Impactos da Modulação por Múltiplas Variáveis no transformador e na Comutação Suave do Conversor Dual-Active-Bridge

Jeferson Fraytag; André Luís  Kirsten; Marcelo Lobo Heldwein

doi:10.18618/REP.2020.3.0016

Authors

Jeferson Fraytag Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Florianópolis – SC, Brasil
André Luís Kirsten Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Florianópolis – SC, Brasil
Marcelo Lobo Heldwein Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Florianópolis – SC, Brasil

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.2020.3.0016

Keywords:

Comutação Suave, Dual-Active-Bridge,, Impactos no Conversor, Múltiplas Variáveis

Abstract

Devido à atual importância dos conversores Dual-Active-Bridge (DAB), este trabalho propõe uma estrutura de análise para modelar o comportamento estático do conversor quando submetido a uma modulação por múltiplas variáveis. Neste tipo de modulação, além da mudança da defasagem angular, as razões-cíclicas da tensão do primário e do secundário também são variadas. As análises apresentadas propõem ferramentas para definir o ponto de operação mais adequado para um conversor DAB, analisando o impacto da escolha desse ponto de operação em relação ao volume do núcleo magnético, as perdas no cobre e as fronteiras de comutação suave dos interruptores do primário e do secundário do conversor. Resultados experimentais para um protótipo de 800 W, 1200 W e 1600 W são apresentados para validar as análises propostas, onde diferenças de volume de até 35% são obtidas.

Downloads

Download data is not yet available.

Author Biographies

Jeferson Fraytag, Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Florianópolis – SC, Brasil

nascido em 02/04/1990 em CoronelBicaco (RS), possui formação acadêmica em Engenharia
Elétrica (2014) e Mestrado (2015) na área de Eletrônica de Potência pela Universidade Federal de Santa Maria. De 2009 a 2015 atuou no Grupo GEDRE/UFSM, e desde 2014 é membro colaborador do Grupo GSEC/CTISM. Atualmente é Doutorando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa Catarina, e Professor EBTT do Instituto Federal de Santa Catarina.

André Luís Kirsten, Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Florianópolis – SC, Brasil

nascido em 25/03/1986 em Santa Maria (RS), é Engenheiro Eletricista formado pela Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) em 2009. Possui mestrado (2011) e doutorado (2014) em Engenharia Elétrica pelo programa de pós-graduação em Engenharia Elétrica (CAPES 6) da UFSM. De 2014 a 2016 foi Professor Adjunto e Coordenador do Curso de Engenharia Elétrica da UFSM. Desde 2016 é Professor Adjunto do departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica da Universidade Federal de Santa Catarina e pesquisador do Instituto de Eletrônica de Potência atuando nos seguintes temas: Microcontroladores, controle digital, sistemas de iluminação, projeto de conversores e transformadores de estado sólido.

Marcelo Lobo Heldwein, Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Florianópolis – SC, Brasil

nascido em 12/08/1974 em Chapecó (SC), possui graduação (1997) e mestrado (1999) em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) e doutorado (2007) pelo Swiss Federal Institute of Technology (ETH Zurich). Atualmente é professor associado no Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica da UFSC. De 1999 a 2001 atuou como engenheiro no Instituto de Eletrônica de Potência (INEP), Florianópolis. De 2001 a 2003 foi engenheiro de P&D da Informat, trabalhando junto à Emerson Network Power. Tem experiência na área de Eletrônica Industrial, atuando principalmente nos seguintes temas: fontes de alimentação, EMC, conversores trifásicos, conversores multiníveis, correção do fator de potência, modelagem e controle de conversores estáticos e sistemas de conversores estáticos distribuídos. É Senior Member do Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) e membro da Associação Brasileira de Eletrônica de Potência (SOBRAEP). É editor associado do periódico IET Journal of Engineering e membro do conselho consultivo do PCIM Europe.

References

R. W. A. A. De Doncker, D. M. Divan, M. H.Kheraluwala, "A Three-Phase Soft-Switched High-Power-Density DC/DC Converter for High-Power Applications",IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 27, no. 1, pp. 63-73, Jan 1991.https://doi.org/10.1109/28.67533 DOI: https://doi.org/10.1109/28.67533

M. N. Kheraluwala, R. W. Gascoigne, D. M. Divan,E. D. Baumann, "Performance Characterization of a High-Power Dual Active Bridge DC-to-DC Converter",IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 28, no. 6, pp. 1294-1301, Nov 1992.https://doi.org/10.1109/28.175280 DOI: https://doi.org/10.1109/28.175280

U. Khalid, M. M. Khan, Z. Xiang, Y. Jianyang,"Bidirectional Modular Dual Active Bridge (DAB)Converter Using Multi-Limb-Core Transformer with Symmetrical LC Series Resonant Tank Based on Cascaded Converters in Solid State Transformer(SST)",2017 China International Electrical and Energy Conference (CIEEC), pp. 627-632, Oct 2017.https://doi.org/10.1109/CIEEC.2017.8388521 DOI: https://doi.org/10.1109/CIEEC.2017.8388521

C. Shuyu, V. B. Sriram, H. D. Tafti, K. V. R.Kishore, Y. H. Li, A. Tripathi, J. Pou, "Modular DAB DC-DC Converter Low Voltage Side DC Link Capacitor Two-Stage Charging-Up Control for Solid State Transformer Application",2017 Asian Conference on Energy, Power and Transportation Electrification (ACEPT), pp. 1-7, Oct 2017.https://doi.org/10.1109/ACEPT.2017.8168624 DOI: https://doi.org/10.1109/ACEPT.2017.8168624

R. Mirzahosseini, F. Tahami, "A Lifetime Improved Single Phase Grid Connected Photovoltaic Inverter",2012 3rd Power Electronics and Drive Systems Technology (PEDSTC), pp. 234-238, Feb 2012.https://doi.org/10.1109/PEDSTC.2012.6183332 DOI: https://doi.org/10.1109/PEDSTC.2012.6183332

M. A. Moonem, H. Krishnaswami, "Analysis and Control of Multi-Level Dual Active Bridge DC-DCConverter",2012 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), pp. 1556-1561, Sept 2012.https://doi.org/10.1109/ECCE.2012.6342628 DOI: https://doi.org/10.1109/ECCE.2012.6342628

H. Zhou, A. M. Khambadkone, "Hybrid Modulationfor Dual-Active-Bridge Bidirectional Converter With Extended Power Range for Ultracapacitor Application",IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 45, no. 4, pp. 1434-1442, July2009.https://doi.org/10.1109/TIA.2009.2023493 DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2009.2023493

F. Krismer, J. Biela, J. W. Kolar, "A Comparative Evaluation of Isolated Bi-Directional DC/DCConverters with Wide Input and Output Voltage Range",Fourtieth IAS Annual Meeting Conference Record of the 2005 Industry Applications Conference,2005, vol. 1, pp. 599-606 Vol. 1, Oct 2005.

T. Ngo, J. Won, K. Nam, "A Single-Phase Bidirectional Dual Active Half-Bridge Converter",2012 Twenty-Seventh Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 1127-1133,Feb 2012.https://doi.org/10.1109/APEC.2012.6165960 DOI: https://doi.org/10.1109/APEC.2012.6165960

M. Steiner, H. Reinold, "Medium Frequency Topology in Railway Applications",2007 European Conference on Power Electronics and Applications, pp. 1-10, Sept2007.https://doi.org/10.1109/EPE.2007.4417570 DOI: https://doi.org/10.1109/EPE.2007.4417570

F. Krismer, J. W. Kolar, "Accurate Power Loss Model Derivation of a High-Current Dual Active Bridge Converter for an Automotive Application",IEEE Transactions on Industrial Electronics,vol. 57, no. 3, pp. 881-891, March 2010.https://doi.org/10.1109/TIE.2009.2025284 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2009.2025284

R. W. DeDoncker, M. H. Kheraluwala, D. M.Divan, "Power Conversion Apparatus for DC/DC Conversion using Dual-Active-Bridges",Assignee: Wisconsin Alumni Research Foundation, Patent number: 5.027.264, Date of Patent: Jun 25, 1991.

I. Urquhart, J. Greenough, X. Liu, "Isolated bidirectional dual-active-bridge dc-dc converter with dual-phase shift control",Assignee: Nissan Motor Manufacturing UK Ltd, Patent number:EP3079250A1, Date of Patent: Dec 10, 2016.

B. Pierquet, M. Ozbek, A. D. Baglino, "Energy storage system with dual-active-bridge converter”, assignee: Tesla Motors, Inc (Palo Alto, CA), Patent number:10277029, Date of Patent: Apr 30, 2019.

S. Inoue, H. Akagi, "A Bi-Directional Isolated DC/DC Converter as a Core Circuit of the Next-Generation Medium-Voltage Power Conversion System",200637th IEEE Power Electronics Specialists Conference,pp. 1-7, June 2006.https://doi.org/10.1109/pesc.2006.1711782 DOI: https://doi.org/10.1109/pesc.2006.1711782

R. T. Naayagi, A. J. Forsyth, R. Shuttleworth,"Performance Analysis of Extended Phase-Shift Control of DAB DC-DC Converter for Aerospace Energy Storage System",2015 IEEE11th International Conference on Power Electronics and Drive Systems, pp. 514-517, June 2015.https://doi.org/10.1109/PEDS.2015.7203567 DOI: https://doi.org/10.1109/PEDS.2015.7203567

P. Liu, C. Chen, S. Duan, W. Zhu, "Dual Phase Shifted Modulation Strategy for the Three Level Dual Active Bridge DC DC Converter",IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 64, no. 10, pp. 7819-7830,Oct 2017.https://doi.org/10.1109/TIE.2017.2696488 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2017.2696488

F. Krismer, J. W. Kolar, "Closed Form Solution for Minimum Conduction Loss Modulation of DAB Converters",IEEE Transactions on Power Electronics,vol. 27, no. 1, pp. 174-188, Jan 2012.https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2157976 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2157976

F. Bandeira da Silva, E. Facanha de Oliveira, T. R.Fernandes Neto, P. Zacharias, "Design Optimization of a Three-Phase Bidirectional Dual Active Bridged/DC Converter",PCIM Europe 2018; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, pp. 1-8, June 2018.

K. D. Hoang, J. Wang, "Design Optimization of High Frequency Transformer for Dual Active Bridge DC-DC Converter",2012 XXth International Conference on Electrical Machines, pp. 2311-2317, Sep. 2012,doi:10.1109/ICElMach.2012.6350205.https://doi.org/10.1109/ICElMach.2012.6350205 DOI: https://doi.org/10.1109/ICElMach.2012.6350205

A. K. Jain, R. Ayyanar, "PWM Control of Dual Active Bridge: Comprehensive Analysis and Experimental Verification",IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 26, no. 4, pp. 1215-1227,April 2011.https://doi.org/10.1109/TPEL.2010.2070519 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2010.2070519

B. Zhao, Q. Song, W. Liu, "Efficiency Characterization and Optimization of Isolated Bidirectional DC-DCConverter Based on Dual-Phase-Shift Control for DC Distribution Application",IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, no. 4, pp. 1711-1727, April2013.https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2210563 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2210563

J. Fraytag, A. L. Kirsten, M. L. Heldwein, "Impact Analysis of a Multi-Variables Modulation on the Transformer of the Dual-Active-Bridge Converter",IET Power Electronics, Jan 2020.https://doi.org/10.1049/iet-pel.2019.0963 DOI: https://doi.org/10.1049/iet-pel.2019.0963

A. Kirsten, F. Carloto, T. Oliveira, J. Roncalio,M. Dalla Costa, "Phase-shift Design Methodology For The Dab Converter”, Eletrônica dePotência, vol. 19, pp. 231-240, Aug 2014.https://doi.org/10.18618/REP.2014.3.231240 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2014.3.231240

W. T. McLyman, Transformer and Inductor Handbook,3 ed., New York: Marcel Dekker, 1976.

J. . Vandelac, P. D. Ziogas, "A Novel Approach for Minimizing High-Frequency Transformer Copper Losses",IEEE Transactions on Power Electronics,vol. 3, no. 3, pp. 266-277, July 1988.https://doi.org/10.1109/63.17944 DOI: https://doi.org/10.1109/63.17944

W. A. Roshen, R. L. Steigerwald, R. Charles,W. Earls, G. Claydon, C. F. Saj, "High Efficiency, High Density MHz Magnetic Components for a Low Profile Converter",[Proceedings] APEC '92Seventh Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition, pp. 674-683, Feb 1992.

P. Meyer, Y. Perriard, "Skin and Proximity Effects for Coreless Transformers",2011 International Conference on Electrical Machines and Systems, pp.1-5, Aug 2011.https://doi.org/10.1109/ICEMS.2011.6073351 DOI: https://doi.org/10.1109/ICEMS.2011.6073351

A. Roßkopf, E. Bär, C. Joffe, "Influence of Inner Skin- and Proximity Effects on Conduction in Litz Wires",IEEE Transactions on Power Electronics,vol. 29, no. 10, pp. 5454-5461, Oct 2014.https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2293847 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2293847

R. M. F. Neto, E. G. Marra, F. L. Tofoli,L. C. de Freitas, "A Soft Switching Half-bridge Doubler Boost Converter Operating With Unity Power Factor",Eletrônica de Potência, vol. 10, no. 1, pp. 77-85, Jun 2005.https://doi.org/10.18618/REP.2005.1.077085 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2005.1.077085