Reguladores de voltaje basados en convertidores con capacitores conmutados

Abstract

"En los últimos años, los nuevos desarrollos tecnológicos demandan sistemas de procesamiento de energía con alta eficiencia y, para aplicaciones que realizan conversión de la energía proveniente de fuentes renovables, una mayor relación de conversión entre los voltajes de entrada y salida. Convertidores conmutados de CD-CD son comúnmente utilizados para elevar el nivel de voltaje en aplicaciones tan diversas como sistemas de energías renovables, sistemas de transporte, sistemas industriales y equipos médicos entre otros. Algunas características deseables en convertidores conmutados de CD-CD son una alta ganancia de voltaje, corrientes de entrada y salida del convertidor no-pulsantes y voltaje de estrés reducido en los dispositivos de conmutación. En este trabajo de tesis, se proponen dos topologías de convertidores elevadores con una alta ganancia de voltaje; la primera de ellas se logra al unir un convertidor elevador convencional con una celda multiplicadora de voltaje y la segunda al unir un convertidor elevador cuadrático con una celda multiplicadora de voltaje. Para ambos convertidores se analizan las condiciones en estado estable y se obtienen todas las expresiones que permiten realizar un diseño apropiado de los convertidores. También se obtienen los modelos en el espacio de estados bilineal conmutado, no lineal promediado y el modelo a pequeña señal. Posteriormente, se obtienen las funciones de transferencia de la corriente en el primer inductor respecto al ciclo de trabajo y la de voltaje de salida respecto al ciclo de trabajo. La respuesta en frecuencia teórica y experimental se comparan para verificar la validez de los modelos. Adicionalmente se diseñan controladores en modo-corriente promedio para construir reguladores conmutados. Se construyeron dos prototipos de 300 W en el laboratorio de procesamiento eficiente de energía, el primero de ellos con un voltaje de entrada de 24 V y un voltaje de salida de 200 V; el segundo con un voltaje de entrada de 24 V y un voltaje de salida de 220 V. Por último, se obtuvieron la respuesta en frecuencia de los lazos de voltaje de manera experimental para garantizar estabilidad y robustez. Por último, se realizaron pruebas con cambios abruptos de carga y se obtuvieron pruebas de eficiencia de conversión; en el primero de los prototipos se obtuvo el 97% de eficiencia, mientras que en el segundo un 82% de eficiencia, ambos a plena carga."

"In recent years, new technological developments require the processing of energy with high efficiency and a wider conversion rate between the input and the output voltages. A common solution is to use switch-mode DC-DC step-up converters for applications such as renewable energy systems, transportation systems, industrial systems and medical equipment among others. Some of the desirable characteristics of the switch-mode DC-DC converters for the above applications are a high gain voltage, non-pulsating input-output currents and a reduce voltage stress in the switching devices. In this doctoral dissertation, two topologies for high gain switching converters are studied; the first one combines a conventional boost converter with a voltage-multiplying cell and the second one combines a quadratic boost converter with a voltage-multiplying cell. The mathematical expressions for the proper design of both converters are given. The corresponding switching bilinear, nonlinear average and linear average models are developed. Furthermore, the corresponding transfer functions for the first inductor current to the duty cycle and output voltage to the duty cycle are also developed. The models are validated by experimental frequency responses of each converter. Later a methodology for the design of the corresponding controllers using average current-mode control is given. In the laboratory, two prototypes were built with a power of 300 W; the first one with an input voltage of 24 V and an output voltage of 200 V, the second one with an input voltage of 24 V and an output voltage of 220 V. The corresponding frequency responses for the voltage loop gains are obtained to show the stability and robustness of the voltage regulator. Experimental test for step changes of load and efficiency are given where the first prototype exhibits an efficiency of 97%, meanwhile for the second one exhibits an efficiency of 82% at full load."