Convertidor DC/DC bidireccional resonante serie para aplicaciones en sistemas de acumulación de energía

Resumen

Un convertidor de potencia es el encargado de adaptar a los niveles de tensión y corriente de la carga y del elemento acumulador de energía mientras la energía se transfiere en ambos sentidos. El tipo de convertidor a diseñar depende de las características de las señales eléctricas del acumulador y de la carga que se quiera alimentar. Así, la energía eléctrica puede ser transformada en diversas formas: AC/AC, AC/DC, DC/AC, DC/DC. La transformación de la energía también puede llevarse a cabo en sucesivas etapas AC/DC/AC, DC/AC/DC. Actualmente, son especialmente relevantes las aplicaciones que requieren una conversión DC/AC y DC/DC debido al auge de los sistema de acumulación a base de baterías, supercondensadores, etc. El presente trabajo analiza únicamente los convertidores DC/DC bidireccionales. Estos permiten cargar y descargar los sistemas de acumulación. Existen en la bibliografía varias topologías para realizar esta función cada una con diferentes características. En este trabajo se analizan dos tipos de convertidores, el half-bridge y el convertidor resonante serie. El objetivo principal del presente trabajo de investigación ha consistido en brindar metodologías de diseño para ambas topologías. Para la primera topología analizan las pérdidas del convertidor desde el diseño con el objetivo de seleccionar la frecuencia de trabajo para minimizar las pérdidas de potencia. Además se analiza la posibilidad de conexión en cascada de este tipo de convertidor para aumentar la ganancia de tensión del sistema. La segunda topología es del tipo ¿conmutado suave¿, lo que implica que presenta bajas pérdidas de potencia debidas a la conmutación de los semiconductores. Se propone una alternativa novedosa para poder aplicar efectivamente la topología de convertidor resonante serie a la transferencia de energía entre un banco de baterías (o supercondensadores) y una carga a tensión constante. Tradicionalmente, el convertidor resonante serie no presenta una ganancia de tensión mayor que uno (sin considerar la relación de vueltas del transformador), por este motivo no es válido para un sistema bidireccional con una entrada variable en cierto rango. El trabajo de investigación propone un método de control que logra una ganancia de tensión máxima igual a dos. De esta manera permite la transferencia de energía en ambas direcciones para el caso donde un puerto tenga tensión constante y el otro varíe en un rango de tensiones. Para lograr esto, el convertidor trabaja en modo discontinuó. Se introduce el concepto de estado de trabajo. El circuito trabaja en diferentes estados, donde en cada estado los switches semiconductores no pueden modificarse. Los estados tradicionales son de ¿transferencia¿, es decir trasfieren energía desde un puerto al otro. Sin embargo, se introduce un nuevo estado llamado de acumulación. Este es el que permite el incremento de la ganancia hasta dos. Una vez desarrollado estos conceptos, se presentan las expresiones de la transferencia de tensión y la metodología para el diseño de este tipo de convertidores. Más adelante se analizan las variaciones de la tensión de salida respecto a las variaciones de entrada y a la variable de control con el objetivo de obtener un modelo de estados que permita controlar el convertidor. Para finalizar, se validan los conceptos anteriores mediante simulaciones y un prototipo de 2000W de potencia de salida.