Generalized control methodology for modular DC-DC converters

Fritz, Niklas; Monti, Antonello; de Doncker, Rik W.

doi:HT031149571

Generalized control methodology for modular DC-DC converters

Fritz, Niklas^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jan Niklas Fritz, M. Sc.

ImpressumAachen : Institute for Power Electronics and Electrical Drives (ISEA), RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ReiheAachener Beiträge des ISEA ; 186

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
de Doncker, Rik W. (Thesis advisor)^RWTH* ; Monti, Antonello (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-09-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-04395
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1010874/files/1010874.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
control (frei) ; dc-dc converters (frei) ; eigenvector (frei) ; modular (frei) ; power-electronic building blocks (frei) ; transformation matrix (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Die steigende Nachfrage nach leistungselektronischen Wandlern geht mit einem zunehmenden Grad an Modularität Hand in Hand. Die Zusammenschaltung bestehender Produkte ist oft praktikabler als die Entwicklung eines neuen Produkts, was für die Hersteller von Vorteil ist und die Skalierbarkeit der Leistungselektronik im Allgemeinen verbessert. Trotz dieser Vorteile bringt der Trend zur Modularisierung Herausforderungen bei der Regelung solcher modularen Wandler mit sich. Die Reihen- oder Parallelschaltung von DC-DC-Wandlern führt zu Kreuzkopplungen in den Regelkreisen. Die Anwendung der gleichen Regelungsmethoden, die für einen einzelnen Wandler entwickelt wurden, auf einen zusammengeschalteten Wandler führt zu einer deutlich schlechteren Performance. Die Regelung eines modularen Wandlers kann sogar überbestimmt oder instabil sein, wenn die Anzahl der Regelgrößen die Anzahl der Wandler übersteigt. In dieser Dissertation wird eine verallgemeinerte Regelungsmethodik für modulare, galvanisch getrennte DC-DC-Wandler entwickelt, die Leistungsaufteilung, Regelkreisentkopplung und Systemstabilität auch bei überbestimmten Konfigurationen gewährleistet. Es gibt keine Beschränkung hinsichtlich der Wandlertopologie, und jede mögliche Zusammenschaltung wird abgedeckt. Die vorgeschlagene Methode nutzt eine lineare Transformation des Zustandsraummodells des modularen Wandlers in ein Koordinatensystem, in dem die Kreuzkopplung vollständig entfernt ist, unter Verwendung der Eigenvektoren der Systemmatrizen. Statt mathematisch abstrakt zu sein, ist die vorgeschlagene Lösung physikalisch aufschlussreich, da die Eigenvektoren eine physikalische Bedeutung haben. Außerdem ist die Lösung einfach, robust und leicht zu implementieren. Sie wird in zwei Fallstudien experimentell validiert.

The increasing demand for power-electronic converters goes hand in hand with an increasing degree of modularity. Interconnecting existing products is often more feasible than developing a new product, which benefits the suppliers and improves the scalability of power electronics in general. Despite these benefits, the modularization trend presents challenges in controlling such modular converters. Interconnecting converters in series or parallel introduces cross coupling into the control loops. Applying the same control methods designed for a single converter to an interconnected converter instead will result in significantly worse performance. The control of a modular converter may even be overdetermined or unstable, when the number of control variables exceeds the number ofconverters.This dissertation develops a generalized control methodology for modular, galvanically isolated dc dc converters that ensures power sharing, control loop decoupling, and system stability, even for overdetermined interconnections. There is no restriction on the converter topology, and every possible interconnectionis covered. The proposed methodology utilizes a linear transformation of the multi converter state space model into a coordinate system in which the cross coupling is completely removed, using the eigenvectors of the system matrices. Instead of being mathematically abstract, the proposed solution is physically insightful, because the eigenvectors have physical meaning. Furthermore, the solution is simple, robust, and easy to implement. It is experimentally validated in two case studies.

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