Control para minimizar las pérdidas en convertidores CC-CC con puentes duales activos

Abstract

Esta tesis versa respecto a convertidores CC-CC bidireccionales, reductoreselevadores de tensión, que tienen por objetivo controlar el flujo de potencia entre dos fuentes de tensión, con el mayor rendimiento posible. Inicialmente se presenta una revisión de los principales temas tratados en la Tesis, incluyendo un análisis comparativo de diferentes topologías de convertidores CC-CC. Como resultado de este análisis se concluye que el convertidor CC-CC con Puentes Duales Activos (CPDA) es la topología más adecuada para cumplir con los objetivos planteados. Se realiza un análisis del funcionamiento de la topología seleccionada y se determinan las pérdidas del convertidor, considerando las originadas en las llaves de potencia y en el transformador de alta frecuencia. Se evalúan las pérdidas en función de los parámetros de operación y diseño del convertidor. Con el objetivo de reducir las pérdidas de conmutación de las llaves se propone operar al convertidor con conmutación suave, para lo cual se estudian sus regiones de operación. Se presentan los resultados del cálculo de las pérdidas, dentro y fuera de la región de conmutación suave. Se propone una estrategia de control que permite minimizar las pérdidas del sistema, extendiendo el rango de operación con conmutación suave. Esta estrategia no requiere de componentes adicionales, produciendo un bajo costo de implementación y computacional. Con el fin de validar los análisis desarrollados se presentan resultados de simulación y experimentales. Los resultados de simulación permiten verificar que las regiones de conmutación suave se corresponden con las obtenidas en el análisis. Por otra parte, los resultados experimentales permiten determinar el rendimiento de todo el sistema bajo diferentes condiciones de operación, en coincidencia con los resultados esperados.

The objective of this thesis is the study of bidirectional step-up and step-down DC-DC converters, which control the power flow between two DC voltage sources. The main target is to maximize the efficiency of the converter while obtaining an adequate performance. This work begins with a comparative analysis of different bidirectional DC-DC converter topologies in order to select the most appropriate to achieve the proposed objectives. The selected topology is the Dual Active Bridge (DAB) DC-DC converter. Once the right topology is chosen, its performance is analyzed and the losses are calculated considering those from the power switches and the high-frequency transformer. The losses are expressed as a function of the operating and design parameters of an experimental prototype. With the purpose of reducing the switching losses, a soft switching mode of operation is proposed. The operation regions of the converter under soft- and hardswitching are thoroughly studied. A comparison is done and values of the losses inside and outside of the soft switching region are given. A control strategy that allows minimizing the total power losses, extending the region under the soft-switching operating mode is proposed in the present work. This strategy does not require additional components, which leads to a low-cost implementation and light computational requirements. Simulation and experimental operation results of the proposed converter are given to validate the analytical work. As expected, the simulation results verify that the soft switching regions correspond to those obtained analytically. Furthermore, the efficiency of the whole system under different operation conditions was determined experimentally, showing an excellent matching with the analytical work.