Precharge Circuits and Litz Inductors for a 700/760 VDC Bidirectional Converter : design and validation
Tsvetkov, Georgy (2025)
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2025111027517
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2025111027517
Tiivistelmä
Opinnäytetyö toteutettiin osana Horizon 2020 TIGON -projektia, jonka tavoitteena on tutkia ja kehittää AC/DC-hybridimikroverkkoja uusiutuvien energianlähteiden integroinnin ja energiatehokkuuden parantamiseksi. Työn tavoitteena oli parantaa 700 VDC / 760 VDC kaksisuuntaisen dual active bridge (DAB) -konvertterin hyötysuhdetta sekä suunnitella ja toteuttaa esilatauspiirit.
Tutkimus perustui tutkimuskirjallisuuteen, valmistajien aineistoihin sekä Turun ammattikorkeakoulun New Energy Research Centerissä tapahtuvaan laboratoriokehitykseen. Litz-induktorit implementoitiin, ja konvertterin molempiin päihin rakennettiin esilatauspiirit. Mallinnus toteutettiin MATLAB Simulink -ohjelmistolla Imperix- ja PLECS lohkokirjastojen avulla, ja toimivuus varmistettiin kokeellisesti.
Testauksen perusteella Litz-induktorit vähensivät värähtelyjä ja lämpökuormaa, mutta eivät merkittävästi parantaneet hyötysuhdetta. Esilatauspiirit toimivat luotettavasti ja estivät vaaralliset virtapiikit. Käynnistyksen yhteydessä havaittiin selittämättömiä jännitehäiriöitä, jotka vaativat jatkotutkimusta. Työn tulokset osoittavat esilatauksen välttämättömäksi turvatoimeksi. Hyötysuhteen parantaminen edellyttää jatkotutkimusta. This thesis was conducted within the scope of Horizon 2020 TIGON project, which develops hybrid AC/DC microgrids to improve renewable energy integration and efficiency. The objective was to improve efficiency of a bidirectional 700 VDC / 760 VDC DAB converter and to design precharge circuits to mitigate inrush currents caused by high system capacitance.
The study combined review of research literature and manufacturer documents, and laboratory development at TUAS New Energy Research Center. Litz wire inductors were implemented to reduce skin and proximity effect losses. Precharge circuits were constructed on both converter sides. MATLAB Simulink was used for modeling and control, and the results were validated experimentally.
Testing demonstrated that Litz inductors reduced oscillations and heating but did not significantly increase efficiency. Precharge circuits operated reliably, preventing destructive inrush currents and protecting the converter. Unexplained voltage disturbances observed at startup require further research. The work demonstrates precharge essential for safe converter operation, while system-level efficiency requires further development.
Tutkimus perustui tutkimuskirjallisuuteen, valmistajien aineistoihin sekä Turun ammattikorkeakoulun New Energy Research Centerissä tapahtuvaan laboratoriokehitykseen. Litz-induktorit implementoitiin, ja konvertterin molempiin päihin rakennettiin esilatauspiirit. Mallinnus toteutettiin MATLAB Simulink -ohjelmistolla Imperix- ja PLECS lohkokirjastojen avulla, ja toimivuus varmistettiin kokeellisesti.
Testauksen perusteella Litz-induktorit vähensivät värähtelyjä ja lämpökuormaa, mutta eivät merkittävästi parantaneet hyötysuhdetta. Esilatauspiirit toimivat luotettavasti ja estivät vaaralliset virtapiikit. Käynnistyksen yhteydessä havaittiin selittämättömiä jännitehäiriöitä, jotka vaativat jatkotutkimusta. Työn tulokset osoittavat esilatauksen välttämättömäksi turvatoimeksi. Hyötysuhteen parantaminen edellyttää jatkotutkimusta.
The study combined review of research literature and manufacturer documents, and laboratory development at TUAS New Energy Research Center. Litz wire inductors were implemented to reduce skin and proximity effect losses. Precharge circuits were constructed on both converter sides. MATLAB Simulink was used for modeling and control, and the results were validated experimentally.
Testing demonstrated that Litz inductors reduced oscillations and heating but did not significantly increase efficiency. Precharge circuits operated reliably, preventing destructive inrush currents and protecting the converter. Unexplained voltage disturbances observed at startup require further research. The work demonstrates precharge essential for safe converter operation, while system-level efficiency requires further development.