Design and Development of Three-Phase Two-Level Unidirectional Rectifiers for Electric Vehicle Chargers using Space Vector Pulse Width Modulation and a Voltage Oriented Controller

Abstract

The rapid increase in Electric Vehicles (EVs) has led to a significant increase in demand for high-performance fast-charging infrastructure. This highlights the necessity for developing high-efficiency rectifiers capable of maintaining Power Quality (PQ) compliance with international standards. The main objective of this study is to design and develop Three-Phase, Two-Level, Unidirectional Rectifiers (3P-2L-URs) in Wye, Delta, and Bridge topologies for application in 800 VDC EV fast-charging systems. The proposed approach integrates Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) with a decoupled controller based on voltage-oriented control to enhance the input PQ and assess the output performance. The command signals for the three-phase-leg power switches of each rectifier topology are derived mathematically from a five-segment switching sequence analysis, resulting in reduced switching losses. The simulation results from MATLAB/Simulink show that all three proposed rectifier topologies meet the requirements of IEEE 519 and IEC 61000-3. They all have sinusoidal input currents with Total Harmonic Distortion (THD) below 5% and Power Factors (PF) above 99.90%. The Three-Phase, Two-Level, Wye-type, Unidirectional Rectifier (3P-2L-Wye-UR) is the best of the topologies tested. It has lower voltage and current ripples, which means it works better. Therefore, it can be considered a highly efficient and reliable solution for use in high-power EV fast-charging applications.

การเติบโตอย่างรวดเร็วของจำนวนรถยนต์ไฟฟ้าในปัจจุบัน ส่งผลให้ความต้องการด้านโครงสร้างพื้นฐานสำหรับการชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าแบบชาร์จเร็วเพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเน้นย้ำถึงความจำเป็นในการพัฒนาตัวเรียงกระแสที่มีประสิทธิภาพสูงและสามารถควบคุมคุณภาพกำลังไฟฟ้าให้เป็นไปตามมาตรฐานได้ งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อออกแบบและพัฒนาตัวเรียงกระแสสามเฟสสองระดับชนิดทิศทางเดียวแบบวาย แบบเดลต้า และแบบบริดจ์ เพื่อทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์ชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าที่ระดับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง 800 โวลต์ โดยวิธีการที่นำเสนอจะอาศัยวิธีการมอดูเลตความกว้างพัลส์เชิงสเปซเวกเตอร์ร่วมกับตัวควบคุมแบบแยกร่วมบนฐานการควบคุมแบบจัดปรับแรงดันเพื่อควบคุมคุณภาพกำลังไฟฟ้าด้านอินพุตตลอดจนสมรรถนะด้านเอาต์พุตของตัวเรียงกระแสที่นำเสนอทั้งสามแบบ ทั้งนี้สัญญาณควบคุมการทำงานของสวิตช์กำลังทั้งสามกิ่งเฟสสำหรับตัวเรียงกระแสแต่ละแบบจะออกแบบและสร้างขึ้นจากสมการทางคณิตศาสตร์ที่ได้จากการวิเคราะห์ผลการเรียงลำดับการสวิตช์แบบห้าส่วน ซึ่งจะส่งผลให้การสูญเสียกำลังจากการสวิตช์มีค่าลดลง ผลการทดสอบด้วยการจำลองในโปรแกรม MATLAB/Simulink แสดงให้เห็นว่าการทำงานของตัวเรียงกระแสที่นำเสนอทั้งสามรูปแบบสามารถควบคุมคุณภาพกำลังไฟฟ้าด้านอินพุตให้เป็นไปตามมาตรฐาน IEEE 519 และ IEC 61000-3 ได้ ด้วยกระแสอินพุตที่มีลักษณะเป็นคลื่นซายน์โดยมีค่าความเพี้ยนเชิงฮาร์มอนิกรวมต่ำกว่า 5 เปอร์เซ็นต์ และค่าตัวประกอบกำลังสูงกว่า 99.90 เปอร์เซ็นต์ อย่างไรก็ตาม หากเทียบกันแล้วพบว่าตัวเรียงกระแสสามเฟสสองระดับชนิดทิศทางเดียวแบบวายมีความโดดเด่นที่สุด เนื่องจากมีค่าแรงดันพลิ้วและกระแสพลิ้วที่ต่ำกว่าส่งผลให้ตัวเรียงกระแสสามเฟสแบบนี้ถือเป็นตัวเลือกที่มีสมรรถนะสูงสำหรับทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์ชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าแบบชาร์จเร็วที่มีประสิทธิภาพ