Single-Phase Single-Stage PFC Based on a Novel Floating Capacitor Filter for Electric Vehicle Battery Charger Application
Authors:   , Alzuguren Almorza Itziar 
Published: June 2024

Global climate change has been influenced by natural variations in the Earths orbit and, more recently, by human-generated greenhouse gas emissions, leading to worrying consequences. CO2 emissions have increased considerably since 1990, specially in sectors such as electricity generation, industry and transportation. In this scenario, changes are necessary and the uptake of Electric Vehicle (EV) has been remarkable. In 2022, more than 20 million units were on the road, and a significant increase is expected by 2030. This poses important challenges, such as the need to improve the mileage autonomy and charging infrastructure of EV, highlighting the importance of power electronics research in this field.

The aim of this doctoral thesis is to propose a new topology applicable to single-phase AC-DC converters for EV charging applications. The State of the Art (SoA) solutions mostly comprise Dual-Stage (2-S) solutions, with an intermediate DC bus formed by electrolytic capacitors. Single-Stage (1-S) converters skip the intermediate DC bus and exhibit more complex control strategies but offer advantages in power density, due to the absence of largest passive components needed in 2-S solutions. However, they transfer Low Frequency (LF) ripple from the Power Factor Corrector (PFC) to the output, which results in solutions not accepted by the industry. As a solution, a capacitor or an active filter can be connected to the output bus.

It has been considered interesting to open a new line of research in the field of single-phase 1-S AC-DC converters that dispense with the large electrolytic capacitors. Thus, a new topology is proposed, which has been called as Floating Capacitor Integrated-Dual Active Bridge (FCI-DAB). It is a 1-S circuit with an active filter in the primary-side, connected to the High Frequency (HF) link.

After the identification of the control variables, several modulation strategies for the FCI-DAB are presented, including electrical waveforms obtained from simulations.

The FCI-DAB circuit is then analyzed for an EV wireless charger application and it is compared theoretically with a previous 1-S Dual Active Bridge (DAB) solution. Finally, the FCI-DAB circuit is applied in a Gallium Nitride (GaN)-based wireless charger for EV and it is compared experimentally with the 1-S DAB circuit in terms of efficiency, grid current quality, and size.

The FCI-DAB solves the problem that the 1-S DAB circuit has related to the transfer of LF harmonics to the battery. The filter, however, penalizes the overall efficiency of the converter by about 2 % respect to 1-S DAB, due to the integration of the additional H-bridge in series; but is still close to the 2-S SoA solutions. Nevertheless, the FCI-DAB adds power losses in the off-board part, but helps to reduce losses in the on-board part, being more evident at lower output voltages. Furthermore, in the FCI-DAB the quality of the input current is improved, as the distortion of the current at zero-crossings is solved, improving the Total Harmonic Distortion (THD) of the grid current.

In conclusion, this versatile converter, with multiple ports and control variables, offers flexibility in voltage levels and power transfer control. Despite its complexity, the thesis outlined various control strategies, validated through simulations and experimental tests with a GaN-based prototype. Comparison with existing 1-S DAB solution revealed the solution to the problem of LF harmonics at the output, and a trade-off between efficiency and improved power quality, with FCI-DAB demonstrating improved grid current quality but slightly lower overall efficiency, although with improved power losses distribution.

RESUMEN

El cambio climático ha sido influenciado por variaciones naturales en la órbita de la tierra y, más recientemente, por las emisiones de gases de efecto invernadero generadas por el ser humano, lo que ha llevado a preocupantes consecuencias. Las emisiones de CO2 han aumentado considerablemente desde 1990, especialmente en sectores como la generación de electricidad, la industria y el transporte. En este escenario, son necesarios cambios drásticos y la adopción de vehículos eléctricos ha sido notable. En 2022, circulaban más de 20 millones de unidades, y se espera un aumento significativo para 2030. Esto plantea importantes desafíos, como la necesidad de mejorar la autonomía del kilometraje y la infraestructura de carga de los EV, destacando la importancia de la investigación en electrónica de potencia en este campo.

El objetivo de esta tesis doctoral es proponer una nueva topología aplicable a convertidores AC-DC monofásicos para aplicaciones de carga de EV. Las soluciones del estado del arte en su mayoría comprenden soluciones de 2-S, con grandes condensadores electrolíticos que forman un bus DC intermedio. Los convertidores 1-S, que omiten el bus DC intermedio, exhiben estrategias de control más complejas, pero ofrecen ventajas en densidad de potencia, porque se prescinden de los elementos pasivos más grandes. Sin embargo, transfieren el harmónico de baja frecuencia hacia la salida, lo que resulta en soluciones no aceptadas por la industria. Como solución, pueden conectarse un condensador electrolítico o un filtro activo al bus de salida.

Después del análisis del estado del arte, se ha considerado interesante abrir una nueva línea de investigación en el campo de los convertidores AC-DC monofásicos 1-S que prescindan de los grandes condensadores electrolíticos que se utilizan para filtrar el rizado al doble de frecuencia de red. De esta forma, se propone una nueva topología, que ha sido llamada FCI-DAB. Es un circuito 1-S con un filtro activo en el lado primario, conectado en el enlace de alta frecuencia.

Después de la identificación de las variables de control, se presentan varias estrategias de modulación para el FCI-DAB, incluyendo formas de onda eléctricas obtenidas en simulaciones.

Posteriormente, se analiza el circuito FCI-DAB para una aplicación de cargador inalámbrico para EV-s y se compara teóricamente con una solución DAB 1-S. Finalmente, se aplica el circuito FCI-DAB en un cargador inalámbrico para EV basado en GaN y se compara experimentalmente con el circuito DAB 1-S en términos de eficiencia, calidad de corriente de red y tamaño.

El FCI-DAB resuelve el problema que el circuito 1-S DAB tiene en cuanto a la transferencia de armónicos de baja frecuencia a la batería. El filtro, sin embargo, penaliza la eficiencia global del convertidor en aproximadamente un 2 % respecto a 1-S DAB, debido a la integración del puente H adicional en serie; pero sigue estando cerca de las soluciones de dos etapas. Sin embargo, el FCI-DAB añade pérdidas de potencia en el lado off-board, pero ayuda a reducir las pérdidas en la parte on-board, siendo esto más evidente a tensiones de salida más bajas. Además, el FCI-DAB mejora la calidad de la corriente de red, ya que la distorsión de la corriente en los pasos por cero se resuelve con el filtro propuesto, mejorando significativamente el THD de esta corriente de red.

En conclusión, este versátil convertidor, con múltiples puertos y variables de control, ofrece flexibilidad en los niveles de tensión y control de transferencia de potencia. A pesar de su complejidad, la tesis expone varias estrategias de control, validadas mediante simulaciones y pruebas experimentales con un prototipo basado en GaN. La comparación con la solución 1-S DAB concluye en la solución del problema de la trasferencia de los harmónicos de baja frecuencia hacia la salida, además de un compromiso entre la eficiencia y la mejora de la calidad de corriente de red.