High-performance flying-capacitor multilevel PFC converters with reduced passive energy storage and predictive control

Patel, Parth (2025). High-performance flying-capacitor multilevel PFC converters with reduced passive energy storage and predictive control. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This thesis investigates the design, control, and implementation of grid-tied AC-DC conversion systems that prioritize high power density, long lifetime, and compatibility with cost-sensitive digital controllers. The work focuses on single-phase power factor correction (PFC) front ends for electric vehicle on-board chargers, data center and telecom rectifiers, and similar single-phase interfaces, and extends the underlying design principles to a representative three-phase isolated PFC rectifier. Across these applications, the main bottlenecks for further gains in density and reliability are the magnetic and capacitive passive components required for energy buffering, electromagnetic interference (EMI) filtering, and output decoupling. The central purpose is to reduce passive-component volume while meeting stringent power-quality, efficiency, and lifetime targets, using flying-capacitor multilevel (FCML) topologies combined with advanced, microcontroller optimized model predictive control (MPC) schemes.

The thesis first develops a compact comparison framework for single-phase PFC front ends that covers bridgeless totem-pole stages, FCML totem-pole variants with different level counts and interleaving factors, and related multilevel and hybrid structures. Under consistent few-kilowatt specifications and continuous-conduction operation, analytic sizing laws are introduced for boost inductors, flying-capacitor stacks, and EMI filters. These laws are combined with equal-loss constraints and simple volume metrics derived from energy density, yielding structural tables that map topology and control choices to passive volume and qualitative EMI implications. This framework provides a systematic basis for selecting promising single-phase FCML candidates as density levers.

On the hardware and control side, a 2.5 kW single-phase totem-pole five-level FCML PFC prototype is designed and implemented with a three-board partition (power stage, sensor and interface board, and digital controller). Linear control with phase-shifted PWM, current and voltage loops with feedforward, and active flying-capacitor balancing are realized on a C2000 microcontroller platform and validated experimentally with high efficiency, near-unity power factor, and controlled DC-link ripple. Building on this platform, the thesis develops and experimentally validates finite-control-set MPC schemes for a four-level FCML OBC front end that support unified grid-following and grid-forming operation across multiple vehicle-to-everything modes, and for a four-cell flying-capacitor PFC converter with integrated power pulsation buffering that embeds twice-line-frequency energy storage into the FC stack. A two-stage lexicographic, weight-free MPC structure is then introduced to eliminate weighting-factor tuning and guarantee deterministic execution within a 6.66 microsecond sampling period on a dual-core microcontroller, while achieving substantial DC-link ripple reduction and passive-volume savings.

Finally, a three-phase isolated matrix-type PFC rectifier with duty-cycle loss compensation and reactive power support is analyzed as an example of a high-density front end that removes the intermediate DC-link capacitor and integrates isolation and PFC in a single stage. The combined results demonstrate that FCML PFC topologies with integrated buffering, supported by carefully structured MPC implementations on commercial microcontrollers, offer a practical path to compact, efficient, and reliable AC-DC interfaces. The thesis recommends the use of the proposed comparison framework and control architectures as design tools for next-generation single-phase and three-phase front ends in EV charging, data centers, and telecom power supplies.

Titre traduit

Convertisseurs PFC multiniveaux à capacités flottantes haute performance avec stockage d’énergie passif réduit et commande prédictive

Résumé traduit

Cette thèse étudie la conception, la commande et la mise en œuvre de systèmes de conversion CA-CC connectés au réseau, privilégiant une haute densité de puissance, une longue durée de vie et une compatibilité avec des contrôleurs numériques à coût réduit. Les travaux se concentrent sur les étages d’entrée monophasés à correction du facteur de puissance (PFC) pour les chargeurs embarqués de véhicules électriques, les redresseurs pour centres de données et télécommunications, et autres interfaces monophasées similaires, tout en étendant les principes de conception sous-jacents à un redresseur PFC triphasé isolé représentatif. Pour l’ensemble de ces applications, les principaux goulots d’étranglement limitant les gains en densité et en fiabilité sont les composants passifs magnétiques et capacitifs requis pour le tamponnage d’énergie, le filtrage des interférences électromagnétiques (IEM) et le découplage de sortie. L’objectif central est de réduire le volume des composants passifs tout en respectant des objectifs stricts de qualité de l’énergie, de rendement et de durée de vie, en utilisant des topologies multiniveaux à capacités flottantes (FCML) combinées à des schémas de commande prédictive (MPC) avancés et optimisés pour les microcontrôleurs.

La thèse développe d’abord un cadre de comparaison compact pour les étages d’entrée PFC monophasés, couvrant les étages totem-pole sans pont (bridgeless), les variantes totem-pole FCML avec différents nombres de niveaux et facteurs d’entrelacement, ainsi que les structures multiniveaux et hybrides associées. Sur la base de spécifications cohérentes de quelques kilowatts et d’un fonctionnement en conduction continue, des lois de dimensionnement analytiques sont introduites pour les inductances boost, les piles de capacités flottantes et les filtres IEM. Ces lois sont combinées à des contraintes de pertes équivalentes et à des métriques de volume simples dérivées de la densité d’énergie, produisant des tableaux structurels qui mettent en correspondance les choix de topologie et de commande avec le volume passif et les implications qualitatives en matière d’IEM. Ce cadre fournit une base systématique pour la sélection de candidats FCML monophasés prometteurs comme leviers de densité.

Côté matériel et commande, un prototype PFC FCML totem-pole monophasé à cinq niveaux de 2,5 kW est conçu et réalisé avec une partition en trois cartes (étage de puissance, carte de capteurs et d’interface, et contrôleur numérique). Une commande linéaire avec modulation de largeur d’impulsion (MLI) déphasée, des boucles de courant et de tension avec anticipation (feedforward), et un équilibrage actif des capacités flottantes sont réalisés sur une plateforme microcontrôleur C2000 et validés expérimentalement avec un rendement élevé, un facteur de puissance proche de l’unité et une ondulation de bus CC maîtrisée. S’appuyant sur cette plateforme, la thèse développe et valide expérimentalement des schémas de commande prédictive à ensemble de contrôle fini (FCS-MPC) pour un étage d’entrée de chargeur embarqué (OBC) FCML à quatre niveaux, prenant en charge un fonctionnement unifié en mode suiveur de réseau (grid-following) et formateur de réseau (grid-forming) à travers plusieurs modes vehicle-to-everything, ainsi que pour un convertisseur PFC à capacités flottantes à quatre cellules avec tamponnage intégré des pulsations de puissance, incorporant le stockage d’énergie à deux fois la fréquence du réseau dans la pile de capacités flottantes. Une structure MPC lexicographique à deux étages, sans facteurs de pondération, est ensuite introduite pour éliminer le réglage de ces facteurs et garantir une exécution déterministe dans une période d’échantillonnage de 6,66 microsecondes sur un microcontrôleur double cœur, tout en obtenant une réduction substantielle de l’ondulation du bus CC et des économies de volume passif.

Enfin, un redresseur PFC triphasé isolé de type matriciel, avec compensation des pertes de rapport cyclique et support de puissance réactive, est analysé comme exemple d’étage d’entrée à haute densité éliminant le condensateur de bus CC intermédiaire et intégrant l’isolation et le PFC en un seul étage. Les résultats combinés démontrent que les topologies PFC FCML avec tamponnage intégré, soutenues par des implémentations MPC soigneusement structurées sur des microcontrôleurs commerciaux, offrent une voie pratique vers des interfaces CA-CC compactes, efficaces et fiables. La thèse recommande l’utilisation du cadre de comparaison et des architectures de commande proposés comme outils de conception pour les étages d’entrée monophasés et triphasés de nouvelle génération dans la recharge des véhicules électriques, les centres de données et les alimentations de télécommunications.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of Doctor of Philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 217-226).
Mots-clés libres:	correction du facteur de puissance, convertisseur multiniveaux à capacités flottantes, haute densité de puissance, commande prédictive, tampon de pulsation de puissance
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Chandra, Ambrish
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	04 mars 2026 18:49
Dernière modification:	04 mars 2026 18:49
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3818

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