Partial Power Converters for DC-DC Applications

Abstract

This thesis studies partial power processing (PPP) based architectures for DC-DC applications. This type of solutions aim to reduce the power processed by the power converter. This way, the power losses and the volume of the power converter is reduced. The work starts with an overview on the PPP strategies. In this sense, the different solutions found in the literature are classified into three main strategies: differential power converters, partial power converters (PPC) and mixed strategies. Due to their numerous applications and high efficiency results, the thesis focuses on the PPC architectures. PPC architectures are divided into two groups: input-parallel-output-series (IPOS) or input-series-output-parallel (ISOP) type architectures, and fractional charging converters (FCC) type architectures. The main difference between the IPOS-ISOP type architectures and the FCC is the fact that the former requires isolated topologies. This thesis analyses the benefits that both type of architectures bring in comparison to conventional full power converter architectures. Simulations and experimental results conclude that IPOS-ISOP type architectures are the most promising solution in terms of volume reduction, high efficiency and low cost. Then, three applications of IPOS-ISOP type PPC architectures are studied for future implementation: electric vessel, hydrogen generation and electric vehicle (EV) fast charging. Finally, a 50 kW PPC is designed and validated for EV charging. The converter consists of a dual active bridge and, due to the PPC configuration, it processes a maximum power of 5 kW. This way, the implementation of Silicon-based discrete devices is enabled. The converter achieves a peak efficiency of 99.47 %.

Tesi honek DC-DC aplikazioetarako potentziaren prozesamendu partzialean (partial power processing, PPP) oinarritutako arkitekturak aztertzen ditu. Horrelako arkitekturen helburua potentzia-bihurgailuak prozesatutako potentzia murriztea da. Horrela, bihurgailuaren potentzia-galerak eta bolumena murrizten dira. Lana PPP estrategiei buruzko ikuspegi orokor batekin hasten da. Alde horretatik, literaturan aurkitutako soluzioak hiru estrategia nagusitan sailkatzen dira: potentzia diferentzialeko bihurgailuak, potentzia partzialeko bihurgailuak (partial power converter PPC) eta estrategia mistoak. Bere aplikazio ugariengatik eta efizientzia handiko emaitzengatik, tesia PPC arkitekturetan zentratzen da. PPC arkitekturak bi multzotan banatzen dira: sarrera-paralelo-irteera-seriea motako (input-parallel-output-series, IPOS) edo sarrera-serie-irteera-paraleloa (input-serieoutput-parallel, ISOP) motako arkitekturak, eta karga zatikatuko bihurgailu motako arkitekturak (fractional charging converter, FCC). IPOS-ISOP motako arkitekturen eta FCC arkitekturen arteko desberdintasun nagusia da lehenengoek topologia isolatuak behar dituztela. Tesi honetan, bi arkitektura motek potentzia osoko bihurgailuen arkitektura konbentzionalekin alderatuta ematen dituzten abantailak aztertzen dira. Simulazioen eta emaitza esperimentalen arabera, IPOS-ISOP motako arkitekturak dira irtenbiderik oparoena bolumen-murrizketari, efizientzia handiari eta kostu txikiari dagokienez. Ondoren, IPOS-ISOP motako PPC arkitekturen hiru aplikazio aztertzen dira, etorkizunean inplementatzeko: ontzi elektrikoa, hidrogenoa sortzea eta ibilgailu elektrikoen karga azkarra. Azkenik, 50 kW-eko PPC bat diseinatu eta baliozkotzen da ibilgailu elektrikoa kargatzeko. Bihurgailua zubi aktibo bikoitz bat da eta, PPCaren konfigurazioa dela eta, 5 kW-ko potentzia maximoa prozesatzen du. Horrela, Silizion oinarritutako gailu diskretuak inplementatzeko aukera ematen da. Bihurgailuak % 99.47-ko gehieneko efizientzia lortzen du.

Esta tesis estudia las arquitecturas basadas en el procesamiento parcial de potencia (partial power processing, PPP) para aplicaciones DC-DC. Este tipo de soluciones tienen como objetivo reducir la potencia procesada por el convertidor de potencia. De este modo, se reducen las pérdidas de potencia y el volumen del convertidor. El trabajo comienza con una revisión de las estrategias PPP. En este sentido, las diferentes soluciones encontradas en la literatura se clasifican en tres estrategias principales: convertidores de potencia diferencial, convertidores de potencia parcial (partial power converter, PPC) y estrategias mixtas. Debido a sus numerosas aplicaciones y a los resultados de alta eficiencia, la tesis se centra en las arquitecturas PPC. Las arquitecturas PPC se dividen en dos grupos: arquitecturas del tipo entrada-seriesalida-series (input-parallel-output-series, IPOS) o entrada-serie-salida-paralelo (inputseries-output-parallel, ISOP), y arquitecturas de tipo convertidores de carga fraccionada (fractional charging converter, FCC). La principal diferencia entre las arquitecturas de tipo IPOS-ISOP y las FCC es el hecho de que las primeras requieren topologías aisladas. En esta tesis se analizan las ventajas que aportan ambos tipos de arquitecturas en comparación con las arquitecturas convencionales de convertidores de potencia completa. Las simulaciones y los resultados experimentales concluyen que las arquitecturas de tipo IPOS-ISOP son la solución más prometedora en términos de reducción de volumen, alta eficiencia y bajo coste. Después, se estudian tres aplicaciones de las arquitecturas PPC de tipo IPOS-ISOP para su futura implementación: buque eléctrico, generación de hidrógeno y carga rápida de vehículos eléctricos (VE). Por último, se diseña y valida un PPC de 50 kW para la carga de VE. El convertidor consiste en un puente activo doble y, debido a la configuración del PPC, procesa una potencia máxima de 5 kW. De este modo, se permite la implementación de dispositivos discretos basados en Silicio. El convertidor alcanza una eficiencia máxima del 99.47 %.