Estudo de técnicas para a melhoria da relação entre densidade de potência e rendimento de conversores CA-CC com estágio integrado de potência aplicáveis a carregamento on-board de veículos elétricos

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Barbosa, Samanta Gadelha
Orientador(a): Oliveira Júnior, Demercil de Souza
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Não Informado pela instituição
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/81369
Resumo: This thesis proposes new techniques to improve power density and efficiency in single-stage single-phase AC-DC converters with high-frequency isolation, aiming at applications in on-board chargers for electric vehicles. The main contributions include: (i) the development of new modulation techniques applied to single-phase interleaved AC-DC converters with three (3LI) and four legs (4LI); and (ii) the design of a novel integrated magnetic arrangement. In the first part, modulation variants are introduced to extend the Zero Voltage Switching (ZVS) operation over the AC grid cycle, enabling higher switching frequencies with reduced switching losses. On the other hand, increased implementation complexity, higher circulating currents, and a greater number of magnetic components are observed. Theoretical analyses are validated through simulations and experimental tests. Assuming suitable semiconductor devices, the proposed modulations result in lower losses for switching frequencies above 160 kHz in the 3LI and 75 kHz in the 4LI. For the 4LI, enhanced power density is also observed for magnetic volumes below 500 cm3. In the second part, a cubic magnetic arrangement is developed, integrating the AC filter inductor, two autotransformers, and two transformers from the 4LI topology, with the possibility of using leakage inductances for energy transfer. Based on a simplified design methodology, an iterative process is employed to achieve optimized configurations without relying on finite element tools. The proposed arrangement is validated by simulations and tests with a 6.6 kW prototype, demonstrating superior efficiency even under variable load conditions. Additional advantages include the use of standard core geometries and ferrite as the sole magnetic material. A theoretical analysis based on the Pareto front shows that, for switching frequencies between 50 kHz and 200 kHz, the integrated magnetic allows reductions of up to 16.1% in losses and 51.2% in magnetic volume compared to the conventional approach. The work also discusses identified limitations and suggests directions for future research. Overall, the proposed strategies proved promising for applications requiring high efficiency and compactness, such as onboard chargers for electric vehicles.
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In the first part, modulation variants are introduced to extend the Zero Voltage Switching (ZVS) operation over the AC grid cycle, enabling higher switching frequencies with reduced switching losses. On the other hand, increased implementation complexity, higher circulating currents, and a greater number of magnetic components are observed. Theoretical analyses are validated through simulations and experimental tests. Assuming suitable semiconductor devices, the proposed modulations result in lower losses for switching frequencies above 160 kHz in the 3LI and 75 kHz in the 4LI. For the 4LI, enhanced power density is also observed for magnetic volumes below 500 cm3. In the second part, a cubic magnetic arrangement is developed, integrating the AC filter inductor, two autotransformers, and two transformers from the 4LI topology, with the possibility of using leakage inductances for energy transfer. Based on a simplified design methodology, an iterative process is employed to achieve optimized configurations without relying on finite element tools. The proposed arrangement is validated by simulations and tests with a 6.6 kW prototype, demonstrating superior efficiency even under variable load conditions. Additional advantages include the use of standard core geometries and ferrite as the sole magnetic material. A theoretical analysis based on the Pareto front shows that, for switching frequencies between 50 kHz and 200 kHz, the integrated magnetic allows reductions of up to 16.1% in losses and 51.2% in magnetic volume compared to the conventional approach. The work also discusses identified limitations and suggests directions for future research. Overall, the proposed strategies proved promising for applications requiring high efficiency and compactness, such as onboard chargers for electric vehicles.Esta tese propõe estratégias para melhorar a relação entre rendimento e densidade de potência em conversores CA-CC monofásicos isolados com estágio de potência integrado, visando aplicações em carregadores embarcados de veículos elétricos. As contribuições principais envolvem: (i) o desenvolvimento de novas técnicas de modulação aplicadas aos conversores CA-CC monofásicos intercalados com três (3LI) e quatro braços (4LI); e (ii) a concepção de um novo arranjo magnético integrado. Na primeira etapa, são apresentadas variações de modulação que ampliam a operação com comutação suave com tensão nula (ZVS) ao longo do ciclo da rede CA, permitindo o uso de frequências de chaveamento mais elevadas com menores perdas por comutação. Em contrapartida, observa-se maior complexidade de implementação, elevação das correntes circulantes e aumento do número de elementos magnéticos. As análises teóricas foram validadas por simulações e testes experimentais. Considerando semicondutores adequados, as modulações propostas apresentaram menores perdas para frequências superiores a 160 kHz no 3LI e 75 kHz no 4LI. No caso do 4LI, observou-se aumento da densidade de potência para volumes magnéticos inferiores a 500 cm3. Na segunda etapa, foi desenvolvido um arranjo magnético cúbico que integra o indutor de filtro CA, dois autotransformadores e dois transformadores da topologia 4LI, com possibilidade de utilizar as dispersões para a transferência de energia. Com base em uma metodologia de projeto simplificada, foi realizado um processo iterativo que permite alcançar configurações otimizadas sem o uso de ferramentas de elementos finitos. O arranjo proposto foi validado por simulações e ensaios com um protótipo de 6,6 kW, demonstrando eficiência superior mesmo sob condições de carga variável. Outras vantagens da integração proposta incluem a não necessidade de núcleos especiais e uso exclusivo de ferrite como material magnético. Uma análise teórica baseada na fronteira de Pareto mostrou que, para frequências entre 50 kHz e 200 kHz, o arranjo integrado permite reduzir até 16,1% das perdas e 51,2% do volume dos magnéticos em relação à abordagem convencional. O trabalho também discute limitações identificadas e apresenta sugestões para pesquisas futuras. De modo geral, as estratégias propostas se mostraram promissoras para aplicações que exigem alta eficiência e compacidade, como os carregadores embarcados de veículos elétricos.Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.Estudo de técnicas para a melhoria da relação entre densidade de potência e rendimento de conversores CA-CC com estágio integrado de potência aplicáveis a carregamento on-board de veículos elétricosinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisConversores de corrente elétricaModulação de Conversores CA-CCConversor CA-CC monofásicoComutação suaveIntegração de magnéticosVeículos elétricosElectric current convertersAC-DC converter modulationSingle-stage AC-DC converterSoft switchingMagnetic integrationElectric vehiclesCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICAinfo:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)instname:Universidade Federal do Ceará (UFC)instacron:UFChttps://orcid.org/0000-0003-3511-9872http://lattes.cnpq.br/0424878971734073https://orcid.org/0000-0002-9333-5517http://lattes.cnpq.br/8797685933461323http://lattes.cnpq.br/32449692451215252025-06-24ORIGINAL2025_tese_sgbarbosa.pdf2025_tese_sgbarbosa.pdfapplication/pdf19275095http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/81369/1/2025_tese_sgbarbosa.pdf143d7a0f36d354dab2bb5b40dc6681f3MD51LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/81369/2/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD52riufc/813692025-06-24 16:53:40.986oai:repositorio.ufc.br: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Repositório InstitucionalPUBhttp://www.repositorio.ufc.br/ri-oai/requestbu@ufc.br || repositorio@ufc.bropendoar:2025-06-24T19:53:40Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) - Universidade Federal do Ceará (UFC)false
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