Modeling and Optimization of Bidirectional Dual Active Bridge AC–DC Converter Topologies

360 Pages·2014·27.5 MB·English

ARENBERG DOCTORAL SCHOOL
FACULTY OF ENGINEERING SCIENCE
Modeling and Optimization of
Bidirectional Dual Active Bridge
AC–DC Converter Topologies
Jordi Everts
Dissertationpresentedinpartial
fulfillmentoftherequirementsforthe
degreeofDoctorinEngineeringScience
March 2014

Modeling and Optimization of Bidirectional Dual
Active Bridge AC–DC Converter Topologies
Jordi EVERTS
Examination Committee: Dissertation presented in partial
Prof. dr. ir. J. Vandewalle, chair fulfillment of the requirements for
Prof. dr. ir. J. Driesen, supervisor the degree of Doctor
Prof. dr. ir. G. Deconinck in Engineering Science
Prof. dr. ir. D. Schreurs
Prof. dr. ir. J. Poortmans
Prof. dr. ir. J. Genoe
Prof. dr. ir. J.W. Kolar
(ETH Zürich, Switzerland)
Dr. ir. J. Van den Keybus
(Triphase NV, Belgium)
March 2014
©2014 KU Leuven – Science, Engineering & Technology
v.u. Leen Cuypers, Arenberg Doctoral School, W. de Croylaan 6, 3001 Heverlee
Allerechtenvoorbehouden. Nietsuitdezeuitgavemagwordenvermenigvuldigd
en/of openbaar gemaakt worden door middel van druk, fotocopie, microfilm,
elektronisch of op welke andere wijze ook zonder voorafgaande schriftelijke
toestemming van de uitgever.
All rights reserved. No part of the publication may be reproduced in any form
by print, photoprint, microfilm or any other means without written permission
from the publisher.
ISBN 978-94-6018-813-8
Wettelijk depot D/2014/7515/37
Abstract
Single-phase, utility interfaced, isolated AC–DC converters with power factor
correction cover a wide range of applications such as chargers for plug-in hybrid
electric vehicles and battery electric vehicles, inverters for multiple renewable
energy sources (e.g. photovoltaic modules), as well as interfaces for residential
DC distribution systems and energy storage systems. Moreover, bidirectional
conversion capability enables the development of smart interactive power networks
in which the energy systems play an active role in providing different types of
support to the grid. Examples are vehicle-to-grid concepts, ‘smart home’ concepts,
AC microgrids, and residential DC distribution systems (DC nanogrids).
In the presented work, the main objective is to investigate the feasibility and
suitability of a single-stage (1-S) dual active bridge (DAB) AC–DC converter for
the realization of the above mentioned bidirectional energy conversions. Compared
to the commonly used dual-stage (2-S) systems, the 1-S architecture has the
potential to benefit the system performance with regard to efficiency, volume
(power density), number of components (reliability), weight, and costs, due to the
effective omission of a complete energy conversion stage. In order to validate the
presented analyses, a second objective is to realize a state-of-the-art (i.e. regarding
efficiency and power density) converter prototype system that is designed in order
to meet the requirements for future, mode 1 compatible, on-board electric vehicle
battery chargers, interfacing a 400 V DC-bus with the single-phase 230 V /
nom AC
50Hzmains. Compliancewithdomesticpowersocketsresultsinanominal(active)
AC charging current of I =16 A and a nominal power of P =3.7 kW.
AC,P rms nom
The main challenge to achieve the above objectives lies in addressing the
fundamental limitations of the existing analyses and circuit implementations of
DABconverters. Theselimitationsmainlyrelatetothesoft-switching(i.e. byvirtue
of zero voltage switching, ZVS) modulation schemes available in literature, being
especially problematic for DAB converters with large input and/or output voltage
variations and large power variations, such as is the case for the 1-S DAB AC–DC
architecture at hand. By means of an introductory Chapter (i.e. Chapter 2), the
shortcomings in the existing analyses of DAB converters are highlighted, and the
selection of the full bridge - full bridge (FBFB) DAB implementation as the most
i
ii
suitable candidate for the considered AC–DC converter topology is motivated. The
subsequent chapters discuss the 1-S DAB AC–DC converter in detail:
(cid:136) Chapter3outlinestheoperatingprincipleoftheDABAC–DCconverter. The
exact operating range of the DAB DC–DC converter, as the main building
block of the 1-S AC–DC architecture, is derived, and a control equation for
the DAB input current is obtained. Furthermore, the steady-state analysis
of the DAB is presented and ‘commutation inductance(s)’ are introduced
as an essential HF AC-link modification in order to achieve full-operating-
range ZVS. Lastly, a novel ‘current-dependent charge-based’ (CDCB) ZVS
verification method is proposed in order to deal with the deficiencies of the
existing current-based (CB) and energy-based (EB) ZVS analyses;
(cid:136) Chapter4isdevotedtothederivationoffull-operating-rangeZVSmodulation
schemes for the DAB converter. Three different approaches are presented,
being a numerical approach, an analytical approach, and a semi-analytical
approach, all relying on the CDCB ZVS verification method proposed in
Chapter 3 in order to assure that soft-switching operation with quasi zero
switching losses is obtained within the calculated ZVS regions;
(cid:136) In Chapter 5, the main functional elements of the DAB AC–DC prototype
converteraredesigned,employingthevaluesforthecircuitlevelvariablesand
the ZVS modulation schemes derived in Chapter 4. State-of-the-art design
methods/procedures, models for the component losses, and volume models
are combined with custom developed (local) optimization algorithms in order
to obtain a high-efficiency and high-power-density converter design that is in
compliance with the specified system requirements;
(cid:136) In Chapter 6, first a DC–DC system characterization of the prototype system
is presented in order to validate the theoretical analyses, i.e. the steady-state
converter model and the ZVS analysis outlined in Chapter 3, as well as
the CDCB ZVS modulation schemes proposed in Chapter 4. Thereafter,
the results of an AC–DC system characterization are given, allowing to
evaluate the performance of the prototype converter with regard to the
reached efficiency and with regard to the quality of the AC input power.
Conversion efficiencies higher than 95 % within the major part of the output
power range, with a very flat efficiency curve and thus a high partial-load
efficiency, are reported. The peak efficiency is around 96 % and the efficiency
at nominal power approximately 95.6 %. Moreover, a high power density
of 2 kW/liter is obtained. From a brief comparison with several (similar)
dual-stage prototype systems found in literature, it is clear that the achieved
performance is close to the absolute state-of-the-art;
(cid:136) Chapter 7 concludes the presented work and provides an outlook regarding
future research in the field of DAB AC–DC converters.
Samenvatting
Enkelfasige, netgekoppelde, ge¨ısoleerde AC–DC omvormers met vermogensfac-
tor correctie hebben een breed toepassingsgebied, zoals laders voor plug-in
hybride-elektrische voertuigen en batterij-elektrische voertuigen, invertoren voor
hernieuwbare energiebronnen (bv. fotovolta¨ısche modules), alsook interfaces voor
residenti¨ele DC distributiesystemen en energieopslagsystemen. Bovendien laat de
mogelijkheid tot bidirectionele vermogensoverdracht toe om slimme interactieve
elektriciteitsnetten te ontwikkelen waarin de energiesystemen een actieve rol spelen
in het aanbieden van verschillende netondersteunende diensten. Voorbeelden
zijn ‘voertuig-naar-net’ concepten, ‘slimme-huis’ concepten, AC micronetten, en
residenti¨ele DC distributiesystemen (DC nanonetten).
Het voorgestelde werk onderzoekt de geschiktheid van een eentraps ‘dual active
bridge’ (DAB) AC–DC omvormer voor de realisatie van de bovengenoemde
bidirectionele energieconversies. In vergelijking met de traditionele tweetraps
aanpak kan een eentraps systeem voordelig zijn op het gebied van effici¨entie,
volume (vermogensdichtheid), aantal componenten (betrouwbaarheid), gewicht,
en kost. Ter validatie van de theoretische analyses is een tweede doelstelling om
een ‘state-of-the-art’ (d.w.z. met betrekking tot effici¨entie en vermogensdichtheid)
prototype omvormer te realiseren die ontworpen is om te voldoen aan de vereisten
voortoekomstigemode1batterijladersvoorelektrischevoertuigen. Debeschouwde
lader is aan boord van het voertuig opgesteld en koppelt een 400 V DC-
nom
bus met het enkelfasige 230 V / 50 Hz elektriciteitsnet. Compatibiliteit met
AC
huishoudelijke stopcontacten resulteert in een nominale (actieve) AC laadstroom
van I =16 A en een nominaal laadvermogen van P =3.7 kW.
AC,P rms nom
De grootste moeilijkheid die gepaard gaat met het behalen van bovengenoemde
doelstellingen ligt in het aanpakken van de fundamentele beperkingen van
de bestaande analyses en circuitimplementaties van DAB omvormers. Deze
beperkingenzijnvooralgerelateerdaandemodulatiestrategie¨endievoorhandenzijn
om de DAB geheel zacht-schakelend (d.w.z. bij wijze van ‘zero voltage switching,
ZVS’) te laten werken, en zijn vooral problematisch voor DAB omvormers die
onderworpen zijn aan grote in- en/of uitgangsspanningsvariaties, zoals het geval
is voor de beschouwde eentraps AC–DC architectuur. In een inleidend hoofdstuk
(d.w.z. Hoofdstuk 2) worden de tekortkomingen van de bestaande analyses nader
iii
iv
toegelichtenwordtdekeuzevoordevollebrug-vollebrugDABalsmeestgeschikte
kandidaat gemotiveerd. In de daaropvolgende hoofdstukken wordt de eentraps
DAB AC–DC omvormer uitvoerig besproken:
(cid:136) In hoofdstuk 3 wordt het werkingsprincipe van de DAB AC–DC omvormer
uitgelegd. Eerst wordt het exacte werkingsgebied van de DAB DC–
DC omvormer, als hoofdbouwsteen van de eentraps AC–DC architectuur,
bepaald. Hieruit wordt een vergelijking voor het berekenen van de DAB
ingangsstroom verkregen. Daarna volgt de steady-state analyse van de DAB
en worden ‘commutatie inductantie(s)’ ge¨ıntroduceerd als een essenti¨ele AC-
link modificatie voor het verkrijgen van ZVS in het volledige werkingsgebied.
Tenslotte wordt een ladingsgebaseerde ZVS verificatie methode voorgesteld
die veel nauwkeuriger is dan de stroom- en energiegebaseerde tegenhangers;
(cid:136) Hoofdstuk 4 is toegewijd aan het afleiden van modulatieschema’s die ZVS
toelaten in het volledige werkingsgebied van de DAB omvormer. Drie
verschillende aanpakken worden voorgesteld, zijnde een numerieke, een
analytische,eneensemi-analytischeaanpak. Dezemakenalledriegebruikvan
de ZVS verificatie methode uit Hoofdstuk 3, waardoor een zacht-schakelende
werking met quasi geen schakelverliezen verzekerd is in de berekende ZVS
werkingsgebieden;
(cid:136) In Hoofdstuk 5 worden, gebruik makend van de waardes voor de circuit
variabelenendeZVSmodulatieschema’sdiebekomenwerdeninHoofdstuk4,
de functionele elementen van het DAB AC–DC omvormer prototype ont-
worpen. State-of-the-art ontwerpmethodes en ontwerpprocedures, modellen
voor de verliezen in de componenten, en modellen voor het berekenen van de
ingenomenvolumeswordengecombineerdmet(lokale)optimalisatiealgoritmes
ten einde een omvormer ontwerp met hoge effici¨entie en hoge vermogens-
dichtheid,endatvoldoetaandegespecificeerdesysteemvereisten,tebekomen;
(cid:136) In Hoofdstuk 6 wordt eerst een DC–DC systeem karakterisatie van het
omvormer prototype getoond met als doel de theoretische analyses te
valideren, d.w.z. zowel het steady-state omvormer model en de ZVS analyse
gepresenteerd in Hoofdstuk 3, als de ZVS modulatieschema’s voorgesteld
in Hoofdstuk 4. Daarna wordt een AC–DC systeem karakterisatie gegeven
die toelaat om de performantie van het omvormer prototype te evalueren
met betrekking tot de gehaalde effici¨entie en de kwaliteit van het AC
ingangsvermogen. Effici¨enties hoger dan 95 % in het grootste gedeelde
van het uitgangsvermogensbereik, met een zeer vlakke effici¨entiecurve en dus
een hoge effici¨entie in deellast, zijn gehaald. De piek effici¨entie is ongeveer
96 % en de effici¨entie bij nominaal vermogen ongeveer 95.6 %. Bovendien is
een vermogensdichtheid van 2 kW/liter bereikt. Een vergelijking met enkele
tweetraps prototype systemen gerapporteerd in de literatuur toont dat de
bekomen performantie zeer dicht aanleunt bij de absolute state-of-the-art;
(cid:136) Hoofdstuk7besluithetvoorgesteldewerkenbiedteenkijkophettoekomstige
onderzoek in het domein van DAB AC–DC omvormers.
Voorwoord
In januari 2009 begon ik aan mijn doctoraatsonderzoek bij ELECTA. Als, tot dan
toe,´e´en van de enige industrieel ingenieurs binnen de groep voelde ik mij de eerste
dagen en weken een beetje onwennig tussen al die ‘burgies’. Ik had het gevoel
dat ik, vooral op theoretisch vlak, een achterstand moest goedmaken en stortte
mij dan ook met volle overgave op mijn werk. In het prille begin ervaarde ik dit
als een opgave maar gaandeweg evolueerde dit gevoel naar een echte passie voor
vermogenelektronica, en al snel werden de elektronische componenten en circuits,
dieeerstzoonvertrouwdleken,eendeelvanmijnleven. Metveelplezierspendeerde
ikveleuren,dagen,weekends,enfeestdagenopmijnbureaueninhetlabo,hetgeen
uiteindelijk resulteerde in deze doctoraatstekst. Uiteraard ging dit niet altijd over
een leien dakje en daarom wil ik graag een dankwoordje richten aan de mensen die
me gedurende de afgelopen jaren hebben bijgestaan.
Vooreerst wil ik prof. Johan Driesen bedanken voor zijn bereidwilligheid om het
promotorschap op zich te nemen en voor het vertrouwen dat hij in mij stelde. Ook
wil ik hem bedanken voor de vrijheid die hij me gaf om mijn onderzoek met een
grote zelfstandigheid uit te voeren, en voor de mogelijkheid die hij me bood om elf
maanden onderzoek te verrichten in het buitenland.
Prof. Geert Deconinck, prof. Jef Poortmans, prof. Dominique Schreurs, en
prof. Jan Genoe wil ik graag bedanken voor de kritische evaluatie van de tekst,
voor het geven van waardevolle suggesties, en voor het stellen van pertinente
vragen. Bedankt ook aan prof. Joos Vandewalle om het voorzitterschap van de
doctoraatsjury op zich te nemen.
Bijzonderedankgaatnaardr. JeroenVandenKeybusdiedoordejarenheenaltijd
klaar stond om me raad te geven en te motiveren. Zijn uitzonderlijk analytisch
vermogen, technisch inzicht, en praktische ervaring waren voor mij een enorme
inspiratiebron zonder dewelke dit doctoraat er ongetwijfeld helemaal anders had
uitgezien. Ook wil ik hem, als lid van de doctoraatsjury, bedanken voor het
uitgebreid nalezen en, waar nodig, bijsturen van de tekst. Hiermee wil ik ook alle
mensen van Triphase bedanken voor hun hulp en technische ondersteuning.
Many thanks to prof. Johann Kolar for being a member of my doctoral committee
and for providing me with valuable feedback and advices. I also want to thank him
v
vi
for giving me the opportunity to do two research stays at the Power Electronic
Systems (PES) Laboratory of the Swiss Federal Institute of Technology (ETH
Zu¨rich). Spending eleven months in such a warm and inspiring environment, in
the beautiful surroundings of Zu¨rich, was a wonderful experience that I will carry
with me for the rest of my life. Also many thanks to all the colleagues and staff
members at the PES-lab for the warm welcome and for their helpfulness. A special
thanks to Florian for his numerous advices and suggestions on the dual active
bridge converter, and for the detailed reading of my papers. Besides, I want to
thank my PES office mates Bernardo, Thiago, Gabriel, and Patricio for our talks
and our good time.
Bedanktaanallecollega’sopELECTAvoordeprettigewerksfeerendevermakelijke
koffiepauzes. Bedankt ook aan Roland, Johan, en Luc voor de hulp bij de opbouw
van de meetopstellingen, voor de ondersteuning bij de labozittingen, en voor de
leuke sfeer. Het ELECTA secretariaat wil ik bedanken om altijd voor me klaar te
staan. Bedankt aan Joris, mijn vaste bureaugenoot, huisgenoot, collega, vriend,
voor de vele interessante gesprekken en voor de nodige afleiding op en naast het
werkveld.
Tevens wens ik het agentschap voor Innovatie door Wetenschap en Technologie
(IWT Vlaanderen) te bedanken voor de financi¨ele ondersteuning gedurende
de eerste vier jaar van mijn doctoraat. Bedankt ook aan het Fonds voor
Wetenschappelijk Onderzoek (FWO Vlaanderen) voor het financieel haalbaar
maken van de buitenlandse onderzoeksverblijven.
Een bijzonder dankwoordje wil ik richten aan mijn ouders. Bedankt dat jullie
altijd voor me klaar staan, me door dik en dun steunen, en me alle kansen hebben
gegeven om mijn eigen weg te gaan. Geen enkele moeite is voor jullie te veel, ook
al ben ik maar zelden thuis. Hiervoor mijn oprechte appreciatie.
Marie, jou ben ik ongelooflijk dankbaar voor alles wat je voor me gedaan hebt, en
vooral voor het begrip dat je telkens opbrengt tijdens stressvolle momenten. Het
besef dat jij er altijd voor me bent brengt me de nodige rust en zorgt ervoor dat ik
de zaken allemaal beter kan relativeren.
Jordi Everts
Maart, 2014