Un convertisseur DC-DC isolé à deux étages pour les applications de charge de batteries

     Ce document propose et analyse un convertisseur CC-CC isolé à deux étages pour les applications de charge de véhicules électriques, où une haute efficacité sur une large gamme de tensions de batterie est requise. Le circuit de conversion proposé comprend un premier étage d'isolement à double sortie avec une structure résonnante CLLC et un second étage régulateur buck à double entrée. Le transformateur du premier étage est conçu de telle manière que ses deux tensions de sortie correspondent, idéalement, aux tensions minimale et maximale attendues à fournir à la batterie. Ensuite, le second étage combine les tensions fournies par l'étage d'isolement précédent pour réguler la tension de sortie du convertisseur dans son ensemble. Le premier étage est toujours opéré en résonance, avec pour seule fonction de fournir l'isolement et des rapports de conversion fixes avec des pertes minimales, tandis que le second étage permet la régulation de la tension de sortie sur une large gamme de tensions de batterie. Dans l'ensemble, il est démontré que la solution présente une haute efficacité de conversion sur une large gamme de tensions de sortie.

1.Introduction.

    La mobilité électrique gagne du terrain dans de nombreux pays en raison des préoccupations croissantes concernant les émissions mondiales de gaz à effet de serre et l'approvisionnement et l'épuisement des combustibles fossiles. Ces préoccupations ont récemment propulsé la croissance exponentielle de la demande de véhicules électriques (VE) . Une telle forte demande, combinée à la recherche de plus longues distances de parcours et de temps de recharge réduits, pousse les nouvelles générations de VE à mettre en œuvre des capacités de batterie et des taux de charge plus élevés. Par conséquent, de nouvelles stations de recharge de VE sont nécessaires pour fournir plus de puissance, plus rapidement que jamais auparavant.

2.Structure et principe de fonctionnement.

    Comme indiqué dans la Fig.  le convertisseur à deux étages proposé se compose d'un premier étage d'isolement basé sur un convertisseur résonnant LLC, et d'un second étage post-régulateur basé sur un convertisseur buck.   Ce post-régulateur est responsable de la régulation de la tension de sortie et est alimenté par un convertisseur DCX à double sortie à haute efficacité, avec des tensions secondaires V1 et V2.   Il est clair, d'après la Fig., que la contrainte de tension du post-régulateur, c'est-à-dire, V1−V2, est inférieure à la tension de sortie Vo, ce qui permet ainsi l'utilisation de dispositifs de commutation avec une résistance en marche plus faible ainsi que des pertes de commutation plus faibles.

3.Conception de l'étage LLC opérant comme un DCX.

     Lorsque le circuit résonnant LLC est opéré à la fréquence de résonance, le rapport de conversion de tension devient idéalement indépendant de la charge réelle. Autrement dit, le convertisseur LLC maintient un rapport de conversion de tension constant et ajuste automatiquement son courant, selon les conditions de charge, se comportant comme un DCX. Dans cette condition de fonctionnement, le LLC montre son efficacité maximale, avec un flux réactif minimum et des conditions de commutation à tension nulle (ZVS) et de commutation à courant nul (ZCS) toujours satisfaites . Notamment, le fonctionnement DCX du LLC ne nécessite pas d'inducteur résonnant externe, car le gain de conversion est fixe. Une solution équivalente basée sur un FB-LLC résonnant conçu pour fonctionner sur la même large gamme de tensions de sortie est susceptible de montrer des pertes supérieures au LLC en conditions de DCX permanentes.

4.Conclusion

     Les performances de conversion couvrant l'ensemble des gammes de puissance et de tension ont été rapportées expérimentalement, montrant une haute efficacité sur une large gamme de conditions de fonctionnement, enregistrant un pic d'efficacité de 98,63% à une tension de sortie de 500V et une puissance transférée de 7kW.   Dans les applications finales, des connexions en série ou en parallèle de plusieurs modules peuvent être envisagées pour échelonner les tensions ou les intensités de la mise en œuvre finale, grâce à la sortie isolée.   Des études futures pourraient inclure des contrôleurs en ligne pour une modulation optimale du convertisseur et des procédures pour la conception optimale des composants du convertisseur, comme les inducteurs TBB de sortie.

Source: IEEE Xplore

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