ARCP inverter analysis and optimal design

This thesis investigates the operation of the auxiliary resonant commutated pole (ARCP) inverter, deriving the mathematical equation which describe the most meaningful current and voltage waveforms of this circuit. Starting from this point, the document examines the performance index of the ARCP structure, discussing how design choices influence the behaviour of the inverter, focusing on efficiency, output current ripple, EMI generation, components volume and cost. The information derived are then used to implement and optimal design algorithm, specifically targeting the architecture necessity of the ARCP structure. A multi-objective optimization has been adopted to set the value of the resonant inductor and capacitor, which are the crucial devices of this inverter. The results obtained not only suggest a different methodology for the design of this power converter, but also indicate how this architecture based on soft switching technique might become of interest in the next future, due to its high efficiency and increased switching frequency capability.

Questa tesi approfondisce il funzionamento dell’auxiliary resonant commuteted pole (ARCP) inverter, derivando le equazioni matematiche che descrivono le forme d’onda di maggior interesse per questo circuito. Partendo da qui, questo lavoro esamina le performance di maggior rilievo della struttura ARCP, discutendo di come le scelte progettuali influenzino la resa dell’inverter, ponendo l’attenzione in particolar modo sull’efficienza, il ripple della corrente di output, la generazione di EMI, il costo ed il volume occupato dai componenti scelti per la struttura. Le informazioni ottenute sono poi utilizzate per implementare un algoritmo di progetto ottimale, specifico per le necessità dell’architettura ARCP. E’ stata scelta una ottimizzazione multi-objective per decidere i parametri dell’induttore e dei condensatori del circuito risonante, poiché questi sono i componenti cruciali della struttura. I risultati ottenuti non solo suggeriscono una metodologia di design differente per questo power converter, ma indicano inoltre come questa architettura, che sfrutta le tecniche di soft-switching, possa essere valutata favorevolmente nel prossimo futuro, grazie all’elevata efficienza e alla possibilità di utilizzare frequenze di switching più elevate rispetto ad un inverter standard.