Innovative Architecture of dc-dc Converters for High Efficiency Applications in Harsh Automotive Environment

In the last years the strive for car emission reduction produced several changes in the automotive environment, which led to a significant increase of power electronics presence on cars. Linear dc-dc converters are being replaced by higher efficiency switching-mode power converters also in the standard 12 V-to-5 V application, while hybrid electric and full electric vehicles require bidirectional high power dc-dc converters for their powertrains. To decrease the car fuel consumption, a reduction of the copper cable weight is required. For these reasons car manufacturers propose to shift the battery voltage from 12 V to 48 V and to deliver this single bus throughout the car, while deriving all the required voltages locally. This scenario pushes for high step-down converters. The goal of this thesis is to optimize the operation of automotive dc-dc switching converters through the use of digital regulators and controllers. As a general philosophy no additional devices are added to the power stage and the topology modulation degrees of freedom are exploited to regulate and optimize its operation. This research activity is conducted through a collaboration between the Power Electronics Group of the Department of Information Engineering (DEI) and Infineon Technologies Italia S.r.l. In the first part the minimum rms current trajectory (MCT) for a highpower bidirectional series-resonant dual-half bridge (SR-DHB) is analytically calculated, approximated and implemented on a digital controller which makes the converter to act as an optimized building block driven by a power command. Secondly the 12 V-to-5 V application is analyzed and a non-resonant dual half-bridge – also called non-inverting buck-boost – is selected. Its efficiency is optimized on-the-fly by measuring the input current while a low-complexity hardwired simplex algorithm acts on the modulation quantities to find the highest efficiency point. This approach is robust against operating condition variation. In the third chapter the SCTI converter topology is considered because of its increased duty cycle range and the zero voltage switching turn-on for all devices. The SCTI is a promising topology but suffers from a potential voltage spike during transient events, which poses a reliability issue for the converter. Both a snubber and a control solution are proposed. With the former a careful design is required taking into account several parasitics, which could be challenging to be measured. For this reason a solution based on a finite state machine which only requires analog comparators is then proposed and developed. Since SCTI topology is not a wide-spread topology, there is a shortage of commercially available ad-hoc inductors. During a research period in Infineon Technologies A.G. under the supervision of prof. Pelz, the SCTI converter efficiency was studied and optimized by considering off-theshelf inductors only. To perform this optimization, Cadence R simulations are run and machine learning algorithm are employed in order to have a good understanding of the converter efficiency on the full design space and providing preliminary inductor design guidelines.

Negli ultimi anni l’adeguamento a normative europee sempre più severe in materia di emissioni di anidride carbonica ha portato ad un’evoluzione del settore automotive. Uno dei cambiamenti più rilevanti è l’incremento significativo di elettronica di potenza a bordo. I convertitori dc-dc lineari vengono gradualmente sostituiti da regolatori a commutazione che permettono di raggiungere efficienze più elevate. Lo sviluppo di veicoli ibridi o completamente elettrici ha inoltre richiesto la presenza di convertitori bidirezionali ad alta potenza. Avendo sempre in mente l’obiettivo di ridurre le emissioni, alcuni produttori di automobili stanno promuovendo l’adozione di un unico bus a 48 V, dal quale derivare localmente le tensioni richieste dai dispositivi a bordo per mezzo di convertitori dc-dc ad alto step-down. Dunque anche la batteria non è immune al cambiamento. L’obiettivo di questa tesi è di ottimizzare i convertori dc-dc del settore automotive mediante l’impiego di controllori digitali. È stato evitato di aggiungere ulteriori dispositivi di potenza mentre si è agito sulle grandezze di modulazione (duty-cycle e sfasamenti) al fine di migliorare il funzionamento del convertitore. Questa attività di ricerca è stata possibile grazie alla collaborazione tra il gruppo di elettronica di potenza del dipartimento di ingegneria dell’informazione (DEI) dell’Università di Padova e Infineon Technologies Italia S.r.l.. La prima parte di questo lavoro si occupa delle traiettorie a minima corrente rms per il convertitore a doppio mezzo ponte risonante. L’espressione analitica è calcolata, semplificata e infine implementata per mezzo di un controllore digitale. In questo modo il convertitore può essere considerato come un modulo ottimizzato che riceve come segnale di controllo il valore di potenza. In secondo luogo è stata considerata la conversione da 12 V a 5 V mediante un convertitore a doppio mezzo ponte nella versione non risonante. In questo caso l’efficienza viene ottimizata mentre il convertitore è in funzionamento. La corrente di ingresso viene infatti misurata e l’algoritmo del simplesso agisce sul duty-cycle e lo sfasamento in modo da raggiungere il punto di massima efficienza. Questo approccio permette di ottenere un’ottimizzazione indipendente dal punto di lavoro e dal valore dei componenti, risultando quindi robusto anche in caso di invecchiamento dei dispositivi o variazioni di temperatura. Nella terza parte della tesi è stata selezionata la topologia SCTI per via dell’aumento di duty cycle che permette e delle commutazioni a zero tensione per tutti e tre gli interruttori di potenza. La topologia SCTI è promettente ma alcuni transitori tendono ad innescare un elevato picco di tensione che risulta in un grave problema di affidabilità. Per questo motivo sono state sviluppate due soluzioni, una circuitale basata su un soppressore ad avvolgimento ausiliario ed una di controllo. Benché la prima dia buoni risultati, è necessario prestare sufficiente attenzione ai parassiti, specialmente le induttanze di dispersione. Per questo motivo è stata implementata una soluzione basata su una macchina a stati finiti che richiede esternamente solo due comparatori analogici. Il convertitore SCTI non è una topologia comunemente impiegata e di conseguenza non è possibile trovare induttori ad hoc in commercio. Per questa ragione l’efficienza del convertitore SCTI è stata successivamente analizzata e ottimizzata considerando solo componenti presenti a catalogo. Durante un periodo di ricerca presso Infineon Technologies A.G. a Monaco sotto la supervisione del prof. Pelz, sono state eseguite a questo fine simulazioni Cadence R predisposte anche grazie ad algoritmi di machine learning messi a disposizione dal gruppo di Monaco. Questo lavoro ha permesso di comprendere come l’efficienza del convertitore varia su tutto lo spazio di progetto e di ottenere delle linee guida per il progetto dell’induttore.