Single-stage DC-DC converters for a wide input &amp; output voltage range
Creators: name: Rehlaender, Philipp Ernst
Publisher: name: Universität Paderborn
Year: 2024

description: On-bord DC-DC-Konverter sind das Bindeglied zwischen der Traktionsbatterie und der Hilfsbatterie und versorgen wichtige Komponenten des Elektrofahrzeugs. Diese Arbeit adressiert den weiten Spannungsbereich des Wandlers, der eine Folge der variierenden Spannungen der Batterien ist. Als potentielle Topologien werden der LLC Resonanzwandler, der aktiv geklemmte Flusswandler und der isolierte Vollbrücken-Konverter untersucht.Zunächst wird hierbei der LLC untersucht und verschiedene Modulationstechniken zur Abdeckung des weiten Spannungsbereichs gegenübergestellt, um zu zeigen, dass die Frequenzverdoppler-Modulation und die alternierende Phasenverschiebungsmodulation die maximale Temperatur der Halbleiter deutlich senken. Zum Wechsel zwischen Voll- und Halbbrückenmodulation wird eine Modulationstechnik vorgeschlagen, welche den transienten Magnetisierungsfluss um über 70 % respektive des konventionellen Konzept senkt. Für den aktiv geklemmten Flusswandler wird ein verbessertes Modell vorgestellt, das die Blockierspannung sehr genau modelliert. Zudem wird eine Snubber-Schaltung vorgeschlagen, welche die sekundärseitige transiente Blockierspannung deutlich reduziert. Für den isolierten Vollbrücken-Konverter werden hart- und weichschaltende Modulationstechniken analysiert und eine hartschaltende Frequenz-Verdoppler-Modulationstechnik vorgeschlagen, welche die maximale Schaltertemperatur deutlich reduziert und eine Modulationstechnik mit Beschaltung vorgestellt, um zwischen dem Voll- und Halbbrückenmodus zu wechseln. Die zuvor erarbeiteten Konverter werden unter Anwendung einer vorgestellten Designmethodik verglichen und messtechnisch evaluiert.
description: On-board DC-DC converters are the connecting link between the traction battery and the auxiliary battery and supply energy to the crucial components of an electrical vehicle. This work addresses DC-DC converters of a wide conversion range necessary to cover the voltage-transfer ratio resulting from the varying state of charge of the traction and auxiliary battery and investigates three topologies for this application: the LLC resonant converter, the active-clamp forward converter and the isolated full-bridge converter. At first, the LLC resonant converter is analyzed and several operating modes are investigated and proposed to better cover the wide transfer ratio. The operating modes are benchmarked showing that the alternating-asymmetrical phase shift modulation and the frequency-doubler modulations can significantly reduce the MOSFET temperature. To switch from full-bridge mode to half-bridge mode, an improved morphing modulation is proposed that reduces the flux by about 70 % compared to the conventional concept. Finally, an integrated planar transformer is proposed to increase the power density of the LLC.The active-clamp forward converter is investigated to propose an accurate steady-state model. A snubber circuitry is presented to limit the voltage overshoot of the synchronous rectifier. The isolated full-bridge converter is investigated in its hard- and soft-switching operation. A hard-switched frequency-doubler modulation is proposed to reduce the maximum temperature significantly. Additionally, a steady-state model is derived to accurately calculate the current shape of the converter and a topology morphing concept is proposed to limit the blocking voltage of the secondary-side semiconductors during mode transition. Finally, a topology comparison and design methodology is proposed that enables a fair topology comparison. The three aforementioned topologies are experimentally evaluated.