Syftet med detta examensarbete var att designa en DC/DC-omvandlare så att den kan driva en 200 W LED-panel med hög effektförbrukning. Arbetet har utförs på uppdrag av INDUSEC AB, ett företag i skerhetsbranschen. DC/DC-omvandlaren kommer att utgöra en del av en produkt i företagets sortiment som de planerar att sälja på den internationella marknaden. Arbetet har realiserats på företaget samt vid Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm. Uppsatsen är en dokumentation över processen och resultatet av arbetet med att designa DC/DC-omvandlaren. I syfte att ge läsaren en djupare förståelse för innehållet i denna text inleds uppsatsen med en teoretisk förklaring till några grundläggande principer för DC/DC-omvandlare följt av teori kring de komponenter som används i arbetet. Dokumentet innehåller två viktiga delar som utgör huvuddelen av arbetet; beräkningen av värdena för komponenterna samt kretsarnas simulering. Resultatet av de gjorda simuleringarna analyseras och utifrån det designas kretsen. Beräkningen av värdena för komponenterna samt kretsarnas simulering jämförs och diskuteras för att få en bättre förståelse för problematiken kring att designa en slutlig krets som uppfyller de ställda kraven. Uppsatsen avslutas med en slutsats och förslag för det fortsatta arbetet. / This report has the main purpose to design and dimensioning a part of a product to be finished, the product will be built by INDUSEC AB with plans to be sold in the international market. The part that we are going to design is a DC/DC converter that powers a Led array platform with high power consumption. The work is performed at the company facilities and at the Royal Institute of Technology in Stockholm. The document is started with a theoretical explanation of some fundamentals about basic DC/DC converters followed by a bit of theory about some components in order to provide a deeper understanding to the reader of this text. The report includes two important parts that are fundamental to the project; the calculation of the values of the components and the circuit simulation. The circuit design will be based on simulation results. The results from both parts are compared and discussed to get a better understanding about the difference between the calculated values and the final circuit. We summarized the document with a conclusion and some suggestions for further work.

The perceived battery capacity of battery-powered devices can be increased by harvesting energy from readily available sources. Third generation solar cells are a good candidate for this purpose since they can be integrated with these battery-powered devices and harvest power from diffused light. For a single third generation solar cell to be useful in the context of charging a Lithium based battery, the voltage must be increased tenfold. To increase this perceived battery capacity as much as possible, efficiency is crucial. In this thesis, DCDC converter topologies and designs are studied from a system design perspective. The specifications of a converter suitable for interfacing Dye-Sensitised Solar Cells with Lithium batteries are described and a market research is conducted based on those specifications. A comparison of the available commercial solutions is presented, highlighting the most suitable options. However, none of the commercial solutions met the specifications to the full extent. The design process of two DC-DC converters is presented, one is a Boost converter operating in Continuous Conduction Mode and the other is a Boost converter operating in Discontinuous Conduction Mode. A comparison of the two designs highlights the advantages of operating the Boost converter in Discontinuous Conduction Mode when interfaced with a Dye-Sensitised Solar Cell. The design with a Boost converter operating in Discontinuous Conduction Mode has an efficiency of 80.3 % and is capable of tracking the Maximum Power Point of the Dye-Sensitised Solar Cell. / Den uppfattade batterikapaciteten hos batteridrivna enheter kan ökas genom att skörda energi från lättillgängliga källor. Tredje generationens solceller är en bra kandidat för detta ändamål eftersom de kan integreras med dessa batteridrivna enheter och skörda ström från spritt ljus. För att en enda tredje generationens solcell ska vara användbar i samband med laddning av ett litiumbaserat batteri måste spänningen ökas tiofaldigt. För att öka denna uppfattade batterikapacitet så mycket som möjligt är effektiviteten avgörande. I denna avhandling studeras topologier och strategier för DC-DC-omvandlare från ett systemdesignperspektiv. Specifikationerna för en omvandlare som är lämplig för att ansluta Dye-sensitized solceller med litiumbatterier beskrivs och en marknadsundersökning utförs utifrån dessa specifikationer. En jämförelse av de tillgängliga kommersiella lösningarna presenteras och belyser de lämpligaste alternativen. Ingen av de kommersiella lösningarna uppfyllde emellertid specifikationerna i sin helhet. Designprocessen för två DC-DComvandlare presenteras, en Boost-omvandlare som arbetar i kontinuerligt ledande läge och en Boost-omvandlare som arbetar i diskontinuerligt ledande läge. En jämförelse av de två designerna belyser fördelarna med att driva Boost-omvandlaren i diskontinuerligt ledningsläge när den kopplats till en färgkänslig solcell. Konstruktionen med en Boostomvandlare som arbetar i diskontinuerlig ledningsläge har en effektivitet på 80.3 % och kan spåra den maximala effektpunkten för solcellen.

För sammankoppling av multi-terminala HVDC-system med punkt-till-punkt kopplingar ärDC-DC-omvandlaren den enda möjliga sammankopplingen. Därför genomgår problemenmed spänningsmatchning och likspänningsströmbegränsning i högspännings DC-systemomfattande forskning samt ligger i fokus för denna avhandling. Först analyseras toppmodernatopologier för högspännings DC-DC-omvandlare som används för samtrafik av flera terminalaHVDC-system. De analyserade topologierna jämförs sedan baserat på dess olika funktioner.Topologin för en konventionell icke-isolerad DC-DC-omvandlare analyseras när det gäller design,kostnad, storlek, förlust och effektstyrningskapacitet. Först skapas en matematisk modell ochsedan utförs en numerisk analys för olika arbetsområden. Därefter görs en jämförelse av entvåfas-icke-isolerad DC-omvandlare baserad på energilagring, maximal likströmsöverföring ochtotala förluster. Simulering utförs av en tvåfas och en trefas icke-isolerad DC-omvandlare iPSCAD med olika typer av styrenheter. Dessutom tas en isolerad omvandlartopologi och analyserasi detalj från matematisk modellering till validering med hjälp av simuleringsresultat.Olika typer av felanalyser för både isolerad och icke-isolerad omvandlartopologi görs. Slutligenutförs även analyser av DC-felet i olika möjliga anslutningar av omvandlaren i Multi-TerminalGrid, dvs Monopole, Bipole med både symmetriska och asymmetriska konfigurationer. / For interconnection of multi-terminal HVDC systems involving point-to-point links, aDC-DC converter is the only possible way to interconnect. Therefore, the issues of voltagematching and DC fault current limiting in high voltage DC systems are undergoing extensiveresearch and are the focus of this thesis. Starting with analyzing the state of the art highvoltage DC-DC converter topologies for interconnection of multi-terminal HVDC systems andbenchmarking each converter topology based on different functionalities. A basic non-isolatedDC-DC converter topology is analyzed in terms of design, cost, sizing, losses and power controlcapability. First, starting with the mathematical modeling and then the numerical analysis isdone for different operating regions. Next, it is compared with the two-phase non-isolated DCconverter based on energy storage, maximum DC power transfer, and total losses. Simulation oftwo-phase and three-phase non-isolated DC converter is done in PSCAD incorporating differenttypes of controllers. Then, an isolated converter topology is taken and analyzed in detail startingfrom mathematical modeling to validation using simulation results. Different types of faultsanalysis for both isolated and non-isolated converter topology is done. Finally, analyzing the DCfault in different possible connection of the converter in the multi-terminal grid, i.e. monopole,bipole in both symmetric and asymmetric configurations.

Energy harvesting is identified as an alternative solution for powering implantable biosensors. It can potentially enable the development of self-powered implants if the harvested energy is properly handled. This development implies that batteries, which impose many limitations, are replaced by miniature harvesting devices. Customized interface circuits are necessary to correct for differences in the voltage and power levels provided by harvesting devices from one side, and required by biosensor circuits from another. This thesis investigates the available harvesting sources within the human body, proposes various methods and techniques for designing power-efficient interfaces, and presents two CMOS implementations of such interfaces. Based on the investigation of suitable sources, this thesis focuses on glucose biofuel cells and thermoelectric harvesters, which provide appropriate performance in terms of power density and lifetime. In order to maximize the efficiency of the power transfer, this thesis undertakes the following steps. First, it performs a detailed analysis of all potential losses within the converter. Second, in relation to the performed analysis, it proposes a design methodology that aims to minimize the sum of losses and the power consumption of the control circuit. Finally, it presents multiple design techniques to further improve the overall efficiency. The combination of the proposed methods and techniques are validated by two highly efficient energy harvesting interfaces. The first implementation, a thermoelectric energy harvesting interface, is based on a single-inductor dual-output boost converter. The measurement results show that it achieves a peak efficiency of 86.6% at 30 μW. The second implementation combines the energy from two sources, glucose biofuel cell and thermoelectric harvester, to accomplish reliable multi-source harvesting. The measurements show that it achieves a peak efficiency of 89.5% when the combined input power is 66 μW. / Energiskörd har identifierats som en alternativ lösning för att driva inplanterbara biosensorer. Det kan potentiellt möjliggöra utveckling av själv-drivna inplanterbara biosensorer. Denna utveckling innebär att batterier, som sätter många begränsningar, ersätts av miniatyriserade energiskördsenheter. Anpassade gränssnittskretsar är nödvändiga för att korrigera för de skillnader i spänning och effektnivå som produceras av de energialstrande enheterna, och de som krävs av biosensorkretsarna. Denna avhandling undersöker de tillgängliga källorna för energiskörd i den mänskliga kroppen, föreslår olika metoder och tekniker för att utforma effektsnåla gränssnitt och presenterar två CMOS-implementeringar av sådana gränssnitt. Baserat på undersökningen av lämpliga energiskördskällor, fokuserar denna avhandling på glukosbiobränsleceller och termoelektriska energiskördare, som har lämpliga prestanda i termer av effektdensitet och livstid. För att maximera effektiviteten hos effektöverföringen innehåller denna avhandling följande steg. Först görs en detaljerad analys av alla potentiella förluster inom boost-omvandlare. Sedan föreslår denna avhandling en designmetodik som syftar till att maximera den totala effektiviteten och effektförbrukningen. Slutligen presenterar den flera designtekniker för att ytterligare förbättra den totala effektiviteten. Kombinationen av de föreslagna metoderna och teknikerna är varierade genom två högeffektiva lågeffekts energigränssnittskretsar. Den första inplementeringen är ett termoelektriskt energiskördsgränssnitt baserat på en induktor, med dubbla utgångsomvandlare. Mätresultaten visar att omvandlaren uppnår en maximal effektivitet av 86.6% vid 30 μW. Det andra genomförandet kombinerar energin från två källor, en glukosbiobränslecell och en termoskördare, för att åstadkomma en tillförlitlig multi-källas energiskördslösning. Mätresultaten visar att omvandlaren uppnår en maximal effektivitet av 89.5% när den kombinerade ineffekten är 66 μW. / <p>QC 20170508</p> / Mi-SoC

With the increase of electric vehicles (EVs) on the roads the availability of charging infrastructure becomes more important. Today it is relatively straightforward to install fast chargers in areas with strong power grid connections, such as in urban areas. However, in areas with less available electrical power, the grid is considered to be a weak grid, typically in remote areas, which limits charging speeds. Local peak shaving can be implemented with battery energy storage systems (BESS) to support faster charging at these locations by increasing available power when needed. As the majority of the power is supplied by the BESS there are noticeable conversion losses when converting from the BESS DC voltage to AC in the grid and then back to DC through the fast charger. This thesis investigates DC/DC converters to charge EVs directly from a BESS DC bus by regulating the voltage to the level of the EV, while also supporting safe simultaneous charging capability. It was done through understanding relevant standards’ requirements, converter review, as well as design and simulation of the interesting topologies. The converters selected to simulate were the Buck-Boost and the Dual-Active Bridge (DAB). After analysing the efficiency result in combination with industry requirements, it was concluded that one DAB per output is the preferred option in most use cases. This would potentially also reduce the material usage and carbon footprint of this type of infrastructure compared to the current solution. Furthermore, some suggestions were made for improving the design of DAB converter before making a prototype for real testing. / Denna avhandling har undersökt hur en snabbladdares effektelektronik för en mobil batterienergilagringssystem kan designas för att ladda två elbilar samtidigt. För att göra detta har systemkrav från relevanta standarder sammanställts och olika snabbladdares kapacitet undersökts. Därefter har olika DC/DC-omvandlare identifierats i ändamål att välja ut de mest lämpade för att uppfylla funktionen. De utvalda omvandlarna designades iterativt och simulerades med i verktyget PLECS för att kunna jämföra hur vardera omvandlare presterade under olika scenarior och med olika transistorer. Resultat och slutsatser från detta arbete är att galvanisk isolering krävs mellan de två elbilarna samt att två Dual-Active Bridge (DAB) omvandlare är den mest lämpade utifrån effektivitet, kapacitet och materialanvänding. Det finns även flera områden att fortsätta arbetet på för att förbättra designen och testa med en prototyp.