Analysis and Design Considerations of an Electric Vehicle Powertrain regarding Energy Efficiency and Magnetic Field Exposure

En esta tesis se analiza el sistema de tracción de un vehículo eléctrico de batería desde el punto de vista de la eficiencia energética y de la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros (radiación electromagnética). Este estudio incluye tanto el sistema de almacenamiento de energía como la máquina eléctrica, junto con la electrónica de potencia y los sistemas de control asociados a ambos. Los análisis y los resultados presentados en este texto están basados en modelos matemáticos, simulaciones por ordenador y ensayos experimentales a escala de laboratorio. La investigación llevada a cabo durante esta tesis tuvo siempre un marcado enfoque industrial, a pesar de estar desarrollada en un entorno de considerable carácter universitario. Las líneas de investigación acometidas tuvieron como destinatario final al diseñador y al fabricante del vehículo, a pesar de lo cual algunos de los resultados obtenidos son preliminares y/o excesivamente académicos para resultar de interés industrial. En el ámbito de la eficiencia energética, esta tesis estudia sistemas híbridos de almacenamiento de energía basados en una combinación de baterías de litio y supercondensadores. Este tipo de sistemas son analizados desde el punto de vista de la eficiencia mediante modelos matemáticos y simulaciones, cuantificando el impacto de ésta en otros parámetros tales como el envejecimiento de las baterías. Respecto a la máquina eléctrica, el estudio se ha centrado en máquinas síncronas de imanes permanentes. El análisis de la eficiencia considera tanto el diseño de la máquina como la estrategia de control, dejando parcialmente de lado el inversor y la técnica de modulación (que son incluidos en el estudio como fuentes adicionales de pérdidas, pero no como potenciales fuentes de optimización de la eficiencia). En este sentido, tanto la topología del inversor (trifásico, basado en IGBTs) como la técnica de modulación (control de corriente en banda de histéresis) se establecen desde el principio. El segundo aspecto estudiado en esta tesis es la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros. Este tema se enfoca desde un punto de vista predictivo, y no desde un punto de vista de diagnóstico, puesto que se ha desarrollado una metodología para estimar el campo magnético generado por los dispositivos de potencia de un vehículo eléctrico. Esta metodología ha sido validada mediante ensayos de laboratorio. Otros aspectos importantes de esta contribución, además de la metodología en sí misma, son las consecuencias que se derivan de ella (por ejemplo, recomendaciones de diseño) y la comprensión del problema proporcionada por esta. Las principales contribuciones de esta tesis se listan a continuación: una recopilación de modelos de pérdidas correspondientes a la mayoría de dispositivos de potencia presentes en un vehículo eléctrico de batería, una metodología para analizar el funcionamiento de un sistema híbrido de almacenamiento de energía para aplicaciones de tracción, una explicación de cómo ponderar energéticamente los puntos de operación par-velocidad de un vehículo eléctrico (de utilidad para evaluar el rendimiento de una máquina eléctrica, por ejemplo), una propuesta de incluir un convertidor DC-DC en el sistema de tracción para minimizar las pérdidas globales del accionamiento (a pesar de las nuevas pérdidas introducidas por el propio DC-DC), una breve comparación entre dos tipos distintos de algoritmos de minimización de pérdidas para máquinas síncronas de imanes permanentes, una metodología predictiva para estimar la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros de un vehículo eléctrico (debida a los equipos de potencia), y finalmente algunas conclusiones y recomendaciones de diseño respecto a dicha exposición a campos magnéticos. ABSTRACT This dissertation analyzes the powertrain of a battery electric vehicle, focusing on energy efficiency and passenger exposure to electromagnetic fields (electromagnetic radiation). This study comprises the energy storage system as well as the electric machine, along with their associated power electronics and control systems. The analysis and conclusions presented in this dissertation are based on mathematical models, computer simulations and laboratory scale tests. The research performed during this thesis was intended to be of industrial nature, despite being developed in a university. In this sense, the work described in this document was carried out thinking of both the designer and the manufacturer of the vehicle. However, some of the results obtained lack industrial readiness, and therefore they remain utterly academic. Regarding energy efficiency, hybrid energy storage systems consisting in lithium batteries, supercapacitors and up to two DC-DC power converters are considered. These kind of systems are analyzed by means of mathematical models and simulations from the energy efficiency point of view, quantifying its impact on other relevant aspects such as battery aging. Concerning the electric machine, permanent magnet synchronous machines are studied in this work. The energy efficiency analysis comprises the machine design and the control strategy, while the inverter and its modulation technique are taken into account but only as sources of further power losses, and not as potential sources for further efficiency optimization. In this sense, both the inverter topology (3-phase IGBT-based inverter) and the switching technique (hysteresis current control) are fixed from the beginning. The second aspect studied in this work is passenger exposure to magnetic fields. This topic is approached from the prediction point of view, rather than from the diagnosis point of view. In other words, a methodology to estimate the magnetic field generated by the power devices of an electric vehicle is proposed and analyzed in this dissertation. This methodology has been validated by laboratory tests. The most important aspects of this contribution, apart from the methodology itself, are the consequences (for instance, design guidelines) and the understanding of the magnetic radiation issue provided by it. The main contributions of this dissertation are listed next: a compilation of loss models for most of the power devices found in a battery electric vehicle powertrain, a simulation-based methodology to analyze hybrid energy storage performance in traction applications, an explanation of how to assign energy-based weights to different operating points in traction drives (useful when assessing electrical machine performance, for instance), a proposal to include one DC-DC converter in electric powertrains to minimize overall power losses in the system (despite the new losses added by the DC-DC), a brief comparison between two kinds of loss-minimization algorithms for permanent magnet synchronous machines in terms of adaptability and energy efficiency, a predictive methodology to estimate passenger magnetic field exposure due to power devices in an electric vehicle, and finally some useful conclusions and design guidelines concerning magnetic field exposure.

Bidirectional multiple port dc/dc transformer based on a series resonant converter

In this paper a novel bidirectional multiple port dc/dc transformer topology is presented. The novel concept for dc/dc transformer is based on the Series Resonant Converter (SRC)topology operated at its resonant frequency point. This allows for higher switching frequency to be adopted and enables high efficiency/high power density operation. The feasibility of the proposed concept is verified on a 300W, 700 kHz three port prototype with 390V input voltage and 48V and 12V output voltages. A peak overall efficiency of 93% is measured at full load. A very good load and cross regulation characteristic of the converter is observed in the whole load range, from full load to open circuit. The sensitivity analysis of the resonant capacitance is also performed showing very slight deterioration in the converter performances when a resonant capacitor is changed ±30% of its nominal value.

Multiple Input-Output Bidirectional Solid State Transformer Based on a Series Resonant Converter

Las fuentes de alimentación de modo conmutado (SMPS en sus siglas en inglés) se utilizan ampliamente en una gran variedad de aplicaciones. La tarea más difícil para los diseñadores de SMPS consiste en lograr simultáneamente la operación del convertidor con alto rendimiento y alta densidad de energía. El tamaño y el peso de un convertidor de potencia está dominado por los componentes pasivos, ya que estos elementos son normalmente más grandes y más pesados que otros elementos en el circuito. Para una potencia de salida dada, la cantidad de energía almacenada en el convertidor que ha de ser entregada a la carga en cada ciclo de conmutación, es inversamente proporcional a la frecuencia de conmutación del convertidor. Por lo tanto, el aumento de la frecuencia de conmutación se considera un medio para lograr soluciones más compactas con los niveles de densidad de potencia más altos. La importancia de investigar en el rango de alta frecuencia de conmutación radica en todos los beneficios que se pueden lograr: además de la reducción en el tamaño de los componentes pasivos, el aumento de la frecuencia de conmutación puede mejorar significativamente prestaciones dinámicas de convertidores de potencia. Almacenamiento de energía pequeña y el período de conmutación corto conducen a una respuesta transitoria del convertidor más rápida en presencia de las variaciones de la tensión de entrada o de la carga. Las limitaciones más importantes del incremento de la frecuencia de conmutación se relacionan con mayores pérdidas del núcleo magnético convencional, así como las pérdidas de los devanados debido a los efectos pelicular y proximidad. También, un problema potencial es el aumento de los efectos de los elementos parásitos de los componentes magnéticos - inductancia de dispersión y la capacidad entre los devanados - que causan pérdidas adicionales debido a las corrientes no deseadas. Otro factor limitante supone el incremento de las pérdidas de conmutación y el aumento de la influencia de los elementos parásitos (pistas de circuitos impresos, interconexiones y empaquetado) en el comportamiento del circuito. El uso de topologías resonantes puede abordar estos problemas mediante el uso de las técnicas de conmutaciones suaves para reducir las pérdidas de conmutación incorporando los parásitos en los elementos del circuito. Sin embargo, las mejoras de rendimiento se reducen significativamente debido a las corrientes circulantes cuando el convertidor opera fuera de las condiciones de funcionamiento nominales. A medida que la tensión de entrada o la carga cambian las corrientes circulantes incrementan en comparación con aquellos en condiciones de funcionamiento nominales. Se pueden obtener muchos beneficios potenciales de la operación de convertidores resonantes a más alta frecuencia si se emplean en aplicaciones con condiciones de tensión de entrada favorables como las que se encuentran en las arquitecturas de potencia distribuidas. La regulación de la carga y en particular la regulación de la tensión de entrada reducen tanto la densidad de potencia del convertidor como el rendimiento. Debido a la relativamente constante tensión de bus que se encuentra en arquitecturas de potencia distribuidas los convertidores resonantes son adecuados para el uso en convertidores de tipo bus (transformadores cc/cc de estado sólido). En el mercado ya están disponibles productos comerciales de transformadores cc/cc de dos puertos que tienen muy alta densidad de potencia y alto rendimiento se basan en convertidor resonante serie que opera justo en la frecuencia de resonancia y en el orden de los megahercios. Sin embargo, las mejoras futuras en el rendimiento de las arquitecturas de potencia se esperan que vengan del uso de dos o más buses de distribución de baja tensión en vez de una sola. Teniendo eso en cuenta, el objetivo principal de esta tesis es aplicar el concepto del convertidor resonante serie que funciona en su punto óptimo en un nuevo transformador cc/cc bidireccional de puertos múltiples para atender las necesidades futuras de las arquitecturas de potencia. El nuevo transformador cc/cc bidireccional de puertos múltiples se basa en la topología de convertidor resonante serie y reduce a sólo uno el número de componentes magnéticos. Conmutaciones suaves de los interruptores hacen que sea posible la operación en las altas frecuencias de conmutación para alcanzar altas densidades de potencia. Los problemas posibles con respecto a inductancias parásitas se eliminan, ya que se absorben en los Resumen elementos del circuito. El convertidor se caracteriza con una muy buena regulación de la carga propia y cruzada debido a sus pequeñas impedancias de salida intrínsecas. El transformador cc/cc de puertos múltiples opera a una frecuencia de conmutación fija y sin regulación de la tensión de entrada. En esta tesis se analiza de forma teórica y en profundidad el funcionamiento y el diseño de la topología y del transformador, modelándolos en detalle para poder optimizar su diseño. Los resultados experimentales obtenidos se corresponden con gran exactitud a aquellos proporcionados por los modelos. El efecto de los elementos parásitos son críticos y afectan a diferentes aspectos del convertidor, regulación de la tensión de salida, pérdidas de conducción, regulación cruzada, etc. También se obtienen los criterios de diseño para seleccionar los valores de los condensadores de resonancia para lograr diferentes objetivos de diseño, tales como pérdidas de conducción mínimas, la eliminación de la regulación cruzada o conmutación en apagado con corriente cero en plena carga de todos los puentes secundarios. Las conmutaciones en encendido con tensión cero en todos los interruptores se consiguen ajustando el entrehierro para obtener una inductancia magnetizante finita en el transformador. Se propone, además, un cambio en los señales de disparo para conseguir que la operación con conmutaciones en apagado con corriente cero de todos los puentes secundarios sea independiente de la variación de la carga y de las tolerancias de los condensadores resonantes. La viabilidad de la topología propuesta se verifica a través una extensa tarea de simulación y el trabajo experimental. La optimización del diseño del transformador de alta frecuencia también se aborda en este trabajo, ya que es el componente más voluminoso en el convertidor. El impacto de de la duración del tiempo muerto y el tamaño del entrehierro en el rendimiento del convertidor se analizan en un ejemplo de diseño de transformador cc/cc de tres puertos y cientos de vatios de potencia. En la parte final de esta investigación se considera la implementación y el análisis de las prestaciones de un transformador cc/cc de cuatro puertos para una aplicación de muy baja tensión y de decenas de vatios de potencia, y sin requisitos de aislamiento. Abstract Recently, switch mode power supplies (SMPS) have been used in a great variety of applications. The most challenging issue for designers of SMPS is to achieve simultaneously high efficiency operation at high power density. The size and weight of a power converter is dominated by the passive components since these elements are normally larger and heavier than other elements in the circuit. If the output power is constant, the stored amount of energy in the converter which is to be delivered to the load in each switching cycle is inversely proportional to the converter’s switching frequency. Therefore, increasing the switching frequency is considered a mean to achieve more compact solutions at higher power density levels. The importance of investigation in high switching frequency range comes from all the benefits that can be achieved. Besides the reduction in size of passive components, increasing switching frequency can significantly improve dynamic performances of power converters. Small energy storage and short switching period lead to faster transient response of the converter against the input voltage and load variations. The most important limitations for pushing up the switching frequency are related to increased conventional magnetic core loss as well as the winding loss due to the skin and proximity effect. A potential problem is also increased magnetic parasitics – leakage inductance and capacitance between the windings – that cause additional loss due to unwanted currents. Higher switching loss and the increased influence of printed circuit boards, interconnections and packaging on circuit behavior is another limiting factor. Resonant power conversion can address these problems by using soft switching techniques to reduce switching loss incorporating the parasitics into the circuit elements. However the performance gains are significantly reduced due to the circulating currents when the converter operates out of the nominal operating conditions. As the input voltage or the load change the circulating currents become higher comparing to those ones at nominal operating conditions. Multiple Input-Output Many potential gains from operating resonant converters at higher switching frequency can be obtained if they are employed in applications with favorable input voltage conditions such as those found in distributed power architectures. Load and particularly input voltage regulation reduce a converter’s power density and efficiency. Due to a relatively constant bus voltage in distributed power architectures the resonant converters are suitable for bus voltage conversion (dc/dc or solid state transformation). Unregulated two port dc/dc transformer products achieving very high power density and efficiency figures are based on series resonant converter operating just at the resonant frequency and operating in the megahertz range are already available in the market. However, further efficiency improvements of power architectures are expected to come from using two or more separate low voltage distribution buses instead of a single one. The principal objective of this dissertation is to implement the concept of the series resonant converter operating at its optimum point into a novel bidirectional multiple port dc/dc transformer to address the future needs of power architectures. The new multiple port dc/dc transformer is based on a series resonant converter topology and reduces to only one the number of magnetic components. Soft switching commutations make possible high switching frequencies to be adopted and high power densities to be achieved. Possible problems regarding stray inductances are eliminated since they are absorbed into the circuit elements. The converter features very good inherent load and cross regulation due to the small output impedances. The proposed multiple port dc/dc transformer operates at fixed switching frequency without line regulation. Extensive theoretical analysis of the topology and modeling in details are provided in order to compare with the experimental results. The relationships that show how the output voltage regulation and conduction losses are affected by the circuit parasitics are derived. The methods to select the resonant capacitor values to achieve different design goals such as minimum conduction losses, elimination of cross regulation or ZCS operation at full load of all the secondary side bridges are discussed. ZVS turn-on of all the switches is achieved by relying on the finite magnetizing inductance of the Abstract transformer. A change of the driving pattern is proposed to achieve ZCS operation of all the secondary side bridges independent on load variations or resonant capacitor tolerances. The feasibility of the proposed topology is verified through extensive simulation and experimental work. The optimization of the high frequency transformer design is also addressed in this work since it is the most bulky component in the converter. The impact of dead time interval and the gap size on the overall converter efficiency is analyzed on the design example of the three port dc/dc transformer of several hundreds of watts of the output power for high voltage applications. The final part of this research considers the implementation and performance analysis of the four port dc/dc transformer in a low voltage application of tens of watts of the output power and without isolation requirements.

Electrical Power Fluctuations in a Network of DC/AC inverters in a Large PV Plant: relationship between correlation, distance and time scale

This paper analyzes the correlation between the fluctuations of the electrical power generated by the ensemble of 70 DC/AC inverters from a 45.6 MW PV plant. The use of real electrical power time series from a large collection of photovoltaic inverters of a same plant is an impor- tant contribution in the context of models built upon simplified assumptions to overcome the absence of such data. This data set is divided into three different fluctuation categories with a clustering proce- dure which performs correctly with the clearness index and the wavelet variances. Afterwards, the time dependent correlation between the electrical power time series of the inverters is esti- mated with the wavelet transform. The wavelet correlation depends on the distance between the inverters, the wavelet time scales and the daily fluctuation level. Correlation values for time scales below one minute are low without dependence on the daily fluctuation level. For time scales above 20 minutes, positive high correlation values are obtained, and the decay rate with the distance depends on the daily fluctuation level. At intermediate time scales the correlation depends strongly on the daily fluctuation level. The proposed methods have been implemented using free software. Source code is available as supplementary material.

Loss model for a high frequency and low load DC/DC synchronous buck converter

This work presents a behavioral-analytical hybrid loss model for a buck converter. The model has been designed for a wide operating frequency range up to 4MHz and a low power range (below 20W). It is focused on the switching losses obtained in the power MOSFETs. Main advantages of the model are the fast calculation time and a good accuracy. It has been validated by simulation and experimentally with one Ga, power transistor and two Si MOSFETs. Results show good agreement between measurements and the model.

Hybrid behavioral-analytical loss model for a high frequency and low load DC/DC buck converter

This work presents a behavioral-analytical hybrid loss model for a buck converter. The model has been designed for a wide operating frequency range up to 4MHz and a low power range (below 20W). It is focused on the switching losses obtained in the power MOSFETs. Main advantages of the model are the fast calculation time (below 8.5 seconds) and a good accuracy, which makes this model suitable for the optimization process of the losses in the design of a converter. It has been validated by simulation and experimentally with one GaN power transistor and three Si MOSFETs. Results show good agreement between measurements and the model

Analysis and validation of a multiple output series resonant converter

In this paper a novel bidirectional multiple port dc/dc transformer topology is presented. The novel concept for dc/dc transformer is based on the Series Resonant Converter (SRC) topology operated at its resonant frequency point. This allows for higher switching frequency to be adopted and enables high efficiency/high power density operation. The feasibility of the proposed concept is verified on a 300W, 700 kHz three port prototype with 390V input voltage and 48V and 12V output voltages. A peak overall efficiency of 93% is measured at full load. A very good load and cross regulation characteristic of the converter is observed in the whole load range, from full load to open circuit. The sensitivity analysis of the resonant capacitance is also performed showing very slight deterioration in the converter performances when a resonant capacitor is changed ±30% of its nominal value.

Power Converter Topologies for a High Performance Transformer Rectifier Unit in Aircraft Applications

This paper presents some power converter architectures and circuit topologies, which can be used to achieve the requirements of the high performance transformer rectifier unit in aircraft applications, mainly as: high power factor with low THD, high efficiency and high power density. The voltage and the power levels demanded for this application are: three-phase line-to-neutral input voltage of 115 or 230V AC rms (360 – 800Hz), output voltage of 28V DC or 270V DC(new grid value) and the output power up to tens of kilowatts.

Multiphase Design and Control Techniques Applied to a Forward Micro-Inverter

En la última década la potencia instalada de energía solar fotovoltaica ha crecido una media de un 49% anual y se espera que alcance el 16%del consumo energético mundial en el año 2050. La mayor parte de estas instalaciones se corresponden con sistemas conectados a la red eléctrica y un amplio porcentaje de ellas son instalaciones domésticas o en edificios. En el mercado ya existen diferentes arquitecturas para este tipo de instalaciones, entre las que se encuentras los módulos AC. Un módulo AC consiste en un inversor, también conocido como micro-inversor, que se monta en la parte trasera de un panel o módulo fotovoltaico. Esta tecnología ofrece modularidad, redundancia y la extracción de la máxima potencia de cada panel solar de la instalación. Además, la expansión de esta tecnología posibilitará una reducción de costes asociados a las economías de escala y a la posibilidad de que el propio usuario pueda componer su propio sistema. Sin embargo, el micro-inversor debe ser capaz de proporcionar una ganancia de tensión adecuada para conectar el panel solar directamente a la red, mientras mantiene un rendimiento aceptable en un amplio rango de potencias. Asimismo, los estándares de conexión a red deber ser satisfechos y el tamaño y el tiempo de vida del micro-inversor son factores que han de tenerse siempre en cuenta. En esta tesis se propone un micro-inversor derivado de la topología “forward” controlado en el límite entre los modos de conducción continuo y discontinuo (BCM por sus siglas en inglés). El transformador de la topología propuesta mantiene la misma estructura que en el convertidor “forward” clásico y la utilización de interruptores bidireccionales en el secundario permite la conexión directa del inversor a la red. Asimismo el método de control elegido permite obtener factor de potencia cercano a la unidad con una implementación sencilla. En la tesis se presenta el principio de funcionamiento y los principales aspectos del diseño del micro-inversor propuesto. Con la idea de mantener una solución sencilla y de bajo coste, se ha seleccionado un controlador analógico que está originalmente pensado para controlar un corrector del factor de potencia en el mismo modo de conducción que el micro-inversor “forward”. La tesis presenta las principales modificaciones necesarias, con especial atención a la detección del cruce por cero de la corriente (ZCD por sus siglas en inglés) y la compatibilidad del controlador con la inclusión de un algoritmo de búsqueda del punto de máxima potencia (MPPT por sus siglas en inglés). Los resultados experimentales muestran las limitaciones de la implementación elegida e identifican al transformador como el principal contribuyente a las pérdidas del micro-inversor. El principal objetivo de esta tesis es contribuir a la aplicación de técnicas de control y diseño de sistemas multifase en micro-inversores fotovoltaicos. En esta tesis se van a considerar dos configuraciones multifase diferentes aplicadas al micro-inversor “forward” propuesto. La primera consiste en una variación con conexión paralelo-serie que permite la utilización de transformadores con una relación de vueltas baja, y por tanto bien acoplados, para conseguir una ganancia de tensión adecuada con un mejor rendimiento. Esta configuración emplea el mismo control BCM cuando la potencia extraída del panel solar es máxima. Este método de control implica que la frecuencia de conmutación se incrementa considerablemente cuando la potencia decrece, lo que compromete el rendimiento. Por lo tanto y con la intención de mantener unos bueno niveles de rendimiento ponderado, el micro-inversor funciona en modo de conducción discontinuo (DCM, por sus siglas en inglés) cuando la potencia extraía del panel solar es menor que la máxima. La segunda configuración multifase considerada en esta tesis es la aplicación de la técnica de paralelo con entrelazado. Además se han considerado dos técnicas diferentes para decidir el número de fases activas: dependiendo de la potencia continua extraída del panel solar y dependiendo de la potencia instantánea demandada por el micro-inversor. La aplicación de estas técnicas es interesante en los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica por la posibilidad que brindan de obtener un rendimiento prácticamente plano en un amplio rango de potencia. Las configuraciones con entrelazado se controlan en DCM para evitar la necesidad de un control de corriente, lo que es importante cuando el número de fases es alto. Los núcleos adecuados para todas las configuraciones multifase consideradas se seleccionan usando el producto de áreas. Una vez seleccionados los núcleos se ha realizado un diseño detallado de cada uno de los transformadores. Con la información obtenida de los diseños y los resultados de simulación, se puede analizar el impacto que el número de transformadores utilizados tiene en el tamaño y el rendimiento de las distintas configuraciones. Los resultados de este análisis, presentado en esta tesis, se utilizan posteriormente para comparar las distintas configuraciones. Muchas otras topologías se han presentado en la literatura para abordar los diferentes aspectos a considerar en los micro-inversores, que han sido presentados anteriormente. La mayoría de estas topologías utilizan un transformador de alta frecuencia para solventar el salto de tensión y evitar problemas de seguridad y de puesta a tierra. En cualquier caso, es interesante evaluar si topologías sin aislamiento galvánico son aptas para su utilización como micro-inversores. En esta tesis se presenta una revisión de inversores con capacidad de elevar tensión, que se comparan bajo las mismas especificaciones. El objetivo es proporcionar la información necesaria para valorar si estas topologías son aplicables en los módulos AC. Las principales contribuciones de esta tesis son: • La aplicación del control BCM a un convertidor “forward” para obtener un micro-inversor de una etapa sencillo y de bajo coste. • La modificación de dicho micro-inversor con conexión paralelo-series de transformadores que permite reducir la corriente de los semiconductores y una ganancia de tensión adecuada con transformadores altamente acoplados. • La aplicación de técnicas de entrelazado y decisión de apagado de fases en la puesta en paralelo del micro-inversor “forward”. • El análisis y la comparación del efecto en el tamaño y el rendimiento del incremento del número de transformadores en las diferentes configuraciones multifase. • La eliminación de las medidas y los lazos de control de corriente en las topologías multifase con la utilización del modo de conducción discontinuo y un algoritmo MPPT sin necesidad de medida de corriente. • La recopilación y comparación bajo las mismas especificaciones de topologías inversoras con capacidad de elevar tensión, que pueden ser adecuadas para la utilización como micro-inversores. Esta tesis está estructurada en seis capítulos. El capítulo 1 presenta el marco en que se desarrolla la tesis así como el alcance de la misma. En el capítulo 2 se recopilan las topologías existentes de micro-invesores con aislamiento y aquellas sin aislamiento cuya implementación en un módulo AC es factible. Asimismo se presenta la comparación entre estas topologías bajo las mismas especificaciones. El capítulo 3 se centra en el micro-inversor “forward” que se propone originalmente en esta tesis. La aplicación de las técnicas multifase se aborda en los capítulos 4 y 5, en los que se presentan los análisis en función del número de transformadores. El capítulo está orientado a la propuesta paralelo-serie mientras que la configuración con entrelazado se analiza en el capítulo 5. Por último, en el capítulo 6 se presentan las contribuciones de esta tesis y los trabajos futuros. ABSTRACT In the last decade the photovoltaic (PV) installed power increased with an average growth of 49% per year and it is expected to cover the 16% of the global electricity consumption by 2050. Most of the installed PV power corresponds to grid-connected systems, with a significant percentage of residential installations. In these PV systems, the inverter is essential since it is the responsible of transferring into the grid the extracted power from the PV modules. Several architectures have been proposed for grid-connected residential PV systems, including the AC-module technology. An AC-module consists of an inverter, also known as micro-inverter, which is attached to a PV module. The AC-module technology offers modularity, redundancy and individual MPPT of each module. In addition, the expansion of this technology will enable the possibility of economies of scale of mass market and “plug and play” for the user, thus reducing the overall cost of the installation. However, the micro-inverter must be able to provide the required voltage boost to interface a low voltage PV module to the grid while keeping an acceptable efficiency in a wide power range. Furthermore, the quality standards must be satisfied and size and lifetime of the solutions must be always considered. In this thesis a single-stage forward micro-inverter with boundary mode operation is proposed to address the micro-inverter requirements. The transformer in the proposed topology remains as in the classic forward converter and bidirectional switches in the secondary side allows direct connection to the grid. In addition the selected control strategy allows high power factor current with a simple implementation. The operation of the topology is presented and the main design issues are introduced. With the intention to propose a simple and low-cost solution, an analog controller for a PFC operated in boundary mode is utilized. The main necessary modifications are discussed, with the focus on the zero current detection (ZCD) and the compatibility of the controller with a MPPT algorithm. The experimental results show the limitations of the selected analog controller implementation and the transformer is identified as a main losses contributor. The main objective of this thesis is to contribute in the application of control and design multiphase techniques to the PV micro-inverters. Two different multiphase configurations have been applied to the forward micro-inverter proposed in this thesis. The first one consists of a parallel-series connected variation which enables the use of low turns ratio, i.e. well coupled, transformers to achieve a proper voltage boost with an improved performance. This multiphase configuration implements BCM control at maximum load however. With this control method the switching frequency increases significantly for light load operation, thus jeopardizing the efficiency. Therefore, in order to keep acceptable weighted efficiency levels, DCM operation is selected for low power conditions. The second multiphase variation considered in this thesis is the interleaved configuration with two different phase shedding techniques: depending on the DC power extracted from the PV panel, and depending on the demanded instantaneous power. The application of interleaving techniques is interesting in PV grid-connected inverters for the possibility of flat efficiency behavior in a wide power range. The interleaved variations of the proposed forward micro-inverter are operated in DCM to avoid the current loop, which is important when the number of phases is large. The adequate transformer cores for all the multiphase configurations are selected according to the area product parameter and a detailed design of each required transformer is developed. With this information and simulation results, the impact in size and efficiency of the number of transformer used can be assessed. The considered multiphase topologies are compared in this thesis according to the results of the introduced analysis. Several other topological solutions have been proposed to solve the mentioned concerns in AC-module application. The most of these solutions use a high frequency transformer to boost the voltage and avoid grounding and safety issues. However, it is of interest to assess if the non-isolated topologies are suitable for AC-module application. In this thesis a review of transformerless step-up inverters is presented. The compiled topologies are compared using a set benchmark to provide the necessary information to assess whether non-isolated topologies are suitable for AC-module application. The main contributions of this thesis are: • The application of the boundary mode control with constant off-time to a forward converter, to obtain a simple and low-cost single-stage forward micro-inverter. • A modification of the forward micro-inverter with primary-parallel secondary-series connected transformers to reduce the current stress and improve the voltage gain with highly coupled transformers. •The application of the interleaved configuration with different phase shedding strategies to the proposed forward micro-inverter. • An analysis and comparison of the influence in size and efficiency of increasing the number of transformers in the parallel-series and interleaved multiphase configurations. • Elimination of the current loop and current measurements in the multiphase topologies by adopting DCM operation and a current sensorless MPPT. • A compilation and comparison with the same specifications of suitable non-isolated step-up inverters. This thesis is organized in six chapters. In Chapter 1 the background of single-phase PV-connected systems is discussed and the scope of the thesis is defined. Chapter 2 compiles the existing solutions for isolated micro-inverters and transformerless step-up inverters suitable for AC-module application. In addition, the most convenient non-isolated inverters are compared using a defined benchmark. Chapter 3 focuses on the originally proposed single-stage forward micro-inverter. The application of multiphase techniques is addressed in Chapter 4 and Chapter 5, and the impact in different parameters of increasing the number of phases is analyzed. In Chapter 4 an original primary-parallel secondary-series variation of the forward micro-inverter is presented, while Chapter 5 focuses on the application of the interleaved configuration. Finally, Chapter 6 discusses the contributions of the thesis and the future work.

Multiphase transformer-coupled converter: two different strategies for energy conversion

The operation of a multiphase topology, ideally, without energy storage presents the advantage of achieving very high efficiency over a wide load range as well as a fast dynamic response. However, ideal no-energy storage operation also implies a limitation in the regulation capability of the topology, the output voltage can only take discrete values. These features (high efficiency and discrete regulation capability) of the proposed energy conversion strategy enable the topology as a candidate for `DC-DC transformer' applications. The advantages, drawbacks and the operating principle of this concept, implemented with a `closed chain' magnetic structure have been already presented. In this work, the minimum energy storage operation, is applied to two different magnetic structures. These magnetic structures are called `closed chain' and `pyramidal' the main advantage of the `pyramidal' coupling structure is to improve the size of the converter without increasing the operating frequency. Both magnetic structures are analyzed, compared and experimentally implemented.

Single-Stage Grid-Connected Forward Microinverter with Boundary Mode Control

This paper presents a microinverter to be integrated into a solar module. The proposed solution combines a forward converter and a constant off-time boundary mode control, providing MPPT capability and unity power factor in a single-stage converter. The transformer structure of the power stage remains as in the classical DC-DC forward converter. Transformer primary windings are utilized for power transfer or demagnetization depending on the grid semi-cycle. Furthermore, bidirectional switches are used on the secondary side allowing direct connection of the inverter to the grid. Design considerations for the proposed solution are provided, regarding the inductance value, transformer turns ratio and frequency variation during a line semi-cycle. The decoupling of the twice the line frequency power pulsation is also discussed, as well as the maximum power point tracking (MPPT) capability. Simulation and experimental results for a 100W prototype are enclosed

Stability and Transient Performance Assessment in a COTS-Module-Based Distributed DC/DC System

This paper introduces a method to analyze and predict stability and transient performance of a distributed system where COTS (Commercial-off-the-shelf) modules share an input filter. The presented procedure is based on the measured data from the input and output terminals of the power modules. The required information for the analysis is obtained by performing frequency response measurements for each converter. This attained data is utilized to compute special transfer functions, which partly determine the source and load interactions within the converters. The system level dynamic description is constructed based on the measured and computed transfer functions introducing cross-coupling mechanisms within the system. System stability can be studied based on the well-known impedance- related minor-loop gain at an arbitrary interface within the system.

PWM Control of a Buck Converter with an Amorphous Core Coil

Pulse-width modulation is widely used to control electronic converters. One of the most topologies used for high DC voltage/low DC voltage conversion is the Buck converter. It is obtained as a second order system with a LC filter between the switching subsystem and the load. The use of a coil with an amorphous magnetic material core instead of air core lets design converters with smaller size. If high switching frequencies are used for obtaining high quality voltage output, the value of the auto inductance L is reduced throughout the time. Then, robust controllers are needed if the accuracy of the converter response must not be affected by auto inductance and load variations. This paper presents a robust controller for a Buck converter based on a state space feedback control system combined with an additional virtual space variable which minimizes the effects of the inductance and load variations when a not-toohigh switching frequency is applied. The system exhibits a null steady-state average error response for the entire range of parameter variations. Simulation results are presented.

An overview of fast DC-DC converters for envelope amplifier in RF transmitters

In the last years, RF power amplifiers are taking advantage of the switched dc-dc converters to use them in several architectures that may improve the efficiency of the amplifier, keeping a good linearity. The use of linearization techniques such as Envelope Elimination and Restoration (EER) and Envelope Tracking (ET) requires a very fast dc-dc power converter to provide variable voltage supply to the power amplifier but theoretically the efficiency can be much higher than using the classical amplifiers belonging to classes A, B or AB. The purpose of this paper is to analyze the state of the art of the power converters used as envelope amplifiers in this application where a fast output voltage variation is required. The power topologies will be explored and several important parameters such as efficiency, bandwidth and output voltage range will be discussed.

Excitación y control de IGBTs de un inversor trifásico sinusoidal

El origen del proyecto se encuentra en la mejora de un inversor trifásico sinusoidal comercial sobre la base del estudio de las técnicas de excitación óptimas para los IGBTs que lo componen en su etapa de potencia. En las primeras fases de planteamiento del proyecto se propone una idea mucho más ambiciosa, la realización de un nuevo convertidor de emergencia, destinado al sector ferroviario, para dar servicio de climatización. Este convertidor está formado por la asociación en cascada de un bloque DC/DC elevador y un bloque inversor DC/AC trifásico controlado mediante PWM con modulación sinusoidal. Se pretendía así dar solución a las siguientes problemáticas detectadas en los convertidores comercializados hasta el momento: un bloque elevador excesivamente sobredimensionado, subsistemas de control independientes para los dos bloques que configuran el convertidor, adicionalmente, la tarjeta driver se rediseña con cada cambio de especificaciones por parte de un nuevo cliente y finalmente, las comunicaciones tanto de diagnosis como de mantenimiento necesitaban una importante actualización. Inicialmente, se ha realizado un estudio teórico de los bloques elevador e inversor para poder realizar el diseño y dimensionamiento de sus componentes tanto semiconductores como electromagnéticos. Una vez completada la parte de potencia, se estudia el control que se realiza mediante medidas directas y simulación tanto de la estrategia de control del elevador como del inversor. Así se obtiene una información completa de la funcionalidad de las tarjetas existentes. Se desea realizar el diseño de una única tarjeta controladora y una única tarjeta de drivers para ambos bloques. Por problemas ajenos, en el transcurso de este proyecto se cancela su realización comercial, con lo que se decide al menos crear la placa de control y poder gobernar un convertidor ya existente, sustituyendo la tarjeta de control del bloque elevador. Para poder fabricar la placa de control se divide en dos tarjetas que irán conectadas en modo sándwich. En una tarjeta está el microcontrolador y en otra está todo el interface necesario para operar con el sistema: entradas y salidas digitales, entradas y salidas analógicas, comunicación CAN, y un pequeño DC/DC comercial que proporciona alimentación al prototipo. Se realiza un pequeño programa funcional para poder manejar el convertidor, el cual con una tensión de 110V DC, proporciona a la salida una tensión de 380V AC. Como ya se ha expuesto, debido a la cancelación del proyecto industrial no se profundiza más en su mejora y se decide proponerlo para su evaluación en su fase actual. ABSTRACT. The beginning of the project is found in the improvement of a commercial sine wave three phase inverter which is based in a study about optimal excitation techniques to IGBTs which compose in the power stage. In the early phases of project it is proposed a much more ambitious idea, the fact of a new emergency converter, proposed for the rail sector to work in an air condition unit. This converter is formed by an association of a block cascaded DC/DC booster and a block DC/AC inverter three-phase controlled by a sine wave modulation PWM. The purposed was to give a solution to following problems detected in commercial converters nowadays: an excessively oversized block boost, independent control subsystems for two blocks that configure the converter. In addition, driver board is redesigned with each specifications change demand it a new customer, and finally, the communications, diagnostic and maintenance that needed a important upgrade. Initially, it has been performed a theoretical study of boost and the inverter blocks to be able to perform the component’s design and the size (semiconductor and electromagnetic fields). Once finished power study, it is analysed the control performed using direct measures and simulation of boost control strategy and inverter. With this it is obtained complete information about existing cards functionality. The project is looking for the design of just one controller card and one drivers´ card for both blocks. By unrelated problems, during the course of this project a commercial realization. So at least its decided to create control board to be able to existing converter, replacing boost block’s control board. To be able to manufacture control board it is divided in two cards connected in sandwiching mode. In a card is microcontroller and in another is all needed interface to operate with the system: digital inputs and outputs, analogical inputs and outputs, CAN communication, and a small DC / DC business that provide power supply to the prototype. It is performed a small functional program to handle the converter, which with an input voltage 110V DC provides an output voltage 380V AC. As already has been exposed, due to industrial project cancellation it is decided no to continue with all improvements and directly to evaluate it in the current phase.