Autor: CLAVERO ORDÓÑEZ, Lucía
Título: Modeling and Optimization of Planar PCB Magnetic Components for High Power Density EV Charging Applications
Fecha: 2025
Materia: ---
Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
Departamento: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL
Acceso electrónico: https://oa.upm.es/91871/
Director/a(s):
- Director/a: ALOU CERVERA, Pedro
Resumen: In the race to electrify the transportation float, the available charging solutions are one of the main bottle-necks for the expansion of the EV market. High power levels are required to provide fast charge to the batteries, whose capacity keeps increasing to accommodate the autonomy range to the user needs. But in parallel, space and weight constraints act as a limitation. High power density designs lean to higher operating frequencies, to minimize the size of magnetic components, which constitute one of the bulkiest parts in the converters. However, increased switching frequencies result in increased switching losses. Hence, soft switching techniques are desired to push the boundaries, together with the implementation of WBG devices. Magnetic components are decisive to determine power density, but increasing the frequency also complicates their modeling and design, leaving classical design procedures obsolete, and requiring new approaches which can capture the disturbances in the electromagnetic field. The main objective of this research work is to provide adequate modeling tools to facilitate the design and optimization of magnetic components. The focus is placed on PCB based magnetic components, due to their benefits in terms of low manufacturing cost, repeatability of the behavior, and predictable parasitics. The selected user case is an AC/DC converter for EV charging applications, for which a promising topology is selected and analyzed. One problem of PCB implementation is the low thermal conductivity of the materials employed, which translates into poor thermal performance, especially when losses are generated in the inner layers. Thermal analysis becomes critical for high frequency designs, since the smaller size and increased losses can lead to overheating if the cooling effort is not sufficient. Therefore, a thermal model is developed to achieve accurate hot spot prediction without the need for FE simulation software. The short computation time of the proposed analytical model makes it ideal for optimization-based designs. On the other hand, a core loss model is developed to capture the uneven flux density distribution inside the magnetic core, caused by geometrical aspects, combination of materials or employment of integration techniques. The core loss model can be coupled to the thermal model, providing useful information regarding critical areas in terms of loss accumulation, and helping to identify the hot spots and improve the design. An optimization methodology combining the previous models is proposed for PCB magnetic components. FE simulations support the calculation on the winding losses for improved accuracy, while the thermal model is used to identify and discard unfeasible designs in an early stage, avoiding their unnecessary calculation and reducing the total computation time. The presented models and methodologies are used to design the magnetic components for the selected converter for EV charging, and their performance is tested experimentally, showcasing the accuracy of the calculations. The proposed optimization approach considers all involved parameters and variations in geometry, materials, cooling and operating conditions. The presented models and methodologies have been developed for PCB-based components, but they are applicable to other planar structures. Additionally, the analysis of the selected EV charging topology leads to a further contribution. A control strategy is proposed, which enables compatibility of the topology with both single and three-phase grid connection. The control strategy utilizes the elements of the three-phase architecture which would remain idle during single-phase connection, to absorb the low frequency AC ripple. Consequently, the life-span of the battery can be extended, while maintaining the size of the converter. RESUMEN En la carrera por electrificar el transporte, las soluciones de carga disponibles son uno de los principales cuellos de botella para la expansión del mercado de vehículos eléctricos. Se requieren altos niveles de potencia para proporcionar una carga rápida a las baterías, cuya capacidad sigue aumentando para adaptar el rango de autonomía a las necesidades del usuario. Paralelamente, las restricciones de espacio y peso actúan como una limitación. Los diseños de alta densidad de potencia se inclinan por frecuencias de conmutación más altas, para minimizar el tamaño de los componentes magnéticos, que constituyen una de las partes más voluminosas de los convertidores. No obstante, el aumento de frecuencia da como resultado mayores pérdidas de conmutación, por lo que se necesitan técnicas de "soft-switching" para ampliar los límites, junto con la implementación de WBG. Los componentes magnéticos son decisivos para determinar la densidad de potencia, pero el aumento de la frecuencia también complica su diseño, dejando obsoletos los procedimientos de clásicos y requiriendo nuevos enfoques que puedan captar las perturbaciones en el campo electromagnético. El objetivo principal de este trabajo es proporcionar herramientas de modelado adecuadas para facilitar el diseño y optimización de componentes magnéticos. La atención se centra en los componentes basados en PCB, debido a sus ventajas en términos de bajo coste de fabricación y repetibilidad. El escenario de aplicación es un convertidor AC/DC para aplicaciones de carga de vehículos eléctricos, para el que se selecciona y analiza una topología prometedora. Un problema de la implementación PCB es la baja conductividad térmica de los materiales empleados, que se traduce en un bajo rendimiento térmico, especialmente cuando se generan pérdidas en las capas internas. El análisis térmico se vuelve crítico para diseños de alta frecuencia, debido al menor tamaño y aumento de pérdidas. Por lo tanto, se ha desarrollado un modelo térmico para lograr una predicción precisa de los puntos calientes sin necesidad de recurrir a simulaciones de elementos finitos. El corto tiempo de cálculo lo hace ideal para la optimización del diseño. Por otro lado, se ha desarrollado un modelo de pérdidas en el núcleo para captar la distribución desigual de la densidad de flujo, causada por aspectos geométricos, la combinación de materiales o el empleo de técnicas de integración. El modelo de pérdidas puede combinarse con el modelo térmico, proporcionando información útil sobre áreas críticas y ayudando a identificar los puntos calientes y mejorar el diseño. Por último, se propone una metodología de optimización que combina los modelos anteriores. Esta metodología se apoya en simulaciones de elementos finitos para el cálculo de las pérdidas del devanado, para mejorar la precisión, mientras que el modelo térmico se utiliza para predecir diseños inviables en una etapa temprana, evitando su cálculo y reduciendo el tiempo de computación. Los modelos presentados se han utilizado para diseñar los componentes magnéticos para el convertidor seleccionado, y su rendimiento se ha probado experimentalmente, mostrando la precisión de los cálculos. El enfoque de diseño propuesto tiene en cuenta las variaciones en geometría, materiales, refrigeración y condiciones operativas. Los modelos y metodologías propuestos se han desarrollado con enfoque a los componentes basados en PCB, pero son aplicables a otras estructuras planares. Por otra parte, el estudio de la topología seleccionada como caso de estudio, lleva a una contribución adicional. Se presenta una estrategia de control que permite conectar la topología a la red tanto trifásica como monofásica. Esta estrategia reutiliza los elementos de la arquitectura trifásica que permanecerían inactivos durante la conexión monofásica, para absorber el rizado en alterna de baja frecuencia. Por tanto, la vida útil de la batería puede extenderse, manteniendo el tamaño del convertidor.