Претварач са активним одсијецањем вршног напона прекидача као помоћно напајање примарне стране система за бежично индуктивно пуњење батаерија електричних аутомобила

Abstract

У овој дисертацији представљено је пројектовање и анализа рада active-clamped flyback (ACF) dc-dc претварача 57 W у улози помоћног напајања примарне стране бежичног индуктивног пуњача батерија електричних возила. Претварач је био напајан са једносмјерног међукола 800 V. То је био изазов у односу на његове типичне примјене. Проучавањем расположиве литературе уочено је много необрађених тема које су овдје покривене по први пут. Листа научних доприноса је велика и само пар њих ће бити поменуто. Баланс између научних и практичних доприноса је постигнут чинећи ову дисертацију корисном и за развојне инжењере. Преглед управљачких кола је дат откривајући нам да само два произвођача имају одговарајуће компоненте подесне за ову примјену. Избор кључних компоненти је дат као и приједлог потребних својстава будућих. Неколико нових математичких израза је представљено или су постојећи исправљени. Мјерења индуктивности магнећења и расипне индуктивности трансформатора су показала колико разлике могу да буду велике зависно од добављача истих. Анализа понашања при кратким спојевима је показала да је употреба хибридне гране за одсијецање вршног напона прекидача обавезна код вишережимских управљачких кола. У дисертацији је приказан и график промјене (хипотетички) максималног степена корисног дејства у односу на индуктивност магнећења. Мјерења губитака усљед циркулишуће енергије су анализирана и упоређена за неколико трансформатора. Ови губици су реда величине неколико W и расту са порастом улазног напона. Дискутована су и мјерења пропусног опсега, резерве фазе и резерве појачања. Ове величине су биле промјенљиве у односу на улазни напон и оптерећење ― што смо и очекивали. Поређење симулираних и измјерених Бодеових дијаграма је показало да је, чак и када су одступања велика, могуће испројектовати регулатор који омогућава стабилан рад претварача. Даље, показано је да су конвенционални и квази резонантни (QRF) flyback претварачи 23% јефтинији, да заузимају 11% мање простора и да имају сличне или веће степене корисног дејства него ACF претварач. Анализа унакрсне регулације, када је регулисан излаз са мањом снагом (9,6% од укупне), је показала да је и такав приступ могућ. Упоређени су и пропусни опсег, резерва фазе и резерва појачања ACF, конвенционалног flyback и QRF претварача. Показано је да, за исту спецификацију, ови претварачи не могу да имају исти компензатор као ACF. ACF претварач је познат и по мањим електромагнетским сметњама што може да буде кључна предност за ову примјену у настанку. Једна од препрека за масовнију употребу ACF претварача у овој примјени је недостатак одговарајућих компоненти на тржишту.

In this dissertation design and investigation of active-clamped flyback (ACF) dc-dc converter 57 W used as the auxiliary power-supply of an inductive charging system (ICS) is presented. The ACF was supplied from variable-dc-link 800 V which was challenging compared to its typical usage as power adapter. Having reviewed available literature many gaps in literature were identified and they are covered here for the first time. List of scientific contributions is large and only few ones will be briefly covered here. A balance between academic and practical contributions is tried to be achieved hence expanding its usefulness to development engineers too. An overview of ACF control ICs is presented revealing that only two vendors have appropriate devices for ICS. The key-parts’ choice and suggestion of new features targeting ACF in this emerging application are given. In addition, several mathematical expressions are introduced or corrected. Measurements of magnetizing and leakage inductances for several transformers demonstrated how big differences between them could be depending on vendors. The short-circuit behaviour is analysed showing that usage of the hybrid-clamp with multi-mode control ICs is mandatory. Unique measured (hypothetical) maximum efficiency vs. magnetizing inductance is shown. Measurements of circulating-power losses vs. input voltage are analysed and compared for several transformers. Those losses are in the range of few watts and increase with input voltage. Measurements of bandwidth, phase margin and gain margin vs. input power are discussed. Those quantities were changeable with load and input voltage as expected. Comparison of simulated and measured Bode plots showed that, even when those plots were not matched, one could design a compensator that ensures stable operation. Comparison with conventional flyback and quasi-resonant (QRF) flyback converters showed that both are 23 % cheaper, occupy 11 % less board space, and have similar or higher efficiencies than ACF. Evaluation of cross regulation, when output with low power (9.6 % of total) was regulated, showed that such approach was feasible too. Comparison of bandwidth, phase margin and gain margin between the ACF and conventional and QRF flyback converter were discussed too. It was shown that, for the same specification, those converters cannot have the same compensator as an ACF. The ACF is known for lower electromagnetic interferences and that might be the key advantage in this emerging application. One of the obstacles for wider usage of ACF in ICS applications is lack of appropriate components on the market.