Resumen de Contributions in the design and optimization of unregulated llc converters with high conversion ratio and high output current
Yann Emmanuel Bouvier Rescalvo
En las dos últimas décadas, el incrementado en la consciencia de los problemas globales del medio ambiente ha incrementado la necesidad de sistemas energéticamente eficientes y económicos, especialmente en el ámbito del transporte, que representa el 25% de las emisiones de CO2 en Europa. Para dar solución a estos problemas, nuevos convertidores electrónicos de potencia están siendo desarrollados con nuevas topologías, materiales y métodos de control para mejorar su rendimiento y densidad de potencia. La topología del convertidor serie resonante LLC, de creciente interés en el estado del arte, tiene un rendimiento alto, gracias al uso de conmutación suave de los transistores. Otro beneficio de la topología LLC es la integración magnética, concepto por el cual se pueden fusionar varios componentes magnéticos en uno solo. En el caso del convertidor LLC se pueden integrar las dos bobinas resonantes dentro del transformador, incrementando la densidad de potencia del convertidor.
Sin embargo, utilizando altas potencias y con las especificaciones restrictivas de los sistemas de transporte modernos, surgen nuevos desafíos en el diseño de estos convertidores. Esta tesis doctoral se centra en las contribuciones al diseño y optimización de convertidores LLC no regulados de alta relación de tensiones y alta corriente de salida.
En el capítulo 2, se da una visión de conjunto del estado del arte. Las topologías de convertidores CC/CC aislados son repasadas y brevemente comparadas entre ellas en el contexto de los convertidores de alta relación de tensiones y alta corriente de salida. A continuación, las topologías resonantes son introducidas, de las cuales el convertidor LLC surge como un buen candidato para aplicaciones con alto requisitos en rendimiento y densidad de potencia.
La operación del convertidor LLC de puente completo es repasada en más detalle en el capítulo 3. Los distintos modos de operación y modos de frecuencia son brevemente explicados. Utilizando ecuaciones analíticas, se encuentra que el máximo rendimiento se consigue con la operación a frecuencia de resonancia. Por otra parte, el convertidor LLC exhibe una ganancia en tensión constante cuando opera a frecuencia de resonancia y puede ser usado para aplicaciones de transformador de continua (DC transformer).
Tradicionalmente, se usa la aproximación por primer armónico (FHA) para estimar la ganancia en tensión del convertidor LLC. Sin embargo, este método presenta cierta discrepancia con respecto a la ganancia real del convertidor, cuando este presenta elementos parásitos, como la resistencia parasita del tanque resonante. En este capítulo, modelos modificados para incluir estos parásitos son analizados y comparados con el método tradicional (FHA). Estos modelos tienen un impacto substancial en el diseño de convertidores LLC no regulados, donde no existen lazos de control para corregir las pequeñas discrepancias de los modelos tradicionales. Al final del capítulo, los modelos de corriente son brevemente analizados utilizando modelos similares a los modelos de ganancia en tensión, considerando los elementos parásitos.
En el capítulo 4, la transición de la conmutación a cero tensión (ZVS) es analizada considerando las particularidades de los convertidores LLC, donde la bobina serie del tanque resonante crea una corriente de apagado variable. Esta corriente variable debe ser considerada para evaluar la capacidad para conseguir ZVS en diversos diseños de convertidor LLC. En este contexto, la aproximación tradicional de corriente constante no es suficientemente precisa y un método basado en la carga total de la corriente de apagado es propuesto y analizado con mayor precisión para estimar el comportamiento de la conmutación ZVS.
Los transformadores con alta inductancia magnetizante minimizan las corrientes circulantes. Sin embargo, con corrientes circulantes reducidas también se reduce la capacidad del convertidor para conseguir ZVS. Los circuitos auxiliares se pueden usar como solución a este problema manteniendo los beneficios de un transformador con alta inductancia magnetizante. Este capítulo finaliza con un repaso de los distintos circuitos auxiliares existentes en el estado del arte para conseguir una conmutación ZVS en convertidores LLC de puente completo.
En el capítulo 5, se presenta un método de diseño y optimización de convertidores LLC de puente completo con alta relación de tensiones y alta corriente de salida. Se usan modelos del estado del arte para el cálculo de perdidas, volúmenes y temperaturas de operación. El diseño de convertidores electrónicos de potencia es un problema complejo de muchas variables. Por lo tanto, se un método de optimización multivariable llamado análisis por frente de Pareto para identificar los diseños con mejor compromiso entre rendimiento y densidad de potencia.
En el capítulo 6, se presenta un prototipo de $10kW$ de convertidor LLC no regulado con circuito auxiliar de una sola bobina con configuración serie/paralelo de dos transformadores. El prototipo sigue las especificaciones de los estándares de aviónica, como parte de un proyecto adjunto a la iniciativa europea Cleansky. Medidas y resultados del convertidor son presentados a distintas potencias de salida. El comportamiento del convertidor con y sin circuito auxiliar es presentado para verificar la mejora que supone para el rendimiento.
En el último capitulo, se presenta un resumen de las conclusiones de este trabajo de investigación, destacando las contribuciones originales, finalizando con un breve resumen de las posibles líneas futuras.
