Design of discrete time controllers for DC-DC boost converter

Abstract

DC-DC dönüştürücüler sahip oldukları yüksek verim, yüksek güç yoğunluğu, yüksek güç seviyeleri, düşük maliyet ve küçük fiziksel yapı özelliklerinden dolayı modern güç elektroniği sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Genel olarak alçaltıcı, yükseltici ve alçaltıcı/yükseltici tipinde olabilen dönüştürücüler çoklu çıkış gerilimine sahip olabilmektedirler. Yükseltici dönüşürücüler, giriş geriliminden daha yüksek bir çıkış gerilimi üreten bir tür anahtarlamalı-modlu dc-dc dönüştürücülerdir. Yükseltici tip DC-DC dönüştürücünün ortalama durum-uzay tekniğine dayalı küçük-sinyal modeli elde edilmiştir. Ayrık-zaman kontrolör iki ayı yöntem, frekans domeni ve durum-uzay yöntemleri, kullanılarak tasarlanmıştır. Kök-yer eğrisi yöntemi ile integral kontrolör tasarlanmıştır. Durum geribesleme kazanç matrisi hem kutup yerleştirme hem de doğrusal optimal kuadratik regülatör yaklaşımları kullanılarak tasarlanmıştır. Kontrolcülü yükseltici dönüştürücünün performansı MATLAB/SIMULINK ortamında yapılan similasyon çalışmaları ile incelenmiş ve doğrulanmıştır. Tasarlanan kontrolör türleri tasarım metodolojisi, uygulama problemleri ve performans açısından karşılaştırılmıştır. Tasarlanan kontrol yöntemlerinin birbirine yakın bir performansa sahip olduğu gözlemlenmiştir. Bu çalışmada, yükseltici tip DC-DC dönüştürücüler için sürekli-hal ve dinamik karakteristik açısından uygun bir performansa sahip kontrolör tasarımı amaçlanmıştır.

DC-DC converters are extensively used in modern power electronics devices due to their high efficiency, high power density, high power levels, low cost, and small size. In general, they can be step-up, step-down or step-up/down converters and can have multiple output voltages. Boost converter, (also known as a step-up converter) is a type of switched-mode dc-dc converter which produces output voltage that is greater than input voltage. A small signal modeling based on state space averaging technique for DC-DC Boost converter is carried out. Discrete time controller is designed using two design techniques; frequency domain and state space methods. Root locus technique is used to design an integral controller. A state feedback gain matrix is designed by pole placement technique and Linear Quadratic Optimal Regulator (LQR) methods. The performance of the controlled boost converter are investigated and verified through MATLAB/SIMULINK simulation. Comparison between the designed controllers related to the design methodology, implementation issues and performance is carried out. It is seen that the designed controllers yielded comparable performances. In this study, it is aimed to design a controller for DC-DC boost converter to provide satisfactory performance in term of static, dynamic and steady-state characteristics.