Análisis, diseño e implementación de un convertidor triple active Bridge con Soft Switching

Abstract

En este proyecto se desarrolla el diseño y la implementación de un convertidor multipuerto bidireccional que conmuta a tensión cero (ZVS) o a corriente cero (ZCS), a pesar de la variación de las tensiones en cada puerto. El convertidor multipuerto consta de tres puertos, en el puerto 1 está conectado a una pila de hidrogeno con una variación en su tensión de 24V a 42V, el puerto 2 se encuentra conectado a una carga bidireccional a una tensión de 74V y en el puerto 3 se conecta un banco de supercondensadores cuya tensión de funcionamiento varia de 24V a 42V. La conmutación a tensión cero o a corriente cero se debe tener para todo el rango de funcionamiento del convertidor, aunque las tensiones en cada puerto varié. La potencia máxima en el convertidor es de 1kW, esta potencia puede ser entregada y recibida por uno o dos de los tres puertos. Para lograr tener ZVS o ZCS en todos los interruptores para todo el rango de funcionamiento del ángulo de desfase (φ∈[-1;1]), es necesario que los voltios-segundos en cada bobinado del transformador sean iguales. Esto se logra variando el ancho de las tensiones rectangulares que se tiene en el primario y en los dos secundarios del transformador. El método que se aplica para variar el ancho de las tensiones rectangulares es desarrollado en el capítulo 2 en un convertidor Dual Active Bridge (DAB). En este capítulo, se realiza el análisis de todas las formas posibles de funcionamiento del convertidor DAB, presenta las condiciones que se debe cumplir para conmutar a ZVS o ZCS y presenta las desventajas de la modulación por fase desplazada. En el capítulo 3 se realiza es análisis del funcionamiento del Triple Active Bridge (TAB). Presenta un circuito equivalente compuesto por tres DAB conectados en una configuración en triangulo, a través de un transformado de tres bobinados. Se realiza una extensión del método para tener ZVS o ZCS de un DAB en los tres puentes del TAB. En el capítulo 4 se realizan las simulaciones del TAB para diferentes condiciones de funcionamiento, en donde se comprueba que el método aplicado para tener ZVS y ZCS funciona de forma satisfactoria. En el capítulo 5 se presenta los preliminares de la implementación del convertidor TAB. En estos preliminares se muestra a través de figuras el diseño real del convertidor y se describe las partes que lo conforman. Finalmente en el capítulo 6 se presenta las conclusiones sobre el proyecto desarrollado y se proponen algunas mejoras del proyecto. Palabras claves: Convertidor bidireccional, convertidor multipuerto, conmutación suave, supercondensadores, conmutación a tensión cero (ZVS), conmutación a corriente cero (ZCS) y convertidor con tres puertos.