Hardware-in-the-loop implementation of single- and dual-phase shift control for dual active bridge converters in EV applications

Isolated DC-DC converters play a significant role in fast charging and maintaining the variable output voltage for EV applications. This study aims to investigate the different Isolated DC-DC converters for onboard and offboard chargers, then, once the topology is selected, study the control techniques and, finally, achieve a real-time converter model to accomplish Hardware-In-The-Loop (HIL) results. Among the different isolated DC-DC topologies, the Dual Active Bridge (DAB) converter has the advantage of allowing bidirectional power flow, which enables operating in both Grid to Vehicle (G2V) and Vehicle to Grid (V2G) modalities. Recently, DAB has been used in the offboard chargers for high voltage applications due to SiC and GaN MOSFETs; this new technology also allows the utilization of higher switching frequencies. By empowering soft switching techniques to reduce switching losses, higher switching frequency operation is possible in DAB. There are four phase shift control techniques for the DAB converter. They are Single Phase shift, Extended Phase shift, Dual Phase shift, Triple Phase shift controls. This thesis considers two control strategies; Single-Phase, and Dual-Phase shifts, to understand the circulating currents, power losses, and output capacitor size reduction in the DAB. Hardware-In-The-Loop (HIL) experiments are carried out on both controls with high switching frequencies using the PLECS software tool and the RT box supporting the PLECS. Root Mean Square Error is also calculated for steady-state values of output voltage with different sampling frequencies in both the controls to identify the achievable sampling frequency in real-time. DSP implementation is also executed to emulate the optimized DAB converter design, and final real-time simulation results are discussed for both the Single-Phase and Dual-Phase shift controls.

Convertitori elettronici di potenza ad alta frequenza di commutazione con isolamento galvanico

L’importanza sempre crescente dell’elettronica è accompagnata da una crescente necessità di compattezza ed efficienza energetica. Una parte sostanziale del costo e delle dimensioni dei moderni dispositivi elettronici è legata ai sistemi di conversione di potenza, il cui volume è dominato dai passivi. Per poter affrontare la miniaturizzazione dei circuiti elettronici di potenza sono dunque necessari metodi di design e tecnologie che permettano di ridurre i requisiti di immagazzinamento di energia. Un possibile approccio è aumentare la frequenza di commutazione nel range delle decine di MHz facendo in modo che l’efficienza non venga penalizzata dall’aumento delle perdite in commutazione. Ciò è reso possibile dall’impiego di topologie di convertitori risonanti che implementano la condizione ZVS. Oltre all’impiego di convertitori risonanti, l’aumento della frequenza operativa, mantenendo elevata l’efficienza, è abilitato dall’impiego di dispositivi a semiconduttore a largo band-gap come il nitruro di gallio (GaN), i quali mostrano performance superiori al silicio in termini di temperature operative, frequenze di funzionamento e densità di potenza. Inoltre, ad elevate frequenze di commutazione, l’utilizzo di magnetici coreless diventa una valida alterativa ai magnetici tradizionali, con vantaggi in termini di costo, ingombro e di efficienza. Il focus di questa tesi è il progetto di un convertitore DC-DC risonante con isolamento coreless ad alta efficienza e ad alta frequenza in tecnologia GaN a 650 V pensato per applicazioni wall-adapter. A seguito dello studio di alcune topologie di inverter risonanti e dei rispettivi rettificatori, si è scelta la topologia phi2 per il design del convertitore DC-DC double phi2 isolato (simulato con LTspice). È stato poi effettuato il design di un trasformatore coreless su PCB tramite simulatore elettromagnetico (ADS Keysight Momentum). Il convertitore complessivo presenta un’efficienza del 95,8% con una efficienza del link del 98%.