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Academic Year/course: 2018/19

527 - Master's in Electronic Engineering


Syllabus Information

Academic Year:
2018/19
Subject:
67229 - Modeling and Control of Power Electronic Systems
Faculty / School:
110 - Escuela de Ingeniería y Arquitectura
Degree:
527 - Master's in Electronic Engineering
ECTS:
5.0
Year:
1
Semester:
First semester
Subject Type:
Optional
Module:
---

4.1. Methodological overview

The methodology followed in this course is oriented towards achievement of the learning objectives. A wide range of teaching and learning tasks are implemented, such as:

  • Lectures, in which the theoretical basis of averaged switch modelling and Middlebrrok's theorems will be explained.
  • Practice sessions where the students will solve problems and representative cases.
  • Lab sessions will be carried out in small groups where students prepare computer simulations.
  • Students are expected to participate actively in the class throughout the semester. 

 

4.2. Learning tasks

The course includes the following learning tasks:  

Classroom activities (2 ECTS: 50 hours)

  • A01 Lectures (22 hours). Presentation of theoretical contents with representative examples. The contents are the concepts and fundamentals of averaged switch modeling and Middlebrrok's theorems. Student participation is encouraged through questions
  • A02 Practice sessions (4 hours). Problems and cases related to the lectures' contents. Students are encouraged to work on the problems previously.
  • A03 Lab sessions (15 hours). Sessions are structured in 5 sessions of 3 hours each. The instructions of the exercises will be available to students on the virtual platform. 
  • A06 Tutorials (9 hours). Tutoring of student assignments.

Autonomous work (3 ECTS: 75 hours)

  • A06 Student assignments (20 hours). Activities related to lab work that the student can do individually or in group and that the teacher will propose throughout the teaching period. Its main format is a sheet of short questions students must solve.
  • A07 Study (35 hours). It is aimed at monitoring the learning process, conducting practice sessions, exam preparation and tutorials.
  • A08 Evaluation tests (20 hours).
    • 1) Midterm exam: exam to do at home to cover HW 1-4 and it is submitted one week later in class.
    • 2) Final exam: exam to do at home to cover HW 1-8 and it is submitted four days later in class.

4.3. Syllabus

The course will address the following topics:

  • Topic 1. Introduction and simulation tools.
  • Topic 2. Averaged switch modeling.
  • Topic 3. Middlebrook's Extra Element Theorem.
  • Topic 4. Middlebrook's feedback theorem.
  • Topic 5. Equivalent circuit modeling of the discontinuous conduction mode.
  • Topic 6. Peak and average current mode control.

 

Homework assignments 

1. Homework Assignment 1

  • Averaged switch modeling problems
    • Do problems 7.15 and 7.16 of the course textbook, second edition.
    • It is highly suggested to read Section 7.4 of the textbook before attempting problems 7.15 and 7.16. It is also suggested to read the notes posted in the Matlab/Simulink pages
  • Simulink problems
  • Do the attached problems:
    • Closed-loop output impedance of buck converter
    • Control-to-output transfer function of a buck-boost converter

2. Homework Assignment 2

  • Extra Element theorem problems. Do the following two problems:
    • The effect of capacitor equivalent series resistance (esr) on the transfer function of an R-L-C filter.
    • Analysis of the CCM buck-boost converter control-to-output transfer function Gvd(s) using the extra element theorem.

3. Homework Assignment 3

  • Extra Element theorem problems. Do the following two problems:
    • Analysis and design of a CCM SEPIC.
    • Analysis of a flyback converter with input filter.

 4. Homework Assignment 4

  • The n Extra Element Theorem. Do the following problems:
    • Write the output impedance function of a damped filter circuit.
    • Write the control-to-output transfer function of a nonideal boost converter.

5. Homework Assignment 5

  • The Feedback Theorem and Feedback loop simulation. Do the following two problems:
    • Use of the feedback theorem to analyze a transconductance amplifier circuit
    • Simulation of a closed-loop SEPIC

6. Homework Assignment 6

  • Discontinuous conduction mode. Do the following problems:
    • Problem 11.3
    • Problem 11.4
    • Problem 11.6
    • Additional 11.6(d): modify your answer to part (c), accounting for inductor high frequency dynamics.
    • Do the attached DCM Flyback simulation problem.

7. Homework Assignment 7

  • Current mode control. Do the following two problems:
    • Problem 12.2 of the textbook.
    • Design of the compensator of a closed-loop CPM buck regulator based on the simple model.

8. Homework Assignment 8 

  • Current mode control, HF model
    • Analysis and simulation of a CPM Regulator:
    • Evaluation of a compensator design
    • Simulation
    • Compensator redesign based on the more accurate model
    • Response to a step change in load current 
  • The contents developed in the problems solving are: 
    • 1 Problem 6.45 Modeling and control of a buck converter
    • 2 Problem 6.46 Modeling and control of a bidirectional buck converter
    • 3 Problem 6.48 Modeling and control of a boost converter
    • 4 Problem 6.49 Modeling and control of a flyback converter

4.4. Course planning and calendar

Further information concerning the timetable, classroom, office hours, assessment dates and other details regarding this course, will be provided on the first day of class or please refer to the EINA website.

 

Provisional course planning:

Week 1: Introduction

  • Introduction tocourse.
  • Presentation of ideas.
  • Simulation tools
    • Matlab/Simulink tutorial.
    • LTspice tutorial.

Week 2: Averaged switch modeling and simulation

  • Section 7.4 and Appendix B.
  • Averaged models of main converters.
  • Scheme of isolated converters.

Week 3:

  • Introduction to Middlebrook's Extra Element Theorem.
  • Appendix C.
  • EET SEPIC analysis example, Zd.
  • Homework assignment 1.

Week 4:

  • Introduction to Middlebrook's Extra Element Theorem.
  • Appendix C.
  • EET SEPIC analysis example, Zn.
  • Homework assignment 2.

Week 5:

  • Middlebrook's  n-Extra Element Theorem.
  • Homework assignment 3.
  • Lab session 1.

Week 6:

  • Middlebrook's  Feedback Theorem.
  • Measurement point of transfer functions.
  • Analysis of feedback circuits using null double injection techniques (examples)
  • Homework assignment 4.

Week 7:

  • Dynamic modeling and simulation of converters operating in discontinuous conduction mode.
  • Chapter 11 and Appendix B.
  • Homework assignment 5.
  • Lab session 2.

Week 8:

  • How changing the operating mode leads to substantial changes in small-signal transfer functions.
  • Current Programmed Control. Introduction.
  • Midterm exam.
  • Student presentation of problem 6.45

Week 9:

  • Current Programmed Control.
  • Student presentation of problem 6.46
  • Lab session 3.

Week 10:

  • Current Programmed Control. Chapter 12 and Appendix B.
  • Basic circuit and slope compensation.
  • Student presentation of problem 6.48
  • Homework assignment 6.

Week 11:

Week 12:

  • Current mode control.
  • Homework assignment 8.

Week 13: Current mode control.

Week 14: Final exam.

4.5. Bibliography and recommended resources

 

 

 

 


Curso Académico: 2018/19

527 - Máster Universitario en Ingeniería Electrónica


Información del Plan Docente

Año académico:
2018/19
Asignatura:
67229 - Modelado y control de sistemas electrónicos de potencia
Centro académico:
110 - Escuela de Ingeniería y Arquitectura
Titulación:
527 - Máster Universitario en Ingeniería Electrónica
Créditos:
5.0
Curso:
1
Periodo de impartición:
Primer semestre
Clase de asignatura:
Optativa
Módulo:
---

1.1. Objetivos de la asignatura

La asignatura y sus resultados previstos responden a los siguientes planteamientos y objetivos:

El objetivo de la asignatura es formar al alumno en los fundamentos del diseño de sistemas para aplicaciones de electrónica de potencia y en el conocimiento de las técnicas de análisis, simulación y principales ámbitos en que se aplican estos sistemas.

1.2. Contexto y sentido de la asignatura en la titulación

Esta asignatura se enmarca dentro de la materia optativa “Electrónica para sistemas de potencia” del máster. En el contexto actual: los sistemas electrónicos de gran potencia juegan un papel determinante en la optimización y mejora de los sistemas que gestionan la energía eléctrica y es una de las tecnologías clave que permitirá alcanzar los objetivos de Kioto. Los sistemas electrónicos de gran potencia están presentes en aerogeneradores, tracción ferroviaria, propulsión naval, generación hidráulica, interconexión de redes eléctricas, industria pesada (acerías, cementeras, papeleras, etc…), etc… Por todo ello prácticamente todos los programas de I+D+I promovidos por las diferentes instituciones identifican la Electrónica de Potencia como una de las tecnologías clave en el desarrollo sostenible del futuro. El vehiculo eléctrico y la conversión energética requerida en nano-redes es otro campo donde la electrónica de potencia juega un papel relvante.

1.3. Recomendaciones para cursar la asignatura

Se recomienda estar cursando o haber cursado la asignatura obligatoria “Sistemas Electrónicos Avanzados”. Ademas se recomienda tener conocimientos de

  • Electrónica analógica
  • Electrónica industrial
  • Electrónica de potencia

El estudio y trabajo continuado son muy recomendables para superar con el máximo aprovechamiento la asignatura. 

2.1. Competencias

Al superar la asignatura, el estudiante será más competente para...

COMPETENCIAS BÁSICAS:

CB6. Poseer y comprender conocimientos que aporten una base u oportunidad de ser originales en el desarrollo y/o aplicación de ideas, a menudo en un contexto de investigación.

CB7. Que los estudiantes sepan aplicar los conocimientos adquiridos y su capacidad de resolución de problemas en entornos nuevos o poco conocidos dentro de contextos más amplios (o multidisciplinares) relacionados con su área de estudio.

CB10. Que los estudiantes posean las habilidades de aprendizaje que les permitan continuar estudiando de un modo que habrá de ser en gran medida auto dirigido o autónomo.

 

COMPETENCIAS GENERALES:

CG1. Capacidad para el modelado físico-matemático, cálculo y simulación en centros tecnológicos y de ingeniería, particularmente en tareas de investigación, desarrollo e innovación en ámbitos relacionados con la Ingeniería Electrónica y campos multidisciplinares afines.

CG2. Capacidad para proyectar y diseñar productos, procesos e instalaciones en el ámbito de la Ingeniería Electrónica.

CG4. Capacidad para abordar con garantías la realización de una tesis doctoral en el ámbito de la Ingeniería Electrónica.

 

COMPETENCIAS ESPECÍFICAS:

CE3. Capacidad de analizar y diseñar componentes y sistemas electrónicos de potencia avanzados para el procesado de energía con alta eficiencia.

CE4. Capacidad de especificar, caracterizar y diseñar componentes y sistemas electrónicos complejos en aplicaciones industriales y domésticas.

2.2. Resultados de aprendizaje

El estudiante, para superar esta asignatura, deberá demostrar los siguientes resultados...

  • Conoce y es capaz de diferenciar modelos de gran señal, modelos promediados y modelos linealizados de los sistemas de potencia.
  • Es capaz de obtener los modelos dinámicos de los de convertidores electrónicos de potencia
  • Conoce los métodos de modelado de promediado en el espacio de estado, promediado del circuito y promediado del interruptor. Sabe obtener del modelo canónico de circuito
  • Sabe obtener la función de transferencia. Sabe analizar las funciones de transferencia obtenidas.
  • Conoce el teorema general de la realimentación de Middlebrook y sabe aplicarlo en los modelos de simulación,
  • Conoce el teorema del elemento Extra de Middlebrook y sabe aplicarlo a par obtener funciones de transferencia complejas.
  • Es capaz de obtener modelos SPICE y Matlab/simulink de  sistemas electrónicos conmutados.

2.3. Importancia de los resultados de aprendizaje

Los conocimientos, aptitudes y habilidades adquiridos a través de esta asignatura, junto con los del resto del Máster en Ingeniería Electrónica, deben permitir al estudiante desarrollar las competencias anteriormente expuestas, así como abordar con garantías la realización de una tesis doctoral en el ámbito del diseño de sistemas electrónicos potencia, o desempeñar adecuadamente una labor profesional en el mencionado ámbito.

3.1. Tipo de pruebas y su valor sobre la nota final y criterios de evaluación para cada prueba

El estudiante deberá demostrar que ha alcanzado los resultados de aprendizaje previstos mediante las siguientes actividades de evaluacion

  • Trabajos T6: 8 trabajos semanales (45%). Se recogen en las semanas 3, 4, 5, 6 y 7, el primer tramo, y las semanas 10 12 y 13, para el segundo tramo.

  • Examen (7 días, en casa) de medio curso sobre el tema de los trabajos 1 a 4 (17%). Se realiza en la semana 8

  • Examen (4 días, en casa) de final de curso sobre el tema de los trabajos 1 a 8 (33%). Se realiza en le semana 14
  • Exposición de problemas en clase (5%). Son problemas seleccionados en el libro de problemas recomendado en la bibliografía. Se realizan en las semanas 8, 9, 10 y 11.

4.1. Presentación metodológica general

El proceso de aprendizaje que se ha diseñado para esta asignatura se basa en lo siguiente:

El proceso de enseñanza se desarrollará en tres niveles principales: clases de teoría, problemas y laboratorio, con creciente participación del estudiante.

  • En las clases de teoría se expondrán las bases teóricas del modelado y control de sistemas electrónicos de potencia.
  • En las clases de problemas se desarrollarán problemas y diseños representativos con la participación de los estudiantes.
  • Se realizarán prácticas de laboratorio en grupos reducidos en las que se realizarán simulaciones y trabajos experimentales relacionados con los temas desarrollados en clase.

4.2. Actividades de aprendizaje

Las actividades de aprendizaje previstas en esta asignatura son las siguientes:

Actividades presenciales (2 ECTS, 50 horas):

  • A01  Clase magistral (22 horas)
    • En esta actividad se expondrán los contenidos fundamentales de la materia y se realizarán un conjunto de problemas representativos. Esta actividad se realizará en el aula de forma presencial. Los materiales que se expondrán en las clases magistrales estarán a disposición de los alumnos a través del Anillo Digital Docente.
  • A02  Resolución de problemas y casos (4 horas)
    • En esta actividad se resolverá un conjunto de problemas representativos. Esta actividad se realizará en el aula de forma presencial. Los materiales que se expondrán en las clases magistrales estarán a disposición de los alumnos a través del Anillo Digital Docente
  • A03  Prácticas de laboratorio (15 horas)
    • Las prácticas están estructuradas en 5 sesiones de 3 horas cada una. Los enunciados de las prácticas estarán a disposición de los alumnos a en el Anillo Digital Docente.
  • A06  Tutela de trabajos (9 horas)
    • Tutela personalizada profesor-estudiante para los trabajos docentes. 

Actividades no presenciales (3 ECTS, 75 horas):

  • A06  Trabajos docentes (20 horas)
    • En esta actividad se realizarán los trabajos semanales que se recogen a la semana siguiente. Tambien con la preparación de los problemas a exponer en clase.
  • A07  Estudio (35 horas)
    • Esta actividad comprende tanto el estudio personal encaminado a lograr el seguimiento adecuado de la asignatura, la realización de las prácticas, la preparación del examen y las tutorías
  • A08  Pruebas de evaluación (20 horas)
    • 10 horas: Examen en casa sobre los temas 1-5
    • 10 horas: Examen en casa temas 1-8

4.3. Programa

El programa por temas que se propone para alcanzar los resultados de aprendizaje previstos es el siguiente:

  • T1. Introducción y herramientas de simulación.

  • T2. Modelado promediado de la red de conmutación en MCC.

  • T3: Teorema del Elemento Extra de Middlebrook.

  • T4: Teorema general de la Realimentación de Middlebrook.

  • T5: Circuito equivalente DC y AC en modo discontinuo.

  • T6: Control en modo corriente: pico y promedio.

     

Los contenidos que se desarrollan en los trabajos semanales son los siguientes:

 

 

Trabajo Semanal 1: Problemas sobre el modelado promedio del interruptor

  • Hacer los problemas 7.15 y 7.16 del libro de texto. Se recomienda leer antes la sección 7.4.

  • Problemas de simulink. Usar la simulación para resolver lo siguiente:

    • Impedancia de salida del convertidor Buck en lazo cerrado.

    • Función de transferencia control-salida del convertidor buck-boost.

       

Trabajo Semanal 2: Aplicación del Teorema del Elemento Extra de Middlebrook para obtener funciones de transferencia complejas.

 

Hacer los problemas adjuntos:

  • Efecto de la resistencia equivalente serie ESR de un condensador en la función de transferencia.

  • Análisis la función de transferencia control-salida de convertidor buck-boost en CCM haciendo uso del teorema del elemento extra.

 

Trabajo Semanal 3: Aplicación del Teorema del Elemento Extra de Middlebrook para analizar circuitos.

  • Análisis y diseño de un SEPIC en modo de conducción continuo.

  • Análisis de un convertidor flyback con filtro de entrada.

 

Trabajo Semanal 4: Aplicación del Teorema del Elemento-N Extra de Middlebrook  para obtener funciones de transferencia de forma directa.

  • Impedancia de del Filtro de entrada L-C amortiguado.

  • Etapa Boost en modo de conducción continuo. Cálculo de Gvd(s).

 

Trabajo Semanal 5: Teorema de la realimentación y simulación del lazo cerrado.

 

Hacer los problemas adjuntos:

  • Uso del teorema de la realimentación para analizar un amplificador de transconductancia.

  • simulación de una etapa SEPIC en lazo cerrado.

     

Trabajo Semanal 6: Modo de conducción discontinuo.

 

Hacer los problemas adjuntos:

  • Problema 11.3.

  • Problema 11.4.

  • Problema 11.6.

  • Añadir al 11.6 (d): modificar la respuesta del apartado (c) teniendo en cuenta la dinámica de la bobina a alta frecuencia.

  • Simular el problema adjunto: Flyback en modo de conducción discontinuo.

 

Trabajo Semanal 7: Control modo corriente.

 

Hacer los problemas adjuntos:

  • Problema 12.2 del libro de texto.

  • Diseño del compensador de un convertidor buck trabajando en modo corriente usando el modelo simplificado.

 

Trabajo Semanal 8: Control modo corriente, modelo de alta frecuencia.

 

Análisis y simulación de un regulador CPM.

  • Evaluación del diseño del compensador.

  • Simulación de la etapa.

  • Rediseño del compensador usando el modelo exacto.

  • respuesta a un escalón de la corriente de carga.

 

Los contenidos que se desarrollan en los problemas son los siguientes:

 

1 Problema 6.45 Modelado y control de un convertidor buck

2 Problema 6.46 Modelado y control de un convertidor buck bidireccional

3 Problema 6.48 Modelado y control de un convertidor boost

4 Problema 6.49 Modelado y control de un convertidor flyback

4.4. Planificación de las actividades de aprendizaje y calendario de fechas clave

Calendario de sesiones presenciales y presentación de trabajos.

Las clases magistrales y de problemas y las sesiones de prácticas en el laboratorio se imparten según horario establecido por el centro (horarios disponibles en su página web). El resto de actividades se planificará en función del número de alumnos y se dará a conocer con la suficiente antelación.

 

Semana 1:

 

Introducción.

  • Ficha de la asignatura.

  • Presentación de ideas.

    Herramientas de Simulación.

  • Tutorial de Matlab/Simulink (en el laboratorio BSH 4).

  • Tutorial de LTSpice.

  • Descarga de LTSpice,Guia de usuario y materiales suplementarios.

Semana 2:

 

Modelo promediado del interruptor.

  • Sección 7.4 y apéndice B.

  • Obtención de los modelos de pequeña señal de los convertidores mediante el promediado de los elementos de conmutación.

  • Objetivos de la simulación.

  • Simulación del comportamiento de pequeña señal del convertidor utilizando el modelo promediado del interruptor.

  • Esquemas de convertidores aislados.

Técnicas de análisis orientadas al diseño, aplicación a convertidores conmutados.

  • Teorema del Elemento Extra de Middlebrook ( Appéndice C).

  • Uso de la doble inyección para encontrar el efecto de añadir un elemento al convertidor sobre la función de transferencia.

 

Semana 3:

  • Teorema del Elemento Extra de Middlebrook ( Apéndice C).

  • Función de transferencia de la etapa SEPIC. Análisis de las Impedancias Zd.

  • Trabajo semanal #1.

  

Semana 4:

  • Teorema del Elemento Extra de Middlebrook ( Apéndice C).

  • Función de transferencia de la etapa SEPIC. Análisis de las Impedancias Zn.

  • Trabajo semanal #2.

Semana 5:

  • Teorema del Elemento n-Extra de Middlebrook.

  • Trabajo semanal #3.

  • Practica 1.

 

Semana 6:

  • Teorema de la realimentación de Middlebrook.

  • Punto de medida de la función de transferencia.

  • Análisis de circuitos realimentados usando la técnica de la doble inyección.

  • Ejemplos.

  • Trabajo semanal #4.

 Semana 7:

  • Modelo dinámico y de simulación de convertidores operando en modo de conducción discontinuo.

  • Capítulo 11 y Apéndice B.

  • Función de transferencia de la etapa SEPIC. Análisis de las Impedancias Zn y Zd.

  • Trabajo semanal #5.

  • Practica 2.

 

 Semana 8:

  • Influencia del cambio del modo de operación en la función de transferencia.

  • Introducción al control modo corriente.

  • Examen en casa durante una semana de los temas 1-4.

  • Presentación del problema 6.45 por los alumnos.

Semana 9:

  • Control modo corriente.

  • Presentación del problema 6.46 por los alumnos.

  • Practica 3.

Semana 10:

  • Control modo corriente. Cap 12 y Apéndice B.

  • Rampa de compensación.

  • Presentación del problema 6.48 por los alumnos.

  • Trabajo semanal #6.

Semana 11:

  • Control modo corriente. Modelo muestreado.

  • Muestreador de grado cero. Función de transferencia.

  • Simulación.

  • Efecto del control modo corriente en la función de transferencia.

  • Presentación del problema 6.49 por los alumnos.

  • Trabajo semanal #7.

Semana 12:

  • Control modo corriente.

  • Trabajo semanal #8.

Semana 13:

  • Control modo corriente. Modelo de Tan.

Semana 14:

  • Examen en casa durante cuatro días de los temas 1-8.

El calendario detallado de las diversas actividades a desarrollar se establecerá una vez que la Universidad y el Centro hayan aprobado el calendario académico (el cual podrá ser consultado en la página web del centro).

 

A título orientativo:

  • Período de clases: primer cuatrimestre (Otoño).
  • Clases de teoría y problemas-casos: cada semana hay programadas clases de teoría y/o problemas-casos en el aula.
  • Sesiones prácticas de laboratorio: el estudiante realizará sesiones prácticas de laboratorio y entregará trabajos asociados a las mismas.
  • Entrega de trabajos: se informará adecuadamente en clase de las fechas y condiciones de entrega.
  • Examen: habrá un examen de 1ª convocatoria y otro de 2ª convocatoria en las fechas concretas que indique el centro.

Toda la información y documentación sobre la asignatura se publicará en http://moodle.unizar.es/ (Para acceder a esta página web se requiere que el estudiante esté matriculado).