Un convertidor DC-DC aislado de dos etapas para aplicaciones de carga de baterías

     Este artículo propone y analiza un convertidor DC-DC aislado de dos etapas para aplicaciones de carga de vehículos eléctricos, donde se requiere alta eficiencia en un amplio rango de voltajes de batería. El circuito de conversión propuesto comprende una primera etapa de aislamiento con estructura resonante CLLC de dos salidas y un segundo regulador buck de dos entradas. El transformador de la primera etapa está diseñado de tal manera que sus dos voltajes de salida corresponden, idealmente, al mínimo y máximo voltaje esperado para ser suministrado a la batería. Luego, la segunda etapa combina los voltajes proporcionados por la etapa de aislamiento anterior para regular el voltaje de salida del convertidor completo. La primera etapa siempre se opera en resonancia, con la única función de proporcionar aislamiento y relaciones de conversión fijas con mínimas pérdidas, mientras que la segunda etapa permite la regulación del voltaje de salida en un amplio rango de voltajes de batería. En general, se muestra que la solución presenta alta eficiencia de conversión en un amplio rango de voltajes de salida.

1.Introducción.

    El transporte eléctrico está ganando terreno en muchos países debido a las crecientes preocupaciones sobre las emisiones globales de gases de efecto invernadero y el suministro y agotamiento de combustibles fósiles. Estas preocupaciones han impulsado recientemente el crecimiento exponencial de la demanda de vehículos eléctricos (VEs). Tal alta demanda, combinada con el esfuerzo por lograr mayores autonomías y tiempos de carga reducidos, está impulsando nuevas generaciones de VEs que implementan capacidades de batería más altas y tasas de carga. Como consecuencia, se necesitan nuevas estaciones de carga de VEs para suministrar más potencia, más rápidamente que nunca antes.

2.Estructura y Principio de Funcionamiento.

    Como se muestra en la Fig., el convertidor de dos etapas propuesto consta de una primera etapa de aislamiento basada en un convertidor resonante LLC, y una segunda etapa de post-regulador basada en un convertidor buck.   Dicho post-regulador es responsable de la regulación del voltaje de salida y se alimenta mediante un convertidor DCX de alta eficiencia de dos salidas, con voltajes secundarios V1 y V2.   A partir de la Fig., es evidente que la tensión de estrés del post-regulador, es decir, V1−V2, es menor que el voltaje de salida Vo, lo que, consecuentemente, permite utilizar dispositivos de conmutación con menor resistencia en estado de conducción, así como menores pérdidas de conmutación.

3.Diseño de la Etapa LLC Operada como DCX.

     Cuando el tanque resonante LLC se opera a la frecuencia de resonancia, la relación de conversión de voltaje se vuelve idealmente independiente de la carga real. En otras palabras, el convertidor LLC mantiene una relación de conversión de voltaje constante y ajusta automáticamente su corriente, según las condiciones de carga, comportándose como un DCX. En esta condición de operación, el LLC muestra su máxima eficiencia, con un flujo mínimo de potencia reactiva y condiciones de conmutación a tensión cero (ZVS) y corriente cero (ZCS) siempre satisfechas . Notablemente, la operación DCX del LLC no requiere un inductor resonante externo, ya que la ganancia de conversión es fija. Una solución equivalente basada en un FB-LLC resonante diseñado para operar en el mismo amplio rango de voltajes de salida se espera que muestre pérdidas más altas que el LLC en condiciones permanentes de DCX.

4.Conclusión

     Se han reportado experimentalmente rendimientos de conversión que abarcan todo el rango de potencia y voltaje, mostrando alta eficiencia en un amplio rango de condiciones de operación, registrando una eficiencia pico del 98,63% a un voltaje de salida de 500V y 7kW de potencia transferida.   En aplicaciones finales, pueden considerarse conexiones en serie o paralelo de múltiples módulos para escalar las calificaciones de voltaje o corriente de la implementación final, gracias a la salida aislada.   Los estudios futuros pueden incluir controladores en línea para la modulación óptima del convertidor y procedimientos para el diseño óptimo de los componentes del convertidor, como los inductores TBB de salida.

Fuente: IEEE Xplore

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