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FACULTAD DE INGENIERIAPROYECTO CURRICULAR DE INGENIERIA ELECTRONICA

Proyecto de Grado para optar al tıtulo de Ingeniero Electronico

DISENO Y SIMULACION DE UN

CONVERTIDOR DE DOBLE PUENTE

ACTIVO (DAB) CON CONTROL DE

CORRIENTE PICO.

PRESENTADO POR :

David Ricardo Leiva Aya cod.20092005046

Director:Javier Antonio Guacaneme Moreno

Profesor Asociado Facultad de Ingenierıa

12 de mayo de 2017

Agradecimientos

Gracias a mis padres Armando y Maria Luisa ya que ellos fueron quienessiempre estuvieron apoyandome con todo su esfuerzo y dedicacion.

A mi esposa Andrea y mi hijo Santiago quienes en todo momento me ofre-cieron su carino y me acompanaron en los buenos y malos momentos.

Al ingeniero Javier Guacaneme por guiarme y ayudarme en el desarrollo demi trabajo de grado.

A mis companeros de universidad que me apoyaron en este camino.

A la Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas por brindarme una for-macion integral como profesional.

I

Resumen

Los convertidores DC/DC bidireccionales han tomado en los ultimos tiemposuna gran importancia, ya que esta tecnologıa busca mejorar el rendimientoy aumentar la fiabilidad de los sistemas, obteniendo circuitos mas simples yque permiten un ahorro de energıa significativo.

El convertidor de doble puente activo DAB, de sus siglas en ingles “DualActive Bridge”, es una de las topologıas mas utilizadas en la obtencion, al-macenamiento y distribucion de energıa, ya que ofrece una gran densidad depotencia, alta eficiencia, aislamiento galvanico, la posibilidad de realizar uncontrol por desplazamiento de fase simple y tener conmutacion suave ZVS(Zero Voltage Switching). La tecnica de control por corriente pico CIC, porsus siglas (Current Inyected Control) fue la que se analizo y comparo conrespecto al control de corriente promedio ACC (Average Current Control),para conocer las ventajas que este control nos puede brindar.

El diseno y simulacion se realizo para una potencia nominal de 20000W ,un voltaje de entrada de 540V , un voltaje de salida que puede variar entre62,5 ≤ Vo ≤ 125 y una relacion de transformacion n=5.

Palabras claves: Convertidor bidireccional, desplazamiento de fase simple,ZVS, ACC, CIC.

ABSTRACT

In recent times the bidirectional DC/DC converters have taken great im-portance. Specially for improve the performance and increase efficiency inorder to increase systems reliability, circuits gets simpler and allows signifi-cant energy savings.

The dual active bridge converter DAB, is one of the topologies used in gene-ration, storage and distribution of energy. It offers a high power density, high

II

RESUMEN III

efficiency, isolation, phase shift control and Zero voltage switching (ZVS).The peak current control technique known as CIC was analyzed and compa-red to advantages and requirements provided with Average Current Control(ACC).

Design and simulation was performed for a nominal power of 20000W, Inputvoltage 540V , output voltage in the range of 62.5 V to 125 V and transfor-mation ratio n = 5.

Keywords: bidirectional converter, single phase shift, ZVS, ACC, CIC.

Indice general

Agradecimientos I

Resumen II

Lista de figuras VII

Lista de tablas XI

1. INTRODUCCION 1

1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA . . . . . . . . . . . . 1

1.2. PREGUNTA DE INVESTIGACION . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3. OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3.1. OBJETIVO GENERAL . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS . . . . . . . . . . . . . . 3

1.4. JUSTIFICACION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.4.1. JUSTIFICACION TECNICA . . . . . . . . . . . . . . 4

1.4.2. JUSTIFICACION PERSONAL . . . . . . . . . . . . . 4

1.4.3. JUSTIFICACION ACADEMICA . . . . . . . . . . . . 4

2. MARCO REFERENCIAL 6

2.1. ESTADO DEL ARTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.1. CONVERTIDORES BIDIRECCIONALES SIN AIS-LAMIENTO GALVANICO . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.2. CONVERTIDORES BIDIRECCIONALES CON AIS-LAMIENTO GALVANICO . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.3. TIPOS DE CONTROL . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3. OPERACION EN ESTADO ESTABLE DEL CONVERTI-DOR DE DOBLE PUENTE ACTIVO (DAB) 15

3.1. MODELO SIMPLIFICADO DAB . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.2. TRANSFERENCIA DE POTENCIA DEL DAB . . . . . . . . 19

IV

INDICE GENERAL V

3.3. MODULACION POR DESPLAZAMIENTO DE FASE SIM-PLE (SPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.4. DISENO ETAPA DE POTENCIA DAB . . . . . . . . . . . . 22

4. CONTROL MODO CORRIENTE PROMEDIO Average Cu-rrent Control (ACC), del DAB 254.1. REGULADOR Gi(s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.2. SIMULACION PROTOTIPO DAB CON ACC . . . . . . . . 27

4.2.1. ETAPA DE POTENCIA DEL DAB . . . . . . . . . . 274.2.2. REGULADOR Gi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.2.3. MODULADOR DE FASE . . . . . . . . . . . . . . . . 294.2.4. RESPUESTA EN REGIMEN PERMANENTE (ACC) 29

5. CONTROL MODO CORRIENTE PICO Current InyectedControl (CIC), del DAB 315.1. PROPUESTA CIC APLICADO AL DAB . . . . . . . . . . . 31

5.1.1. CALCULOS PARA il ref . . . . . . . . . . . . . . . . . 335.1.2. BLOQUE DE COMPARACION . . . . . . . . . . . . . 355.1.3. BLOQUE DE MODULACION . . . . . . . . . . . . . 385.1.4. RESPUESTA EN REGIMEN PERMANENTE (CIC) . 41

6. ANALISIS DE RESULTADOS 42

7. CONCLUSIONES 51

8. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 54

VI INDICE GENERAL

Indice de figuras

1.1. Esquematico de un convertidor DC-DC de doble puente activo. 2

2.1. Convertidor elevador bidireccional sin aislamiento galvanico,para un flujo de potencia de V1 a V2. . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2. Convertidor reductor bidireccional sin aislamiento galvanico,para un flujo de potencia de V1 a V2. . . . . . . . . . . . . . . 7

2.3. Convertidor elevador-reductor bidireccional sin aislamiento gal-vanico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.4. Convertidor elevador-reductor bidireccional en cascada sin ais-lamiento galvanico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.5. Convertidor bidireccional Flyback. . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.6. Convertidor bidireccional basado en dos medios puentes. . . . 11

2.7. Convertidor de doble puente activo (DAB). . . . . . . . . . . . 11

2.8. Esquema basico control en modo tension. . . . . . . . . . . . . 12

2.9. Esquema basico control en modo corriente promedio. . . . . . 13

2.10. Esquema basico control en modo de corriente pico. . . . . . . 14

3.1. Esquema del convertidor de doble puente activo. . . . . . . . . 15

3.2. Senales de conmutacion del DAB. . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.3. Senales de tension del DAB con flujo de potencia directo. . . . 17

3.4. Esquema simplificado del convertidor DAB. . . . . . . . . . . 18

3.5. Forma de onda de la corriente en la inductancia de un DABtomado de [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.6. Tensiones en el transformador y corriente en el inductor to-mado de [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.7. VAC1, VAC2 y iL para Vo = 62,5, Vi = 540 y P = 20kW . . . 23

3.8. VAC1, VAC2 y iL para Vo = 125, Vi = 540 y P = 20kW . . . . 24

4.1. Control ACC en el convertidor DAB. . . . . . . . . . . . . . . 25

4.2. Diagrama de bloques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.3. Etapa de potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

VII

VIII INDICE DE FIGURAS

4.4. Contenido interno regulador Gi. . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.5. Subcircuito modulador de fase. . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.6. Respuesta en regimen permanente, controlando Vi = 540V ,Vo = 110V y Po = 20kW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.7. Respuesta en regimen permanente, controlando Vi = 540V ,Vo = 80V , Po = 20kW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5.1. Formas de onda VAC1, VAC2, iL para Vo > 108V . . . . . . . . 32

5.2. Formas de onda VAC1, VAC2, iL para Vo < 108V . . . . . . . . 32

5.3. Diagrama de bloques para el DAB con CIC. . . . . . . . . . . 33

5.4. Circuito implementado para hallar ϕ. . . . . . . . . . . . . . . 34

5.5. Circuito implementado para hallar iref2. . . . . . . . . . . . . 34

5.6. Circuito implementado para hallar iref1. . . . . . . . . . . . . 35

5.7. Circuito de comparacion caso1. . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

5.8. Senales de referencia, corriente en la bobina, senales set y resetdel bloque de modulacion y senales S5 S8. . . . . . . . . . . . 36

5.9. Circuito de comparacion caso2. . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

5.10. Senales de referencia caso2 y corriente iL. . . . . . . . . . . . . 37

5.11. Senales D1, D2 y PWM NEG. . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.12. Modulador de fase caso1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.13. Senales de entrada y salida del modulador de fase caso1. . . . 39

5.14. Senales de entrada y salida del modulador de fase caso2. . . . 39

5.15. Modulador de fase caso2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

5.16. Respuesta en regimen permanente, Vo = 110V y Ponom. . . . . 41

5.17. Respuesta en regimen permanente, Vo = 80V y Ponom. . . . . . 41

6.1. Respuesta en el tiempo de Vo y IL, para el CIC y ACC apotencia nominal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

6.2. Respuesta en el tiempo de Vo y Io, para el CIC y ACC, P=2kW. 44



6.5. Comportamiento del sistema ante escalon de carga Rload=Rload/2,CIC a potencia nominal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

6.6. Comportamiento del sistema ante escalon de carga Rload=Rload/2,ACC a potencia nominal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

6.7. Comportamiento del sistema ante escalon de carga Rload=2Rload,CIC a potencia nominal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

6.8. Comportamiento del sistema ante escalon de carga Rload=2Rload,ACC a potencia nominal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

6.9. Comportamiento del sistema ante prueba de corto circuito, CIC. 49

INDICE DE FIGURAS IX

6.10. Comportamiento del sistema ante prueba de corto circuito,ACC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

X INDICE DE FIGURAS

Indice de tablas

2.1. Clasificacion de los convertidores bidireccionales con aislamien-to galvanico. Tomado de: Zhao, Song, Liu y Sun, 2014. . . . . 9

2.2. Ventajas y Desventajas de los diferentes tipos de control. . . . 14

3.1. Parametros de trabajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.2. Resumen valores del prototipo DAB. . . . . . . . . . . . . . . 24

5.1. Tabla de verdad D1, PWM NEG. . . . . . . . . . . . . . . . 405.2. Tabla de verdad D2, UNION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

6.1. Tiempos de establecimiento del convertidor DAB con CIC yACC, para diferentes valores de potencia, Vo = 115V y Vi =540V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

7.1. Tiempos de establecimiento del convertidor DAB con CIC yACC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

XI

Capıtulo 1

INTRODUCCION

1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El presente trabajo pretende solucionar el problema del modelado de un con-vertidor DC-DC de doble puente activo con control de corriente pico CIC desus siglas en ingles (Current Inyected Control). El convertidor de doble puenteactivo es un componente muy utilizado para la obtencion, almacenamientoy distribucion de energıa, es empleado en un gran numero de dispositivoselectronicos que necesitan de una constante alimentacion de corriente conti-nua, puede ser en un sistema de energıa renovable, un sistema de distribucionconvencional, o en aplicaciones especiales como en automoviles electricos, sis-temas aeroespaciales, transformadores estaticos entre otros. Llegando a serde gran importancia el buen desempeno y consistencia del convertidor paraque los dispositivos conectados a el tengan un funcionamiento optimo.

Entre otras consideraciones se requiere controlar la corriente maxima en losdispositivos y se puede obtener realizando un control de la corriente ins-tantanea maxima o corriente pico en los dispositivos de conmutacion delconvertidor de doble puente activo. Para los convertidores DC-DC existenvarias arquitecturas de control, algunas de ellas se realizan mediante la me-dicion de tensiones de entrada y salida, la medicion de corriente promedio enlos elementos, potencias de entrada o salida, etcetera. Obtener el modelo deeste convertidor controlado por corriente pico es todo un reto y mas cuando seobtienen senales indeseadas o parasitas o cuando se generan armonicos al tra-bajar en altas frecuencias [6], ası mismo la compensacion que se requiere porpendiente externa para garantizar la estabilidad del lazo de corriente CIC. Laforma de onda de la corriente medida presenta al menos dos pendientes quecambian con el flujo de potencia, hecho que complica la implementacion del

1

2 CAPITULO 1. INTRODUCCION

lazo de corriente. Estas dificultades se quieren solucionar para utilizar estemodelo y aprovechar las caracterısticas deseadas que nos ofrece, como sonuna rapida respuesta dinamica, proteccion automatica contra sobrecargas yperturbaciones de entrada.

Figura 1.1: Esquematico de un convertidor DC-DC de doble puente activo.

1.2. PREGUNTA DE INVESTIGACION

¿Puede el control de corriente pico mejorar las prestaciones de un DAB?

1.3. OBJETIVOS 3

1.3. OBJETIVOS

1.3.1. OBJETIVO GENERAL

Modelar y evaluar mediante simulacion el control de corriente pico enun convertidor DC-DC de doble puente activo.

1.3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS

Identificar y observar el comportamiento de la corriente pico del con-vertidor DC-DC.

Desarrollar un modelo matematico para la implementacion del lazo decorriente.

Adecuar una senal externa en el sistema de control para la estabilidaddel mismo.

Comparar los resultados obtenidos con el control por corriente pico CICfrente al control por corriente promedio ACC en el convertidor DAB.

4 CAPITULO 1. INTRODUCCION

1.4. JUSTIFICACION

1.4.1. JUSTIFICACION TECNICA

La distribucion de energıa mediante la utilizacion de convertidores DC-DCha sido un tema de gran interes en el ultimo tiempo, ya que con esta tecno-logıa se busca mejorar el rendimiento y aumentar la fiabilidad de los sistemas,obteniendo circuitos mas simples y que permiten un ahorro de energıa signifi-cativo [6]. Uno de los circuitos mas utilizados en aplicaciones de distribucionde energıa que manejen alta potencia es el convertidor de doble puente acti-vo (DAB), ya que este proporciona un alto rendimiento y alta eficiencia [3],ademas de ofrecer aislamiento galvanico y la posibilidad de realizar un con-trol por desplazamiento de fase que permite conmutacion suave ZVS (ZeroVoltage Switching) de perdidas reducidas [11].

Ası que debido al gran interes que existe por el convertidor DAB se quieredesarrollar el modelamiento mediante el control de corriente pico ya que estemetodo proporciona una respuesta dinamica superior de la que puede entre-gar otro tipo de control, esto con el objetivo de ofrecer una proteccion rapiday adecuada a los dispositivos de conmutacion, limitando las implicaciones detener elevadas corrientes de consumo ante perturbaciones que pueda tenerel sistema, garantizando el funcionamiento optimo de los dispositivos en unamplio rango de condiciones de tension y carga.

1.4.2. JUSTIFICACION PERSONAL

Se desea investigar este tipo de convertidor debido a la gran aplicacion quepuede tener, que va desde equipos electronicos en sistemas de distribucion,en sistemas de energıa en aplicaciones aeronauticas, almacenamiento en sis-temas de energıas renovables o aplicaciones de interes medio ambiental comoen carros electricos. Y de esta manera entrar un poco en el mundo de laelectronica de potencia que es un area de estudio muy amplia e interesanteque aporta experiencia y conocimiento para la vida profesional.

1.4.3. JUSTIFICACION ACADEMICA

El modelamiento del convertidor de doble puente activo (DAB) controla-do mediante la deteccion de corriente pico se quiere realizar porque requie-re involucrar entre otros los conocimientos adquiridos en asignaturas como

1.4. JUSTIFICACION 5

electronica de potencia, sistemas dinamicos y control. Para alcanzar los ob-jetivos propuestos de la mejor manera y ası obtener un trabajo de grado muycompleto.

Capıtulo 2

MARCO REFERENCIAL

2.1. ESTADO DEL ARTE

En el presente capitulo se realiza la presentacion del estado del arte de losconvertidores bidireccionales mas utilizados como tambien de los diferentestipos de control que son implementados en estos tipos de circuito.

CONVERTIDORES BIDIRECCIONALES

Debido a la gran importancia que ha venido tomando en los ultimos anosla mejor utilizacion, distribucion y almacenamiento de la energıa electricaya sea en sistemas de generacion de energıas renovables como tambien enalgun sistema de almacenamiento o de cargas activas, que puedan tener flu-jos de potencia bidireccionales. Por tal motivo se convierte de gran impor-tancia la utilizacion de estos convertidores bidireccionales que ayudan a lamejor obtencion, almacenamiento y distribucion de la energıa electrica [4].A continuacion se hara una breve revision de las diferentes topologıas de losconvertidores bidireccionales.

2.1.1. CONVERTIDORES BIDIRECCIONALES SINAISLAMIENTO GALVANICO

A continuacion se mencionaran algunas topologıas de los convertidores bidi-reccionales sin aislamiento galvanico.

6

2.1. ESTADO DEL ARTE 7

CONVERTIDORES ELEVADORES Y REDUCTORES BIDIREC-CIONALES

Esta topologıa de convertidores bidireccionales es una de las mas sencillas,se cambia el diodo en cualquiera de estos dos convertidores por un interrup-tor activo, para ası poder trabajar de forma bidireccional. Por lo general losinterruptores se utilizan de forma complementaria es decir cuando uno estaconduciendo el otro no conduce. Esta topologıa tiene problemas en el tipode control y conmutacion debido al sentido del flujo de potencia, puede serutilizada en la carga y descarga de baterıas o en aplicaciones que tengan unrango de potencia de 100 W hasta 1KW [4].

Figura 2.1: Convertidor elevador bidireccional sin aislamiento galvanico, paraun flujo de potencia de V1 a V2.

Figura 2.2: Convertidor reductor bidireccional sin aislamiento galvanico, paraun flujo de potencia de V1 a V2.

Para los dos casos solo se puede obtener una tension elevada en un solo sen-tido y una tension reducida en el otro, la direccion del flujo de la corriente

8 CAPITULO 2. MARCO REFERENCIAL

se controla mediante los tiempos de encendido y apagado de cada uno de losinterruptores.

ELEVADOR-REDUCTOR BIDIRECCIONAL

El elevador-reductor bidireccional (figura 2.3) se logra obtener al igual queen el caso anterior al cambiar el diodo de libre circulacion de la configura-cion habitual por un interruptor activo que permita la libre circulacion de lacorriente en ambos sentidos. A diferencia del caso anterior que solo dejabaelevar la tension en un sentido y reducirlo en el otro este tipo de circuitopermite tener tanto elevacion como reduccion de tension en cualquiera de lossentidos [4].

Esta configuracion permite tener un tipo de conmutacion mas configurable yfacil de controlar, pero tiene la gran desventaja de manejar rangos de poten-cia muy bajos de hasta 500W esto debido a las perdidas que se pueden daren los interruptores principalmente por la tension que estos deben soportar.A esto se suma que una de las tensiones esta invertida con respecto a la otra,esto trae grandes problemas a la hora de manejar tensiones muy elevadas [4].

Figura 2.3: Convertidor elevador-reductor bidireccional sin aislamiento gal-vanico.

ELEVADOR-REDUCTOR BIDIRECCIONAL EN CASCADA

El elevador-reductor en cascada bidireccional (figura 2.4) tiene un funciona-miento y aplicacion mucho mayor que la topologıa. Tiene la capacidad deelevar y reducir la tension en cualquiera de los dos sentidos teniendo menosperdidas en los semiconductores por lo cual llega a tener una mayor eficiencia[4].


Este tipo de circuito es uno de los mas empleados gracias a su gran funciona-miento, puede llegar a tener un rango de trabajo que llega hasta el orden delas decenas de kilovatios con rendimientos de hasta el 90 % o mayores [10].La direccion del flujo de la corriente y la potencia a manejar son controladastanto con el desfase de las senales de control como tambien con el tiempo deactivacion de cada interruptor, lo que hace que el tipo de control a utilizarsea digital por lo que se necesita ajustar los tiempos de encendido y apagadode los cuatro interruptores [4].

Figura 2.4: Convertidor elevador-reductor bidireccional en cascada sin aisla-miento galvanico.

2.1.2. CONVERTIDORES BIDIRECCIONALES CONAISLAMIENTO GALVANICO

En la familia de los convertidores bidireccionales con aislamiento galvanicose cuenta con un gran numero de topologıas como se puede observar en latabla 2.1:

Topologıa Dual Flyback Forward-Flyback Dual Push-Pull Full Bridge Forward Half Full Bridge DABDual Cuk Push-Pull ForwardZeta Sepic Push-Pull Flyback

Dual Half BridgeNumero de interruptores 2 3 4 5 6 8

Tabla 2.1: Clasificacion de los convertidores bidireccionales con aislamientogalvanico. Tomado de: Zhao, Song, Liu y Sun, 2014.

Como se observa en la tabla 2.1 hay un gran numero de topologıas en lafamilia de convertidores bidireccionales con aislamiento galvanico, se puedehacer un gran numero de combinaciones entre ellas, cada topologıa consiguemanejar valores de potencia diferentes dependiendo del numero de interrup-tores que posea, a continuacion se explicaran algunos de los modelos [2].


CONVERTIDOR BIDIRECCIONAL FLYBACK

El convertidor bidireccional flyback se logra al tomar la configuracion conven-cional del flyback y cambiar el diodo de libre circulacion por un dispositivode conmutacion, es utilizado en aplicaciones de baja potencia pero puedellegar a ser empleado en circuitos de media potencia llegando a manejar unoscuantos cientos de vatios [13]. Esta compuesta por dos interruptores, doscondensadores y un transformador de alta frecuencia, el sentido del flujo decorriente y la amplitud de las tensiones a manejar son controlados con losciclos de trabajo de cada uno de los interruptores, el tipo de control quepuede ser utilizado son: corriente promedio, corriente pico o tension.

Figura 2.5: Convertidor bidireccional Flyback.

CONVERTIDOR DOBLE MEDIO PUENTE

Esta topologıa esta basada en la utilizacion de dos medios puentes conec-tados entre sı por un transformador que puede ser de alta frecuencia, loscomponentes electronicos que se emplean son cuatro interruptores, cuatrocondensadores y un transformador de alta frecuencia, para este tipo de cir-cuito es posible utilizar control por corriente y tension cero, es utilizado enaplicaciones de media y alta potencia. Ambos medios puentes son controladospor desplazamiento de fase, permitiendo esto controlar el flujo de corrientey la amplitud de tension que se quiere manejar con el convertidor [14].


Figura 2.6: Convertidor bidireccional basado en dos medios puentes.

CONVERTIDOR BIDIRECCIONAL DE DOBLE PUENTE AC-TIVO (DAB)

El convertidor DAB esta compuesto por dos puentes completos, cada puentecuenta con cuatro dispositivos de conmutacion, conectados entre sı por untransformador de alta frecuencia y una inductancia que es utilizada como unainductancia de excitacion para la transferencia de energıa como se observa enla figura 2.7, brinda un gran rendimiento, bidireccionalidad y la posibilidadde realizar conmutacion suave que permite disminuir las perdidas de conmu-tacion de los puentes activos [9]. El flujo de potencia puede ser controladomediante el desplazamiento de fase entre ambos puentes alcanzando nivelesde potencia del orden de los kilovoltios [6], [11].

Figura 2.7: Convertidor de doble puente activo (DAB).

2.1.3. TIPOS DE CONTROL

Ante la necesidad de que los convertidores DC-DC cumplan en todo momen-to con las especificaciones de trabajo requeridas, como es fijar una tension


de salida o garantizar que van a ser estables ante cualquier tipo de perturba-cion, se hace necesario el uso de algun tipo de control realimentado, los tiposde control mas utilizados son: control en modo tension, control en modo decorriente media o control en modo de corriente pico.

CONTROL EN MODO TENSION

El control en modo tension consta de un solo lazo de realimentacion, en elcual se compara la tension de salida con una tension de referencia para ge-nerar una senal de error, esta senal de error ingresa a un circuito PWM quemodifica automaticamente el ciclo de trabajo ante cualquier perturbacionque pueda ingresar al convertidor y ası continuar obteniendo la tension desalida en el valor deseado.

En la figura 2.8 se presenta un esquema basico del control en modo tension.

Figura 2.8: Esquema basico control en modo tension.

CONTROL EN MODO CORRIENTE PROMEDIO

El control en modo corriente promedio consta de dos lazos de realimentacion,el primer lazo controla la tension, este compara la tension de salida con untension de referencia para generar una senal de error, el segundo lazo con-trola la corriente media que pasa por el inductor, esta senal se amplifica ycompara con la senal de error proveniente del lazo de tension haciendo que


cambie los intervalos de conduccion del dispositivo de conmutacion [12].

En la figura 2.9 se presenta un esquema basico del control en modo corrientepromedio.

Figura 2.9: Esquema basico control en modo corriente promedio.

CONTROL EN MODO CORRIENTE PICO

El control en modo corriente pico esta constituida como en el caso anteriorpor dos lazos de realimentacion uno que sensa la tension de salida y otroque mide la corriente pico de la bobina, este tipo de control es implementadoanalogicamente con los siguientes elementos: un reloj que indica el comienzode cada ciclo de trabajo y que tambien genera la rampa de compensacion,un restador que sustrae la tension de control con la rampa de compensacion,un comparador que prueba la corriente de control con la salida del restadore ingresa a un circuito de conmutacion que hace el control de los dispositivosmosfet, Igbt etc [12].

En la figura 2.10 se presenta un esquema basico del control en modo corrientepico.


Figura 2.10: Esquema basico control en modo de corriente pico.

Tipo de Control Ventajas DesventajasModo Voltaje - Sencillo de implementar. - No satisface las exigencias de estabilidad

de algunas aplicaciones.- Bajo numero de componentes. - Tiene una lenta respuesta ante

perturbaciones del sistema.Modo Corriente Promedio - Es inmune al ruido. - Es un sistema robusto.

- Proteccion a sobrecargas.- Posibilidad de conectar en paralelo

varios convertidores.- Maneja margenes de estabilidad ante

perturbaciones que pueda tener el sistema.Modo Corriente Pico - Proteccion a sobrecargas. - Requiere compensacion por pendiente externa para

garantizar la estabilidad del sistema.- Las perturbaciones son corregidas

ciclo a ciclo.- Posibilidad de utilizar un unico control

para convertidores conectados en paralelo.- Amplia el ancho de banda del convertidor.

Tabla 2.2: Ventajas y Desventajas de los diferentes tipos de control.

El tipo de control a utilizar para el convertidor DAB es el control en modo decorriente pico ya que lo que se busca en este trabajo de investigacion es poderproporcionar una proteccion rapida y oportuna a todos los dispositivos deconmutacion, siendo este tipo de control el mas conveniente de utilizar porlas grandes ventajas que da en comparacion con los otros tipos de control,ya que podemos estar corrigiendo ciclo a ciclo las perturbaciones que entrenen el sistema ayudando esto a proteger con mayor dinamica los dispositivosya mencionados y brindandonos un mayor ancho de banda del convertidor.

Capıtulo 3

OPERACION EN ESTADOESTABLE DELCONVERTIDOR DE DOBLEPUENTE ACTIVO (DAB)

El uso de convertidores DC-DC ha tomado una gran importancia en el ulti-mo tiempo ya que puede brindar una mayor flexibilidad, configurabilidad,modularidad y un uso mas eficiente de la energıa en fuentes de energıa, sis-temas de almacenamiento y cargas [3]. En el presente proyecto se trabajoel convertidor DAB, dicho convertidor pertenece a la familia de convertido-res bidireccionales con aislamiento galvanico, esta formado por dos puentescompletos conectados entre sı por un transformador, ofreciendo este un aisla-miento galvanico y la posibilidad de tener un flujo bidireccional de potenciaque es muy utilizado en algunas aplicaciones como por ejemplo para la cargay descarga de baterıas [7], [8].

Figura 3.1: Esquema del convertidor de doble puente activo.

15

16 CAPITULO 3. OPERACION EN ESTADO ESTABLE DAB

En la figura 3.1 se observa el esquema del convertidor DAB monofasico, enel se tienen dos fuentes de voltajes interconectadas por medio de dos puen-tes activos conectados en H, dos condensadores de filtrado para el rizado decorriente en cada lado de voltaje DC de los puentes activos, un inductor LDque es el encargado de ajustar la inductancia de fugas equivalente del trans-formador y un transformador de alta frecuencia [15].

El convertidor DAB utiliza los dos puentes completos para convertir las ten-siones de entrada (DC) en tensiones AC (VAC1 y VAC2), que se encuentrandesfasadas entre sı en cada lado del transformador de alta frecuencia.

Las tensiones VAC1 y VAC2 se generan al modificar los estados de conmutacionpara cada uno de los MOSFETs o IGBTs que se pueden utilizar como disposi-tivos controlables. Para la senal de tension VAC1 se modifican los dispositivosS1, S2, S3 y S4, por otra parte, para la senal de tension VAC2 los disposi-tivos que deben cambiar su estado son S5, S6, S7 y S8. Tenemos que ′′D′′

es el ciclo util, el periodo es Ts = 1Fs

y Fs es la frecuencia de conmutacion [16].

El transformador de alta frecuencia idealmente altera la amplitud VAC enrelacion a la cantidad de vueltas del transformador n, de ello obtenemos queVAC2 = VAC1

n. Por otra parte, el voltaje VAC2 se genera entre +V 2 y −V 2

despues de los estados de conmutacion S5, S6, S7 y S8 [16].

Figura 3.2: Senales de conmutacion del DAB.

VAC1 =

+V 1 EstadoI S1, S4 ON S2, S3 OFF−V 1 EstadoII S1, S4 OFF S2, S3 ON

(3.1)

3.1. MODELO SIMPLIFICADO DAB 17

VAC2 =

+V 2 EstadoI S5, S8 ON S6, S7 OFF−V 2 EstadoII S5, S8 OFF S6, S7 ON

(3.2)

Las senales de control de los interruptores del puente primario son comple-mentarias, es decir cuando s1 y s4 estan cerradas s2 y s3 estan abiertas, deigual manera ocurre con los interruptores del puente secundario (s5, s6, s7,s8).

Figura 3.3: Senales de tension del DAB con flujo de potencia directo.

3.1. MODELO SIMPLIFICADO DAB

El desfase de las senales de control de cada puente es el que se encarga dela direccion del flujo de potencia bidireccional entre la entrada y la salida.Se puede generar esquema simplificado del convertidor DAB para tener unarepresentacion de las senales de tension y corriente que circula por la bobinaal cambiar la direccion del flujo de potencia, y ası poder obtener un mode-lo de perdidas aproximado del convertidor [16], refiriendo todos los valoresde tension al lado primario del transformador como se observa en la figura 3.4.


Figura 3.4: Esquema simplificado del convertidor DAB.

La corriente en el inductor para el modelo simplificado es la siguiente:

iL(t) = iL(t0) +1

L

∫ t1

t0

VRdt ∀ t0 < t1 (3.3)

De donde VR:

VR(t) = VAC1(t)− nVAC2(t) (3.4)

Las fuentes VAC1(t) y VAC2(t) generan o reciben las siguientes potencias ins-tantaneas.

P1(t) = VAC1(t) ∗ iL(t) P2(t) = nVAC2(t) ∗ iL(t) (3.5)

La potencia promedio en un ciclo de Ts, se calcula de la siguiente forma:

P1 =1

Ts

∫ t0+Ts

t0

P1(t)dt (3.6)

P2 =1

Ts

∫ t0+Ts

t0

P2(t)dt (3.7)

De acuerdo a (3.5), (3.6) y (3.7) tenemos que las formas de onda de VAC1(t)y iL(t) determinan P1 y las formas de onda de VAC2(t) y iL(t) determinan P2

por lo tanto:

P1 = P2 (3.8)

El nivel de potencia del convertidor DAB es tıpicamente ajustada usando lossiguientes parametros:

El desplazamiento de fase ϕ entre VAC1(t) y VAC2(t) −π < ϕ < π

El ciclo util D1, para VAC1(t) con 0 < D1 < 0,5

El ciclo util D2, para VAC2(t) con 0 < D2 < 0,5

La frecuencia de conmutacion Fs

3.2. TRANSFERENCIA DE POTENCIA DEL DAB 19

3.2. TRANSFERENCIA DE POTENCIA DEL

DAB

De la forma de onda de la corriente en el inductor se pueden identificar dosestados de trabajo, uno por cada semiciclo de la senal. Si se representa laforma de onda de la corriente del primario del transformador, iL (Figura 3.5),en funcion de θ = 2πFst = ωt para el primer semiciclo. Se obtiene la ecuacion(3.9), donde θi y θf son el inicio y el final de cada modo, respectivamente,e iL(θi) es el valor inicial de la corriente en cada modo. ϕ es el angulo dedesfase entre ambos puentes en radianes y π el semiperiodo [15].

Figura 3.5: Forma de onda de la corriente en la inductancia de un DABtomado de [16].

iL(θ) =VAC1(θ)− VAC2(θ)

ωL(θ − θi) + iL(θi) θi < θ < θf (3.9)

Intervalo1= 0 ≤ θ ≤ ϕ VAC1 = Vi ; VAC2 = −V ′o

iL(θ) =Vi + V ′oωL

(θ) + iL(0) (3.10)

IntervaloII= ϕ ≤ θ ≤ π VAC1 = Vi ; VAC2 = −V ′o


iL(θ) =Vi − V ′oωL

(θ − ϕ) + iL(ϕ) (3.11)

El inicio y el final de cada ciclo son iguales por condiciones de simetrıa, dedonde:

iL(π) = −iL(0). (3.12)

Si el transformador de alta frecuencia tiene una relacion de transformacionprimario a secundario de 1 : N21, se define el radio de conversion efectivo:

def =V ′oVi

=Vo

N21Vi(3.13)

Se define la potencia de salida como:

Po = ViIi = V ′oI′o =

[V 2i

ωL

]def · ϕ

[1− |ϕ|

π

](3.14)

Normalizando con respecto a la potencia de base, Pbase=[V 2i /ωL], se ob-

tendrıa la potencia normalizada en por unidad (pu):

Ppu = def · ϕ[1− |ϕ|

π

](3.15)

3.3. MODULACION POR DESPLAZAMIEN-

TO DE FASE SIMPLE (SPS)

La modulacion por desplazamiento de fase simple es el metodo de controlmas utilizado en el convertidor DAB por su gran simplicidad, buena dinami-ca, y la facilidad para lograr la conmutacion suave [15]. Este metodo permitetener una frecuencia de conmutacion constante y el manejo de ciclos utilesmaximos D1 = D2 = 0,5, estos varıan unicamente el desplazamiento de faseϕ con el fin de controlar la transferencia de potencia.

Durante la operacion en estado estable los voltajes VAC1(t), VAC2(t) y la co-rriente en L se repiten cada medio ciclo con senales invertidas como se observaen la figura 3.6.

VAC1(t+ Ts/2) = −VAC1

VAC2(t+ Ts/2) = −VAC2

iL(t+ Ts/2) = −iL(3.16)

3.3. MODULACION POR DESPLAZAMIENTO DE FASE SIMPLE (SPS)21

Figura 3.6: Tensiones en el transformador y corriente en el inductor tomadode [16].

Los intervalos de tiempo I y II ocurren durante 0 < t < Ts/2, suponiendo undesplazamiento de fase positivo 0 < ϕ < π las expresiones resultantes parala corriente en el inductor son:

Intervalo I : iL(t) = iL,0 +Vi + nVo

Lt ∀ 0 < t < Tϕ (3.17)

Intervalo II : iL(t) = iL(Tϕ) +Vi − nVo

L(t− t1) ∀ Tϕ < t < Ts/2 (3.18)

Debido a la simetrıa de medio ciclo (ecuacion (3.12)) y con Tϕ = ϕ/2πFs setiene:

iL,0 =π · (nVo − Vi)− 2ϕnVo

4πFsL(3.19)

La transferencia de potencia para el rango completo del desplazamiento defase −π < ϕ < π es:

P = P1 = P2 =n · Vi · Vo · ϕ · (π− | ϕ |)

2π2FsL∀ − π < ϕ < π (3.20)

Por lo tanto:


P > 0 Indica la transferencia de potencia del puerto 1 al puerto 2.

P < 0 Indica la transferencia de potencia del puerto 2 al puerto 1.

La maxima potencia ocurre cuando ∂P/∂ϕ = 0 la solucion es,

| PPS,MAX |=n · Vi · Vo

8FSLpara ϕ = ±π

2(3.21)

El desplazamiento de fase requerido para una transferencia de potencia dadase deriva de (3.20):

ϕ =π

2

[1−

√1− 8·Fs·L·|P |

n·Vi·Vo

]sgn(P ) ∀ | P |<| PPS,MAX | (3.22)

Una de las grandes ventajas de la modulacion por desplazamiento de fase essu simplicidad, modificando el angulo de desplazamiento de fase ϕ se modificael nivel de potencia del convertidor DAB. Una de las principales desventajases un limitado rango de operacion con bajas perdidas de conmutacion ylas grandes corrientes RMS en el transformador de alta frecuencia para lamayorıa de los puntos de operacion cuando el DAB se utiliza en ampliosrangos de tension [16].

3.4. DISENO ETAPA DE POTENCIA DAB

El modelo propuesto en el presente trabajo se manejo con los datos dados en[3], brinda un estudio que ayuda a conocer el comportamiento del converti-dor en un punto de operacion deseado, fue hecho para un sistema futuro dealmacenamiento de energıa aeroespacial donde se manejaron los siguientesdatos.

Pnominal 20kWVi nominal 540VVo nominal 62,5V < Vo < 125VFs 20kHzn 1:0.2L 52.75 µ H

Tabla 3.1: Parametros de trabajo.

3.4. DISENO ETAPA DE POTENCIA DAB 23

Para tener una conmutacion ZVS es importante que la ganancia de tensionreferida al primario def = V ′O/Vi se encuentre lo mas cercano a 1 para queel rango de operacion sea mas amplio [15]. Definiendo la relacion de trans-formacion N21 = N2/N1 = 0,2, reemplazando por los valores de la tabla 3.1se obtiene:

def1 =62,5

0,2 · 540= 0,5787 (3.23)

def2 =125

0,2 · 540= 1,1574 (3.24)

Haciendo uso de la ecuacion (3.22) se halla el valor de desfase requerido parala potencia nominal con tension de salida de 62.5V ϕnom1 = 86,75, y para125V ϕnom2 = 26,37.

Figura 3.7: VAC1, VAC2 y iL para Vo = 62,5, Vi = 540 y P = 20kW .

En la figura 3.7 se observan las tensiones de cada lado del transformador dealta frecuencia como tambien la corriente iL, aplicando las ecuaciones (3.17)y (3.18) obtenemos los valores de la corriente en la bobina para los instantesTϕ y Ts/2.

iL(Tϕ) = iL,0 + 540V+5(62,5V )52,75µH

Tϕ = 69,55A

iL(Ts/2) = iL(Tϕ) + 540V−5(62,5V )52,75µH

(Ts/2 − t1) = 125,28A


Figura 3.8: VAC1, VAC2 y iL para Vo = 125, Vi = 540 y P = 20kW .

En la figura 3.8 se observan las tensiones en el transformador, la corriente iL,aplicando las ecuaciones (3.17) y (3.18) obtenemos los valores de la corrienteen la bobina para los instantes Tϕ y Ts/2.

iL(Tϕ) = iL,0 + 540V+5(125V )52,75µH

Tϕ = 57,63A

iL(Ts/2) = iL(Tϕ) + 540V−5(125V )52,75µH

(Ts/2 − t1) = 23,25A

Po = 20kW , Vi = 540V , FS = 20kHz, L = 52,75µH,n=5

Vo (V) 62.5 125Radio de conversion efectivo def 0.5787 1.1574

Desfase en grados ϕ 86,75 26,37

Valores puente de entradaCorriente de entrada Ii (A) 37.1 36.5

Corriente Irms Ii (A) 81.7 39.3Pico corriente iL (A) 123.8 55.4

Pico tension, VAC1 (V) 540 540Valores puente de salida

Corriente de salida Io (A) 319.5 159.9Corriente Irms Io (A) 408.7 196.8

Pico tension, VAC2 (V) 62.5 125Valores Transformador

Potencia Apartente (VA) 25457 24226Factor de Potencia (FP=Po/VA) 0.78 0.81

Tabla 3.2: Resumen valores del prototipo DAB.

Capıtulo 4

CONTROL MODOCORRIENTE PROMEDIOAverage Current Control(ACC), del DAB

En el presente capitulo se propone un control por corriente promedio para losvalores de potencia dados en el capıtulo 3, definiendo los criterios de diseno,un filtro pasa-bajos en el sensado de la corriente de salida y el regulador decorriente.

Figura 4.1: Control ACC en el convertidor DAB.

En la figura 4.1 se observa el control por corriente promedio implementado

25

26 CAPITULO 4. CONTROL MODO CORRIENTE PROMEDIO

sobre la salida del DAB, consta de un lazo de corriente que trabaja a partirdel sensado de la corriente de salida para luego ser pasado por un filtro pasa-bajos, este valor se resta del valor de referencia ioref . El error de corrientepasa por el regulador de corriente Gi(s) que es un controlador proporcionalintegral (PI), esto con el fin de que el valor medio de la corriente de salidacoincida con el valor de referencia. La salida de Gi(s) pasa por el moduladorde fase que es el encargado de generar el desplazamiento de fase entre elpuente de entrada y de salida.

4.1. REGULADOR Gi(s)

Para realizar el diseno del regulador de corriente se utiliza la forma (4.1), laganancia estatica Ri se ajusta para garantizar los niveles de senal adecuadosy el bloque FM representa la ganancia del modulador de fase, el cual tieneun valor en los circuitos integrados comerciales de FM = π/VPP , VPP es latension pico a pico del diente de sierra del modulador [15].

El regulador de corriente seleccionado es de la forma:

Gi(s) =ωis·

1 + sωz

1 + sωp

(4.1)

El regulador implementado es:

Gi(s) =1,2439 · 103

s·

1 + s2,5133·104

1 + s5,0265·104

(4.2)

El regulador implementado nos brinda suficiente margen de fase, margen deganancia, facilita el ajuste del regulador y nos brinda un error nulo en estadoestable [15].

La ganancia del sensor se ajusta de tal forma que el sensado de la corrientede salida presente una variacion de ±1.5V, compatible tras anadir un offsetde 1.5V, con la mayorıa de controladores de fase integrados, en un rango devariacion de 0V a 3V para sobrecargas transitorias de un maximo del 50 %sobre la corriente nominal.

La corriente maxima de salida acurre cuando Vo = 62,5, de donde la corrientemaxima de salida va a ser 320A, escogiendo Ri ≤ 1,5V

320Ase escoge una ganancia

menor o igual que 4,7mΩ, se selecciona Ri = 4mΩ.El filtro pasa-bajos se calculo de la siguiente manera:

4.2. SIMULACION PROTOTIPO DAB CON ACC 27

FPB(s) =1

1 + sω0

· ω2n

s2 + 2 · ζ · ωns+ ω2n

; ζ = 1/√

2 (4.3)

Donde:

ω0 ≈ 4π·F10

y ωn = 4π·F3

Se obtiene FPB(s):

FPB(s) =1

1 + s25133

· 7,0184 · 109

s2 + 1,1848 · 105s+ 7,0184 · 109(4.4)

4.2. SIMULACION PROTOTIPO DAB CON

ACC

El diagrama de bloques utilizado para la simulacion en PSIM se observa enla figura 4.2:

Figura 4.2: Diagrama de bloques.

4.2.1. ETAPA DE POTENCIA DEL DAB

La etapa de potencia esta compuesta por todos los elementos del convertidorDAB, los cuales son, Mosfets, transformador de alta frecuencia, condensado-res de entrada y salida, inductor y un sensor de corriente Io. Las entradas del


subcircuito de potencia son las senales de conmutacion S1 S2, S3 S4 para elpuente de entrada y S5 S8, S6 S7 para el puente de salida.

Figura 4.3: Etapa de potencia.

4.2.2. REGULADOR Gi

La figura 4.4 muestra el contenido interno del regulador Gi, el cual estacompuesto por un regulador PI, un filtro pasa-bajos FPB y la ganancia desensado Ri. Las entradas del regulador de corriente son la corriente de salidade la etapa de potencia y la corriente de referencia, la salida que se generaes la referencia para el modulador de fase.

Figura 4.4: Contenido interno regulador Gi.

4.2. SIMULACION PROTOTIPO DAB CON ACC 29

4.2.3. MODULADOR DE FASE

El subcircuito modulador de fase de la figura 4.5 se utiliza para generar lassenales de conmutacion para los puentes de entrada y salida, Se incluyenbloques de retraso de tiempo para introducir un tiempo muerto entre losdisparos de los transistores de una misma rama, dead time, que es un retardoa ON de 100 ns.

Figura 4.5: Subcircuito modulador de fase.

4.2.4. RESPUESTA EN REGIMEN PERMANENTE(ACC)

La respuesta en regimen permanente se puede observar en la figura 4.6 yen la figura 4.7 allı se pueden observar las principales formas de onda delprototipo DAB de 20kW para Vo = 110V y Vo = 80V , estos resultados seobtuvieron en el simulador PSIM R©9.0.


Figura 4.6: Respuesta en regimen permanente, controlando Vi = 540V , Vo =110V y Po = 20kW .

Figura 4.7: Respuesta en regimen permanente, controlando Vi = 540V , Vo =80V , Po = 20kW .

De las figuras 4.6 y 4.7 se observa el cambio de la pendiente en iL al controlartensiones por debajo de 108V ası el flujo de potencia sea en un solo sentidodel puerto de entrada al puerto de salida, este cambio se debe a que se superala relacion de transformacion.

Capıtulo 5

CONTROL MODOCORRIENTE PICO CurrentInyected Control (CIC), delDAB

En el presente capıtulo se realizo una propuesta para el control por corrientepico (CIC) en un prototipo de aplicacion aeroespacial futuro, el cual va amanejar una potencia nominal de 20kW, tension de entrada de 540V y ten-siones de salida de 62,5V ≤ V o ≤ 125V .

El control por corriente pico (CIC) y el control por corriente promedio (ACC)permiten la conexion de modulos en paralelo compartiendo la corriente ade-cuadamente, tambien se consigue una proteccion frente a sobrecargas en elconvertidor de potencia. Las ventajas que se quieren aprovechar del CIC es sucorreccion ciclo a ciclo ante perturbaciones que pueda sufrir el circuito, paraası proporcionar una proteccion rapida y oportuna a todos los dispositivosde conmutacion.

5.1. PROPUESTA CIC APLICADO AL DAB

El control por corriente pico en el convertidor de doble puente activo nosbrinda una rapida respuesta ya que ante las variaciones de las tensiones deentrada y salida del DAB este se refleja en la forma de onda de la corrienteen la bobina de acoplamiento.

Para los datos de trabajo presentado en la tabla 3.1, se evidencio el cambio

31

32 CAPITULO 5. CONTROL MODO CORRIENTE PICO

de pendiente de iL para voltajes de salida por encima o por debajo de 108V,por lo cual tambien cambia el pico de corriente que puede situarse en Tϕ oT/2 como se observa en la figura 5.1 y 5.2.

Figura 5.1: Formas de onda VAC1, VAC2, iL para Vo > 108V .

Figura 5.2: Formas de onda VAC1, VAC2, iL para Vo < 108V .

El valor pico de la corriente iL en T/2 es iLT/2 = −iL,0:

iref2 = iLT/2 = −π · (nVo − Vi)− 2ϕnVo4πFsL

(5.1)

5.1. PROPUESTA CIC APLICADO AL DAB 33

El valor pico de la corriente iL en Tϕ es:

iref1 = iLTϕ = iL,0 +Vi − nVo

L· Tϕ (5.2)

Estos valores de corriente pico son empleadas en el bloque calculos para il ref,esto con el fin de hallar la referencia de corriente que se va a comparar con lacorriente en la bobina instantanea. En la figura 5.3 se observa el diagrama debloques propuesto para el convertidor DAB con control por corriente pico.

Figura 5.3: Diagrama de bloques para el DAB con CIC.

5.1.1. CALCULOS PARA il ref

Con el uso de la herramienta PSIM se hizo el calculo de las ecuaciones (5.1) y(5.2) para generar la referencia de los picos de corriente en la bobina, previo aestas ecuaciones se establecio el valor de desfase ϕ entre el puente de entradaVAC1 y el de salida VAC2 esto se logro al aplicar la ecuacion (3.22) como seobserva en la figura 5.4.

ϕ = π2

[1−

√1− 8·Fs·L·|P |

n·Vi·Vo

]sgn(P ) ∀ | P |<| PPS,MAX |


Figura 5.4: Circuito implementado para hallar ϕ.

El valor de ϕ va a depender de los valores de la bobina, frecuencia de conmu-tacion y potencia que se quiera manejar, con este dato se procedio a calcular(5.1) y (5.2) como se observa en las figuras 5.5 y 5.6 :

Figura 5.5: Circuito implementado para hallar iref2.


Figura 5.6: Circuito implementado para hallar iref1.

Los valores de iref1 y iref2 van a ser las senales de entrada al bloque decomparacion para ser analizadas con la corriente iL instantanea.

5.1.2. BLOQUE DE COMPARACION

Como se comento en la seccion 5.1 el pico de la corriente iL varia para valoresmayores que 108V y menores a este valor. Por esta razon se hizo necesarioaplicar dos circuitos de comparacion para poder hallar el ancho de pulso y eldesfase entre puentes necesario para su correcto funcionamiento.

Caso1 Vo > 108V

Para un V o > 108V vamos a tener un pico de corriente de L en el instan-te de tiempo Tϕ, por esta razon se tomo como referencia iref1. El circuitoimplementado para el caso1 se observa en la figura 5.7.


Figura 5.7: Circuito de comparacion caso1.

En la figura 5.7 se generan senales de set y reset los cuales van a ser las senalesde activacion del bloque de modulacion. Como la corriente en la bobina serepite cada T/2 con valores negativos, se observo que la senal de activacionde los dispositivos de modulacion S5 S8 iniciaban en Tϕ y terminaban enT/2 + Tϕ, por esta razon se comparo el pico positivo de iL (iLref1) y el piconegativo de iL (−iLref1) para generar las senales de S5 S8 y S6 S7 como seobserva en la figura 5.8.

Figura 5.8: Senales de referencia, corriente en la bobina, senales set y resetdel bloque de modulacion y senales S5 S8.


Caso2 Vo < 108V

Para tensiones de salida por debajo de 108V se utilizo una tecnica de com-paracion distinta al caso anterior figura 5.9, debido a que la pendiente de lacorriente en la bobina cambia y por lo tanto su pico se localiza en T/2 yT , para dar solucion a este problema se propuso el uso de cuatro puntos dereferencia en Tϕ, T/2, T/2 + Tϕ y en T .

Figura 5.9: Circuito de comparacion caso2.

La referencia en T/2 y T nos controlara el pico de iL y el ancho del pulsode S5 S8, por otra parte la referencia en Tϕ y TS/2 + Tϕ nos dara el valordel desplazamiento ϕ que se debe aplicar al puente de salida para alcanzar elpunto de operacion deseado. En la figura 5.10 se observa los cuatro puntosde referencia.

Figura 5.10: Senales de referencia caso2 y corriente iL.


Estos valores de referencia son comparados con la corriente sensada del con-vertidor y generan las salidas D1, D2 y PWM NEG figura 5.11 las cualesvan a ser las entradas del bloque de modulacion.

Figura 5.11: Senales D1, D2 y PWM NEG.

5.1.3. BLOQUE DE MODULACION

El bloque de modulacion se divide en dos partes, la primera es cuando Vo >108V y la segunda para Vo < 108V . Para Vo > 108V el modulador de fasesera un Flip-Flop Set-Reset el cual tendra como senales de entrada los valoresde set y reset del caso1 figura 5.12.

Figura 5.12: Modulador de fase caso1.

La senal set se da en el tiempo T/2 + Tϕ, en este tiempo el pico de corrienteen la bobina es negativo por lo cual la senal de modulacion de S5 S8 pasa aOFF, la senal reset se da en el tiempo Tϕ, en este tiempo el pico de corrienteen la bobina es positivo por lo cual la senal de modulacion de S5 S8 pasa aON figura 5.13.


Figura 5.13: Senales de entrada y salida del modulador de fase caso1.

Para V o < 108V se realizo un tratamiento distinto a las senales de entradadel bloque comparador caso2, como se observa en la figura 5.14 tenemos lassenales de entrada D1, D2 y PWM NEG, y la senal de salida S5 S8.

Figura 5.14: Senales de entrada y salida del modulador de fase caso2.

Para lograr la salida S5 S8 se hizo la tabla de verdad para D1 y PWM NEG,con esta tabla se logro la solucion en la forma estandar de suma de productosy dando como resultado la senal UNION, a esta senal se le hizo el mismotratamiento y su solucion se muestra a continuacion:


D1 PWM NEG UNION0 0 00 1 11 0 01 1 0

Tabla 5.1: Tabla de verdad D1, PWM NEG.

UNION=D1′ PWM NEG

D2 UNION S5 S80 0 00 1 11 0 11 1 1

Tabla 5.2: Tabla de verdad D2, UNION.

S5 S8=D2′ UNION+D2 UNION′+ D2 UNION

En la figura 5.15 se observa el modulador de fase para el caso2 haciendo usode las expresiones halladas.

Figura 5.15: Modulador de fase caso2.


5.1.4. RESPUESTA EN REGIMEN PERMANENTE(CIC)

La respuesta en regimen permanente figura 5.16 y figura 5.17,se pueden ob-servar la tension de salida, la corriente de salida, la corriente de entrada, lacorriente en la bobina y la tension en la bobina para Vo = 110V y Vo = 80V .Estos resultados se obtuvieron en el simulador PSIM R©9.0.

Figura 5.16: Respuesta en regimen permanente, Vo = 110V y Ponom.

Figura 5.17: Respuesta en regimen permanente, Vo = 80V y Ponom.

Capıtulo 6

ANALISIS DE RESULTADOS

Este capıtulo se ha destinado a comparar los resultados obtenidos con elcontrol por corriente pico y el control por corriente promedio en el DAB,realizando distintos tipos de pruebas a cada uno para ver la estabilidad delos lazos de control, esto con el fin de encontrar las ventajas o desventajasque el control nos puede brindar en el convertidor DAB.

Prueba No1

En primer lugar, se observo el tiempo de establecimiento de cada uno de loscontroles figura 6.1 a valores nominales de potencia. De la figura se evidenciaque el tiempo de establecimiento para el CIC propuesto es mucho mas rapidoque el control por corriente promedio.

Prueba No2

Se realizo un barrido de potencia a 10 % figura 6.2, 50 % figura 6.3 y 90 %figura 6.4 de la potencia nominal.

En las figuras 6.2, 6.3, 6.4 se observa que al variar los valores de Po el lazo decontrol propuesto mantiene su respuesta en el tiempo llegando a los valoresde tension y corrientes de referencia. Por otra parte, el lazo de corrientepromedio se logran obtener los valores de tension y potencia requeridos, perohaciendo el lazo mas lento para potencias menores a la nominal, la respuestadel ACC es mas rapida para valores por encima de la potencia nominal.

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(a) Respuesta en el tiempo Vo y IL del DAB con CIC para Vo = 115V a potencia nominal,ts=3.1ms

(b) Respuesta en el tiempo Vo y IL del DAB con ACC para Vo = 115V a potencia nominal,ts=12.4ms

Figura 6.1: Respuesta en el tiempo de Vo y IL, para el CIC y ACC a potencianominal.

44 CAPITULO 6. ANALISIS DE RESULTADOS

(a) Respuesta en el tiempo Vo y Io del DAB con CIC para Vo = 115V , P=2kW, ts=2.77ms

(b) Respuesta en el tiempo Vo y Io del DAB con ACC para Vo = 115V , P=2kW, ts=130ms

Figura 6.2: Respuesta en el tiempo de Vo y Io, para el CIC y ACC, P=2kW.

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(a) Respuesta en el tiempo Vo y Io del DAB con CIC para Vo = 115V , P=10kW, , ts=2.87ms

(b) Respuesta en el tiempo Vo y Io del DAB con ACC para Vo = 115V , P=10kW, ts=25ms



(a) Respuesta en el tiempo Vo y Io del DAB con CIC para Vo = 115V , P=18kW, ts=3ms

(b) Respuesta en el tiempo Vo y Io del DAB con ACC para Vo = 115V , P=18kW, ts=13.8ms


Potencia 2kW 10kW 18kW 20kWts DAB con CIC 2.77ms 2.87ms 3ms 3.1msts DAB con ACC 130ms 25ms 13.8ms 12.4ms

Tabla 6.1: Tiempos de establecimiento del convertidor DAB con CIC y ACC,para diferentes valores de potencia, Vo = 115V y Vi = 540V .

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Prueba No3

Analisis comportamiento de los sistemas ante la variacion de la carga a lamitad de su valor nominal figuras 6.5 y 6.6.

Figura 6.5: Comportamiento del sistema ante escalon de cargaRload=Rload/2, CIC a potencia nominal.

En la figura 6.5 se observa que el pico de corriente en la bobina de Tϕ a T/2esto es debido a que al disminuir el valor de la carga la corriente de salidaaumenta y por consiguiente la tension de salida disminuye llegando a valorespor debajo de los 108V, el control CIC propuesto logra mantener el desfaseentre puentes igual por lo cual el valor de la corriente iL es el mismo en elinstante Tϕ y sus pendientes van a cambiar ya que la salida va a requerir demas corriente.

Figura 6.6: Comportamiento del sistema ante escalon de cargaRload=Rload/2, ACC a potencia nominal.


En la figura 6.6 se observa que el pico de corriente en la bobina aumenta.La tension de salida disminuye, el valor promedio de la corriente de salida semantiene en su valor de referencia esto debido a que el control se diseno paraun lazo de corriente simple en el cual nos interesa controlar solo la corrienteIo.

Prueba No4

Analisis comportamiento de los sistemas ante la variacion de la carga al doblede su valor nominal figuras 6.7 y 6.8.

Figura 6.7: Comportamiento del sistema ante escalon de cargaRload=2Rload, CIC a potencia nominal.

En la figura 6.7 se observa que el pico de corriente en la bobina se mantienecontrolado en su valor de referencia y la potencia de salida es menor a lapotecia nominal.

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Figura 6.8: Comportamiento del sistema ante escalon de cargaRload=2Rload, ACC a potencia nominal.

De la figura 6.6 se observa que el pico de corriente en la bobina aumenta.La tension de salida aumenta, el valor promedio de la corriente de salida semantiene en su valor de referencia por lo cual la potencia de salida aumenta,se puede agregar un lazo de tension externo si se desea controlar la tensionde salida en su valor de referencia.

Prueba No5

Analisis comportamiento de los sistemas ante pruebas de corto circuito figu-ras 6.9 y 6.10.

Figura 6.9: Comportamiento del sistema ante prueba de corto circuito, CIC.

En la figura 6.9 se observa que el control propuesto no es estable ya quese esperaba que el sistema se comportara como una fuente de corriente de


salida controlada, se obtuvo que ante la prueba de corto circuito Io sufre uncambio a casi 310A, este valor se obtuvo al hacer la prueba en todo el rangode tension de salida.

Se espera en trabajos futuros mejorar el lazo de control propuesto al agregarlelazos externos ya sea de corriente Io o de tension Vo los cuales proporcionenuna referencia adecuada para los picos de iL, para poder controlar otrasvariables del sistema, no solo la potencia de salida y el pico de corriente enel inductor.

Figura 6.10: Comportamiento del sistema ante prueba de corto circuito, ACC.

En la figura 6.10 se observa que el control por corriente promedio permaneceestable ya que el sistema se comporta como una fuente de corriente contro-lada.

En terminos generales el control por corriente pico propuesto brinda una res-puesta dinamica buena y rapida, manteniendo el pico de corriente amarradoa los valores de referencia para las pruebas de escalon de carga, variando unpoco en comparacion con el ACC la tension de salida y ajustando la potenciade salida en base a la carga que se maneje.

El diseno del control es un circuito facil de implementar y con muy buenasprestaciones, pero no se logra realizar un modelo dinamico que permita hacerun analisis en el dominio de la frecuencia, esto con el fin de poder disenar unlazo de control externo que nos permita ajustar el valor de referencia segunlos valores de tensiones o corrientes de salida medidos.

Capıtulo 7

CONCLUSIONES

Se modelo y simulo en PSIM un convertidor DAB con control por co-rriente promedio ACC y control por corriente pico CIC con los siguien-tes valores de operacion Po = 20kW , 62,5V < Vo < 125V , Vi = 540V ,n = 0,2, F = 20kHz y L = 10,55µH. El control propuesto en el capıtu-lo 5 brinda una solucion facil de implementar al cambio de pendientepresentado en el inductor del convertidor DAB, hecho que hacıa difıcilaplicar este tipo de control a dicho convertidor ya que el cambio dependiente se genera al cambiar el flujo de potencia o al superar la re-lacion de espiras del transformador. Logrando resultados satisfactoriosya que se pudo controlar el pico de corriente en el valor de referenciasuministrado, generando el desfase entre puentes necesarios para lograrla potencia y tensiones deseadas.

Se logro estudiar e implementar en el simulador las ecuaciones que mo-delan el comportamiento de iL para conocer su pendiente a diferentesvalores de Vo, Vi, L y ϕ en los diferentes intervalos de tiempo en quesuceden ya que su valor se repite cada medio ciclo con senales inverti-das, al observar este hecho se comprobo que el ancho de pulso y desfaseque se debe generar en el puente de salida se obtienen en los instantesTϕ y TS/2 + Tϕ.

El modelo de pequena senal hallado en [15] fue de gran ayuda a la horade conocer el comportamiento del DAB en el dominio de la frecuenciay el tipo de control que se puede emplear para controlar la tension ocorriente de salida, por otra parte no se logro encontrar un modelo depequena senal para la corriente en la bobina como en 16, 18, 19 yaque esta presenta cuatro valores de pendientes diferentes en un ciclo detrabajo y es simetrica con respecto al origen.

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52 CAPITULO 7. CONCLUSIONES

Se evidencia que los valores picos de iL se van a encontrar en los ins-tantes de tiempo Tϕ o TS/2, y van a depender del flujo de potencia quese maneje, ya sea del puerto de salida al puerto de entrada o viceversa.

La rampa de compensacion no fue necesaria de agregar en el presenteproyecto como se investigo en 17, 18 y 19 ya que se logro que el sistemafuera estable, logrando el valor de desfase entre puentes calculado, sinnecesidad de esta.

El sistema propuesto se vuelve inestable ante la prueba de corto circuitoya que no logra funcionar como una fuente de corriente controlada,perdiendo la conmutacion por desplazamiento de fase simple ya queVAC2 toma el valor de 0V.

El control por corriente promedio da la posibilidad de agregar un lazode tension externo Vo lo cual es importante ya que si el lazo interno decorriente no funciona correctamente es el lazo externo quien proporcio-nara estabilidad al sistema.

El CIC propuesto brinda una respuesta rapida en comparacion con laACC como se observa en la siguiente tabla:

Potencia 2kW 10kW 18kW 20kWts DAB con CIC 2.77ms 2.87ms 3ms 3.1msts DAB con ACC 130ms 25ms 13.8ms 12.4ms

Tabla 7.1: Tiempos de establecimiento del convertidor DAB con CIC y ACC.

En terminos generales el control propuesto permite que el pico ins-tantaneo de iL en Tϕ tenga el mismo valor de referencia suministradotanto para las pruebas de escalon de carga como para las pruebas acarga nominal, variando un poco en comparacion con el ACC la ten-sion de salida y ajustando la potencia de salida en base a la carga quese maneje.

Aunque se obtuvieron buenos resultados con el CIC, el control porcorriente promedio se puede disenar teniendo como base el modelo depequena senal investigado en [15], el cual nos indica el comportamientodel DAB en el dominio de la frecuencia, dando la posibilidad de disenar

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un tipo de control ya sea PI o PID ajustando los margenes de fase ymagnitud para la estabilidad del sistema en lazo cerrado.

Capıtulo 8

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56 CAPITULO 8. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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