Evaluation of Dual Active Bridge converter modulation techniques for different power applications

This thesis presents a comparison of different modulation techniques employed in Dual Active Bridge (DAB) converters for different power applications, over the full operational range. A proper understanding of various modulation techniques is essential to achieve the highest performances throughout the operating range. This work describes the various applications where this converter is mostly employed, its advantages, and disadvantages. The evaluation of the main three different modulation techniques (Single Phase Shift - SPS, Extended Phase Shift - EPS, and Dual Phase Shift - DPS) is the core of the research and has been realized by the simulation study of a Dual Active Bridge model in PLECS Standalone, an autonomous software package conceived for time domain simulation of power electronic systems. The most important parameters useful for comparisons have been collected and analyzed via Microsoft Excel and MATLAB. The results of the comparison guide the application of appropriate modulation in specific areas to maintain the optimal performances of the converter. A 4-months practical experimental activity has been performed in an R&D Laboratory in Toulouse (France) working on a prototype of a multistage DC-DC Dual Active Bridge converter. Preliminary tests on components have been performed and the results presented. Finally, it has been considered a 3kV DC - 170kW railway application regarding the DAB auxiliary converter for the Coradia family, manufactured by Alstom Transport. The converter adopts the Single Phase Shift (SPS) Modulation technique, some measurements have been compared with PLECS’s simulations.

Questa tesi presenta la comparazione di diverse tecniche di modulazione impiegate nei convertitori Dual Active Bridge (DAB) per diverse applicazioni di potenza sull’intero intervallo operativo. Una comprensione adeguata delle varie tecniche di modulazione è essenziale per ottenere le prestazioni più elevate in tutto l’intervallo operativo. Questo lavoro descrive le diverse applicazioni in cui questo convertitore è principalmente impiegato, i suoi vantaggi e svantaggi. La valutazione delle tre principali tecniche di modulazione (Single Phase Shift - SPS, Extended Phase Shift - EPS, and Dual Phase Shift - DPS) è al centro della ricerca ed è stata realizzata mediante lo studio di simulazioni di un modello Dual Active Bridge in PLECS Standalone, un pacchetto software autonomo concepito per la simulazione nel dominio del tempo di sistemi elettronici di potenza. I parametri più importanti utili per le comparazioni sono stati raccolti e analizzati tramite Microsoft Excel e MATLAB. I risultati della comparazione permettono di determinare la modulazione adeguata in funzione delle aree di lavoro per mantenere le prestazioni ottimali del convertitore. È stata svolta un’attività pratica sperimentale di 4 mesi in un laboratorio di ricerca e sviluppo a Tolosa (Francia) lavorando su un prototipo di un convertitore Dual Active Bridge DC-DC multistadio. Sono stati effettuati test preliminari sui componenti e presentati i risultati. Infine, è stata presa in considerazione un’applicazione ferroviaria 3 kV DC - 170 kW per il convertitore ausiliario DAB della famiglia Coradia, prodotto da Alstom Transport. Il convertrtitore utilizza la tecnica di modulazione Single Phase Shift (SPS), alcune misure sono state confrontate con i risulati delle simulazioni PLECS.