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

Abstract

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.

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.