Enhanced modulation strategies for a high-efficiency energy conversion system for electric vehicles

Abstract

(English) The global transition toward electric vehicles (EVs) has intensified the demand for high-efficiency power electronics. On-Board chargers (OBCs) and bidirectional energy conversion systems are essential to manage the flow between the grid and the vehicle battery. These systems must be compact, lightweight, and capable of high-power density to satisfy modern automotive requirements. In this context, isolated bidirectional DC-DC conversion, specifically the Dual Active Bridge (DAB) converter, has emerged as a key technology due to its inherent galvanic isolation and high performance. To achieve high power density and efficiency, this research utilizes WBG semiconductors, specifically GaN devices, which allow for higher switching frequencies compared to traditional silicon. The primary objective of this doctoral work is to optimise control and modulation techniques to exploit the full potential of GaN semiconductors while mitigating high-frequency operation challenges, such as parasitic effects, thermal management, and EMI. The research is structured around four main contributions. First, the thesis experimentally evaluates a GaN-based non-resonant DAB converter, analysing the trade-offs between switching frequency, efficiency, and EMI. It demonstrates that increasing the switching frequency up to 200 kHz maintains high efficiency while enabling a significant reduction in the size of passive components without compromising electromagnetic compatibility. Secondly, a mathematical quantification of the steady-state DC current in non-resonant DAB converters is introduced. The formulation, which accounts for semiconductor resistance variations and timing mismatches, is validated experimentally and coupled with a closed-loop voltage compensation control strategy to effectively mitigate these parasitic DC currents. Thirdly, a variable frequency modulation is developed to reduce transient surge currents during start-up and load variations. Finally, the thesis explores the modular series-parallel connection of converters to scale the system for different EV battery voltages. (Català) La transició global cap als vehicles elèctrics (VE) ha intensificat la demanda d’electrònica de potència d’alta eficiència. Els carregadors embarcats On-Board Chargers (OBC) i els sistemes de conversió d’energia bidireccionals són essencials per gestionar el flux d’energia entre la xarxa elèctrica i la bateria del vehicle. Aquests sistemes han de ser compactes, lleugers i capaços d’oferir una alta densitat de potència per satisfer els requisits de l’automoció moderna. En aquest context, la conversió DC-DC bidireccional aïllada, i en particular el convertidor DAB, ha emergit com una tecnologia clau gràcies al seu aïllament galvànic inherent i al seu alt rendiment. Per assolir una elevada densitat de potència i eficiència, aquesta recerca utilitza semiconductors de banda ampla (WBG), concretament dispositius de Nitrur de Gal·li (GaN), que permeten freqüències de commutació més elevades en comparació amb el silici tradicional. L’objectiu principal d’aquest treball doctoral és optimitzar les tècniques de control i modulació per explotar tot el potencial dels semiconductors de GaN, tot mitigant els reptes associats al funcionament a alta freqüència, com ara els efectes paràsits, la gestió tèrmica i les interferències electromagnètiques (EMI). La recerca s’estructura al voltant de quatre contribucions principals. En primer lloc, la tesi avalua experimentalment un convertidor DAB no ressonant basat en GaN, analitzant els compromisos entre la freqüència de commutació, l’eficiència i les EMI. Es demostra que amb l’augment de la freqüència de commutació fins a 200 kHz es manté una alta eficiència, alhora que permet una reducció significativa de la mida dels components passius sense comprometre la compatibilitat electromagnètica. En segon lloc, s’introdueix una quantificació matemàtica del corrent DC en règim estacionari en convertidors DAB no ressonants. La formulació, que té en compte les variacions de la resistència dels semiconductors i els desajustos temporals, es valida experimentalment i s’acobla a una estratègia de control de compensació de tensió en bucle tancat per mitigar de manera efectiva aquests corrents DC paràsits. En tercer lloc, es desenvolupa una modulació de freqüència variable per reduir els corrents de pic transitoris durant l’arrencada i les variacions de càrrega. Finalment, la tesi explora la connexió modular en sèrie-paral·lel de convertidors per escalar el sistema a diferents tensions de bateria dels VE. (Español) La transición global hacia los vehículos eléctricos (VE) ha intensificado la demanda de electrónica de potencia de alta eficiencia. Los cargadores a bordo On-Board Chargers (OBC) y los sistemas de conversión de energía bidireccionales son esenciales para gestionar el flujo de energía entre la red eléctrica y la batería del vehículo. Estos sistemas deben ser compactos, ligeros y capaces de ofrecer una alta densidad de potencia para satisfacer los requisitos de la automoción moderna. En este contexto, la conversión DC-DC bidireccional aislada, y en particular el convertidor DAB, ha emergido como una tecnología clave debido a su aislamiento galvánico inherente y a su alto rendimiento. Para alcanzar una alta densidad de potencia y eficiencia, esta investigación utiliza semiconductores de banda ancha (WBG), específicamente dispositivos de nitruro de galio (GaN), que permiten frecuencias de conmutación más elevadas en comparación con el silicio tradicional. El objetivo principal de este trabajo doctoral es optimizar las técnicas de control y modulación para explotar todo el potencial de los semiconductores de GaN, mitigando al mismo tiempo los retos asociados al funcionamiento a alta frecuencia, como los efectos parásitos, la gestión térmica y las interferencias electromagnéticas (EMI). La investigación se estructura en torno a cuatro contribuciones principales. En primer lugar, la tesis evalúa experimentalmente un convertidor DAB no resonante basado en GaN, analizando los compromisos entre la frecuencia de conmutación, la eficiencia y las EMI. Se demuestra que aumentar la frecuencia de conmutación hasta 200 kHz mantiene una alta eficiencia, a la vez que permite una reducción significativa del tamaño de los componentes pasivos sin comprometer la compatibilidad electromagnética. En segundo lugar, se introduce una cuantificación matemática de la corriente DC en régimen estacionario en convertidores DAB no resonantes. La formulación, que tiene en cuenta las variaciones de la resistencia de los semiconductores y los desajustes temporales, se valida experimentalmente y se acopla a una estrategia de control de compensación de tensión en bucle cerrado para mitigar de manera efectiva estas corrientes DC parásitas. En tercer lugar, se desarrolla una modulación de frecuencia variable para reducir las corrientes de pico transitorias durante el arranque y las variaciones de carga. Finalmente, la tesis explora la conexión modular en serie-paralelo de convertidores para escalar el sistema a diferentes tensiones de batería de los VE.