Dual Active Bridge Converter
Master thesis
Date
2021Metadata
Show full item recordCollections
- Institutt for elkraftteknikk [2482]
Abstract
De mange bruksområdene til den isolerte toveis DC-DC-omformeren har fanget oppmerksomheten til industrien, og den mest lovende topologien av disse er Dual Active Bridge(DAB) omformeren. Denne omformertopologien krever videre forskning på dens drift, for å kunne utvikle ytelsen på DAB-omformeren videre. I masteroppgaven har tap blitt beregnet for en Loss DAB Model, både analytisk og simuleringsbasert. Målet med denne studien er å observere og sammenligne disse resultatene, og gi mer data med hensyn til tap som denne omformeren genererer. Metodikken som var valgt for denne analysen var beregning av ledetap og svitsjetap for varierende faseforskyvningsvinkler, med og uten å ta hensyn til dødtid i svitsjingen. De oppnådde resultatene viste at forskjellen mellom de to tilnærmingene var betydelig, og den økte når dødtid ble tatt hensyn til, i tillegg økte den for avtagende faseforskyvningsvinkel. Forskjellen oppstod på grunn av neglisjering av den varierende RDS(on) i den analytiske beregningen av tapene. Diodetapene ble observert til å være veldig små sammenlignet med Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) tapene, siden diodens ledningstid var langt mindre enn de nevnte bryterne, og svitsjetapene ble neglisjert på grunn av mangel på data.Et viktig resultat av analysen var observasjon av nærvær av zero current switching (ZCS) for zero voltage switching (ZVS) grensedrift av DAB-omformeren, som tilsvarte når D = 0,19. Dette driftspunktet for omformeren førte til null svitsjetap under turn-on og turn-off av bryterne på sekundær H-broen. Basert på disse resultatene, ble det videreført en analyse av ZVS i den andre fasen av prosjektet.Fra de oppnådde resultatene fra første trinn, var det nødvendig å definere ZVS-driftsområdet for DAB-omformeren basert på dens ZVS-evne, for å muliggjøre lavere koblingstap. Virkemåten til DAB-omformeren ble presentert i masteroppgaven for forskjellige driftsforhold og scenarier, altså med og uten å ta hensyn til parasittkondensatorer og ved forskjellige faseforskyvninger i driftsregionene. Basert på denne analysen, ble det lagt merke til at diodene i omformeren måtte lede når bryteren skrudde seg på, for å kunne realisere ZVS. Parametere som spolestrøm og dødtidslengde påvirket driften under ZVS. Hvis spolestrømmen var mindre enn hva som var blitt beregnet som minste spolestrøm i denne oppgaven, ville det føre til at parasittkondensatorene ikke var i stand til å lade seg opp eller tømme seg helt. Den korte dødtidslengden i forhold til resonanstiden, altså ladings- og utladingstiden som kreves for disse kondensatorene, resulterte i enten i hard svitsjing eller delvis ZVS for bryterne. Videre ble ZVS-grensen spesifisert, for å kunne definere ZVS operasjonsområdet for DAB-omformeren, ved bruk av tre ulike faseforskyvninger som referanser. For grensedrift av omformeren ved D = 0,19, og for høye faseforskyvningsområder ved D = 0,3, ble ZVS oppnådd for begge omformerbroene. Dette ble oppnådd på bakgrunn av studien av forholdet mellom faseforskyvningen og dens tilsvarende gain, G, i DAB-omformeren. Ved å operere omformeren med lav faseforskyvning i driftsområdet D = 0,1, tilsvarte det at omformeren opererte i Buck modus, noe som resulterte i at den sekundære bruen mistet sin ZVS evne. Da G=1, ble ZVS oppnåelig for alle faseforskyvningsregioner uavhengig av andre tilstander, noe som kun var mulig å oppnå for DAB-modellen i denne masteroppgaven når D = 0,5, som tilsvarte at inngangsspenningen var lik utgangsspenningen. With a wide range of applications, the isolated bidirectional DC-DC (IBDC) converters have caught the attention of many researchers, among which the most prominent topology is the dual active bridge (DAB) converter. This converter topology requires a thorough study in terms of its operation to further improve the performance of the DAB converter. An estimation of the losses was conducted for the Loss DAB model where this appraisal was conducted both analytically and simulation based. The aim of this study was on observing and comparing these results to provide more data in regard to the losses. The methodology chosen for this analysis was estimating the conduction and switching losses for a varying phase shift value, for when the dead time was and was not present. The results obtained showed that there was a clear difference between the two approaches which increased for the dead time consideration and for lower phase shift values. This was ascertained to happen due to required assumptions made and the lack of consideration of the varying drain to source on state resistance for the analytical estimation of the losses. The body diode losses were observed to be very small compared to the Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) losses since the body diode conduction time was far less than the aforementioned switches, and the switching losses were neglected due to the lack of data.One important outcome of the analysis was the observation of the zero-current switching (ZCS) presence for the zero-voltage switching (ZVS) boundary of the DAB converter corresponding to a phase shift of D=0.19. This operation region of the converter resulted in Zero Switching losses during turn-on and turn-off of the power devices in the secondary H-bridge. This occurrence led to the ZVS analysis performed in the second stage of the project.From the results obtained in the previous stage, the ZVS capability of the converter was studied to define the operating region of the DAB converter which would allow for lower switching losses. The working principle of the DAB converter for different scenarios and operating conditions, (with and without the presence of parasitic capacitors and different phase shift operating regions), were presented in this thesis. This approach provided the conditions for realizing ZVS of the switches of this converter where the conduction of the body diode was found to be necessary to allow for ZVS. The required parameters such as, inductor current and dead time, directly affected the ZVS operation of the switches. For instance, when the inductor current was lower than the calculated minimum inductor current to achieve ZVS, the parasitic capacitors would not charge and discharge completely. The shorter dead time compared to the resonance time, the charging and discharging time required for these capacitors, would result in hard switching or in partial zero voltage switching of the switches.The ZVS boundary was set to define the ZVS operating region of the DAB converter where three phase shift values were used as references. For the boundary operation of the converter D=0.19, and for high phase shift region D=0.3, ZVS was provided for both bridges of the converter since from the relation of the phase shift and corresponding gain, the DAB converter operated within the ZVS region. The low phase shift operating region, D=0.1, for when the converter operated in Buck Mode, resulted in the secondary bridge losing its ZVS capability. When the voltage gain, G=1, the ZVS was achieved for all phase shift regions independent of the other conditions. For the DAB model used in this thesis this was only true for when D=0.5 where the input voltage was equal to the output voltage.