Propuestas de diseño modular y agrupación en paralelo del convertidor elevador síncrono para sistemas de alimentación bidireccionales

Resumen

En esta tesis se desarrolla el concepto de módulo de potencia y, por extensión, de un convertidor modular, definido como aquél que está formado por dos o más módulos de potencia. Esta premisa de agrupación modular se desarrolla en el marco particular de las aplicaciones bidireccionales, en las que se imponen unos márgenes de funcionamiento amplios a las etapas de potencia. Tras presentar el concepto básico de agrupación modular, se desarrollan las posibles alternativas que existen para la agrupación de dos o más módulos, analizando las ventajas, los inconvenientes y las características que debe cumplir el módulo de potencia en cada caso. Tras esto, se plantea el análisis de una topología en concreto para validar el concepto de agrupación modular. Concretamente, se analiza el convertidor elevador síncrono trabajando en modo QSW-ZVS. Posteriormente, se desarrolla sobre este módulo la agrupación en paralelo y se promueven varias técnicas de optimización del rendimiento del convertidor modular resultante. Por último, se analiza la optimización del módulo de potencia mediante la adopción de dispositivos semiconductores de banda prohibida ancha, y las potenciales mejoras que estos dispositivos brindarían al convertidor modular. Los recursos energéticos han sido explotados de una forma directa por los seres humanos desde la edad de los metales. Como consecuencia de la revolución industrial, la demanda de los recursos energéticos se incrementó notablemente, a medida que la sociedad reclamaba un consumo cada vez mayor de energía. La diversificación de las fuentes energéticas basadas en combustibles fósiles permitió una rápida evolución tecnológica de la sociedad hasta el momento actual. Sin embargo, las reservas de estas fuentes de energía son cada vez menores y el uso de combustibles fósiles ha llevado a una situación de peligro medioambiental grave, debido a las emisiones de efecto invernadero causadas por la explotación de estas fuentes de energía. Por lo tanto, la sociedad actual se enfrenta a un importante reto de búsqueda y explotación de otras fuentes de energía (típicamente, las llamadas energías renovables) así como a un uso más eficiente (o más inteligente) de la energía. Ligado a esta búsqueda de nuevas fuentes de energía, en los años más recientes han proliferado el estudio y análisis de los convertidores bidireccionales, es decir, sistemas electrónicos capaces de transformar el formato de la energía eléctrica y de manejar un flujo de potencia en, al menos, dos sentidos. Estos convertidores están ligados a los sistemas de almacenamiento de energía, que, por extensión, aparecen de una manera muy habitual en las aplicaciones de gestión eficiente (o gestión sostenible) de la energía. Un ejemplo sencillo del funcionamiento de estos convertidores puede verse en el caso en el que las condiciones de funcionamiento de un sistema permitan generar más energía de la que se está consumiendo. En ese instante, el convertidor bidireccional permite trasladar esa energía al sistema de almacenamiento. Posteriormente, si se reclama un mayor consumo de energía y la fuente principal es incapaz de acometer esa demanda, el convertidor bidireccional descargará el sistema de almacenamiento. De esta forma, la energía está siendo usada de una manera más eficiente. En el primer capítulo de esta tesis se recoge un estado del arte de las principales topologías bidireccionales, tanto sin aislamiento galvánico como con aislamiento galvánico. Se analizan las ventajas y desventajas de cada una, poniendo especial énfasis en su uso futuro dentro de las aplicaciones de gestión de energía. El capítulo se finaliza con una breve comparativa de todas las topologías analizadas. La idea fundamental que se desarrolla en esta tesis es el concepto de convertidor modular, la agrupación modular y los módulos de potencia. Como ya se ha citado anteriormente, el convertidor bidireccional ha de tener un rendimiento muy elevado si se persigue que el rendimiento global del sistema de gestión de energía sea netamente eficiente (o, en otras palabras, que sea más eficiente almacenar energía que desperdiciarla). La pregunta inherente que subyace a esta reflexión es cómo mejorar el rendimiento de un convertidor bidireccional (y, en general, de cualquier convertidor). En esta tesis se desarrolla una posible solución, que pasa por sustituir un único convertidor por la agrupación de varios convertidores más sencillos, capaces de lograr un funcionamiento similar (en prestaciones) al primero, pero logrando un rendimiento mejor. Este es el concepto básico de agrupación modular. Se entiende, por lo tanto, que un módulo de potencia es un convertidor que ya no es posible escalarlo más en términos de potencia, o que no resulta viable dividirlo más. La agrupación de varios módulos de potencia, su control y su funcionamiento conjunto dan lugar al concepto de convertidor modular, entendido éste como el formado por varios módulos de potencia. La mejora fundamental del rendimiento que puede obtenerse como consecuencia de una agrupación modular, se debe a las leyes de escala que se aplican cuando se divide el problema original (un único convertidor) en varios problemas más sencillos (módulos de potencia). Al escalar la potencia, se está escalando o bien la corriente, o bien la tensión, o bien ambas,. Con unas solicitaciones menores de tensión y corriente es posible utilizar dispositivos semiconductores, inductancias y condensadores de mejores prestaciones, lo que conlleva un rendimiento mejor del módulo de potencia y, por extensión, del convertidor modular resultante. Así pues, en el segundo capítulo de esta tesis se analiza este concepto de agrupación modular y las distintas alternativas existentes (en cascada, agrupación en serie a la entrada y a la salida, agrupación en paralelo a la entrada y a la salida, agrupación en paralelo-serie o en serie-paralelo y agrupación mixta). Para cada caso se desarrollan las leyes de escala impuestas y las principales ventajas e inconvenientes de cada agrupación. Posteriormente, se enfatiza sobre la estrategia de control del convertidor modular (es decir, cómo han de gestionarse los módulos para que l convertidor modular sea viable). Por último, se cierra el capítulo con un posible algoritmo de diseño que ha de seguirse si se quiere implementar un convertidor modular a partir de una especificaciones de partida. Los capítulos tres y cuatro de esta tesis recogen un posible ejemplo y validación de una agrupación modular particularizada en un módulo concreto (el convertidor elevador bidireccional operando en modo crítico con transición resonante, que se llamará en adelante QSW-ZVS) y una agrupación concreta (la agrupación en paralelo, que se llamará en adelante IPOP). Concretamente, en el capítulo tres se presenta tanto el análisis estático como dinámico del convertidor elevador síncrono bidireccional operando en modo QSW-ZVS. Este convertidor es el más sencillo de todos los convertidores bidireccionales sin aislamiento galvánico, lo que le hace ser un buen candidato para ser utilizado como módulo de potencia. Además, el modo de operación QSW-ZVS permite reducir drásticamente las pérdidas de conmutación de este convertidor, consiguiendo, así, un rendimiento elevado. Cabe destacar que este modo de operación particular ha sido analizado anteriormente en funcionamiento a frecuencia constante. En esta tesis, sin embargo, se plantea su análisis bajo la premisa de un funcionamiento a frecuencia variable, tanto el análisis estático como dinámico. Posteriormente, se plantea un algoritmo de diseño del convertidor para el modo QSW-ZVS. El capítulo se cierra con la presentación de una estrategia de control sencilla basada en eventos (llamada simplemente control directo) para lograr la operación a frecuencia variable. Como ya se ha citado, en el capítulo cuatro se exponen distintas estrategias de diseño y de control basadas en la agrupación IPOP del convertidor anterior, que se utiliza aquí como módulo de potencia. Con este capítulo se pretende ilustrar la capacidad de adoptar distintas técnicas de control para un convertidor modular, pudiendo llegar a mejorar el rendimiento global del convertidor modular exclusivamente encendiendo, apagando o combinando determinados módulos. Se comparan cuatro estrategias de control posibles, desde el punto de vista del rendimiento: un control equilibrado o entrelazado, un control de encendido secuencial, un control maestro-esclavo no equilibrado y un control por histéresis. Las dos primeras técnicas ya han sido estudiadas anteriormente con profundidad en distintos convertidores. Sin embargo, en esta tesis se plantea una estrategia de control basada en una arquitectura maestro-esclavo para lograr un control entrelazado de cada módulo operando a frecuencia variable. La técnica maestro-esclavo no equilibrada explora la capacidad de combinar módulos que manejen distintas potencias para lograr una curva de rendimiento más optimizada, encendiendo o apagando módulos de una manera similar al encendido secuencial. Esta estrategia de control puede llevarse al límite desencadenando la estrategia de control por histéresis presentada al final de este capítulo. Por último, el capítulo quinto de esta tesis se ha dedicado al análisis de dispositivos semiconductores de banda prohibida ancha, concretamente a los dispositivos de carburo de silicio (SiC) y de nitruro de galio (GaN) y las posibles mejoras que supondría su uso en el módulo de potencia. Estos dispositivos semiconductores poseen unas características potenciales muy interesantes desde el punto de vista de la electrónica de potencia, puesto que podrían operar con tensiones, temperaturas y frecuencias de conmutación superiores a los dispositivos basados en silicio utilizados hasta ahora. Con la finalidad de explorar estas ventajas teóricas, en este capítulo se estudian tres posibles usos de distintos dispositivos de banda prohibida ancha. En primer lugar, se explora el uso de este tipo de dispositivos con algún montaje utilizado como protección en la conexión del convertidor modular IPOP. Concretamente, se presenta el concepto de rectificador en cascodo basado en un transistor JFET de SiC normalmente cerrado, para su uso como puerta OR para la conexión de los módulos. El rectificador en cascodo se analiza a baja frecuencia y se enfatizan las principales propiedades de esta estructura desde el punto de vista de las pérdidas. En segundo lugar, se plantea la utilización de diodos tanto de SiC como de GaN para paliar la recuperación inversa del diodo parásito del transistor MOSFET de super-unión y mejorar, así, el rendimiento del módulo de potencia. También se plantea el análisis de estos dispositivos si el módulo operase de manera unidireccional. Se realiza una comparación en términos de rendimiento para varias frecuencias de conmutación y se analizan las pérdidas ligadas a la recuperación inversa. Por último, se presentan una serie de resultados obtenidos con el uso de transistores MOSFET de SiC y transistores HEMT de GaN en el módulo de potencia analizado en detalle en el capítulo tres de la tesis y se compara en términos de rendimiento y funcionamiento general con los obtenidos en aquél capítulo para distintas frecuencias de conmutación. Como cierre final de la tesis se recogen las principales conclusiones obtenidas en este trabajo de investigación y las posibles líneas futuras de trabajo relacionadas con esta tesis. The power module concept and, by extension, modular converters (or composite converters), defined as those formed by two or more power modules, are studied in this thesis. This modular concept is developed via bidirectional applications, in which wide voltage and power operational ranges are imposed on the power converters. After a detailed explanation of the modular concept applied to power converters, different modular strategies are presented and analyzed highlighting the advantages and drawbacks of each of them. Once these concepts have been examined, a particular modular converter and a particular power module are analyzed. Specifically, a synchronous boost converter working in quasi-square wave zero voltage switching (QSW-ZVS) mode has been chosen as the power module, and the input parallel, output parallel (IPOP) modular converter has been selected as the study case. Several control strategies are also presented and applied to this IPOP modular converter aimed at improving the overall efficiency of the converter. Finally, an optimization of the power module via the adoption of wide-bandgap (WBG) semiconductor devices is presented, taking into consideration all the potential improvements that these devices might bring to the power stage. Natural energy resources have been exploited by human beings since the discovery of fire. As a result of the industrial revolution, the increase in electric and electronic devices and demand for these energy resources have grown considerably. The diversification of energy resources based on fossil fuels has nowadays allowed an upsurge in technology and science. However, fossil fuel reserves are decreasing day by day and their use has increased greenhouse gas (GHG) emissions drastically. Accordingly, global warming is increasing year by year, endangering the natural environment of the planet. Modern society has to face this challenge by searching for new energy resources (such as renewable energies), as well as more efficient, smarter use of energy. Linked to this search for and use of new energy resources, the study and analysis of bidirectional power converters have grown in recent years in the state of the art. These converters are capable of transforming the energy format and managing energy in two different power fluxes. They are directly related with energy storage systems, often included in smart and sustainable energy systems. As an example of use of these power converters, consider a renewable energy system in which the energy has to be stored during the periods of low demand yet high generation, and in which, this energy might subsequently be extracted in order to fulfill high energy peak demands. Hence, energy is being used more efficiently in comparison to traditional energy systems in which it was wasted instead of being stored during high generation and low demand periods. The first chapter of this thesis presents the state of the art of bidirectional dc/dc power converters. Topologies with and without galvanic isolation are included and analyzed in terms of efficiency, flexibility, cost and reliability. The main advantages and drawbacks of each topology are also discussed. The chapter ends with a brief comparison of all the analyzed topologies. The main concepts addressed in this thesis are those of modular design, modular converters and power modules. As stated previously, if the energy system is considered more efficient, then the power converters involved in this system should have high efficiency, in order to keep the overall energy losses very low. The inherent issue underlying the previous statement is how to increase the bidirectional power converter efficiency. The modular approach is adopted in this thesis, as a possible solution to this problem. Instead of using only one power converter, several basic converters are used. These converters are capable of working together and performing similarly when compared with the way a stand-alone converter behaves, but they are able to achieve an improvement in overall efficiency. A power module is thus defined as a power converter which cannot be divided in other power converters or which is not worth dividing in terms of power. The combination of several power modules (or simply, modules), their control strategy and their connection is called a modular converter. The improvement in efficiency that can be obtained in a modular converter is based on the scale rules which are applied when the original complex problem (a power converter) is divided into several simpler problems (power modules). In the modular converter approach, the power is scaled by the number of modules used. Hence, either current or voltage stresses (or both) can be divided in a power module. Less voltage or current stress means that better devices, in terms of losses and performance, can be used in these power modules (e.g. better transistors, better inductors and better capacitors). A power module can thus be designed with very low losses and, by extension, the modular converter can improve its overall efficiency in comparison to a single converter. In the second chapter of this thesis, the modular concept is studied in depth and six different modular group are analyzed: cascade, input series output series (ISOS), input parallel output parallel (IPOP), input series output parallel (ISOP) or input parallel output series (IPOS) and mixed grouping (i.e. any combination of the previous ones). The theoretical scale rules are presented for each grouping and, once again, the pros and cons are also detailed. Subsequently, a basic control strategy is presented for each power converter (i.e. how the power modules should be controlled in order to obtain a valid modular converter). Finally, a procedure or algorithm for the proper design of a modular converter is presented, taking into account the specifications that must be fulfilled in the final application. Chapters 3 through to 4 present an example of a modular converter, choosing a particular power module (synchronous boost converter working in QSW-ZVS) and a particular modular grouping (IPOP). The static and dynamic behavior of a synchronous boost converter working in QSW-ZVS is explained in chapter 3. This power converter has the simplest bidirectional dc-dc non-isolated topology which fits with the power module concept and requirements. Furthermore, QSW-ZVS operation allows this converter to work under soft-switching conditions, which increases overall efficiency. It should be noted that QSW-ZVS mode has already been analyzed in the literature at constant switching frequency. However, QSW-ZVS with variable switching frequency is adopted in this thesis and is taken into account in the steady state and dynamic behavior analysis. Following the theoretical study, an algorithm to design this particular mode is also presented. Chapter 3 ends with the presentation of a very simple closed-loop control based on events (called direct variable frequency control here) which can be applied to this power converter. Chapter 4 presents the study of an IPOP modular converter formed by the previously analyzed power converter, which plays the role of a power module. Different control strategies are presented in this chapter, the main goal of which is to illustrate the flexibility of a modular converter, and how, by changing only the control strategy, it is possible to improve the efficiency and overall performance of the converter. Four different control strategies are compared in this chapter from the point of view of efficiency: a balanced control, a phase-shedding control (sequential turn-on), an asymmetrical control (also called asymmetrical master-slave control) and a hysteretic control (or intermittent turn-on control). The first two techniques (balanced and phase shedding) have already been studied in the state of the art, and both are very well known. However, a new method to achieve a balanced control applied to an IPOP converter is presented in this thesis. This method is called the master-slave technique and can be used to obtain a balanced modular converter with synchronous boost converters working in QSW-ZVS with variable switching frequency. The phase-shedding control strategy enables improving overall converter efficiency, especially under light load and medium load conditions, by adapting the number of active modules (i.e. modules that are processing power) to the power demand. The asymmetrical master-slave technique is an improvement on the previous technique. This technique combines different modules with different maximum power ratios to improve the efficiency of the modular converter under light load conditions. If this technique is pushed to the limit, then the hysteretic control strategy (or intermittent turn-on) is found to be the optimal control strategy from the point of view of efficiency. The four control strategies are compared in terms of their pros and cons at the end of this chapter. Chapter 5 of this thesis addresses WBG devices, in particular Silicon Carbide (SiC) and Gallium Nitride (GaN) and the potential improvements that these devices might bring to the power module should they be adopted. These devices have a higher breakdown voltage, higher thermal capabilities and a lower channel resistance than silicon (Si) devices. They can hence operate at larger voltage ratios, higher switching frequencies or within a higher temperature range. The main goal of chapter 5 is to explore these potentials. Therefore, three different uses of these devices are studied. First, a cascode rectifier based on a normally-on (n-on) SiC JFET combined with a Si Schottky diode is explored. This cascode rectifier has lower conduction losses than a Si rectifier with the same characteristics (voltage and current ratios). This structure is proposed as a OR stage as security circuit for connecting the modules. Both a static and dynamic characterization of the proposed cascode rectifier are also presented in this chapter in terms of forward voltage, on-resistance, reverse recovery behavior and high frequency operation. The second case studied is the use of SiC and GaN diodes in the power module, to minimize the reverse recovery losses of the super-junction MOSFET body diode used in the converter. These diodes are compared in terms of efficiency at several switching frequencies, taking in consideration the reverse recovery behavior of each of them. Finally, SiC MOSFET transistors and GaN HEMT transistors are used in the power module as a replacement for the Si devices used in chapters 3 and 4. The results obtained here are compared with those obtained in chapters 3 and 4 in terms of efficiency and switching frequency. Finally, the main conclusions, contributions of this research activity and possible future work are summarized in the last chapter of this thesis.