Abstract: 

Power converters are essential components in automotive, energy storage, and data center applications, among others. These converters must meet specific requirements such as high efficiency, high power density, and, in some cases, bidirectional power transmission. To achieve these requirements, every part of the converter must be meticulously designed. Among the critical components, the gate driver circuit is particularly important as it controls the precise timing during the switching transients of power switches. By designing a gate driver circuit effectively, the voltage and current during the switching transients of power semiconductor devices can be maintained within the Safe Operating Region (SOR). Additionally, power losses, including switching loss and conduction loss, can be controlled. In this study, a comprehensive methodology is presented as follows: first, the principles and design of the gate driver circuit are described. Then, a simple yet powerful circuit, the Double Pulse Test (DPT) circuit, is introduced to assist in designing circuit elements. Design considerations and quick tips are also provided. Finally, simulations are conducted using LTSpice XVII to verify the analyses presented.

Abstract: 

Power converters are essential components in automotive, energy storage, and data center applications, among others. These converters must meet specific requirements such as high efficiency, high power density, and, in some cases, bidirectional power transmission. To achieve these requirements, every part of the converter must be meticulously designed. Among the critical components, the gate driver circuit is particularly important as it controls the precise timing during the switching transients of power switches. By designing a gate driver circuit effectively, the voltage and current during the switching transients of power semiconductor devices can be maintained within the Safe Operating Region (SOR). Additionally, power losses, including switching loss and conduction loss, can be controlled. In this study, a comprehensive methodology is presented as follows: first, the principles and design of the gate driver circuit are described. Then, a simple yet powerful circuit, the Double Pulse Test (DPT) circuit, is introduced to assist in designing circuit elements. Design considerations and quick tips are also provided. Finally, simulations are conducted using LTSpice XVII to verify the analyses presented.

Tóm tắt: Các bộ chuyển đổi điện năng là thành phần bắt buộc trong các ứng dụng ô tô, lưu trữ năng lượng và trung tâm dữ liệu, v.v. Trong các ứng dụng này, các bộ chuyển đổi cần đáp ứng các yêu cầu như hiệu suất cao, mật độ công suất cao, và thậm chí có thể truyền năng lượng hai chiều. Để đạt được những yêu cầu này, từng phần của bộ chuyển đổi cần được thiết kế một cách cẩn thận. Trong số các thành phần quan trọng, mạch điều khiển cổng (gate driver) đặc biệt quan trọng vì nó kiểm soát thời gian chính xác trong quá trình chuyển mạch của các công tắc bán dẫn. Bằng cách thiết kế mạch điều khiển cổng một cách hiệu quả, điện áp và dòng điện trong quá trình chuyển mạch của các thiết bị bán dẫn có thể được duy trì trong Vùng Hoạt động An toàn (SOR). Hơn nữa, các tổn thất điện tử công suất như tổn thất chuyển mạch và tổn thất dẫn điện cũng có thể được kiểm soát. Trong nghiên cứu này, một loạt phương pháp tiếp cận được trình bày chi tiết như sau: đầu tiên, nguyên lý và thiết kế của mạch điều khiển cổng được mô tả. Sau đó, một mạch đơn giản nhưng mạnh mẽ, gọi là mạch Kiểm tra Xung kép (DPT), được giới thiệu để hỗ trợ thiết kế các thành phần của mạch. Các lưu ý thiết kế và mẹo nhanh cũng được cung cấp. Cuối cùng, các mô phỏng được thực hiện bằng LTSpice XVII để xác minh các phân tích đã trình bày.

Abstract: The spread of chargers is essential for the spread of EVs. Resonant coupling power transfer technology using 85kHz has been developed as a large-capacity wireless power transfer technology. However, as the power supply capacity increases, there are problems such as an increase in the size of the antenna and a short power supply distance. High frequency is useful for miniaturizing antennas. In this presentation I will introduce high frequency wireless power transfer technology using 13.56MHz. I will introduce a high-power high-frequency inverter using GaN, a transmitter/receiver coupler using copper foil that takes skin effects into consideration, and a large-capacity power supply system that uses 13.56MHz and 6.78MHz simultaneously. 

Abstract:

High-frequency transformers are commonly used in commercial DC-DC converters to provide electrical insulation between the input and output. At high frequencies, various phenomena affect both the core and windings of the transformer, resulting in additional losses. If these losses are not accurately evaluated, they can lead to increased temperature, degradation of insulation, potential damage, and even failure of the converter. This presentation covers the fundamental principles and general requirements for high-frequency DC-DC transformers, including an analysis of core and winding losses and their impact during high-frequency operation. It also introduces a design method for transformers used in LLC converters. Additionally, the presentation features an automated 2D-FEA simulation tool and experimental results to validate the design. 

Tóm tắt: Biến áp tần số cao được sử dụng rộng rãi trong các bộ chuyển đổi DC-DC thương mại do yêu cầu cách điện giữa đầu vào và đầu ra. Ở tần số cao, nhiều hiện tượng ảnh hưởng đến cả lõi và cuộn dây của biến áp, dẫn đến các tăng tổn hao của các phần tử này. Nếu những tổn thất này không được đánh giá đầy đủ, chúng có thể gây tăng nhiệt độ, suy giảm lớp cách điện, hư hỏng tiềm ẩn, và thậm chí gây ra sự cố cho bộ chuyển đổi. Bài thuyết trình này sẽ trình bày các nguyên tắc cơ bản và yêu cầu chung cho biến áp DC-DC tần số cao, bao gồm phân tích tổn thất ở lõi và cuộn dây cùng ảnh hưởng của chúng trong quá trình hoạt động tần số cao. Bài thuyết trình cũng giới thiệu một phương pháp thiết kế biến áp cho các bộ chuyển đổi LLC. Cuối cùng, bài thuyết trình sẽ sử dụng công cụ mô phỏng 2D-FEA tự động và các kết quả thực nghiệm để kiểm chứng thiết kế.

Abstract: 

Power factor correction (PFC) converters are commonly used in the initial stage of switched-mode power supplies to improve power factor and reduce harmonics injected into the grid by the converters. For power levels below 1 kW, boost PFC circuits are often employed due to their simplicity and cost-effectiveness. However, operating at high frequencies ranging from tens of kHz to hundreds of kHz, boost PFC converters generate electromagnetic interference (EMI) that can affect other devices, the converter itself, and violate standards.

 The objective of this course is to understand the fundamental theory and methods for analyzing noise sources, how to simulate and evaluate filter quality, and to become familiar with measurement, diagnostic equipment, and experimental procedures. Initially, an overview of EMC/EMI and related standards will be provided. Tools and instruments used for noise measurement and diagnostics will also be introduced. Subsequently, the operating principles, noise generation mechanisms, and characteristics of noise sources in boost PFC converters will be analyzed to evaluate noise sources and design appropriate filters. The following section will analyze and evaluate the components of the filter, highlighting the effects of parasitic elements. Analytical results will be validated through simulations and practical measurements.

Finally, a 470W/65kHz boost PFC converter will be presented for analysis, design, and evaluation of the entire EMI filter. Simulations will be performed, along with experimental steps and equipment used for noise measurement, to assess the practical quality of the filter in the converter and compare it with theoretical analysis and simulations. 

Tóm tắt: Các bộ biến đổi hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC) tường được sử dụng trong giai đoạn đầu của các bộ nguồn xung với mục đích nâng cao hệ số công suất, giảm lượng sóng hài sinh ra từ các bộ biến đổi bơm lên lưới. Trong đó, ở mức công suất thất (<1 kW), mạch boost PFC thường được sử dụng vì các lí do đơn giản, và giá rẻ. Tuy nhiên, do hoạt động ở tần số cao từ vài trục kHz đến hàng trăm kHz, bộ biến đổi boost PFC gây ra nhiễu trường điện từ (EMI) truyền lên lưới ảnh hưởng đến các thiết bị khác, chính bản thân bộ biến đổi, và vi phạm các tiêu chuẩn.

Mục tiêu của khóa học này là tìm hiểu lý thuyết cơ bản và phương pháp phân tích nguồn nhiễu, cách mô phỏng, và đánh giá chất lượng bộ loc, cũng như làm quen với tên gọi thiết bị đo đạc, chuẩn đoán, và phương pháp tiến hành thí nghiệm đo đạc. Đầu tiên, lược về EMC/EMI và các tiêu chuẩn xung quanhđược nêu lên. Đồng thời, các công cụ, dụng cụ được sử dụng để đo đạc chuẩn đoán nhiễu sẽ được đề cập để làm quen với những thiết bị thông dụng. Sau đó, nguyên lí hoạt động, nguyên lí sinh ra nhiễu và tính chất của nguồn nhiễu của bộ boost PFC được phân tích để sử dụng cho việc đánh giá nguồn nhiễu và thiết kế bộ lọc phù hợp. Phần tiếp theo, chi tiết các thành phần trong bộ lọc được đưa ra phân tích và đánh giá, ảnh hưởng của các thành phần kí sinh được nêu lên. Các kết quả phân tích được đánh giá, khảo sát qua mô phỏng và đo đạc thực tế. Sau cùng, bộ biến đổi 470W/65kHz boost PFC được đưa ra để phân tích thiết kế, và đánh giá cho toàn bộ bộ lọc EMI. Các mô phỏng cần được thực hiện, cũng như các bước tiến hành thí nghiệm, và dụng cụ sử dụng được đưa ra để tiến hành đo nhiễu, và đánh giá chất lượng thực tế của bộ lọc khi sử dụng trong bộ biến đổi để so sánh với phân tích lí thuyết và mô phỏng.

Abstract: Resonant converters are widely used in applications such as on-board chargers (OBCs), low-voltage DC-DC transformers in electric vehicles, and power supplies in data centers, etc. Resonant converters have the advantage of low losses and EMI due to achieving soft switching. However, they also have disadvantages such as limited voltage range, complex design and difficulty in control. A lot of research on resonant converters has been conducted to improve these limitations. The goal of this course is to guide new students to understand the basic theory and design methods of a resonant converter. First, students will learn about the Series Resonant Converter (SRC) and its operating mode. Learning about SRC converters will help students understand the basic characteristics and advantages of resonant converters. After understanding SRC, the course will analyze the characteristics of a more complex resonant converter, the LLC converter. Through the process of analysis and comparison between these two types of converters, students will better understand the advantages, disadvantages and typical characteristics of each type. Next, this course will guide students on how to design an LLC converter in a case study which is 300 W e-bike battery charger. Starting from technical specifications and analyzing the characteristics of the converter select and calculate resonant tank parameters to meet initial requirements. loss model (including swtich and magnetic losses) is also presented. After hardware designing, the dual loop controller is designed based on PI controllers. The course will conduct simulations and compare the results of the analysis that has been performed before. Finally, this course will summarize the challenges in designing resonant converters.

Tóm tắt: Bộ biến đổi cộng hưởng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như bộ sạc trên bo mạch (OBC), nguồn DC-DC điện áp thấp trong xe điện và nguồn điện trong trung tâm dữ liệu, v.v. Bộ biến đổi cộng hưởng có ưu điểm là hiệu suất cao và nhiễu EMI thấp do đạt được chuyển mạch mềm. Tuy nhiên, chúng cũng có những nhược điểm như phạm vi điện áp hạn chế, thiết kế phức tạp và khó điều khiển. Rất nhiều nghiên cứu về bộ biến đổi cộng hưởng đã được tiến hành để cải thiện những hạn chế này. Mục tiêu của khóa học này là hướng dẫn sinh viên mới hiểu lý thuyết cơ bản và phương pháp thiết kế của bộ biến đổi cộng hưởng. Đầu tiên, sinh viên sẽ tìm hiểu về Bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp (SRC) và chế độ hoạt động của nó. Tìm hiểu về bộ biến đổi SRC sẽ giúp sinh viên hiểu được các đặc điểm cơ bản và ưu điểm của bộ biến đổi cộng hưởng. Sau khi hiểu về SRC, khóa học sẽ phân tích các đặc điểm của bộ biến đổi cộng hưởng phức tạp hơn, bộ biến đổi LLC. Thông qua quá trình phân tích và so sánh giữa hai loại bộ biến đổi này, sinh viên sẽ hiểu rõ hơn về ưu điểm, nhược điểm và đặc điểm điển hình của từng loại. Tiếp theo, khóa học này sẽ hướng dẫn sinh viên cách thiết kế bộ chuyển đổi LLC trong một nghiên cứu tình huống là bộ sạc pin xe đạp điện 300 W. Bắt đầu từ các thông số kỹ thuật và phân tích các đặc điểm của bộ chuyển đổi, hãy chọn và tính toán các thông số của bể cộng hưởng để đáp ứng các yêu cầu ban đầu. Mô hình tổn thất (bao gồm tổn thất van bán dẫn và mạch từ) cũng được trình bày. Sau khi thiết kế phần cứng, bộ điều khiển vòng kép cho điện áp và dòng điện đầu ra được thiết kế dựa trên bộ điều khiển PI. Khóa học sẽ tiến hành mô phỏng và so sánh kết quả phân tích đã thực hiện trước đó. Cuối cùng, khóa học này sẽ tóm tắt những thách thức trong việc thiết kế bộ chuyển đổi cộng hưởng.

Tóm tắt: Hiện nay, hệ truyền động trên các xe điện thương mại thường sử dụng động cơ 3 pha được cấp nguồn từ nghịch lưu 2 mức truyền thống. Cấu trúc này đơn giản, tin cậy và dễ điều khiển. Tuy nhiên, với yêu cầu ngày càng cao về tối ưu năng lượng để đảm bảo quãng đường đi của xe điện trên một lần sạc, nghịch lưu đa mức đang được nghiên cứu để đưa vào xe điện do bộ biến đổi này có ưu thế vượt trội về tổn thất.

Bài giảng này mô tả quá trình mô hình hóa và thiết kế cấu trúc điều khiển cho hệ truyền động xe điện cấp nguồn từ nghịch lưu đa mức bằng phương pháp Biểu diễn Vĩ mô Năng lượng (Energetic Macroscopic Representation – EMR). Bài giảng gồm hai phần chính:

1.    Mô tả và hướng dẫn cách sử dụng phương pháp EMR và thiết kế cấu trúc điều khiển theo nguyên lý nghịch đảo (Inversion-based Control - IBC)

2.    Sử dụng EMR để xây dựng mô hình xe điện cấp nguồn từ nghịch lưu đa mức và xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống bằng IBC.

Hệ thống trong bài giảng được thực hiện bằng phần mềm Matlab/Simulink, chất lượng điều khiển được đánh giá bằng mô phỏng với một số kịch bản khác nhau. Người học có thể sử dụng phương pháp trong bài giảng để thực hiện các nghiên cứu về xe điện nói riêng và các hệ thống có trao đổi năng lượng khác nói chung.