Niet-geïsoleerde DC-DC omvormers met hoge transformatieverhouding voor gebruik in LVDC systemen

In de eerste jaren van de ontwikkeling van ons huidig elektrisch distributiesysteem heeft AC de overhand gekregen op DC, hoofdzakelijk omwille van de volgende reden: Het bestaan van de transformator op lage frequentie, die toeliet AC-spanningen omhoog te transformeren voor de transmissie van elektriciteit. Dit liet op zijn beurt toe om elektriciteit centraal op te wekken, ver van dichtbevolkte of economisch belangrijke gebieden (aangezien AC in die tijd lagere verliezen over een langere afstand veroorzaakte). Sindsdien werd massaal ingezet op AC voor de uitbouw van onze huidige elektriciteitsproductie en onze transmissie- en distributienetten. Vandaag de dag wordt DC-spanning echter een alternatief voor de volgende generatie van elektrische systemen, dankzij de opkomst van hernieuwbare energiebronnen in het huidige net. De belangrijkste DC-technologieën die reeds in het net aanwezig of aan het opkomen zijn, zijn de volgende: zonnepanelen, batterijen, brandstofcellen, supercondensatoren, etc. Vermogenelektronische omvormers die de spanningsniveaus in het net kunnen sturen zijn essentieel om deze technologieën te kunnen integreren in een DC-systeem. Daarnaast worden omvormers toegepast voor het sturen van de vermogenstromen in het net, het maximaliseren van de energieproductie (zoals voor het Maximum Power Point Tracking van zonnepanelen), het bewaken de stabiliteit van het net (omvormers met balanceringcapaciteit), en het beveiligen van het net (bijvoorbeeld DC-vermogensschakelaars). Alle bovengenoemde toepassingen zijn gebaseerd op vermogenelektronische omvormers, die bijgevolg de essentiële bouwblok vormen die het mogelijk zal maken om DC netten massaal uit te rollen op vlak van elektriciteitsproductie, transmissie en distributie.

In de DC wereld zijn de specificaties en structuur van een omvormer afhankelijk van de toepassing waarvoor hij bedoeld is. De DC spanning van deze systemen kan variëren over een breed bereik, bijvoorbeeld tussen 48-800V. Daarnaast zijn toestellen op lage spanning en met een laag vermogen in groten getale aanwezig in het net. Om aan deze spanningsprofielen te kunnen voldoen is er nood aan high step-down DC-DC omvormers. Verschillende strategieën kunnen aangewend worden om de spanning omlaag te transformeren conform de systeemvereisten, zoals geïsoleerde transformatoren op hoge frequentie, gekoppelde spoelen, of spannings- (of stroom) multiplier/divider cellen. Geïsoleerde topologieën of topologieën die een gekoppelde spoel toepassen, bereiken een hoge spanningsverhouding door de juiste wikkelverhouding te kiezen voor de transformator of spoelen. Deze technieken brengen echter een hoge complexiteit met zich mee voor de magnetische onderdelen in de omvormer. Zonder het gebruik van een transformator of gekoppelde spoelen worden de bovengenoemde spannings- (of stroom-) multiplier/divider cellen toegepast om hoge spanningsverhoudingen te bereiken. Deze technieken worden onderzocht in deze thesis. Aangezien het toevoegen van deze cellen de complexiteit en de hoeveelheid componenten in het vermogensdeel van de schakelingen verhoogt, is het belangrijk een grondige analyse uit te voeren om de performantie van de omvormers te optimaliseren.

De hoofddoelstelling van deze thesis is het voorstellen van nieuwe oplossingen voor DC-DC omvorming met een high step-down van de spanning voor toepassingen in, o.a. industriële en residentiële netten, datacenters, elektrische voertuigen en vliegtuigen. Hiertoe behandelt deze thesis high step-down DC-DC omvormers die spannings- en stroom- multiplier/divider cellen toepassen. Zoals eerder vermeld brengen omvormers die deze technologie toepassen vaak een hogere complexiteit en een hoger aantal componenten in het vermogensdeel van de omvormer met zich mee. Om de voordelen van deze omvormers ten volle te kunnen benutten, is het belangrijk om de werking en performantie van beschikbare halfgeleidertechnologieën, zoals Silicium en Gallium Nitride halfgeleiders, te evalueren in schakelingen met een hoge complexiteit. Uit eerder onderzoek is gebleken dat Gallium Nitride halfgeleiders theoretisch betere eigenschappen hebben vergeleken met Silicium. Om deze reden worden beide technologieën theoretisch en praktisch met elkaar vergeleken in een aantal van de high step-down omvormers die ontwikkeld werden in deze thesis en worden er conclusies getrokken met betrekking tot hun performantie.

Deze thesis introduceert 12 nieuwe omvormers en evalueert van elke omvormer het high step-down vermogen. Deze nieuwe omvormers zijn gebaseerd op multiplier/divider cellen en de werking van Silicium en Gallium Nitride halfgeleidertechnologieën in deze schakelingen wordt geëvalueerd. De thesis legt de nadruk op het ontwikkelen van prototypes en het valideren van de ontworpen omvormers. De performantie van de schakelingen wordt besproken, naast een vergelijking tussen de verschillende ontwerpen en huidige state-of-the-art, om hun sterktes en zwaktes aan te tonen. Ten slotte bewijst deze thesis dat het mogelijk is met behulp van een grondige theoretische analyse, correcte implementatie van spanningsdelende cellen en experimentele validatie, een high step-down omvormer met voldoende performantie te ontwikkelen, wat toelaat deze omvormers te implementeren in de volgende generatie van DC netten gebaseerd op vermogenelektronica.