Contributions in the design and optimization of unregulated LLC converters with high conversión ratio and high output current

Bouvier Rescalvo, Yann (2019). Contributions in the design and optimization of unregulated LLC converters with high conversión ratio and high output current. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.57559.

Description

Title: Contributions in the design and optimization of unregulated LLC converters with high conversión ratio and high output current
Author/s:
  • Bouvier Rescalvo, Yann
Contributor/s:
  • Alou Cervera, Pedro
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Automática, Ingeniería Electrónica e Informática Industrial [hasta 2014]
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

En las dos últimas décadas, el incrementado en la consciencia de los problemas globales del medio ambiente ha incrementado la necesidad de sistemas energéticamente eficientes y económicos, especialmente en el ámbito del transporte, que representa el 25% de las emisiones de CO2 en Europa. Para dar solución a estos problemas, nuevos convertidores electrónicos de potencia están siendo desarrollados con nuevas topologías, materiales y métodos de control para mejorar su rendimiento y densidad de potencia. La topología del convertidor serie resonante LLC, de creciente interés en el estado del arte, tiene un rendimiento alto, gracias al uso de conmutación suave de los transistores. Otro beneficio de la topología LLC es la integración magnética, concepto por el cual se pueden fusionar varios componentes magnéticos en uno solo. En el caso del convertidor LLC se pueden integrar las dos bobinas resonantes dentro del transformador, incrementando la densidad de potencia del convertidor. Sin embargo, utilizando altas potencias y con las especificaciones restrictivas de los sistemas de transporte modernos, surgen nuevos desafíos en el diseño de estos convertidores. Esta tesis doctoral se centra en las contribuciones al diseño y optimización de convertidores LLC no regulados de alta relación de tensiones y alta corriente de salida. En el capítulo 2, se da una visión de conjunto del estado del arte. Las topologías de convertidores CC/CC aislados son repasadas y brevemente comparadas entre ellas en el contexto de los convertidores de alta relación de tensiones y alta corriente de salida. A continuación, las topologías resonantes son introducidas, de las cuales el convertidor LLC surge como un buen candidato para aplicaciones con alto requisitos en rendimiento y densidad de potencia. La operación del convertidor LLC de puente completo es repasada en más detalle en el capítulo 3. Los distintos modos de operación y modos de frecuencia son brevemente explicados. Utilizando ecuaciones analíticas, se encuentra que el máximo rendimiento se consigue con la operación a frecuencia de resonancia. Por otra parte, el convertidor LLC exhibe una ganancia en tensión constante cuando opera a frecuencia de resonancia y puede ser usado para aplicaciones de transformador de continua (DC transformer). Tradicionalmente, se usa la aproximación por primer armónico (FHA) para estimar la ganancia en tensión del convertidor LLC. Sin embargo, este método presenta cierta discrepancia con respecto a la ganancia real del convertidor, cuando este presenta elementos parásitos, como la resistencia parásita del tanque resonante. En este capítulo, modelos modificados para incluir estos parásitos son analizados y comparados con el método tradicional (FHA). Estos modelos tienen un impacto substancial en el diseño de convertidores LLC no regulados, donde no existen lazos de control para corregir las pequeñas discrepancias de los modelos tradicionales. Al final del capítulo, los modelos de corriente son brevemente analizados utilizando modelos similares a los modelos de ganancia en tensión, considerando los elementos parásitos. En el capítulo 4, la transición de la conmutación a cero tensión (ZVS) es analizada considerando las particularidades de los convertidores LLC, donde la bobina serie del tanque resonante crea una corriente de apagado variable. Esta corriente variable debe ser considerada para evaluar la capacidad para conseguir ZVS en diversos diseños de convertidor LLC. En este contexto, la aproximación tradicional de corriente constante no es suficientemente precisa y un método basado en la carga total de la corriente de apagado es propuesto y analizado con mayor precisión para estimar el comportamiento de la conmutación ZVS. Los transformadores con alta inductancia magnetizante minimizan las corrientes circulantes. Sin embargo, con corrientes circulantes reducidas también se reduce la capacidad del convertidor para conseguir ZVS. Los circuitos auxiliares se pueden usar como solución a este problema manteniendo los beneficios de un transformador con alta inductancia magnetizante. Este capítulo finaliza con un repaso de los distintos circuitos auxiliares existentes en el estado del arte para conseguir una conmutación ZVS en convertidores LLC de puente completo. En el capítulo 5, se presenta un método de diseño y optimización de convertidores LLC de puente completo con alta relación de tensiones y alta corriente de salida. Se usan modelos del estado del arte para el cálculo de pérdidas, volúmenes y temperaturas de operación. El diseño de convertidores electrónicos de potencia es un problema complejo de muchas variables. Por lo tanto, se un método de optimización multivariable llamado análisis por frente de Pareto para identificar los diseños con mejor compromiso entre rendimiento y densidad de potencia. En el capítulo 6, se presenta un prototipo de 10kW de convertidor LLC no regulado con circuito auxiliar de una sola bobina con configuración serie/paralelo de dos transformadores. El prototipo sigue las especificaciones de los estándares de aviónica, como parte de un proyecto adjunto a la iniciativa europea Cleansky. Medidas y resultados del convertidor son presentados a distintas potencias de salida. El comportamiento del convertidor con y sin circuito auxiliar es presentado para verificar la mejora que supone para el rendimiento. En el último capítulo, se presenta un resumen de las conclusiones de este trabajo de investigación, destacando las contribuciones originales, finalizando con un breve resumen de las posibles líneas futuras. ----------ABSTRACT---------- In the last two decades, the awareness of global environmental issues has accelerated the need for more efficient and cost-effective systems, especially in the field of transportation, that represents 25% of all CO2 emissions in Europe. To provide solutions to this issue, new power converter solutions are developed with new topologies, materials, and control methods to increase their efficiency and power density. The series resonant LLC converter topology has gathered significant attention in the state of the art. It achieves soft switching with ease and therefore, has improved efficiency compared with other topologies. A great benefit of the LLC converter is also the magnetic integration, as the two inductors can be merged into a single component, increasing the power density of the converter. However, with the increase in power and the restrictive specifications of modern transportation systems, new design challenges arise. This Ph.D. dissertation focuses on the contribution in the design and optimization of the unregulated LLC converter with a high conversion ratio and high output current. In Chapter 2, an overview of the state of the art is provided. The basic topologies of isolated DC-DC converters are reviewed and briefly compared in the context of high current and high conversion ratio applications. Then, topologies are briefly reviewed. The isolated LLC converter is highlighted as a good candidate for high efficiency and power density. The operation of the isolated LLC full-bridge is reviewed in more detail in Chapter 3. The different operation modes and frequency modes are briefly explained and reviewed. Using analytical calculations, it has been found that the optimal operation mode of the LLC converter is located at the resonant frequency. Additionally, the LLC converter operating at resonant frequency displays a constant gain and can be used for DC transformer applications. The traditional approach to estimate the voltage gain is the first harmonic approximation (FHA). This method presents a mismatch with the real converter in applications with high parasitics, like high conversion and high output current applications. In this chapter, modified models, including parasitics are analyzed and compared with the traditional FHA method. These models have a substantial impact on the design of unregulated LLC converters that can be used as DC transformers. In these unregulated converters the mismatches and error of the traditional FHA method cannot be corrected by the control loop. Additionally, the resonant current models are analyzed, using the same time-based models as the voltage gain models. In Chapter 4, the zero voltage switching (ZVS) transition is analyzed considering the particularities of LLC converters, where the resonant inductor creates a variable turn-off current. This has to be considered in order to assess the ZVS capabilities of a LLC design. In this context, the traditional approach of considering a constant turn-off current is accurate enough. A charge-based method is proposed to estimate the ZVS range of the LLC converter with accuracy. High magnetizing inductance transformers minimize circulating currents and improve the efficiency. However, with low magnetizing currents, the ZVS capabilities of the LLC is reduced. Auxiliary circuits can be used to solve this issue while maintaining the benefits of a high magnetizing transformer. This chapter ends with a review and performance comparison of different auxiliary circuits used to improve the ZVS capabilities of full-bridge converters. In Chapter 5, a design and optimization method of the LLC full-bridge for high output current and high conversion ratio with full ZVS range is presented. State of the art models are used to model the power losses, volume, and temperatures. They are reviewed in section 5.2. Because power converters are complex systems with multiple design variables. A multi-objective optimization method can be used to determine the best design solutions. The Pareto front analysis is used to identify the design solutions with the best efficiency and power density trade-off. The results of this multi-objective optimization are presented and analyzed. In Chapter 6, a 10kW unregulated LLC prototype with a single inductor ZVS auxiliary circuit and a two series/parallel transformer configuration is presented. The prototype specifications follow aircraft standards as part of a project from the European Cleansky initiative. The performance of the converter is measured at different output powers. The behavior of the converter is shown with and without an auxiliary circuit to verify the efficiency improvement. In the last chapter, a summary of all the conclusions reached with this research work is presented. The different contributions are highlighted. To finish, a brief vision of the possible future lines of work is provided.

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Item ID: 57559
DC Identifier: http://oa.upm.es/57559/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:57559
DOI: 10.20868/UPM.thesis.57559
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 07 Jan 2020 08:43
Last Modified: 07 Jul 2020 22:30
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