Fast Off-Board Charger for Electric Vehicles
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Contents
I AC/DC Conversion 9
1 Introduction to AC/DC Conversion 11
2 What is Rectification? 13
2.1 Half-Wave Rectification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Full-Wave Rectification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3 Topologies for AC/DC Conversion Stage 15
3.1 Three-Phase Passive Rectifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 Three-Phase Vienna Rectifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3 Three-Phase Two-Level Six-Switch Boost-Type Rectifier . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.4 Three-Phase Three-Level Neutral Point Clamped Converter . . . . . . . . . . . . . 17
3.5 Three-Phase Three-Level T-Type Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4 Implementation of Closed-Loop AC/DC Converter 19
4.1 Proportional Integral Derivative (PID) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.1.1 P-Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.1.2 I-Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.1.3 D-Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.1.4 Tuning of PID Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.1.5 The Main Control Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2 Phase-Locked Loop (PLL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.2.1 Method I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.2.2 Method II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.3 Clarke and Park Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.3.1 Clarke Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
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4 CONTENTS
4.3.2 Park Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.4 Filter Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.4.1 Active Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.4.2 Passive Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
L-type Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
LC-type Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
LCL-type Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.4.3 Grid-Connected Inverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.4.4 Method I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Design Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.4.5 Method II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Design Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.4.6 Method III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Design Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.4.7 Method IV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Design Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.4.8 Method V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Design Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.4.9 Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.4.10 Chosen Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Design Example - Low Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Design Example - High Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.5 DC-Link Capacitor Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.5.1 Method I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.5.2 Method II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.5.3 Chosen Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Design Example - Low Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
CONTENTS 5
Design Example - High Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.6 Component Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.6.1 The Inverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
The Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
The Hardware Schematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
The PCB 3D Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.6.2 The Current Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
The Hardware Schematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
The PCB 3D Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.6.3 The Voltage Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
The Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Interfacing with Microcontroller - Op-Amp Technique . . . . . . . . . . . . 53
The Hardware Schematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
The PCB 3D Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.6.4 The Microcontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
The Hardware Schematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
The PCB 3D Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.6.5 DC-Link . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
The Hardware Schematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
The PCB 3D Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
