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    Analysis of AC link topologies in non-isolated DC/DC triple active bridge converter for current stress minimization

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    This paper presents analysis of the non-isolated DC/DC triple active bridge (TAB) converter under various purely inductor-based AC link topologies. The objective of the analysis is to find the topology that incorporates the least value of the AC link inductors which leads to reduced converter footprint in addition to minimum internal current stresses. Modelling of the TAB under each of the different topologies is presented in per unit expressions of power transfer and reactive power assuming fundamental harmonic analysis. The power expressions are used to calculate the inductor values necessary to achieve same rated power transfer of Dual Active Bridge (DAB) converter for the sake of standardizing comparison. On this basis, the topology requiring the least value of interface inductors, hence lowest footprint, is identified. Furthermore, based on phase shift control, particle swarm optimization (PSO) is used to calculate optimal phase shift ratios in each of the proposed topologies to minimize reactive power loss (hence current stress). The topology with minimum stresses is therefore identified and the results are substantiated using a Matlab-Simulink model to verify the theoretical analysis

    Convertisseurs à bobine variable pour applications de transport durables

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    Abstract: Power electronics converters are key components and enable efficient conversion and management of electrical energy in a wide range of applications. For vehicular use, there is an inevitable need to improve their performance and reducing their size. This is particularly important in case of powertrain DC-DC converters as they are required to have improved performance while respecting the specifications, characteristics and stringent space limitations. These objectives define research targets and a particular progress is essential in the field of passive components, semiconductor devices, converter topologies and control. At the current state of technologies, the passive components particularly the power inductors are dominant components which affect the overall volume, cost and performance of power electronic converters. Considering the aforementioned critical aspects, this thesis proposes a variable inductor (VI) concept in order to reduce the weight and size power inductors which are traditionally bulky and have fairly limited operating range. By modulating the permeability of the magnetic material, this concept enhances the current handling capability of power inductors, controls the current ripples, reduces the magnetic and switching losses, as well as the stresses applied to switching devices. Furthermore, it enables the use of smaller cores which leads to the reduction of mass and volume allowing improvements in the converter operation and its overall performance. However, to integrate it into powertrain DC-DC converters, it is fundamental, to question the design of the component itself, the selection of suitable magnetic core materials, and the control of current in the auxiliary winding and saturation management of magnetic cores. This thesis systematically addresses these different research challenges. A particular attention is paid to the experimental study of a VI prototype to demonstrate the concept on a small-scale in order to explore its viability. Subsequently a detailed characterization was developed using finite element analysis to determine the intrinsic functionality of the passive component. Furthermore, this thesis proposed an RMS current based VI design to reduce oversizing of power inductors for electric vehicles application. In this methodology, the selection of a suitable magnetic core material is a crucial step to assure smaller and efficient converters. Hence, this thesis proposes a simplified approach based on weighted property method (WPM) for an appropriate selection of magnetic core in accordance to the needs of the user. Furthermore, to validate the integration of this concept in DC-DC converter topology used in the powertrain of electrified vehicles, an affine parameterization method is used to design the control parameters and a simple management strategy is proposed to enable dynamic control of the VI. The converter control and the proposed strategy are evaluated through simulations of a complete powertrain of a three-wheel recreational vehicle. The small-scale experimental and simulations, and full-scale simulations have demonstrated an interesting capacity of the VI for improving the performance of DC-DC converters for electrified vehicles and manage the saturation of the magnetic core while reducing the size and weight of magnetic components.Les convertisseurs d’électroniques de puissance sont des composants clés de la conversion et gestion efficace de l’énergie électrique dans une large gamme d’applications. Pour des utilisations véhiculaires, il est inévitablement nécessaire d’améliorer leurs performances et de réduire leur taille. Ceci est particulièrement important dans le cas des convertisseurs à courant continu (CC) de la chaine de traction où des performances améliorées en réponse à une large gamme de variations de charge sont recherchées tout en respectant les spécificités, caractéristiques et limitation d’espace nécessaires aux véhicules électrifiés. Ces objectifs définissent une cible de recherche et en particulier des progrès sont essentiels dans le domaine des composants passifs, des dispositifs semi-conducteurs, des topologies des convertisseurs et leurs commandes pour généraliser l’utilisation de véhicules électriques. Les composants passifs, en particulier les inductances de puissance, sont des composants dominants qui affectent le volume global, le coût et les performances de ces convertisseurs d’électroniques de puissance. Compte tenu de ces aspects, cette thèse propose un concept de bobine variable afin de réduire le poids et la taille des inductances de puissance qui sont traditionnellement encombrantes et ont une gamme de fonctionnement assez limitée. En modulant la perméabilité du matériau magnétique, ce concept améliore la capacité de gestion du courant des bobines de puissance, contrôle les ondulations du courant et réduit les pertes magnétiques et par commutation, bien comme les contraintes appliquées aux dispositifs de commutation. En outre, il permet l’utilisation de noyaux plus petits, ce qui entraîne une réduction de masse et de volume, en permettant une amélioration du fonctionnement du convertisseur et de ses performances globales. Cependant, pour l’intégrer aux convertisseurs CC-CC utilisés dans la chaine de traction, il est fondamental de se questionner sur la conception du composant lui-même, la sélection du matériau magnétique, la commande du courant de l’enroulement auxiliaire et la gestion de la saturation du noyau magnétique. Cette thèse aborde de manière systématique ces différents défis de recherche. Une attention particulière est accordée à l’étude expérimentale d’un prototype de bobine variable pour faire la preuve de concept à petite échelle afin d’explorer sa viabilité. Par la suite, une large caractérisation par éléments finis a été développée pour déterminer le fonctionnement intrinsèque de ce composant passif. De plus, cette thèse propose une méthode systématique de design de bobine variable basée sur le courant RMS pour réduire le surdimensionnement traditionnellement associer aux inductances de puissance pour des applications véhiculaires. Dans cette méthodologie, la sélection appropriée du matériau pour le noyau magnétique est une étape cruciale pour garantir des convertisseurs plus petits et efficaces, donc une démarche de sélection simplifiée basée sur la méthode des propriétés pondérées pour le choix de noyau magnétique approprié au besoin de l’application a été mis au point. De plus, pour valider l’intégration de ce concept dans une topologie de convertisseur CC-CC traditionnellement utilisée dans la chaine de traction des véhicules électrifiés, une méthode de synthèse affine a été utilisée pour définir les paramètres des contrôleurs de courant et une stratégie de gestion de la saturation du noyau a été proposée pour permettre le contrôle dynamique de la bobine variable. La commande du convertisseur et la stratégie ont été évaluées par simulation d’une chaine de traction complète d’un véhicule récréatif réel. Les résultats expérimentaux à petite échelle et simulations à pleine échelle ont démontrés des capacités intéressantes de cette bobine variable pour l’amélioration des performances des convertisseurs CC-CC, ayant la capacité de gestion de la saturation du noyau magnétique tout en réduisant la taille et le poids de ces composants passifs, dans le but de son utilisation dans la chaine de traction des véhicules électrifiés

    Artificial Neural Network Aided Loss Maps for Inductors and Transformers

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    Design optimization of integrated rotor-less inductors for high-speed AC drive applications

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    Discrete sub-system due to passive elements in motor drive require functional and structural integration to make efficient and power dense overall system. Such power dense system is the prerequisite in aerospace and marine applications. This paper presents the design optimization of integrated rotor-less inductors for high speed AC drive applications. Different slot-pole combinations are considered in this process. The single layer (SL) and double layer (DL) windings are chosen with concentrated winding (CW) and distributed winding (DW) configurations. The rotor-less inductors are optimized and compared in this paper with EE core inductor in terms of total losses, weight and AC copper resistance at both fundamental frequency and switching frequencies (10, 15 and 20 kHz). The comparative analysis between EE core and rotor-less inductors has shown a significant reduction in total losses and AC copper resistance at both fundamental frequency and all switching frequencies

    Winding resistance measurement in power inductors - understanding the impact of the winding mutual resistance

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    Inductors are cornerstone components in power electronics converters. Since winding loss is the dominant loss mechanism in these components, its accurate measurement is fundamental for the validation of the inductor's operation and design. The techniques for the winding resistance R_{w} measurement in power inductors can be classified into two groups, indirect and direct. Both techniques use coupled inductors to separate winding and core power losses. If coupled inductors with non-zero winding mutual resistances R_{w,m} are used, invalid results are obtained with these techniques. Understanding the meaning of R_{w,m} in coupled inductors is complex. In this paper, the impact of R_{w,m} on the inductor R_{w} measurement techniques is demonstrated and practical guidelines for the design of the zero R_{w,m} coupled inductors are given. Particularly, the location of the auxiliary winding for the direct technique is investigated. In order to compare the R_{w} measurement techniques and to validate the coupled inductor's R_{w,m} impact, two different inductors are built and tested. The results are compared with the values for R_{w} calculated by FEA simulation. It is found that only the direct technique with an auxiliary winding carefully designed and located following the guidelines given in this paper makes the accurate measurement of R_{w} in power inductors possible.This work was supported in part by the Spanish State Research Agency (AEI) and the FEDER-UE under Grant PID2019-110956RB-I00/AEI/10.13039/501100011033, and in part by the Ingeteam Power Technology

    Parasitics of Orthocyclic Windings in Inductors and Transformers

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    High Efficiency PFC Frontend for Class-D Amplifiers

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    PCB embedded bondwire inductors with discrete thin film magnetic core for power supply in package

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    This paper details the design, assembly, and detailed characterization of Printed Circuit Board (PCB) embedded thin magnetic film inductor for Power Supply in Package applications. Solenoidal inductors were assembled on copper tracks printed on PCB with wire bonds to complete the copper loop. Further, the solenoid inductors have laminated amorphous soft magnetic thin films embedded between the two conductor layers. The devices have chemically thinned Vitrovac films laminated as core material. Three different designs of solenoid inductors with different number of turns, are assembled and characterized. The assembled PCB inductor measured a highest Quality factor of 8.5 for a 3 turn device at 10 MHz
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