Conversor resonante con control de voltaje de entrada y de salida empleado como fuente de alimentación en aplicaciones de generación de ozono

Abstract

En este documento, se analiza y diseña un convertidor resonante conformado por dos etapas, siendo la primera de ellas, un convertidor elevador operando en modo de conducción continua como Bus DC de 400 V a partir del voltaje de red de 220 VAC, esto es, un convertidor AC-DC. Este convertidor posee una red activa que utiliza parte de la energía a ser transferida para lograr conmutar suavemente cada componente semiconductor, para una frecuencia de conmutación de 50 kHz, obteniendo mejoras en la eficiencia energética de esta etapa convertidora. En adición, este convertidor posee un control de dos mallas para obtener corrección del factor de potencia, garantizando un Bus DC estable ante variaciones de carga o línea, con el objetivo de lograr un elevado factor de potencia de entrada en la red. La segunda etapa consiste en un inversor de puente completo y un transformador elevador de voltaje que transformará el Bus DC de 400 V a un voltaje AC en el orden de los kV y para una frecuencia de conmutación de 20 kHz, esto es, un convertidor DC-AC. Los transistores del puente completo trabajan bajo conmutación suave gracias al establecimiento de un comportamiento inductivo de la carga resonante. El voltaje AC generado de 5 kV se aplica a un conjunto de cámaras de descarga empleadas en aplicaciones de generación de ozono. La potencia de entrada del convertidor resonante es de 660 W en comparación a un generador de ozono comercial. El análisis y diseño de este convertidor resonante se valida a través de resultados de simulación en los softwares PSIM y SIMULINK.

In this document, a resonant converter made up of two stages is analyzed and designed, being the first one, a step-up converter operating in continuous conduction mode as a 400 V DC Bus from the 220 VAC network voltage, this is an AC-DC converter. This converter has an active network that uses part of the energy to be transferred to achieve soft switching of each semiconductor component, for a switching frequency of 50 kHz, obtaining improvements in the energy efficiency of this converter stage. In addition, this converter has a two-mesh control to obtain power factor correction, guaranteeing a stable DC Bus in case of load or line variations, in order to achieve a high input power factor in the network. The second stage consists of a full-bridge inverter and a step-up transformer that will transform the 400 V DC Bus to an AC voltage on the order of kV and for a switching frequency of 20 kHz, this is a DC-AC converter. The full-bridge transistors work under soft switching thanks to the establishment of inductive behavior of the resonant load. The generated AC voltage of 5 kV is applied to a set of discharge chambers used in ozone generation applications. The input power of the resonant converter is 660 W compared to a commercial ozone generator. The analysis and design of this resonant converter is validated through simulation results in the PSIM and SIMULINK software.