Minimizzazione dello stress corrente per DC a doppio ponte attivo isolato

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 16980 (2022) Citare questo articolo

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Questo articolo presenta una nuova modulazione di sfasamento per il convertitore corrente continua-corrente continua (DC-DC) a doppio ponte attivo (DAB) isolato. La tecnica proposta mira a minimizzare lo stress massimo di corrente del convertitore, che potrebbe aumentare direttamente l'efficienza e ridurre le perdite del dispositivo. Questa tecnica di modulazione controlla la potenza del convertitore attraverso solo due angoli di sfasamento o due gradi di libertà; uno sfasamento viene utilizzato tra le gambe del primo ponte e l'altro tra le gambe del secondo ponte. Sebbene la tradizionale tecnica SPS (Single Phase Shift) abbia un solo grado di libertà, presenta numerosi inconvenienti in termini di elevata sollecitazione di corrente e flusso di potenza circolante inverso, che riducono l’efficienza del convertitore. D'altra parte, l'aumento del numero di angoli di sfasamento può migliorare le prestazioni del sistema ma anche aumentare la complessità del controllo. È stata quindi condotta un'analisi comparativa tra la tecnica di modulazione proposta e la tradizionale SPS; il nuovo metodo ha mostrato prestazioni migliori in termini di riduzione dello stress attuale, insieme alla semplicità di implementazione.

I convertitori DC-DC isolati bidirezionali sono attualmente il componente chiave di molti dispositivi ad alta potenza, come i sistemi fotovoltaici1, gli accumulatori di energia2,3,4 e i veicoli elettrici4,5,6. Queste applicazioni richiedono un convertitore di potenza leggero e di piccole dimensioni con alta efficienza per aumentare la densità di potenza; inoltre è necessario l'isolamento galvanico per ragioni di sicurezza. La sostituzione dei trasformatori di frequenza di linea con trasformatori ad alta frequenza ha portato a notevoli progressi nei recenti convertitori di potenza in termini di dimensioni, peso e costi del dispositivo7. Tra tutti i convertitori DC-DC, il tipo a doppio ponte attivo (DAB) è superiore per i suoi numerosi vantaggi: fornisce un flusso di potenza bidirezionale semplicemente modificando l'angolo di sfasamento tra la tensione dei due ponti; la disposizione simmetrica ne semplifica la modellazione dinamica; È anche possibile la commutazione a tensione zero per ogni dispositivo di potenza senza alcun circuito aggiuntivo o tecnica di controllo speciale, oltre al vantaggio dell'induttanza di dispersione del trasformatore8,9. La potenza del convertitore DAB può essere aumentata realizzando configurazioni multiporta e topologie modulari, che possono essere utilizzate come stadio intermedio nel sistema di conversione di potenza a media tensione10.

Esistono molte tecniche di controllo per questo tipo di convertitore; si basano sul controllo dello sfasamento. Il controllo a sfasamento singolo (SPS) è il metodo più utilizzato grazie alla sua semplicità11,12. Due tensioni quadrate vengono generate in entrambi i ponti controllando l'accensione della coppia di interruttori incrociati in ciascun ponte. Tra queste due tensioni è necessario regolare un solo angolo di sfasamento; l'entità e la direzione della potenza possono essere controllate attraverso questo angolo. Tuttavia, la potenza di circolazione inversa è causata da un'elevata sollecitazione di corrente sul convertitore di potenza. Pertanto, le perdite del dispositivo di potenza e dei componenti magnetici sono elevate, indebolendo l'efficienza del convertitore8. Sono stati fatti molti tentativi per aumentare le prestazioni di questa tecnica. Un rapporto di servizio variabile è stato proposto in Rif.13 calcolando il valore dell'angolo di fase in linea in base alla dinamica del convertitore. Alcuni studi si sono concentrati sull'aumento dell'intervallo di commutazione graduale14 o sulla diminuzione della potenza reattiva del convertitore15. La tecnica di controllo dello spostamento di fase esteso (EPS) è stata sviluppata nel Rif.16 per ottenere prestazioni migliori. Utilizza due gradi di libertà (cioè angoli di fase interni ed esterni); uno sfasamento (l'angolo di fase interno) controlla lo spostamento negli interruttori diagonali del ponte primario mentre l'altro agisce come nella tecnica SPS, cioè controlla lo sfasamento tra gli interruttori trasversali del ponte primario e secondario. La tecnica di controllo EPS ha ridotto drasticamente la potenza inversa e minimizzato lo stress di corrente nei convertitori DAB, oltre ad ampliare la gamma di regolazione della potenza di trasmissione. Tuttavia, per scambiare la direzione del flusso di energia, questo metodo richiede di scambiare gli stati operativi dei due ponti. La tecnica di controllo a doppio sfasamento (DPS) è stata introdotta17 per eliminare la potenza reattiva e aumentare l'efficienza del convertitore. Questo metodo utilizza due gradi di libertà come quello EPS ma è leggermente diverso poiché l'angolo di sfasamento interno viene utilizzato in entrambi i ponti e non solo in quello primario, oltre allo sfasamento esterno. È stata inoltre condotta una ricerca approfondita per aumentare l'efficienza DAB tramite il controllo a triplo sfasamento (TPS) nel Rif.18, dove vengono utilizzati tre gradi di libertà. Altri studi hanno proposto sfasamenti combinati e sintonizzabili19 e tecniche di controllo unificate dello sfasamento18. Tuttavia, sebbene questi metodi aumentino le prestazioni del convertitore, comportano anche controlli complessi e analisi matematiche.