Modeling and multi-objective optimization of inductive components in high voltage gain power converters

Abstract

Applications in electric mobility, renewable energy systems, and power systems are experiencing a movement towards bigger voltage differences between power sources and loads. This is due to the advance of battery technology, the introduction of DC distribution systems, and the rapid growth of electric powered vehicles. This voltage difference increases the need for better high voltage-gain converters. Moreover, these converters should offer outstanding efficiencies and compact sizes for their implementation in these applications. Nevertheless, there is an imminent opposition between efficiency, power density and high voltage-gain in power converters, and conventional power converters lack in some of these objectives. Therefore, this work was motivated by the need to research in novel methodologies where volume, efficiency and voltage-gain are optimized in order to obtain a suitable balance that offers high performance. In this context, the main objective of this thesis is the development of a multi-objective optimization design methodology of inductive components for high voltage-gain converters. This objective is carried out through: 1) the evaluation of several high step-up power converters and the proposal of a novel topology. 2) the power loss modeling of the magnetic components of one high voltage-gain topology with emphasis in iron and copper losses. 3) the volume modeling of the converter with special attention to the magnetic components. And 4) the evaluation of two multi-objective optimization approaches to solve problems with opposite objectives as the case of efficiency, power density and voltage-gain in power converters. Consequently, this thesis proposes a new high voltage-gain power converter with Integrated Winding Coupled Inductor (IWCI) with the potential to be applied in systems where high power density and high efficiency are required. Moreover, a benchmark of this proposed converter with outstanding topologies is conducted, being the IWCI converter the one with more potential. After that, this document proposes a detailed magnetic and electric modeling complemented with a power loss and volumetric modeling of not only the magnetic component but also the other components in the converter: semiconductors and capacitors. Finally, combinatorial algorithms are used and improved to optimize efficiency (single-objective) and efficiency-power density (multi-objective) while voltage-gain is kept high. As a result, it was found that improved combinatorial algorithms can deliver results of tens of millions of evaluated designs within minutes.

Las aplicaciones en movilidad eléctrica, sistemas de energía renovable y sistemas de energía están experimentando una transición hacia mayores diferencias de voltaje entre las fuentes de energía y las cargas. Esto se debe al avance de la tecnología de baterías, la introducción de sistemas de distribución de DC y el rápido crecimiento del uso de vehículos eléctricos. Esta diferencia de voltaje aumenta la necesidad de mejores convertidores de alta ganancia de voltaje. Además, estos convertidores deben ofrecer eficiencias sobresalientes y tamaños compactos para su implementación en estas aplicaciones. Sin embargo, existe una oposición inminente entre la eficiencia, la densidad de potencia y la alta ganancia de voltaje en los convertidores de potencia. Además, los convertidores de potencia convencionales carecen de algunos de estos objetivos. Por lo tanto, este trabajo fue motivado por la necesidad de investigar en metodologías novedosas donde se optimicen el volumen, la eficiencia y la ganancia de voltaje para obtener un equilibrio adecuado que ofrezca un alto rendimiento. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de una metodología de diseño de optimización multiobjetivo de componentes inductivos para convertidores de alta ganancia de tensión. Este objetivo se lleva a cabo mediante: 1) la evaluación de varios convertidores elevadores de potencia y la propuesta de una topología novedosa. 2) el modelado de pérdidas de potencia de los componentes magnéticos de una topología de alta ganancia de voltaje con énfasis en las pérdidas de hierro y cobre. 3) el modelado de volumen del convertidor con especial atención a los componentes magnéticos. Y 4) la evaluación de dos enfoques de optimización multiobjetivo para resolver problemas con objetivos opuestos como el caso de eficiencia, densidad de potencia y ganancia de voltaje en convertidores de potencia. En consecuencia, esta tesis propone un nuevo convertidor de potencia de alta ganancia de voltaje con Inductor Acoplado de Devanado Integrado (IWCI del inglés) con potencial para ser aplicado en sistemas donde se requiera alta densidad de potencia y alta eficiencia. Además, se realiza un benchmark de este convertidor propuesto con topologías destacadas, siendo el convertidor IWCI el de mayor potencial. Posteriormente, este documento propone un modelado magnético y eléctrico detallado complementado con un modelado volumétrico y de pérdidas de potencia no solo del componente magnético sino también de los demás componentes del convertidor: semiconductores y condensadores. Finalmente, algoritmos combinatorios se utilizan y se mejoran para optimizar la eficiencia (objetivo único) y la densidad de potencia (multiobjetivo) mientras que la ganancia de voltaje se mantiene alta. Como resultado, se descubrió que los algoritmos combinatorios mejorados pueden ofrecer resultados de decenas de millones de diseños evaluados en minutos.