Thesis:
Modeling of GaN-based DC-DC Converters with Model Predictive Control and Active Thermal Control for Powertrain applications in Electric Vehicles

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datacite.subject.fos	Engineering and technology::Electrical engineering, Electronic engineering, Information engineering
dc.contributor.department	Departamento de Electrónica
dc.contributor.guia	Rojas Monrroy, Christian Alexis
dc.coverage.spatial	Campus Casa Central Valparaíso
dc.creator	Berger Díaz, Jhonattan Gabriel
dc.date.accessioned	2026-05-14T12:51:50Z
dc.date.available	2026-05-14T12:51:50Z
dc.date.issued	2024
dc.description.abstract	In recent decades, as the demand for more sustainable and environmentally friendly energy sources has grown, there has been a significant increase in the utilization of electric transportation. This surge in electric transport usage has brought forth new challenges for power electronics. One of the primary challenges posed by this advancing technology is the efficient management of energy flows inherent in electric vehicles. Within the spectrum of power flows in electric vehicles, a pivotal aspect concerns the transfer of energy between the energy storage system and the mechanical power transmission, facilitated through the DC link within the vehicle. This power flow exhibits a bi-directional nature – during conduction mode, energy moves from the storage system to the powertrain, and during regenerative braking, this direction is reversed, with energy flowing from the powertrain to the storage system. Consequently, DC-DC converters play a pivotal role in managing this power flow by connecting the storage system with the DC link of the vehicle. The essential characteristics that these power converters must possess include the ability to operate bidirectionally, maintain a constant voltage on the DC link, and adapt the voltage level of the storage system to that of the inverter. Therefore, the effective implementation of control loops becomes imperative for ensuring their optimal performance. In this work is presented a Continuous-Control-Set Model Predictive Control (CCS-MPC) proposed for DC-DC converters for EV powertrains based on Gallium Nitride High Electron Mobility Transistors (GaN HEMTs) devices. The CCS-MPC allows full control of system states by adopting a multi-objective control approach, ensuring optimal power exchange between the DC link bus and a battery. The main contribution is a systematic implementation of the thermal-management of power devices by including an Active Thermal Control (ATC) in order to mitigate the thermal stress in the semiconductors, in the context of CCS-MPC. The secondary contribution is to verify the proposed method in a Two-Level Buck Converter (TLBC), used in EV applications for e.g. auxiliary battery charging interfaces. Finally, simulation and experimental results are presented to verify the performance of the proposed control scheme.	en_US
dc.description.abstract	En las últimas décadas, con el aumento de la demanda de fuentes de energía más sostenibles y respetuosas con el medio ambiente, se ha producido un incremento significativo en la utilización del transporte eléctrico. Este auge en el uso del transporte eléctrico ha planteado nuevos retos para la electrónica de potencia. Uno de los principales retos que plantea esta tecnología en constante evolución es la gestión eficiente de los flujos de energía inherentes a los vehículos eléctricos. Dentro del espectro de flujos de potencia en los vehículos eléctricos, un aspecto fundamental es la transferencia de energía entre el sistema de almacenamiento de energía y la transmisión de potencia mecánica, facilitada a través del enlace de CC dentro del vehículo. Este flujo de potencia presenta una naturaleza bidireccional: durante el modo de conducción, la energía se mueve del sistema de almacenamiento al tren motriz, y durante el frenado regenerativo, esta dirección se invierte, con la energía fluyendo del tren motriz al sistema de almacenamiento. En consecuencia, los convertidores CC-CC desempeñan un papel fundamental en la gestión de este flujo de potencia al conectar el sistema de almacenamiento con el enlace de CC del vehículo. Las características esenciales que deben poseer estos convertidores de potencia incluyen la capacidad de operar bidireccionalmente, mantener una tensión constante en el enlace de CC y adaptar el nivel de tensión del sistema de almacenamiento al del inversor. Por lo tanto, la implementación efectiva de los bucles de control se vuelve imperativa para garantizar su rendimiento óptimo. En este trabajo se presenta un Control Predictivo de Modelo con Conjunto de Control Continuo (CCS-MPC) propuesto para convertidores CC-CC para sistemas de propulsión de vehículos eléctricos (VE) basados en transistores de alta movilidad de electrones de nitruro de galio (GaN HEMT). El CCS-MPC permite el control total de los estados del sistema mediante un enfoque de control multiobjetivo, asegurando un intercambio de potencia óptimo entre el bus de enlace de CC y la batería. La principal contribución es la implementación sistemática de la gestión térmica de los dispositivos de potencia mediante la inclusión de un Control Térmico Activo (ATC) para mitigar el estrés térmico en los semiconductores, en el contexto del CCS-MPC. La contribución secundaria consiste en verificar el método propuesto en un convertidor reductor de dos niveles (TLBC), utilizado en aplicaciones de VE para, por ejemplo, interfaces de carga de baterías auxiliares. Finalmente, se presentan resultados de simulación y experimentales para verificar el rendimiento del esquema de control propuesto.	es
dc.description.degree	Magíster en Ciencias de la Ingeniería Electrónica
dc.description.sponsorship	ANID-FONDECYT grant N°1210757
dc.description.sponsorship	ANID-Basal Proyect FB0008
dc.description.sponsorship	Advanced Center of Electrical and Electronics Engineering (AC3E) under ANID BASAL Project FB0008
dc.description.sponsorship	Dirección de Postgrado y Programas, Universidad Técnica Federico Santa María, Valparaíso, under Grant PIIC-025/2023.
dc.format.extent	128 páginas
dc.identifier.barcode	201680174UTFSM
dc.identifier.doi	10.71959/tkvf-5691
dc.identifier.uri	https://cris.usm.cl/handle/123456789/4391
dc.identifier.uri	https://doi.org/10.71959/tkvf-5691
dc.language.iso	en
dc.rights	Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International	en
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject	Model Predictive Control (MPC)
dc.subject	Active Thermal Control (ATC)
dc.subject	DC-DC Converter
dc.subject	Gallium Nitride (GaN)
dc.subject	Electric Vehicle (EV)
dc.subject	Two-Level Buck Converter (TLBC)
dc.subject.ods	9 Industria, innovación e infraestructura
dc.title	Modeling of GaN-based DC-DC Converters with Model Predictive Control and Active Thermal Control for Powertrain applications in Electric Vehicles
dc.type.driver	info:eu-repo/semantics/masterThesis
dspace.entity.type	Tesis

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