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97.4%-Efficient All-GaN Dual-Active-Bridge Converter with High Step-up High-Frequency Matrix Transformer

Résumé

In this work, we demonstrate a state-of-the-art high step-up/down dual-active-bridge (DAB) converter designed with GaN transistors, to achieve a high efficiency and large power-density. A quasi-planar matrix transformer with high step-up/down ratio is demonstrated, whose leakage inductance is responsible for achieving soft-switching and power-transfer, without using any external inductors, resulting in a compact converter. A combination of low-voltage (LV) and high-voltage (HV) GaN transistors operating at both primary and secondary bridges, enabled operation at 300 kHz to significantly reduce the size of the ferrite core in the transformer. By applying the simplest modulation (single phase shift) suitable for very high switching frequencies, the converter could transfer up to 500 W (reaching up to 10 kW/l or 164 W/inch3 in power-density) with a peak efficiency of 97.4% at a 12-time step-up. After discussing guidelines of passive and active component design and selection, we benchmark DC-DC converters and compare the performance of our design to other state-of-the-art high-frequency converters. Furthermore, we discuss how such DC/DC converters could serve as chargers in electric vehicles (EVs) to provide efficient power transfer in a compact size with galvanic isolation, which is required for such applications. The converter can be regarded as a flexible DC transformer in future DC distribution systems and microgrids for efficient, compact and regulated power transfer.

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Concepts associés (38)
Inductance
Selon le théorème d'Ampère, tout courant parcourant un circuit crée un champ magnétique à travers la section qu'il entoure, c'est le phénomène d'induction électromagnétique. L'inductance de ce circuit est le quotient du flux de ce champ magnétique par l’intensité du courant traversant le circuit. L’unité SI de l’inductance est le henry (H), nom donné en l'honneur du physicien Joseph Henry. En toute rigueur ce terme n'a d’intérêt que pour les situations dans lesquelles le flux est proportionnel au courant.
Inducteur
L'inducteur est un organe électrotechnique, généralement un électroaimant (les aimants permanents étant généralement réservés aux dispositifs de faible puissance) ayant comme fonction d'induire un champ électromagnétique dans un induit servant à produire de l'énergie électrique (alternateur) ou une force (moteur) ou à chauffer des conducteurs comme des métaux de toutes sortes. Lorsque le courant circulant dans la bobine change, le champ magnétique variable dans le temps induit une force électromotrice (f.e.
Courant continu haute tension
thumb|upright=1.5|Convertisseurs à thyristors sur le pôle 2 de la ligne Inter-Island en Nouvelle-Zélande.thumb|upright=1.5|Symbole d'un convertisseur AC/DC. Le courant continu haute tension (CCHT), en anglais High Voltage Direct Current (HVDC), est une technologie d'électronique de puissance utilisée pour le transport de l'électricité en courant continu haute tension. Son utilisation est minoritaire par rapport au transport électrique à courant alternatif (AC) traditionnel de nos réseaux électriques.
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