The dual active bridge and multiport converter for electric vehicle (EV) charging

The widespread use of galvanically isolated bi-directional DC-DC converters in automotive and space applications has opened a new avenue for the Dual Active Bridge (DAB) converters. The major features of such a converter revolve around the efficiency of power transfer, minimized switching and conduction losses and higher DC output power. This thesis work analyses the operation, thermal loss, and modulation of a DAB converter. The analytical equations concerning the leakage inductor current are mathematically formulated and a methodology is adopted to estimate the thermal losses in the semiconductor switches of the DAB converter. The switching and conduction losses in the Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFETs) are evaluated by using the periodic impulse average and periodic average functions. The combined losses in both the bridges turned out to be around 93W. Further, the output DC power is calculated using product of the current and voltage blocks in PLECS simulation, and a graphical plot fixating value of 1.12kW is obtained. The design of passive components for the converter are in line with the obtained results. Further, the soft-switching phenomenon is analyzed and the relevance of inductor current and dead time for accomplishing Zero Voltage Switching (ZVS) is presented as an explanatory figure. The modulation techniques are important discussion points for they dictate the phase shift, nature of switching signals, voltage induced across the bridges, and efficiency of power transfer in the DAB. The graphical representation of the conventional phase-shift modulation (C-PSM) and the phase-shifted pulse width modulation (PS-PWM) give crucial information. The RMS inductor current values are 4.17A and 3.65A respectively. The efficiency of power transfer is also obtained for varying voltage conversion ratios (VCR). Both the indicators suggest that PS-PWM is a better suited modulation scheme than the C-PSM for power transfer across the DAB converter. The way-ahead for a multi-active bridge converter-based topology such as the triple active bridge (TAB) is proposed. The preliminary modelling of the passive components for the front-end AC-DC converter is presented and the design of the dc-link capacitor is done considering the output voltage ripple requirements. In conclusion, the future work that can be built on the basis of the thesis is highlighted. The potential innovations that can contribute to a cleaner and greener transportation system in the future is also stressed upon.

L'uso diffuso di convertitori DC-DC bidirezionali isolati galvanicamente nelle applicazioni automobilistiche e spaziali ha aperto una nuova strada per i convertitori a doppio ponte attivo (DAB). Le caratteristiche principali di un convertitore di questo tipo ruotano attorno all'efficienza del trasferimento di potenza, alla minimizzazione delle perdite di commutazione e di conduzione e alla maggiore potenza di uscita in corrente continua. Questo lavoro di tesi analizza il funzionamento, le perdite termiche e la modulazione di un convertitore DAB. Vengono formulate matematicamente le equazioni analitiche relative alla corrente di dispersione dell'induttore e viene adottata una metodologia per stimare le perdite termiche negli interruttori a semiconduttore del convertitore DAB. Le perdite di commutazione e di conduzione nei transistor a semiconduttore a ossido metallico (MOSFET) sono valutate utilizzando le funzioni di media periodica e media periodica. Le perdite combinate in entrambi i ponti sono risultate pari a circa 93W. Inoltre, la potenza DC in uscita viene calcolata utilizzando il prodotto dei blocchi di corrente e tensione nella simulazione PLECS e si ottiene un grafico che fissa il valore di 1,12kW. La progettazione dei componenti passivi del convertitore è in linea con i risultati ottenuti. Inoltre, viene analizzato il fenomeno del soft-switching e la rilevanza della corrente dell'induttore e del tempo morto per realizzare la commutazione a tensione zero (ZVS) viene presentata come figura esplicativa. Le tecniche di modulazione sono importanti punti di discussione in quanto determinano lo sfasamento, la natura dei segnali di commutazione, la tensione indotta attraverso i ponti e l'efficienza del trasferimento di potenza nel DAB. La rappresentazione grafica della modulazione a spostamento di fase convenzionale (C-PSM) e della modulazione di larghezza di impulso a spostamento di fase (PS-PWM) fornisce informazioni cruciali. I valori di corrente induttrice RMS sono rispettivamente 4,17A e 3,65A. L'efficienza del trasferimento di potenza si ottiene anche per diversi rapporti di conversione della tensione (VCR). Entrambi gli indicatori suggeriscono che il PS-PWM è uno schema di modulazione più adatto del C-PSM per il trasferimento di potenza attraverso il convertitore DAB. Viene proposta una topologia basata su un convertitore a più ponti attivi, come il triplo ponte attivo (TAB). Viene presentata la modellazione preliminare dei componenti passivi per il convertitore AC-DC front-end e la progettazione del condensatore dc-link tenendo conto dei requisiti di ripple della tensione di uscita. In conclusione, viene evidenziato il lavoro futuro che può essere costruito sulla base della tesi. Si sottolineano anche le potenziali innovazioni che possono contribuire a un sistema di trasporto più pulito ed ecologico in futuro.