Contributions to the modulation and closed-loop control of multilevel dual-active-bridge Dc-Dc converters

Abstract

Galvanically-isolated bidirectional dc-dc converters (IBDCs) have recently received more attention due to its increasing use in systems requiring energy transfer between two dc networks in both directions, requiring galvanic isolation and a high voltage gain. Some of these systems are energy storage systems, vehicle-to-grid power interfaces, fuel cell energy systems, uninterruptable power supplies, high-voltage dc links for electric-energy transmission, and solid-state transformers.The most prominent IBDC, thanks to its good performance, is the dual-active-bridge (DAB) converter. It features a high power density, a wide dc-voltage gain working range, a low count of passive components, and an exceptional transformer utilization. Nevertheless, the DAB converter suffers from a significant performance deterioration when operating at conditions different from its nominal design working point. This problem has been alleviated by designing complex modulation schemes, which require a high computational effort and are highly dependent on the parasitic-component values. On the other hand, as DAB converters have been lately introduced in high-power applications, higher voltages are needed in the dc links in order to achieve reasonable efficiency values. This has led to the use of multilevel topologies on the DAB converters, mainly multilevel neutral-point-clamped (NPC) topologies. However, the little and recent literature in this topic have not fully explored the operational capabilities and performance benefits of multilevel DAB converters.The aim of this thesis is to study the viability of multilevel NPC DAB (ML-DAB) converters, where the major faced challenge is the dc-link capacitors voltage balancing. First, three particular ML-DAB converters are studied, with the same number of levels on each side; the three-level, four-level, and five-level topologies (3L-DAB, 4L-DAB, and 5L-DAB, respectively). Suitable switching sequences, modulation schemes, and control schemes are designed for the proposed ML-DAB converters. The converter switching and conduction losses are studied with three figures of merit, resulting in a set of practical solutions that define the modulation parameters and achieve satisfactory converter-performance figures. These results are then generalized to the N-level topology (NL-DAB). Finally, the feasibility of ML-DAB converters with an asymmetric number of levels is also demonstrated.

Els convertidors de cc-cc bidireccionals amb aïllament galvànic (IBDCs) han rebut recentment força atenció, degut al seu ús creixent en sistemes on es requereix la transferència d'energia elèctrica entre dues xarxes de cc en ambdues direccions, a més d'aïllament galvànic i un alt guany de tensió. Alguns exemples són sistemes d'emmagatzematge d'energia elèctrica, interfícies de potència per sistemes 'Vehicle-to-Grid', sistemes de piles de combustible, sistemes d'alimentació ininterrompuda, xarxes elèctriques de cc i alta tensió i transformadors d'estat sòlid. El membre més important dins dels IBDCs, gràcies al seu bon rendiment, és el convertidor dual active bridge (DAB). Aquest presenta una alta densitat de potència, un ampli rang de guany de tensió, un nombre baix de components passius i una utilització excepcional del transformador. No obstant això, pateix d'un deteriorament significatiu del seu rendiment quan opera fora del seu punt de treball nominal. A la literatura, aquest problema s'ha alleujat proposant esquemes de modulació alternatius, que solen ser complexos, requereixen un alt esforç computacional i són altament dependents dels valors dels components paràsits del convertidor. Recentment, els convertidors DAB han estat introduïts en aplicacions d'alta potència, que requereixen tensions de bus de cc elevades, per tal d'assolir valors d'eficiència raonables. Això ha conduït a l'ús de topologies multinivell en els convertidors DAB, principalment topologies d'enclavament al punt neutre (NPC). No obstant això, la literatura recent en aquest tema és escasa i no explora completament les capacitats operatives i els potencials beneficis que els convertidors DAB multinivell poden oferir.L'objectiu d'aquesta tesi és estudiar la viabilitat dels convertidors DAB multinivell emprant toplogies NPC (ML-DAB), on el principal desafiament és la necessitat de garantir l'equilibri de les tensions als condensadors del bus de cc. En primer lloc, s'estudien tres casos particulars dels convertidors ML-DAB, on cadascun presenta el mateix nombre de nivells en cada costat. Aquests casos són les topologies de tres nivells, quatre nivells i cinc nivells (3L-DAB, 4L-DAB i 5L-DAB, respectivament). Es dissenyen seqüències de commutació, esquemes de modulació, i esquemes de control adequats per als convertidors ML-DAB proposats. Les pèrdues de conducció i commutació dels convertidors ML-DAB proposats s'estudien a partir de tres figures de mèrit. Els resultats d'aquest estudi ajuden a determinar un conjunt de solucions pràctiques per a definir els paràmetres de modulació, obtenint, a la vegada, rendiments satisfactoris. L'estudi realitzat en els tres casos particulars es generalitza al cas de la topologia d'N nivells (NL-DAB). Finalment, la viabilitat dels convertidors ML-DAB amb un nombre asimètrica de nivells també es demostra.