Topologias Controladores DC-DC Converter

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL SÍNTESIS DE PLANTAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

TOPOLOGIES AND CONTROL SCHEMES OF BIDIRECTIONAL DC-DC POWER CONVERTERS Christian Jorge Espín Camacho

Introducci ón

El estudio de los convertidores de potencia bidireccionales se ha convertido en un importante campo de investigación en electrónica de potencia. A diferencia de los convertidores unidireccionales convencionales, la potencia fluye en ambas direcciones en los convertidores bidireccionales. Como tales, estos convertidores son flexibles y se usan ampliamente en vehículos eléctricos (EV) o vehículos eléctricos híbridos (HEV), redes inteligentes, fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS), aplicaciones aeroespaciales y sistemas de energía renovable, como conjuntos fotovoltaicos (PV), celdas de combustible (FC) y turbinas eólicas. Al interactuar entre las fuentes de energía y los elementos de almacenamiento de energía, las configuraciones bidireccionales reducen el tamaño y mejoran la eficiencia y el rendimiento del sistema, ya que no es necesario usar dos convertidores individuales para el flujo de energía directa e inversa.

CLASIFICACION ES DE  Topologías no aisladas. TOPOLOGÍA DE  Topologías aisladas. CONVERTIDOR ES BIDIRECCIONAL ES DC-DC

Topologías no Básicamente, un convertidor bidireccional no aislado se realiza agregando aisladas

un diodo antiparalelo al interruptor (si aún no está incluido) y agregando un interruptor controlable a un diodo de la topología del convertidor unidireccional. Algunas de las configuraciones no aisladas se presentan en función de los convertidores básicos de CC-CC, como buck, boost, buck-boost, buck, etc. También hay algunas otras configuraciones que están diseñadas esencialmente en función de las técnicas de aumento de voltaje, como la conmutación condensador, multinivel intercalado, etc.

CONVERTIDO R BIDIRECCION AL DC-DC DERIVADO DE BUCK AND BOOST

𝑽𝑯 𝟏 = 𝑽𝑳 𝟏 − 𝑫

Características:

• Bajo número de elementos. • Discontinuidad de 𝐼𝑖𝑛 .

Aplicaciones:

• Sistemas Fotovoltaicos. • Fuentes de poder.

CONVERTIDO R BIDIRECCION AL DC-DC DERIVADO DE BUCK-BOOST

𝑽𝑯 −𝑫 = 𝑽𝑳 𝟏 − 𝑫

Características:

• Voltaje de salida negativo. • Capacidad de subir o bajar el voltaje.

Aplicaciones:

• Vehículos eléctricos.

CONVERTIDO R BIDIRECCION AL DC-DC DERIVADO DE CUK

𝑽𝑯 −𝑫 = 𝑽𝑳 𝟏 − 𝑫

Características:

• 𝐼𝑖𝑛 y 𝐼𝑜 continuos. • Eliminación de las ondas de 𝐼𝑖𝑛 al acoplar los inductores.

Aplicaciones:

• Sistemas de almacenamiento de batería.

CONVERTIDO R BIDIRECCION AL DC-DC DERIVADO DE SEPIC Y ZETA

𝑽𝑯 𝑫 = 𝑽𝑳 𝟏 − 𝑫

Características:

• Voltaje de salida positivo. • Reduce de las ondas de corriente usando un ramal auxiliar.

Aplicaciones:

• Sistemas de energía distribuido.

CONVERTIDO R BIDIRECCION AL DC-DC EN CASCADA

𝑽𝑯 𝟏 = 𝑽𝑳 𝟏 − 𝑫

Características:

• Ganancia de voltaje alto. • Baja current stress.

Aplicaciones:

• Vehículos eléctricos. • Smart Grid.

CONVERTIDO R BIDIRECCION AL DC-DC CON CAPACITOR CONMUTADO

𝑽𝑯 =𝟐 𝑽𝑳

Características:

• Bajo tamaño y peso. • Corriente de entrada continua.

Aplicaciones:

• Recursos energéticos distribuidos.

CONVERTIDO R BIDIRECCION AL DC-DC DE INTERVALO

𝑽𝑯 𝟏 = 𝑽𝑳 𝟏 − 𝑫

Características:

• Se requiere un filtro para las EMI más pequeño. • Onda de corriente de baja frecuencia de conmutación.

Aplicaciones:

• Aplicaciones de alta potencia. • Almacenamiento distribuido de energía.

CONVERTIDO R BIDIRECCION AL DC-DC MULTINIVEL

𝑽𝑯 =𝟑 𝑽𝑳

Características:

• Bajo tamaño y peso. • Equilibrio de auto voltaje.

Aplicaciones:

• Arquitectura de automotrices).

doble

voltaje

(Sistemas

Topologías aisladas El aislamiento galvánico es uno de los métodos prometedores para lograr una capacidad de aumento de alta ganancia al agregar un grado adicional de libertad a la ganancia del convertidor, es decir, la relación de giro de los devanados, y hacerlo adecuado para las aplicaciones con requisitos de amplio rango de entrada voltaje y regulación de carga. Además de proporcionar una relación de ganancia de alto voltaje, el aislamiento proporcionará más beneficios, como la posibilidad de realizar topologías de múltiples entradas o múltiples salidas y proporcionar aislamiento entre el lado de entrada y salida para las cargas sensibles que son vulnerables a fallas y ruido y la seguridad es una preocupación importante en ellos. Los convertidores bidireccionales aislados son buenas opciones para aplicaciones como aviones, vehículos eléctricos, fuentes de energía renovables, etc.

CONVERTIDO R BIDIRECCION AL DC-DC FLYBACK

𝑽𝑯 𝑵𝑫 = 𝑽𝑳 𝟏 − 𝑫

Características:

• Es la topología más básica de un conversor dcdc aislado. • Discontinuidad de 𝐼𝑖𝑛 .

Aplicaciones:

• Fuente de poder ininterrumpible. • Aplicación de potencia baja-media

CONVERTIDO R BIDIRECCION AL DC-DC CUK

𝑽𝑯 𝑵𝑫 = 𝑽𝑳 𝟏 − 𝑫

Características:

• 𝐼𝑖𝑛 /𝐼𝑜 continuos. • Eliminación de ondulaciones de 𝐼𝑖𝑛 /𝐼𝑜 inductores acoplados de entrada / salida.

Aplicaciones:

• Aplicación para potencias bajas. • Sistemas Fotovoltaicos.

por

CONVERTIDO R BIDIRECCION AL DC-DC PUSH-PULL

𝑽𝑯 = 𝑵𝑫 𝑽𝑳

Características:

• 𝐼𝑜 continuo. • No. De bobinas mayor a 2.

Aplicaciones:

• Aplicación para potencia media 2𝜑 • Aplicación para alta potencia 3𝜑 .

.

CONVERTIDO R BIDIRECCION AL DC-DC FORWARD

𝑽𝑯 = 𝑵𝑫 𝑽𝑳

Características:

• 𝐼𝑜 continuo. • Relación de trabajo (D) limitada. • Aplicaciones de menor nivel de potencia.

Aplicaciones:

• Aplicación para potencia baja-media.

CONVERTIDO R BIDIRECCION AL DC-DC DUAL DE PUENTE ACTIVO (DAB)

Características: •

𝑽𝑯 𝑽𝑳

varía con el esquema de control.

• Es la topología mas popular. • Adecuado para aplicaciones de alta potencia / voltaje.

Aplicaciones:

• Aplicaciones automotrices.

CONVERTIDO R BIDIRECCION AL DC-DC DUAL DE MEDIO PUENTE

Características: •

𝑽𝑯 𝑽𝑳

varía con el esquema de control.

• Menor número de semiconductores. • Adecuado para aplicaciones de baja potencia que DAB.

Aplicaciones:

• Automotores. • Pila de combustible.

CONVERTIDO R BIDIRECCION AL DC-DC DE PUENTE MEDIO COMPLETO

Características: •

𝑽𝑯 𝑽𝑳

varía con el esquema de control.

• Apto para sistemas UPS. • Adecuado para la integración del convertidor buck-boost de dos interruptores.

Aplicaciones:

• Fuente de poder ininterrumpible. • Vehículos eléctricos.

CONVERTIDO R BIDIRECCION AL DC-DC MULTIPUERTO DAB

Características: •

𝑽𝑯 𝑽𝑳

varía con el esquema de control.

• Varias incorporaciones de entrada. • Flujo de potencia desacoplado.

Aplicaciones:

• Sistema de generación de múltiples fuentes sostenibles.

ESTRATEGIAS GENERALES DE CONTROL UTILIZADAS EN  Esquemas de Control. CONVERTIDOR  Estrategias de ES DC-DC Conmutación. BIDIRECCIONAL ES NO AISLADOS Y

Esquemas de Elegir un esquema de control adecuado para convertidores bidireccionales Control depende de las topologías y los problemas de control que ocurren en aplicaciones reales. Para aplicaciones que no requieren aislamiento, las configuraciones no aisladas pueden ser menos costosas y menos complejas al proporcionar una implementación sin transformador. Sin embargo, para aplicaciones de alta potencia, cuando se requiere aislamiento entre fuentes y carga, las topologías aisladas brindan ventajas, como aislamiento eléctrico, alta confiabilidad, fácil realización del control de conmutación por software, flujo de energía bidireccional y protección del equipo y los operadores por razones de seguridad. Estas ventajas provienen del uso de transformadores que generalmente funcionan a altas frecuencias. Además de la selección de topología para convertidores DC-DC bidireccionales, se requiere una estrategia de alta eficiencia y control unificado para estos convertidores.

CONTROLAD OR PID

Problemas de Control

Beneficios

 Controlando el  Bajo Costo. flujo de energía.  Alta  Darse cuenta del fiabilidad. modo de  Alto operación. rendimiento  Minimizando el dinámico. tiempo de cambio entre dos direcciones  Reducción del tiempo muerto de los interruptores.

Limitaciones

Aplicaciones sugeridas

 Baja eficiencia.  Smart Grid  Falta de robustez Systems. en presencia de  Vehículos perturbación e Eléctricos. incertidumbre.  Aplicaciones  Debilidad para satelitales. evitar grandes transitorios entre direcciones.

CONTROLAD OR MODO DESLIZANTE

Problemas de Control

Beneficios

Limitaciones

Aplicaciones sugeridas

 Considerando  Seguimiento de  Se necesitan  Control de motor perturbaciones referencia. parámetros DC. externas en  Respuesta rápida precisos e  Redes de CC señal grande. y en tiempo finito. información independientes y  Manejo de  Robustez frente a de estado. microrred de CC. variaciones la variación de  Aplicaciones de severas en parámetros y almacenamiento carga y línea. perturbaciones de energía. externas.  Aplicaciones de  Capacidad para vehículos caracterizar el eléctricos híbridos. sistema en condiciones de señal pequeña y

CONTROLAD OR DE EVOLUCIÓN DINÁMICA

Problemas de Control

Beneficios

Limitaciones

Aplicaciones sugeridas

 Minimizando la  Seguimiento  El cálculo del  Interfaz de caída de voltaje de referencia. ciclo de trabajo almacenamiento incluso después  Alto tiene un de energía de un cambio rendimiento. componente de ultracondensador instantáneo en la  No es división, lo que al sistema de pila corriente de necesario un dificulta su de combustible. carga. conocimiento implementación preciso de los en forma de parámetros circuito del modelo. analógico.  Capaz de compensar la variación.

CONTROLAD OR PREDICTIVO

Problemas de Control

Beneficios

Limitaciones

Aplicaciones sugeridas

 Controlando el  Respuesta  Limitado al uso  Sistema de energía flujo de energía. dinámica de un modelo distribuida DC.  Regulando el rápida. lineal del  Aplicación de voltaje DC y la  Seguimiento convertidor batería. corriente. de referencia. dentro del  Tren motriz  Implementaci algoritmo. híbrido en tranvía. ón simple gracias a potentes microprocesa dores.

CONTROLAD OR FUZZY

Problemas de Control

Beneficios

Limitaciones

 Minimizando el  Respuesta  Sensible al consumo de rápida. conocimiento energía de la red.  Respuesta experto  Alcanzar un robusta debido (ANFIS reduce rendimiento a su el error suave del característica experto). supercondensado adaptativa. r en carga /  Aplicabilidad a descarga. sistemas no  Minimizando el lineales e tiempo de inexactos con control. variación incierta de

Aplicaciones sugeridas  Sistema de iluminación fotovoltaico.  Almacenamiento de energía.  Elevador motorizado.  Energía de frenado  Sistemas híbridos de energía eléctrica con celdas de combustible.

Problemas de Control

CONTROLAD OR DIGITAL

 Logrando el cambio de valle en el convertidor de retorno.  Modelado preciso de señal pequeña de DAB.  Cambiar las direcciones del flujo de energía sin problemas con la protección contra la corriente de entrada de arranque.  Mejora de la velocidad de respuesta transitoria.

Beneficios

Limitaciones

Aplicaciones sugeridas

 Reduce las pérdidas de  Difícil de  Conducción de conmutación capacitiva implementar la un actuador sin detectar el lado de configuración incremental alta tensión. electrónica de la capacitivo.  Alta inmunidad EMI. ley de control no  Sistemas de  Mejora la eficiencia y la lineal. almacenamiento velocidad de carga /  Requerir un gran de energía. descarga. esfuerzo de  Vehículo eléctrico  Mayor flexibilidad que procesamiento híbrido. la electrónica analógica. analógico / digital  Sistema de  Monitoreo de fallas. (el control de la distribución DC.  Facilidad de uso. superficie ráster  Administración  Fiabilidad mejorada. puede ayudar a de energía.  Estabilidad en el resolver este controlador adaptativo problema). digital híbrido en todas las condiciones de funcionamiento y perturbaciones

Problemas de Control

CONTROLAD OR DE LÍMITES

Beneficios

Limitaciones

Aplicaciones sugeridas

 Tiempo de  Estabilidad  Dinámica transitoria  Conversores DC-DC respuesta global no optimizada. Buck and Boost. transitoria óptima.  Buena  El control óptimo de  Superficie de operación de tiempo ideal es conmutación sin señal grande. sensible a las detección de  Dinámica rápida variaciones de corriente. parámetros y la  Diseñar una precisión del modelo superficie de (el control de tiempo conmutación óptimo cercano normalizada para puede ayudar a cualquier resolver este convertidor boost. problema).  Gran rendimiento de la señal (la conmutación de segundo orden puede resolver este problema).  La detección actual en el diseño de la superficie de conmutación conduce a una

Estrategias de Conmutación

Problemas de Control  Considerando diferentes modos de operación del convertidor. Beneficios

PULSE WIDTH MODULATIO N (PWM)

 Facil de implementar. Limitaciones  Mal desempeño dinámico.  Limitación en la regulación del rango de voltaje. Aplicaciones sugeridas

 Aplicaciones de alta potencia.  Generador de inducción rural.  Accionamiento de la máquina.

Problemas de Control  Controlando el flujo de energía.  Minimizando la pérdida de potencia de circulación causada por la corriente de circulación.  Maximizando la potencia derivada del convertidor multipuerto. Beneficios

SINGLE PHASE SHIFT (SPS)

     

Alto rendimiento dinámico. Fácil de usar. Control de conmutación suave. Pequeña inercia. Lograr un control unificado. Capacidad ZVS. Limitaciones

Poder de reflujo. Baja eficiencia sobre ancho. No es efectivo en una amplia variación de voltaje. Falta de flexibilidad en la regulación de potencia. Falta de realización de ZVS en un amplio rango de carga. Rango de operación ZVS limitado y tensión de corriente alta en relación de conversión de voltaje no unitaria.  Alta corriente circulante y pérdida de conducción en magnitudes no coincidentes de voltajes de entrada / salida.  Alta corriente RMS del inductor y conmutación dura en cargas ligeras.  Trae estrés adicional durante la operación en estado estacionario. Aplicaciones sugeridas      

 Gestión de energía de vehículos eléctricos híbridos.  Vehículo de pila de combustible.  Aplicación fotovoltaica en un sistema de distribución de CC.

Problemas de Control        

PWM + SPS

Minimizando el tamaño o el peso. Reducción de la interrupción de EMI. Tensión coincidente en dos lados de la tensión del convertidor en todas las situaciones. Elegir el ciclo de trabajo adecuado y el valor de cambio de fase correspondiente. Eliminando el hollín de los brazos del puente. Poner a cero la velocidad de respuesta de la corriente de inductancia de fuga. La reducción de la corriente máxima en el transformador aislado causa pérdida del núcleo. Reducción de picos de alto voltaje y altas pérdidas de conducción de circulación en interruptores alimentados por corriente.

Beneficios       

Reduce la corriente circulante. Reduce la current stress. Reduce las pérdidas de conducción. Expande la gama ZVS. Mejora la eficiencia. Mejora la fiabilidad. Mejora la flexibilidad debido a la posibilidad de conmutación suave. Limitaciones

 Restringe los voltajes de entrada y salida a formas de onda cuadradas con una relación de trabajo del 50% que conduce a una alta corriente y potencia reactiva.

Aplicaciones sugeridas     

Aplicaciones de baja potencia y alta potencia. Aviones eléctricos. Aplicaciones de alto voltaje. Sistemas de almacenamiento de energía. Batería fotovoltaica.

Problemas de Control     

Disminución de la potencia de reflujo. Mejora del rendimiento dinámico. Eliminando la potencia reactiva. Optimización de la eficiencia en todo el rango de carga. Predecir la potencia disipada para cada componente de potencia. Beneficios

DUAL PHASE SHIFT (DPS)

 Disminuye la corriente pico.  Minimiza la pérdida de conducción.  Aumenta la capacidad de potencia.  Mejora la eficiencia.  Limita la alta corriente de entrada en el proceso de arranque. En comparación con SPS, tiene:  Rango de transmisión de potencia más amplio.  Más transferencia de potencia.  Mejor flexibilidad reguladora.  Mejor rendimiento dinámico y estático.  Mejor compensación del efecto de banda muerta. Limitaciones  Tiene modos de funcionamiento subóptimos.  Difícil de encontrar eficiencia global óptima.

Aplicaciones sugeridas  Distribución de energía de micro red.  En situaciones de relación de conversión de alto voltaje y carga ligera.  Aplicación de conversión de energía.

Problemas de Control

   

Reduciendo la current stress. Teniendo en cuenta todos los modos de funcionamiento. Análisis de estabilidad bajo posibles cambios de parámetros arbitrarios. Ampliar el rango de operación de conmutación suave. Beneficios

TRIPLE PHASE SHIFT (TPS)

 Mejora el rendimiento al mejorar la gama ZVS.  Reduce las pérdidas generales al introducir una variable de control adicional.  Más flexible que SPS y DPS, debido a la existencia de tres grados de libertad.

Limitaciones  No se encontró una solución de forma cerrada para lograr el parámetro de control óptimo en un nivel de potencia medio. Aplicaciones sugeridas  Sistemas de almacenamiento de batería.  Aplicación de carga rápida.  Transformador de tracción en locomotora de ferrocarril eléctrico.