A methodology to analyze, design and implement very fast and robust controls of Buck-type converters

La electrónica digital moderna presenta un desafío a los diseñadores de sistemas de potencia. El creciente alto rendimiento de microprocesadores, FPGAs y ASICs necesitan sistemas de alimentación que cumplan con requirimientos dinámicos y estáticos muy estrictos. Específicamente, estas alimentaciones son convertidores DC-DC de baja tensión y alta corriente que necesitan ser diseñados para tener un pequeño rizado de tensión y una pequeña desviación de tensión de salida bajo transitorios de carga de una alta pendiente. Además, dependiendo de la aplicación, se necesita cumplir con otros requerimientos tal y como proveer a la carga con ”Escalado dinámico de tensión”, donde el convertidor necesitar cambiar su tensión de salida tan rápidamente posible sin sobreoscilaciones, o ”Posicionado Adaptativo de la Tensión” donde la tensión de salida se reduce ligeramente cuanto más grande sea la potencia de salida. Por supuesto, desde el punto de vista de la industria, las figuras de mérito de estos convertidores son el coste, la eficiencia y el tamaño/peso. Idealmente, la industria necesita un convertidor que es más barato, más eficiente, más pequeño y que aún así cumpla con los requerimienos dinámicos de la aplicación. En este contexto, varios enfoques para mejorar la figuras de mérito de estos convertidores se han seguido por la industria y la academia tales como mejorar la topología del convertidor, mejorar la tecnología de semiconducores y mejorar el control. En efecto, el control es una parte fundamental en estas aplicaciones ya que un control muy rápido hace que sea más fácil que una determinada topología cumpla con los estrictos requerimientos dinámicos y, consecuentemente, le da al diseñador un margen de libertar más amplio para mejorar el coste, la eficiencia y/o el tamaño del sistema de potencia. En esta tesis, se investiga cómo diseñar e implementar controles muy rápidos para el convertidor tipo Buck. En esta tesis se demuestra que medir la tensión de salida es todo lo que se necesita para lograr una respuesta casi óptima y se propone una guía de diseño unificada para controles que sólo miden la tensión de salida Luego, para asegurar robustez en controles muy rápidos, se proponen un modelado y un análisis de estabilidad muy precisos de convertidores DC-DC que tienen en cuenta circuitería para sensado y elementos parásitos críticos. También, usando este modelado, se propone una algoritmo de optimización que tiene en cuenta las tolerancias de los componentes y sensados distorsionados. Us ando este algoritmo, se comparan controles muy rápidos del estado del arte y su capacidad para lograr una rápida respuesta dinámica se posiciona según el condensador de salida utilizado. Además, se propone una técnica para mejorar la respuesta dinámica de los controladores. Todas las propuestas se han corroborado por extensas simulaciones y prototipos experimentales. Con todo, esta tesis sirve como una metodología para ingenieros para diseñar e implementar controles rápidos y robustos de convertidores tipo Buck. ABSTRACT Modern digital electronics present a challenge to designers of power systems. The increasingly high-performance of microprocessors, FPGAs (Field Programmable Gate Array) and ASICs (Application-Specific Integrated Circuit) require power supplies to comply with very demanding static and dynamic requirements. Specifically, these power supplies are low-voltage/high-current DC-DC converters that need to be designed to exhibit low voltage ripple and low voltage deviation under high slew-rate load transients. Additionally, depending on the application, other requirements need to be met such as to provide to the load ”Dynamic Voltage Scaling” (DVS), where the converter needs to change the output voltage as fast as possible without underdamping, or ”Adaptive Voltage Positioning” (AVP) where the output voltage is slightly reduced the greater the output power. Of course, from the point of view of the industry, the figures of merit of these converters are the cost, efficiency and size/weight. Ideally, the industry needs a converter that is cheaper, more efficient, smaller and that can still meet the dynamic requirements of the application. In this context, several approaches to improve the figures of merit of these power supplies are followed in the industry and academia such as improving the topology of the converter, improving the semiconductor technology and improving the control. Indeed, the control is a fundamental part in these applications as a very fast control makes it easier for the topology to comply with the strict dynamic requirements and, consequently, gives the designer a larger margin of freedom to improve the cost, efficiency and/or size of the power supply. In this thesis, how to design and implement very fast controls for the Buck converter is investigated. This thesis proves that sensing the output voltage is all that is needed to achieve an almost time-optimal response and a unified design guideline for controls that only sense the output voltage is proposed. Then, in order to assure robustness in very fast controls, a very accurate modeling and stability analysis of DC-DC converters is proposed that takes into account sensing networks and critical parasitic elements. Also, using this modeling approach, an optimization algorithm that takes into account tolerances of components and distorted measurements is proposed. With the use of the algorithm, very fast analog controls of the state-of-the-art are compared and their capabilities to achieve a fast dynamic response are positioned de pending on the output capacitor. Additionally, a technique to improve the dynamic response of controllers is also proposed. All the proposals are corroborated by extensive simulations and experimental prototypes. Overall, this thesis serves as a methodology for engineers to design and implement fast and robust controls for Buck-type converters.

Modelos de elementos finitos explícitos para explosiones en estructuras reticuladas de hormigón armado : aplicaciones al estudio del colapso de edificios

La frecuencia con la que se producen explosiones sobre edificios, ya sean accidentales o intencionadas, es reducida, pero sus efectos pueden ser catastróficos. Es deseable poder predecir de forma suficientemente precisa las consecuencias de estas acciones dinámicas sobre edificaciones civiles, entre las cuales las estructuras reticuladas de hormigón armado son una tipología habitual. En esta tesis doctoral se exploran distintas opciones prácticas para el modelado y cálculo numérico por ordenador de estructuras de hormigón armado sometidas a explosiones. Se emplean modelos numéricos de elementos finitos con integración explícita en el tiempo, que demuestran su capacidad efectiva para simular los fenómenos físicos y estructurales de dinámica rápida y altamente no lineales que suceden, pudiendo predecir los daños ocasionados tanto por la propia explosión como por el posible colapso progresivo de la estructura. El trabajo se ha llevado a cabo empleando el código comercial de elementos finitos LS-DYNA (Hallquist, 2006), desarrollando en el mismo distintos tipos de modelos de cálculo que se pueden clasificar en dos tipos principales: 1) modelos basados en elementos finitos de continuo, en los que se discretiza directamente el medio continuo mediante grados de libertad nodales de desplazamientos; 2) modelos basados en elementos finitos estructurales, mediante vigas y láminas, que incluyen hipótesis cinemáticas para elementos lineales o superficiales. Estos modelos se desarrollan y discuten a varios niveles distintos: 1) a nivel del comportamiento de los materiales, 2) a nivel de la respuesta de elementos estructurales tales como columnas, vigas o losas, y 3) a nivel de la respuesta de edificios completos o de partes significativas de los mismos. Se desarrollan modelos de elementos finitos de continuo 3D muy detallados que modelizan el hormigón en masa y el acero de armado de forma segregada. El hormigón se representa con un modelo constitutivo del hormigón CSCM (Murray et al., 2007), que tiene un comportamiento inelástico, con diferente respuesta a tracción y compresión, endurecimiento, daño por fisuración y compresión, y rotura. El acero se representa con un modelo constitutivo elastoplástico bilineal con rotura. Se modeliza la geometría precisa del hormigón mediante elementos finitos de continuo 3D y cada una de las barras de armado mediante elementos finitos tipo viga, con su posición exacta dentro de la masa de hormigón. La malla del modelo se construye mediante la superposición de los elementos de continuo de hormigón y los elementos tipo viga de las armaduras segregadas, que son obligadas a seguir la deformación del sólido en cada punto mediante un algoritmo de penalización, simulando así el comportamiento del hormigón armado. En este trabajo se denominarán a estos modelos simplificadamente como modelos de EF de continuo. Con estos modelos de EF de continuo se analiza la respuesta estructural de elementos constructivos (columnas, losas y pórticos) frente a acciones explosivas. Asimismo se han comparado con resultados experimentales, de ensayos sobre vigas y losas con distintas cargas de explosivo, verificándose una coincidencia aceptable y permitiendo una calibración de los parámetros de cálculo. Sin embargo estos modelos tan detallados no son recomendables para analizar edificios completos, ya que el elevado número de elementos finitos que serían necesarios eleva su coste computacional hasta hacerlos inviables para los recursos de cálculo actuales. Adicionalmente, se desarrollan modelos de elementos finitos estructurales (vigas y láminas) que, con un coste computacional reducido, son capaces de reproducir el comportamiento global de la estructura con una precisión similar. Se modelizan igualmente el hormigón en masa y el acero de armado de forma segregada. El hormigón se representa con el modelo constitutivo del hormigón EC2 (Hallquist et al., 2013), que también presenta un comportamiento inelástico, con diferente respuesta a tracción y compresión, endurecimiento, daño por fisuración y compresión, y rotura, y se usa en elementos finitos tipo lámina. El acero se representa de nuevo con un modelo constitutivo elastoplástico bilineal con rotura, usando elementos finitos tipo viga. Se modeliza una geometría equivalente del hormigón y del armado, y se tiene en cuenta la posición relativa del acero dentro de la masa de hormigón. Las mallas de ambos se unen mediante nodos comunes, produciendo una respuesta conjunta. En este trabajo se denominarán a estos modelos simplificadamente como modelos de EF estructurales. Con estos modelos de EF estructurales se simulan los mismos elementos constructivos que con los modelos de EF de continuo, y comparando sus respuestas estructurales frente a explosión se realiza la calibración de los primeros, de forma que se obtiene un comportamiento estructural similar con un coste computacional reducido. Se comprueba que estos mismos modelos, tanto los modelos de EF de continuo como los modelos de EF estructurales, son precisos también para el análisis del fenómeno de colapso progresivo en una estructura, y que se pueden utilizar para el estudio simultáneo de los daños de una explosión y el posterior colapso. Para ello se incluyen formulaciones que permiten considerar las fuerzas debidas al peso propio, sobrecargas y los contactos de unas partes de la estructura sobre otras. Se validan ambos modelos con un ensayo a escala real en el que un módulo con seis columnas y dos plantas colapsa al eliminar una de sus columnas. El coste computacional del modelo de EF de continuo para la simulación de este ensayo es mucho mayor que el del modelo de EF estructurales, lo cual hace inviable su aplicación en edificios completos, mientras que el modelo de EF estructurales presenta una respuesta global suficientemente precisa con un coste asumible. Por último se utilizan los modelos de EF estructurales para analizar explosiones sobre edificios de varias plantas, y se simulan dos escenarios con cargas explosivas para un edificio completo, con un coste computacional moderado. The frequency of explosions on buildings whether they are intended or accidental is small, but they can have catastrophic effects. Being able to predict in a accurate enough manner the consequences of these dynamic actions on civil buildings, among which frame-type reinforced concrete buildings are a frequent typology is desirable. In this doctoral thesis different practical options for the modeling and computer assisted numerical calculation of reinforced concrete structures submitted to explosions are explored. Numerical finite elements models with explicit time-based integration are employed, demonstrating their effective capacity in the simulation of the occurring fast dynamic and highly nonlinear physical and structural phenomena, allowing to predict the damage caused by the explosion itself as well as by the possible progressive collapse of the structure. The work has been carried out with the commercial finite elements code LS-DYNA (Hallquist, 2006), developing several types of calculation model classified in two main types: 1) Models based in continuum finite elements in which the continuous medium is discretized directly by means of nodal displacement degrees of freedom; 2) Models based on structural finite elements, with beams and shells, including kinematic hypothesis for linear and superficial elements. These models are developed and discussed at different levels: 1) material behaviour, 2) response of structural elements such as columns, beams and slabs, and 3) response of complete buildings or significative parts of them. Very detailed 3D continuum finite element models are developed, modeling mass concrete and reinforcement steel in a segregated manner. Concrete is represented with a constitutive concrete model CSCM (Murray et al., 2007), that has an inelastic behaviour, with different tension and compression response, hardening, cracking and compression damage and failure. The steel is represented with an elastic-plastic bilinear model with failure. The actual geometry of the concrete is modeled with 3D continuum finite elements and every and each of the reinforcing bars with beam-type finite elements, with their exact position in the concrete mass. The mesh of the model is generated by the superposition of the concrete continuum elements and the beam-type elements of the segregated reinforcement, which are made to follow the deformation of the solid in each point by means of a penalty algorithm, reproducing the behaviour of reinforced concrete. In this work these models will be called continuum FE models as a simplification. With these continuum FE models the response of construction elements (columns, slabs and frames) under explosive actions are analysed. They have also been compared with experimental results of tests on beams and slabs with various explosive charges, verifying an acceptable coincidence and allowing a calibration of the calculation parameters. These detailed models are however not advised for the analysis of complete buildings, as the high number of finite elements necessary raises its computational cost, making them unreliable for the current calculation resources. In addition to that, structural finite elements (beams and shells) models are developed, which, while having a reduced computational cost, are able to reproduce the global behaviour of the structure with a similar accuracy. Mass concrete and reinforcing steel are also modeled segregated. Concrete is represented with the concrete constitutive model EC2 (Hallquist et al., 2013), which also presents an inelastic behaviour, with a different tension and compression response, hardening, compression and cracking damage and failure, and is used in shell-type finite elements. Steel is represented once again with an elastic-plastic bilineal with failure constitutive model, using beam-type finite elements. An equivalent geometry of the concrete and the steel is modeled, considering the relative position of the steel inside the concrete mass. The meshes of both sets of elements are bound with common nodes, therefore producing a joint response. These models will be called structural FE models as a simplification. With these structural FE models the same construction elements as with the continuum FE models are simulated, and by comparing their response under explosive actions a calibration of the former is carried out, resulting in a similar response with a reduced computational cost. It is verified that both the continuum FE models and the structural FE models are also accurate for the analysis of the phenomenon of progressive collapse of a structure, and that they can be employed for the simultaneous study of an explosion damage and the resulting collapse. Both models are validated with an experimental full-scale test in which a six column, two floors module collapses after the removal of one of its columns. The computational cost of the continuum FE model for the simulation of this test is a lot higher than that of the structural FE model, making it non-viable for its application to full buildings, while the structural FE model presents a global response accurate enough with an admissible cost. Finally, structural FE models are used to analyze explosions on several story buildings, and two scenarios are simulated with explosive charges for a full building, with a moderate computational cost.

Accurate Analysis of Subharmonic Oscillations of V^2 and V^2Ic Controls Applied to Buck Converter

V2Ic control provides very fast dynamic performance to the Buck converter both under load steps and under voltage reference steps. However, the design of this control is complex since it is prone to subharmonic oscillations and several parameters affect the stability of the system. This paper derives and validates a very accurate modeling and stability analysis of a closed-loop V2Ic control using the Floquet theory. This allows the derivation of sensitivity analysis to design a robust converter. The proposed methodology is validated on a 5-MHz Buck converter. The work is also extended to V2 control using the same methodology, showing high accuracy and robustness. The paper also demonstrates, on the V2 control, that even a low bandwidth-linear controller can affect the stability of a ripple-based control.