LLC resonant charger with variable inductor control

The present work pretends to study the operation and behavior of the LLC resonant converter topology considering a battery charging application, using the traditional switching frequency control and a new control variable, the variable inductance, provided by a current controlled device, the Variable Inductor (VI). During this work, a brief state of the art regarding general types of power converters and resonant power converters is presented. The LLC resonant converter topology and its advantages and disadvantages are described. The VI principle of operation and structure is presented and discussed and, in the end some information about batteries and its behavior under charging and discharging conditions is presented. The considered batteries characteristics for the studied battery charger are shown and the adopted charging profile is presented. In the following chapters, a theoretical analysis of the LLC resonant converter operation and behavior under switching frequency or VI control is performed and presented. A design methodology is proposed for the converter considering both switching frequency and VI control, separately or simultaneously. Simulations of the converter operation under open-loop condition were made, and simulation results were obtained and discussed. A prototype was built and test results were obtained. The prototype uses a SiC MOSFET (Silicon Carbide Metal Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) based inverter working at 100 kHz controlled with fiber optic drivers. To build the prototype, Printed Circuit Boards (PCB) were designed, manufactured and built. An high-frequency transformer and a VI were also design and built. Finally, theoretical, simulation and experimental results are confronted in order to reach conclusions regarding to the proposed design methodology and the prototype operation. This final analysis allows validating the LLC-VI resonant converter as a good option for a battery charger

Optimization of LLC resonant converters

Usualmente, na área da eletrónica de potência, tem que existir um trade off entre densidade de potencia e o rendimento, por forma a desenhar dispositivos que sejam pequenos o suficiente, para ocupar o mínimo espaço, mas ao mesmo tempo altamente eficientes, por forma a maximizar a energia consumida em trabalho resultante, especialmente em veículos elétricos, onde existem várias etapas de conversão de energia. O presente trabalho visa estudar os conversores ressonantes e as suas topologias associadas, continuando o estudo realizado pela Mestre Maria Ruxandra Luca em parceria com a Universidade de Oviedo, tendo como principal objetivo a otimização de um conversor ressonante LLC de 4.2 para carregamento de baterias. Este tipo de conversor é mais vantajoso quando comparado com os conversores tradicionais, devido à utilização do conceito de ressonância e de técnicas Soft Switching, como o Zero Current Switch (ZCS) e Zero Voltage Switch (ZVS). Estar em ressonância significa, ter um comportamento resistivo pelo facto da soma de todas as impedâncias do tanque de ressonante ser nula. Isto leva a que a corrente esteja em fase com a tensão, permitindo o mínimo de perdas, para uma situação em que o ganho do conversor é unitário. Porém, para alterar o valor da tensão da saída do conversor, este ganho tem que ser alterado (com a modulação de frequência), levando o conversor a trabalhar fora da sua zona de ressonância, com um desfasamento entre tensão e corrente, aumentando significativamente as perdas nos semicondutores comutadores. O uso de técnicas Soft Switching, como o Zero Current Switch (ZCS) e Zero Voltage Switch (ZVS), permite a minimização de perdas de comutação quando o conversor trabalha fora de ressonância, utilizando mecanismos como a equalização da corrente no transformador (entre corrente magnetizante e corrente série) e Dead-Time para fazer com que as comutações sejam feitas quando a corrente e a tensão estão a zero. Devido á menor taxa de perdas nas comutações, o uso de frequências mais elevadas é possível, obtendo assim conversores com uma maior densidade de potência, mantendo uma operação com elevada eficiência. Neste trabalho é apresentado um breve capítulo do estado da arte, em que diversos modos de conversão DC-DC são apresentados, comparando as suas vantagens e desvantagens, seguido de uma análise às arquiteturas e topologias mais utilizadas nos conversores ressonantes. Com o objetivo de aumentar a eficiência, são descritos os andares do conversor onde existem mais perdas, com as suas causas, e possíveis soluções como o uso de transístores de alta mobilidade de eletrões, (do Inglês High Electron Mobility Transitors HEMT) combinados com materiais wide band-gap, que permitem operar de forma mais eficiente quando comparados com semicondutores de silício, a utilização de air-gap distribuído, bobines entrelaçadas e o fio de Litz, para minimizar as correntes de Eddy produzidas no transformador, e ainda a utilização de retificação síncrona em substituição aos díodos retificadores. De seguida, num terceiro capítulo, é apresentada a configuração base do conversor LLC ressonante para o carregamento de baterias de iões de lítio, detalhando cada um dos blocos associados, acompanhado de uma análise teórica por forma a permitir compreender o funcionamento do conversor, quais os principais fatores mais importantes, e qual o impacto da frequência de comutação no comportamento do conversor. Neste capítulo é ainda apresentado o processo de desenho deste conversor discriminando quais os parâmetros iniciais necessários, com uma análise detalhadas das perdas associadas ao design base, finalizando com o estudo, das diferentes arquiteturas do conversor nos andares de conversão AC-DC e DC-AC, e da retificação síncrona com a utilização de HEMTs, na eficiência do conversor. Simulações serão então conduzidas posteriormente utilizando modelos reais dos componentes presentes no conversor, com o uso do software LTSpice, comparando de forma detalhada o design base, com os designs otimizados previamente obtidos, de forma a observar o impacto das alterações propostas. Inicialmente foi previsto construir o conversor apresentado em [1] e o conversor otimizado mais eficiente, testá-los experimentalmente, mas devido à situação atual da pandemia Sars-Cov (Covid 19), o mesmo não foi possível, a tempo de entregar este trabalho, sendo este, um dos trabalhos futuros. Este trabalho foi desenvolvido em parceria com a Universidad de Oviedo, com o grupo de investigação LEMUR na Escuela Politécnica de Ingeniería de Gijón, onde foram feitas as analises teóricas e simulações do conversor de ressonância LLC