Conversor CC-CC unidirecional isolado para o carregamento rápido de veículos elétricos

Abstract

Neste trabalho, apresenta-se o estudo de um conversor CC-CC unidirecional, isolado em alta frequência destinado para aplicação como carregador rápido de veículos elétricos, sendo possível sua operação com diferentes níveis de tensão e corrente de saída. Este conversor corresponde a um sistema de conversão modular do tipo entrada-paralela saída-paralela com dois módulos de potência. A estrutura de potência proposta para um módulo consiste em dois conversores, utilizando uma única ponte de MOSFET SiC na confiuração em ponte completa, e conectando os enrolamentos primários dos transformadores em paralelo. Adicionalmente, circuitos simples de grampeamento com derivação central no enrolamento secundário do transformador são adicionados aos retifiadores de saída. Da mesma forma, um circuito de reconfiuração de saída baseado em relé é implementado. A transferência de potência da entrada para a saída é realizada usando a estratégia de modulação por deslocamento de fase. Os princípios de operação são apresentados e analisados, derivando-se os principais parâmetros elétricos, esforços elétricos, procedimentos de projeto e um modelo dinâmico em pequenos sinais. Além disso, um esquema de controle multi-malhas para o processo de recarga de veículos elétricos é proposto. Finalmente, um protótipo comercial de um módulo de potência de 10 kW é projetado e construído, sendo realizados os ensaios experimentais com tensão de entrada de 900 V, tensão de saída de 0 V a 800 V, e frequência de chaveamento de 100 kHz, obtendo-se um rendimento máximo de 96,69 % e uma densidade de potência de 0,485 W/cm3.

This paper presents the study of a Unidirectional High-Fequency Isolated DC-DC converter for use as an EV fast charger, which can be operated as a DC voltage and DC current supplier. This converter corresponds to a parallel-input parallel-output type modular conversion system with two power modules. The proposed power structure for one module consists of two fullbridge converters, using a single SiC MOSFET bridge and connecting the primary windings of the transformers in parallel. In addition, simple clamping circuits with a central tap in the secondary winding of the transformer are added to the output rectifiers. Likewise, a relay-based output reconfiguration circuit is implemented. The transfer of power from the input side to the output side is carried out using the phase shift modulation strategy. The principles of operation are presented and analyzed, deriving the main electrical parameters, electrical stresses, design procedures and a small-signal dynamic model. In addition, a multi-mesh control scheme for the EV recharging process is proposed. Finally, a commercial prototype of a 10 kW power module was designed and built, and experimental tests were carried out with an input voltage of 900 V, an output voltage of 0 V to 800 V, and a switching frequency of 100 kHz, obtaining a maximum efficiency of 96.69 % and a power density of 0.485 W/cm3.