Three-phase dab converter with reconfigurable transformer connection strategy

Abstract

A pesquisa começa com uma revisão da literatura e contextualização do conversor Three-phase Dual Active Bridge (DAB3), explorando várias técnicas de modulação. A modulação phase-shift (PS) é utilizada neste trabalho. São evidências de seis conexões possíveis do transformador entre as duas pontes trifásicas, a partir das quais são derivadas das principais equações para estimar perdas e ganho estático. Esse procedimento é aplicado a todas as seis conexões de transformadores e para toda a faixa de ângulos. Além disso, é realizada uma análise do processo de exigência, categorizando a operação do conversor em regiões de Zero Voltage Switching (ZVS), Incomplete Zero Voltage Switching (iZVS) e Hard Switching (HS). A principal contribuição deste trabalho é a Estratégia Transformadora com Conexão Reconfigurável (RTCS) para aumentar a eficiência do conversor por meio da utilização de duas conexões independentes de transformador, cada uma com uma região diferente de ZVS. Essa estratégia se mostra especialmente eficaz quando o conversor é exposto a cargas com variações graves de tensão. Os arranjos iDY e YY são escolhidos para o protótipo, cada um selecionado para operar em diferentes níveis de tensão. O protótipo foi projetado em diferentes pontos de operação. Por fim, a eficiência do protótipo é comparada com a eficiência teórica, e a validade das equações de perdas é concluída. Para otimizar ainda mais o projeto do DAB3, um algoritmo de otimização é desenvolvido utilizando equações teóricas validadas. Esse algoritmo determina a configuração mais adequada para o transformador entre as opções científicas. Além disso, o algoritmo é expandido para projetar o DAB3 com perdas reduzidas ao utilizar um RTCS. Ao comparar a eficiência, custo e/ou volume com e sem RTCS, os benefícios potenciais são avaliados.

Abstract: The research commences with a literature review and contextualization of the Three- Phase Dual Active Bridge (DAB3) converter, exploring various modulation techniques. Phase shift modulation (PS) is used in this work. Six possible thee-phase transformer connections between the two three-phase bridges are analyzed, from which the main converter equations are derived to estimate losses and static gain. This procedure is applied to all transformer connections and full range of angles. Additionally, a switching process analysis is conducted, categorizing the converter operation into zero voltage switching (ZVS), incomplete zero voltage switching (iZVS), and hard switching (HS) regions. This work contributes by introducing the ReconAgurable Transformer Connection Strategy (RTCS) to enhance converter efficiency by utilizing two distinct transformer connections, each one with different ZVS regions. This strategy proves especially effective when the converter is exposed to loads with substantial voltage variations. The iDY and YY connections are chosen for the prototype, each one selected to operate at different voltage levels. The prototype was built and tested at different operations points. The prototype efficiency is compared with the theoretical efficiency, and the loss equations validity is conArmed. To further optimize the DAB3 design, an optimization algorithm is developed using the validated theoretical equations. This algorithm Ands out the most suitable transformer connection among the studied options. Additionally, the algorithm is expanded to design the DAB3 with reduced losses when utilizing the RTCS. Potential beneAts are evaluated by comparing the efficiency, cost, and/or volume with and without the RTCS.