Partial Power Converters for DC-DC Applications

Resumen

Esta tesis estudia las arquitecturas basadas en el procesamiento parcial de potencia (partial power processing, PPP) para aplicaciones DC-DC. Este tipo de soluciones tienen como objetivo reducir la potencia procesada por el convertidor de potencia. De este modo, se reducen las pérdidas de potencia y el volumen del convertidor. El trabajo comienza con una visión general sobre las estrategias PPP. En este sentido, las diferentes soluciones encontradas en la literatura se clasifican en tres estrategias principales: convertidores de potencia diferencial, convertidores de potencia parcial (partial power converter PPC) y estrategias mixtas. Debido a sus numerosas aplicaciones y a los resultados de alta eficiencia, la tesis se centra en las arquitecturas PPC. Las arquitecturas PPC se dividen en dos grupos: arquitecturas del tipo entrada-serie-salida-series (input-parallel-output-series, IPOS) o entrada-serie-salida-paralelo (input-series-output-parallel, ISOP) y arquitecturas de tipo convertidores de carga fraccionada (fractional charging converter, FCC). La principal diferencia entre las arquitecturas de tipo IPOS-ISOP y las FCC es el hecho de que las primeras requieren topologías aisladas. En esta tesis se analizan las ventajas que aportan ambos tipos de arquitecturas en comparación con las arquitecturas convencionales de convertidores de potencia completa (full power converter, FPC). Las simulaciones y los resultados experimentales concluyen que las arquitecturas de tipo IPOS-ISOP son la solución más prometedora en términos de reducción de volumen, alta eficiencia y bajo coste. Después, se estudian tres aplicaciones de las arquitecturas PPC de tipo IPOS-ISOP para su futura implementación: buque eléctrico, generación de hidrógeno y carga rápida de vehículos eléctricos (VE). Por último, se diseña y valida un PPC de 50 kW para la carga de VE. El convertidor consiste en un puente activo doble (dual active bridge, DAB) y, debido a la configuración del PPC, procesa una potencia máxima de 5 kW. De este modo, se permite la implementación de dispositivos discretos basados en Silicio. El convertidor alcanza una eficiencia máxima del 99.47 %.