Nuove tecniche di modulazione per sistemi WPT

The objective of this thesis is the study and experimental validation of novel voltage modulation techniques for high-frequency inverters, with applications to Wireless Power Transfer (WPT), specifically in electric vehicle charging according to the SAE J2954 standard. The proposed approach is based on modulation strategies that exploit the second harmonic of the generated signal, thereby reducing the switching frequency to half of the resonant frequency. This aims to decrease inverter switching losses and enhance the overall system efficiency. Following a preliminary analysis of dissipative phenomena in MOSFETs and the characteristics of conventional Phase-Shift modulation, two new methodologies, referred to as Anti-phase and In-phase, were introduced. Their harmonic properties and optimal operating conditions were investigated. Subsequently, a comparative evaluation of the different strategies was carried out through Simulink modeling, estimating conduction, switching, and gate-drive losses, and assessing their impact on overall efficiency. The results demonstrate that the Anti-phase and In-phase techniques, although introducing higher harmonic distortion compared to Phase-Shift, enable a significant reduction in switching losses due to the lower operating frequency, with the potential to improve efficiency in high-power WPT systems.

L’obiettivo di questo lavoro di tesi è lo studio e la sperimentazione di nuove tecniche di modulazione della tensione per inverter ad alta frequenza, con applicazioni al trasferimento wireless di potenza (Wireless Power Transfer, WPT), in particolare nella ricarica dei veicoli elettrici secondo lo standard SAE J2954. L’approccio proposto consiste nell’impiegare strategie di modulazione basate sulla seconda armonica del segnale generato, riducendo la frequenza di switching a metà di quella di risonanza. In tal modo si mira a diminuire le perdite di commutazione dell'invertitore, migliorando l’efficienza complessiva del sistema. Dopo un’analisi preliminare dei fenomeni dissipativi nei MOSFET e delle caratteristiche della modulazione tradizionale Phase-shift, sono state introdotte due nuove metodologie, denominate Anti-phase e In-phase, analizzandone le proprietà armoniche e le condizioni di funzionamento ottimali. Successivamente, tramite modellazione in ambiente Simulink, è stata condotta una valutazione comparativa delle diverse strategie, stimando le perdite di conduzione, di switching e di pilotaggio, e analizzandone l’impatto sull’efficienza complessiva. I risultati ottenuti mostrano come le tecniche Anti-phase e In-phase, pur presentando una maggiore distorsione armonica rispetto al Phase-shift, consentano una significativa riduzione delle perdite di commutazione grazie alla minore frequenza operativa, con un potenziale incremento di efficienza nei sistemi WPT ad alta potenza.