Design and control of a cascaded AFE-DAB architecture for ultra-fast DC charging and V2G services

The increasing electrification of transportation systems and the growing penetration of Renewable energy sources have promoted the adoption of elevated-voltage DC architectures in modern power conversion systems. In particular, 800 V DC platforms have emerged as a key solution for ultra-fast electric vehicle charging and grid-connected energy storage, due to improved efficiency, reduced current levels, and higher power density. This thesis focuses on the design, modeling, and control of a cascaded power conversion system composed of a grid-connected Active Front-End (AFE) converter and an isolated bidirectional Dual Active Bridge (DAB) DC–DC converter operating on an 800 V DC architecture. The AFE enables bidirectional power exchange with the three-phase utility grid while maintaining grid power quality, whereas the DAB provides galvanic isolation and regulated power transfer between the DC link and the isolated DC side. A key challenge addressed in this work is the dynamic interaction between the AFE and the DAB through the shared DC link, particularly under bidirectional operation. To mitigate instability risks, a hierarchical control philosophy is adopted, in which the AFE regulates the DC-link voltage and grid currents, while the DAB independently controls The transferred power using phase-shift modulation. The proposed control strategy is validated through switching-level simulations in MATLAB/ Simulink, demonstrating stable DC-link regulation and accurate bidirectional power control under different operating conditions.

La crescente elettrificazione dei sistemi di trasporto e l’integrazione delle fonti rinnovabili hanno favorito l’adozione di architetture in corrente continua ad alta tensione nei sistemi di conversione di potenza. In particolare, le piattaforme DC a 800 V rappresentano una soluzione efficace per la ricarica ultra-rapida dei veicoli elettrici e per i sistemi di accumulo di energia connessi alla rete. Questa tesi riguarda la progettazione, la modellazione e il controllo di un sistema di conversione di potenza in cascata composto da un convertitore AFE e da un convertitore DC–DC bidirezionale isolato DAB operante su architettura DC a 800 V. L’AFE consente lo scambio bidirezionale di potenza con la rete trifase garantendo la qualità dell’energia, mentre il DAB fornisce isolamento galvanico e regolazione del flusso di potenza sul lato DC isolato. Un aspetto critico affrontato nel lavoro è l’interazione dinamica tra AFE e DAB attraverso il DC link condiviso. Per ridurre i rischi di instabilità, viene adottata una struttura di controllo gerarchica in cui l’AFE regola la tensione del DC link, mentre il DAB controlla la potenza trasferita mediante modulazione a sfasamento di fase. La strategia proposta è validata tramite simulazioni a livello di commutazione in MATLAB/ Simulink conferma la stabilità del sistema e il corretto funzionamento bidirezionale.