Revisione topologica e ottimizzazione a simulatore di un convertitore automotive isolato da 800V a 12V

The soft switching topologies sought for the realization of an isolated and fail-operational bidirectional converter from 800V to 12V and indicated in the bibliographic review chapter have been considered separately for the inverter, for the rectifier side and for the various modulation algorithms of the power transfer. The optimization of the rectifier side of the mono-directional "phase shift full bridge" (PSFB) topology was discussed with an innovative control that allowed its efficiency increase. The new best bidirectional topologies that exploit the ZVS on both sides have been compared and numerically analyzed. This thesis presents a bidirectional "dual active bridge" (DAB) module from 800V to 12V, iteratively optimized in stationary and starting conditions for a wide range of direct current loads, through parametric LTspice simulation to realize an automotive fail-operational isolated converter. All closed loop simulation schemes of the output filter complete module have been reported. The thesis analyzes in detail the operation of the DAB module with the phase shift controls. High-efficiency operating modes that verify ZVS have been described by time points. The thesis identifies and describes the unreported switching mechanisms occurring at heavy load in the converter module with a high transformation ratio. The optimization has allowed to obtain in the simulation efficiency of the MOSFET more than 99% for nominal load currents from 50% to 100%. Further innovations are a bidirectional current control with a third-order output filter, and the unsuitable fault-tolerance in CLLC topology.

Le topologie soft switching ricercate per la realizzazione di un convertitore bidirezionale isolato e fail-operational da 800V a 12V ed indicate nel capitolo di revisione bibliografica sono state considerate separatamente per l’inverter, per il raddrizzatore e per i vari algoritmi di modulazione del trasferimento di potenza. L’ottimizzazione del lato raddrizzatore della topologia monodirezionale “phase shift full bridge” (PSFB) è stata discussa con un controllo innovativo che ha permesso di aumentarne l’efficienza. Le nuove migliori topologie bidirezionali che sfruttano le commutazioni a zero tensione (ZVS) da entrambi i lati sono state confrontate ed analizzate numericamente. Questa tesi presenta un modulo “dual active bridge” (DAB) bidirezionale da 800V a 12V ottimizzato iterativamente nelle condizioni di regime ed avviamento per un’ampia gamma di carichi in corrente continua tramite simulazione parametrica con LTspice per realizzare un convertitore isolato fail-operational per automotive. Tutti gli schemi di simulazione ad anello chiuso del modulo completo di filtro di uscita sono stati riportati. La tesi analizza in dettaglio il funzionamento del modulo DAB con il controllo a slittamenti di fase. I modi di funzionamento della zona operativa ad alta efficienza nella quale le commutazioni sono tutte ZVS sono stati descritti per istanti di tempo. La tesi identifica e descrive dei meccanismi di commutazione a forte carico che si verificano nel modulo convertitore ad elevato rapporto di trasformazione e non evidenziati nella letteratura di riferimento. L’ottimizzazione ha permesso di ottenere in simulazione efficienza dei MOSFET superiore al 99% per correnti di carico dal 50% al 100% della corrente nominale. Ulteriori innovazioni trattate sono il controllo in corrente bidirezionale con un filtro di uscita del terzo ordine, e un’analisi della tolleranza a guasti della topologia CLLC.