In this study, a new dual-active soft-switching converter is proposed to improve conversion efficiency and extend the load range for an MTEM electromagnetic transmitter in geological exploration. Unlike a conventional DC/DC converter, the proposed converter can operate in passive soft-switching, single-active soft-switching, or dual-active soft-switching modes depending on the change in load power. The main switches and lagging auxiliary switches of the converter can attain soft-switching over the entire load range. The conduction and switching losses are greatly reduced compared with those of ordinary converters under the action of the cut-off diodes and auxiliary windings coupled to the main transformer in the auxiliary circuits. The conversion efficiency of the proposed converter is significantly improved, especially under light-load conditions. First, the working principle of the proposed converter is analyzed in detail. Second, the relationship between the different operating modes and the load power is given and the design principle of the auxiliary circuit is presented. Finally, the Saber simulation and experimental results verify the feasibility and validity of the converter and a 50 kW prototype is implemented.
This paper describes a single pulse-width modulation control strategy using the Single Pulse-Width Modulation (SPWM) method with a soft-switching technique for a wide range of output voltages from a bidirectional Dual-Active Bridge (DAB) converter. This method selects two typical inductor current waveforms for soft-switching, and proposes a rule that makes it possible to achieve soft-switching without any compensation algorithm from the waveforms. In addition, both the step-up and step-down conditions are analyzed. This paper verifies that the leakage inductance is independent from the rule, which makes it easier to apply in DAB converters. An integrated algorithm, which includes step-up and step-down techniques, is proposed. The results of experiments conducted on a 50-kW prototype are presented. The system efficiency is experimentally verified to be from 85.6% to 97.5% over the entire range.
This paper focuses on a systematical and in-depth analysis of the reactive power and soft-switching regions of Dual Active Bridge (DAB) converters with dual-phase-shift (DPS) control to achieve high efficiency in a wide operating range. The key features of the DPS operating modes are characterized and verified by analytical calculation and experimental tests. The mathematical expressions of the reactive power are derived and the reductions of the reactive power are illustrated with respect to a wide range of output power and voltage conversion ratios. The ZVS soft-switching boundary of the DPS is presented and one more leg with ZVS capability is achieved compared with the CPS control. With the selection of the optimal operating mode, the optimal phase-shift pair is determined by performance indices, which include the minimum peak or rms inductor current. All of the theoretical analysis and optimizations are verified by experimental tests. The experimental results with the DPS demonstrate the efficiency improvement for different load conditions and voltage conversion ratios.
This study proposes an optimized design of a dual active bridge converter for a low-voltage charger in a military uninterrupted power supply (UPS) system. The dual active bridge converter is among various bi-directional DC/DC converters that possess a high-efficiency isolated bi-directional converter. In the general design, the zero-voltage switching(ZVS) region is reduced when the battery voltage is high. By contrast, efficiency is low because of high conduction losses when the battery voltage is low. Variable switching frequency is applied to increase the ZVS region and the power conversion efficiency, depending on battery voltage changes. At the same duty, the same power is obtained regardless of the battery voltage using the variable switching frequency. The proposed method is applied to a 5 kW prototype dual active bridge converter, and the experimental results are analyzed and verified.
This paper presents a novel prototype of dual mode control based phase shift ZVS PWM high frequency load resonant inverter with lossless snubber capacitors in addition to a single active auxiliary resonant snubber for electromagnetic induction heating(IH) foam metal based consumer fluid dual packs(DPA) heater. The operating principle in steady state and unique features of this voltage source soft switching high frequency inverter circuit topology are described in this paper. The lossless snubber and auxiliary active resonant snubber assisted constant frequency phase shift ZVS PWM high frequency load resonant inverter employing IGBT power modules actually is capable of achieving zero voltage soft commutation over a widely specified power regulation range from full power to low power. The steady state operating performances of this dual mode phase shift PWM series load resonant high frequency inverter are evaluated and discussed on the basis of simulation and experimental results for induction heated foam metal heater which is designed for compact and high efficient moving fluid heating appliance in the consumer pipeline systems.
In this paper, a constant frequency phase shifting PWM controlled voltage source full bridge-type series load resonant high-frequency inverter using the IGBT power modules is presented for innovative consumer electromagnetic induction heating applications such as a hot water producer, steamer and super heated steamer. The full bridge arm side link passive quasi-resonant capacitor snubbers in parallel with the each power semiconductor device and high frequency AC load side linked active edge inductive snubber-assisted series load resonant tank soft switching inverter with a constant frequency phase shifted PWM control scheme is discussed and evaluated on the basis of the simulation and experimental results. It is proved from a practical point of view that the series load resonant and edge resonant hybrid high-frequency soft switching PWM inverter topology, what is called class DE type. including the variable-power variable-frequency(VPVF) regulation function can expand zero voltage soft switching commutation range even under low output power setting ranges, which is more suitable and acceptable for induction heated dual packs fluid heater developed newly for consumer power utilizations. Furthermore, even in the lower output power regulation mode of this high-frequency load resonant tank high frequency inverter circuit it is verified that this inverter can achieve ZVS with the aid of the single auxiliary inductor snubber.
It is usually difficult for dual-active-bridge (DAB) dc-dc converters to operate efficiently at light loads. This paper presents an in-depth analysis of a DAB with triple-phase-shift (TPS) control under the light load condition to overcome this problem. A kind of operating mode which is suitable for light load operation is analyzed in this paper. First, an analysis of the zero-voltage-switching (ZVS) constraints for the DAB converter has been carried out and a reasonable dead-band setting method has been proposed. Secondly, the basic operating characteristics of the converter are analyzed. Third, under the condition of satisfying the ZVS constraints, both the reactive power and the root mean square (RMS) value of the current are simultaneously minimized and a particle swarm optimization (PSO) algorithm is employed to analyze and solve this optimization problem. Lastly, both simulations and experiments are carried out to verify the effectiveness of the proposed method. The experimental results show that the converter can effectively achieve ZVS and improved efficiency.
This paper presents a new conceptual electromagnetic induction eddy current-based stainless steel plate spiral type heater for heat exchanger or Dual Packs Heater in hot water producer, boiler steamer and super heated steamer, which is more suitable and acceptable for new generation consumer power applications. In addition, all active clamped edge resonant PWM high frequency inverter using trench gate IGBTs power module can operate under a principle oi zero voltage soft communication with PWM is developed and demonstrated for a high efficient Induction heated hot water producer and boiler in the consumer power applications. This consumer induction heater power appliance using active clamp soft switching PWM high frequency inverter is evaluated and discussed on the basis of the simulation and experimental results.
In this paper, a power loss analysis technique of a high-frequency transformer of a bidirectional DAB (Dual Active Bridge) converter is reported. To miniaturize the transformer of the dual active bridge converter, a resonant inductor was designed with an air gap included low-coupled rate state core to combine leakage inductor with the resonant inductor which is required for soft-switching. In this paper, leakage inductance and magnetizing inductance, core material, type of winding and winding method are included in the dual active bridge transformer loss analysis process to enable optimal design at the initial design stage. Transformer loss analysis for dual active bridge with a switching frequency of 200 kHz and maximum output of 5 kW was executed, and elements necessary for design based on the number of turns on the primary side were graphed while maintaining the transformer turns ratio and window area. In particular, it was possible to determine the optimal number of turns and thickness of the transformer, and ultimately, the total loss of the transformer could be estimated.
KIEE International Transaction on Electrical Machinery and Energy Conversion Systems
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제5B권4호
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pp.366-373
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2005
This paper presents two new circuit topologies of the dc busline side active resonant snubber assisted voltage source high frequency link soft switching PWM full-bridge dc-dc power converters acceptable for either utility ac 200V-rms or ac 400V-rms input grid. These high frequency switching dc-dc converters proposed in this paper are composed of a typical voltage source-fed full-bridge PWM inverter, high frequency transformer with center tap, high frequency diode rectifier with inductor input filter and dc busline side series switches with the aid of a dc busline parallel capacitive lossless snubber. All the active switches in the full-bridge arms as well as dc busline snubber can achieve ZCS turn-on and ZVS turn-off transition commutation with the aid of a transformer leakage inductive component and consequently the total switching power losses can be effectively reduced. So that, a high switching frequency operation of IGBTs in the voltage source full bridge inverter can be actually designed more than about 20 kHz. It is confirmed that the more the switching frequency of full-bridge soft switching inverter increases, the more soft switching PWM dc-dc converter with a high frequency transformer link has remarkable advantages for its power conversion efficiency and power density implementations as compared with the conventional hard switching PWM inverter type dc-dc power converter. The effectiveness of these new dc-dc power converter topologies can be proved to be more suitable for low voltage and large current dc-dc power supply as arc welding equipment from a practical point of view.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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