Design and modelling of a multi-winding transformer for electric vehicle dc charging station

Transformers are still widely used for adjusting the voltage and current levels; one of their most recent application areas is electric vehicles (EV) dc charging stations. In order to provide charging to several vehicles simultaneously, it is possible to employ a multi-winding transformer consisting of one primary and a few separate secondary windings. In the introductory chapters of the following work, a brief summary of the transformer theory and self- and mutual inductance effects is presented and the general EV charging station system is described, emphasizing the advantages of using a multi-winding transformer. Two different topologies of ac-dc power conversion are presented: one consisting of a diode bridge rectifier and step-up/down converter and the other one of a voltage source converter operating as a boost rectifier. A comparison between them is made in terms of components choice, control complexity and waveforms quality. The core work starts with a simple, but at the same time detailed design procedure of four- and six-coil transformers for the given application. The parameters of the equivalent network of each transformer are identified by using classical analytical approach and coils geometry as input variables. The aim of this modelling procedure is to estimate the copper and core losses in ideal sinusoidal operating conditions. After having selected one of the designs proposed, based on its characteristics and modelling ease, a more detailed analysis of the transformer performances in distorted conditions is presented. Harmonic components of the secondary and primary transformer currents are determined by Fourier analysis, and total harmonic distortion, copper and core losses, as well as transformer efficiency are estimated. Waveforms are obtained by synthesis of the Fourier components. Different pulse-width modulation techniques are analyzed in terms of switching frequency and carriers’ phases; unbalanced load conditions are investigated as well. A brief temperature validation of the transformer design is done according to the relevant standards.

I trasformatori sono ancora ampiamente utilizzati per regolare i livelli di tensione e corrente; una delle aree di applicazione più recenti sono le stazioni di ricarica in corrente continua per veicoli elettrici (EV). Al fine di fornire la ricarica a più veicoli contemporaneamente, è possibile impiegare un trasformatore a più avvolgimenti costituito da un avvolgimento primario e alcuni avvolgimenti secondari separati. Nei capitoli introduttivi del seguente lavoro, viene presentato un breve riassunto della teoria del trasformatore e degli effetti di autoinduttanza e di induttanza reciproca e viene descritto il sistema generale di stazioni di ricarica EV, sottolineando i vantaggi dell'utilizzo di un trasformatore a più avvolgimenti. Sono presentate due diverse topologie di conversione di potenza in ca-cc: una costituita da un raddrizzatore a ponte di diodi e un convertitore step-up / down e l'altra da un convertitore di sorgente di tensione che funge da raddrizzatore boost. Viene effettuato un confronto tra loro in termini di scelta dei componenti, complessità del controllo e qualità delle forme d'onda. Il lavoro di base inizia con una procedura di progettazione semplice ma allo stesso tempo dettagliata di trasformatori a quattro e sei avvolgimenti per la specifica applicazione. I parametri della rete equivalente di ciascun trasformatore sono identificati usando l'approccio analitico classico e la geometria degli avvolgimenti come variabili di input. Lo scopo di questa procedura di modellizzazione è stimare le perdite di rame e di ferro in condizioni operative sinusoidali ideali. Dopo aver selezionato uno dei progetti proposti, in base alle sue caratteristiche e alla facilità di modellazione, viene presentata un'analisi più dettagliata delle prestazioni del trasformatore in condizioni distorte. I componenti armonici delle correnti del trasformatore secondario e primario sono determinati dall'analisi di Fourier e vengono stimate la distorsione armonica totale e le perdite di rame e di ferro, nonché l'efficienza del trasformatore. Le forme d'onda sono ottenute per sintesi dei componenti di Fourier. Vengono analizzate diverse tecniche di modulazione della larghezza di impulso in termini di frequenza di commutazione e fasi dei portatori e vengono studiate anche le condizioni di carico sbilanciato. Viene eseguita una breve convalida della temperatura del progetto del trasformatore secondo le norme pertinenti.