Un Convertitore DC-DC Isolato a Due Stadi per Applicazioni di Ricarica delle Batterie

     Questo articolo propone e analizza un convertitore DC-DC a due stadi isolato per applicazioni di ricarica dei veicoli elettrici, dove è richiesta un'efficienza elevata su un ampio range di tensioni batteria. Il circuito di conversione proposto comprende una prima fase di isolamento con struttura risonante CLLC a doppia uscita e un secondo regolatore buck a doppia entrata. Il trasformatore della prima fase è progettato in modo che le sue due tensioni di uscita corrispondano, idealmente, alle tensioni minima e massima previste da fornire alla batteria. Quindi, la seconda fase combina le tensioni fornite dalla precedente fase di isolamento per regolare la tensione di uscita dell'intero convertitore. La prima fase viene sempre operata in risonanza, con l'unica funzione di fornire isolamento e rapporti di conversione fissi con perdite minime, mentre la seconda fase permette la regolazione della tensione di uscita su un ampio range di tensioni batteria. In generale, si dimostra che la soluzione presenta un'alta efficienza di conversione su un ampio range di tensioni di uscita.

1.Introduzione.

    I trasporti elettrici stanno guadagnando terreno in molti paesi a causa delle crescenti preoccupazioni riguardo alle emissioni globali di gas serra e alla fornitura e allo sfruttamento dei combustibili fossili. Queste preoccupazioni hanno recentemente spinto la crescita esponenziale della domanda di veicoli elettrici (VE). Tale alta domanda, combinata con la ricerca di autonomie più lunghe e tempi di ricarica ridotti, sta spingendo le nuove generazioni di VE a implementare capacità batteria e tassi di ricarica superiori. Di conseguenza, sono necessarie nuove stazioni di ricarica per VE in grado di fornire potenza maggiore, più rapidamente rispetto al passato.

2.Struttura e Principio di Funzionamento.

    Come mostrato nella Fig.  il convertitore a due stadi proposto consiste in una prima fase di isolamento basata su un convertitore risonante LLC, e una seconda fase di post-regolazione basata su un convertitore buck.   Tale post-regolatore è responsabile della regolazione della tensione di uscita ed è alimentato tramite un convertitore DCX a doppia uscita ad alta efficienza, con tensioni secondarie V1 e V2.   Dalla Fig., risulta chiaro che lo stress di tensione del post-regolatore, vale a dire, V1−V2, è inferiore alla tensione di uscita Vo, il che consente l'uso di dispositivi di commutazione con resistenza in onda minore e perdite di commutazione inferiori.

3.Progettazione della Fase LLC Operata come DCX.

     Quando il serbatoio risonante LLC viene operato alla frequenza di risonanza, il rapporto di conversione di tensione diventa ideale indipendente dal carico effettivo. In altre parole, il convertitore LLC mantiene un rapporto di conversione di tensione costante e regola automaticamente la sua corrente, in base alle condizioni del carico, comportandosi come un DCX. In questa condizione di funzionamento, l'LLC mostra la sua massima efficienza, con un flusso minimo di potenza reattiva e condizioni di commutazione a tensione zero (ZVS) e a corrente zero (ZCS) sempre soddisfatte. Notabilmente, l'operazione DCX dell'LLC non richiede un induttore risonante esterno, poiché il guadagno di conversione è fisso. Una soluzione equivalente basata su un FB-LLC risonante progettato per operare nello stesso ampio range di tensioni di uscita si prevede che mostri perdite superiori rispetto all'LLC in condizioni permanenti DCX.

4.Conclusione

     Le prestazioni di conversione che coprono l'intero range di potenza e tensione sono state riportate sperimentalmente, mostrando un'alta efficienza su un ampio range di condizioni operative, registrando un'efficienza picco del 98,63% a 500V di tensione di uscita e 7kW di potenza trasferita.   Nelle applicazioni finali, possono essere considerate connessioni in serie o in parallelo di più moduli per scalare i valori di tensione o corrente dell'implementazione finale, grazie all'uscita isolata.   Gli studi futuri potrebbero includere controllori online per la modulazione ottimale del convertitore e procedure per il progetto ottimale dei componenti del convertitore, come gli induttori TBB di uscita.

Fonte: IEEE Xplore

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