Studio e modellazione dello stadio DC/DC isolato risonante

Abstract

I convertitori di potenza per l'alimentazione dei servizi ausiliari nei veicoli ferroviari richiedono un isolamento galvanico tra la tensione della catenaria e quella fornita agli utilizzatori. Tale isolamento viene realizzato attraverso uno stadio di conversione DC/DC isolato, che impiega un trasformatore operante a media/alta frequenza. Tuttavia, l’aumento della frequenza di commutazione, necessario per ridurre le dimensioni del trasformatore, comporta un incremento delle perdite nei semiconduttori, incidendo sull’efficienza del sistema. La topologia LLC risonante rappresenta una soluzione efficace per minimizzare le perdite di commutazione. La presente tesi si concentra sull’analisi e il dimensionamento del circuito risonante di tale topologia, con particolare attenzione alla definizione del punto di lavoro in funzione delle condizioni operative. In particolare, è stato sviluppato un modello di calcolo finalizzato alla caratterizzazione delle perdite nei semiconduttori IGBT, con focus specifico sulla "Stored-charge dynamics". Successivamente, tale modello è stato implementato in Matlab & Simulink, dove è stato integrato ad un simulatore dello stadio DC/DC isolato risonante per l'analisi delle prestazioni al variare delle condizioni di lavoro. L'analisi condotta ha evidenziato l’importanza della Zero Voltage Switching (ZVS) a basse correnti, dimostrando un ruolo chiave nella riduzione delle perdite di commutazione e nel miglioramento dell’efficienza complessiva del sistema. Il confronto con misurazioni sperimentali ha confermato la robustezza del modello sviluppato, validandone l’accuratezza nella previsione delle perdite dei semiconduttori del convertitore. I risultati ottenuti forniscono strumenti utili per ottimizzare il design dei convertitori di potenza ferroviari, contribuendo a migliorarne sia l’efficienza che la compattezza.

Power converters for auxiliary service supply in railway vehicles require galvanic isolation between the catenary voltage and the voltage supplied to the users. This isolation is achieved through an isolated DC/DC conversion stage, which employs a transformer operating at medium/high frequency. However, increasing the switching frequency, necessary to reduce the transformer's size, leads to higher losses in the semiconductors, affecting the system's efficiency. The LLC resonant topology represents an effective solution to minimize switching losses. This thesis focuses on the analysis and design of the resonant circuit in this topology, with particular attention to defining the operating point based on the working conditions.

Specifically, a calculation model was developed to characterize losses in IGBT semiconductors, with a specific focus on "Stored-charge dynamics." This model was then implemented in Matlab & Simulink, where it was integrated into a simulator of the isolated resonant DC/DC stage for performance analysis under varying operating conditions. The conducted analysis highlighted the importance of Zero Voltage Switching (ZVS) at low currents, demonstrating its key role in reducing switching losses and improving the overall system efficiency. Comparisons with experimental measurements confirmed the robustness of the developed model, validating its accuracy in predicting semiconductor losses in the converter. The obtained results provide useful tools for optimizing the design of railway power converters, contributing to both improved efficiency and compactness.