancées de semi-conducteur permettent de mettre en œuvre un contrôleur numérique dédié aux convertisseurs à découpage, de faible puissance et de fréquence de découpage élevée sur FPGA et ASIC. Cette thèse vise à proposer des contrôleurs numériques des performances élevées, de faible consommation énergétique et qui peuvent être implémentés facilement. En plus des contrôleurs numériques existants comme PID, RST, tri-mode et par mode de glissement, un nouveau contrôleur numérique (DDP) pour le convertisseur abaisseur de tension est proposé sur le principe de la commande prédictive: il introduit une nouvelle variable de contrôle qui est la position de la largeur d'impulsion permettant de contrôler de façon simultanée le courant dans l'inductance et la tension de sortie. La solution permet une dynamique très rapide en transitoire, aussi bien pour la variation de la charge que pour les changements de tension de référence. Les résultats expérimentaux sur FPGA vérifient les performances de ce contrôleur jusqu'à la fréquence de découpage de 4MHz. Un contrôleur numérique nécessite une modulation numérique de largeur d'impulsion (DPWM). L'approche Sigma-Delta de la DPWM est un bon candidat en ce qui concerne le compromis entre la complexité et les performances. Un guide de conception d'étage Sigma-Delta pour le DPWM est présenté. Une architecture améliorée de traditionnelles 1-1 MASH Sigma-Delta DPWM est synthétisée sans détérioration de la stabilité en boucle fermée ainsi qu'en préservant un coût raisonnable en ressources matérielles. Les résultats expérimentaux sur FPGA vérifient les performances des DPWM proposées en régimes stationnaire et transitoire. Deux ASICs sont portés en CMOS 0,35µm: le contrôleur en tri-mode pour le convertisseur abaisseur de tension et la commande par mode de glissement pour les convertisseurs abaisseur et élévateur de tension. Les bancs de test sont conçus pour conduire à un modèle d'évaluation de consommation énergétique. Pour le contrôleur en tri-mode, la consommation de puissance mesurée est seulement de 24,56mW/MHz lorsque le ratio de temps en régime de repos (stand-by) est 0,7. Les consommations de puissance de command par mode de glissement pour les convertisseurs abaisseur et élévateur de tension sont respectivement de 4,46mW/MHz et 4,79mW/MHz. En utilisant le modèle de puissance, une consommation de la puissance estimée inférieure à 1mW/MHz est envisageable dans des technologies CMOS plus avancées. Comparé aux contrôlés homologues analogiques de l'état de l'art, les prototypes ASICs illustrent la possibilité d'atteindre un rendement comparable pour les applications de faible et de moyen puissance mais avec l'avantage d'une meilleure précision et une meilleure flexibilité.Owing to the development of modern semiconductor technology, it is possible to implement a digital controller for low-power high switching frequency DC-DC power converter in FPGA and ASIC. This thesis is intended to propose digital controllers with high performance, low power consumption and simple implementation architecture. Besides existing digital control-laws, such as PID, RST, tri-mode and sliding-mode (SM), a novel digital control-law, direct control with dual-state-variable prediction (DDP control), for the buck converter is proposed based on the principle of predictive control. Compared to traditional current-mode predictive control, the predictions of the inductor current and the output voltage are performed at the same time by adding a control variable to the DPWM signal. DDP control exhibits very high dynamic transient performances under both load variations and reference changes. Experimental results in FPGA verify the performances at switching frequency up to 4MHz. For the boost converter exhibiting more serious nonlinearity, linear PID and nonlinear SM controllers are designed and implemented in FPGA to verify the performances. A digital control requires a DPWM. Sigma-Delta DPWM is therefore a good candidate regarding the implementation complexity and performances. An idle-tone free condition for Sigma-Delta DPWM is considered to reduce the inherent tone-noise under DC-excitation compared to the classic approach. A guideline for Sigma-Delta DPWM helps to satisfy proposed condition. In addition, an 1-1 MASH Sigma-Delta DPWM with a feasible dither generation module is proposed to further restrain the idle-tone effect without deteriorating the closed-loop stability as well as to preserve a reasonable cost in hardware resources. The FPGA-based experimental results verify the performances of proposed DPWM in steady-state and transient-state. Two ASICs in 0.35µm CMOS process are implemented including the tri-mode controller for buck converter and the PID and SM controllers for the buck and boost converters respectively. The lab-scale tests are designed to lead to a power assessment model suggesting feasible applications. For the tri-mode controller, the measured power consumption is only 24.56mW/MHz when the time ratio of stand-by operation mode is 0.7. As specific power optimization strategies in RTL and system-level are applied to the latter chip, the measured power consumptions of the SM controllers for buck converter and boost converter are 4.46mW/MHz and 4.79mW/MHz respectively. The power consumption is foreseen as less than 1mW/MHz when the process scales down to nanometer technologies based on the power-scaling model. Compared to the state-of-the-art analog counterpart, the prototype ICs are proven to achieve comparable or even higher power efficiency for low-to-medium power applications with the benefit of better accuracy and better flexibility
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