Practical approach to main circuit and EMI filter design of a 15 kW dual active bridge converter

Abstract

Fast paced product development does not leave much room for theoretical optimization of power electronic systems. There seems to be a lack of publications, which could be directly used as a reference for practical design of the bidirectional DC/DC converter called Dual Active Bridge. This thesis tries to fill a part of this void by presenting basic theory and easy and straightforward tools to calculate electrical parameters of the converter, which can be used for initial component selection for the main circuit and filters against electromagnetic interference. These estimates are based on ideal model of the converter and therefore generous margins must be used to make sure that the prototype will fulfil the set requirements. The room for optimization is created by selecting components wisely, which allows changing electrical parameters of the circuit in some extent at the prototyping phase without need to make changes to the printed circuit board. Design of a 15 kW converter is presented as an and components are also selected when possible.

Nopeatempoisessa tehoelektroniikkajärjestelmien tuotekehityksessä ei ole usein varaa tehdä teoreettista optimointia. Kaksisuuntaisten DAB-konvertterien (Dual Active Bridge) käytännönläheiseen suunnitteluun liittyviä julkaisuja, joita pystyisi suoraan käyttämään apuna, ei juurikaan ole. Tämän työn tarkoitus on korjata tilannetta esittämällä tarvittava teoria ja tarjota helppoja sekä suoraviivaisia työkaluja konvertterin sähköisien arvojen laskemiseksi, joiden avulla voidaan tehdä ensimmäiset pääpiirin ja häiriösuotimien komponenttivalinnat. Nämä arviot perustuvat konvertterin ideaaliseen malliin, joten suunnittelussa on käytettävä reiluja turvamarginaaleja, jotta varmistutaan siitä, että konvertteri täyttää sille asetetut vaatimukset. Mahdollisuus optimoinnille luodaan valitsemalla komponentit siten järkevästi, että jonkin verran muutoksia prototyypin sähköisiin arvoihin pystytään tekemään muuttamatta piirilevyä. Esimerkkinä tässä työssä suunnitellaan 15 kW konvertteri ja osat valitaan niiltä osin kuin se on mahdollista.