Optimal design and model for CLLLC resonant converter

Abstract

O trabalho começa com uma revisão da literatura e contextualização do conversor CLLLC ressonante, o qual utiliza a modulação Pulse Frequency Modulation (PFM), empregada neste estudo. São analisadas as diferentes regiões possíveis de operação do conversor, sendo apenas a região indutiva operacional, onde os interruptores são capazes de operar com Zero Voltage Switching (ZVS). Dentro da região indutiva, existem três regiões operacionais diferentes, cada uma delas com características distintas que são detalhadas ao longo do trabalho. Além disso, é realizada uma análise para garantir que o conversor opere com ZVS nos interruptores da ponte completa do primário. As principais contribuições deste trabalho estão voltadas para o modelo do conversor por Dynamic Phasors (DP) e a otimização do projeto do conversor baseado em seu modelo de perdas. O uso de DP para obter o modelo se faz necessário devido às correntes no tanque ressonante serem senoidais ou praticamente senoidais, dificultando a obtenção do modelo utilizando apenas o modelo por valor médio. O modelo dinâmico aplicado ao controle do conversor também é determinado. O projeto otimizado do conversor tem como objetivo minimizar as perdas globais do sistema e encontrar o melhor projeto possível para os componentes disponíveis. Para realizar esta otimização, todos os modelos de perdas do conversor e de cálculo dos parâmetros foram determinados e implementados via algoritmo utilizando o Particle Swarm Optimization (PSO). O protótipo projetado é testado em diferentes pontos de operação, validando o seu funcionamento. Assim, a eficiência obtida pelo algoritmo é comparada com a eficiência do protótipo, validando o modelo de perdas.

Abstract: The work begins with a literature review and contextualization of the resonant CLLLC converter, which employs Pulse Frequency Modulation (PFM), utilized in this study. The different possible operating regions of the converter are analyzed, with only the inductive operating region, where the switches are capable of operating with Zero Voltage Switching (ZVS), considered. Within the inductive region, there are three different operational regions, each with distinct characteristics detailed throughout the work. Additionally, an analysis is conducted to ensure that the converter operates with ZVS in the switches of the primary full-bridge. The main contributions of this work are focused on the converter model by Dynamic Phasors (DP) and the optimization of the converter design based on its loss model. The use of DP to obtain the model is necessary due to the currents in the resonant tank being sinusoidal or practically sinusoidal, making it difficult to obtain the model using only the average model. The dynamic model applied to the converter control is also determined. The optimized converter design aims to minimize the overall system losses and find the best possible design for the available components. To perform this optimization, all converter loss models and parameter calculation models were determined and implemented via algorithm using Particle Swarm Optimization (PSO). The designed prototype is tested at different operating points, validating its operation. Thus, the efficiency obtained by the algorithm is compared with the prototype efficiency, validating the loss model.