Red adaptativa de conmutación suave para convertidor trifásico en puente activo completo para aplicaciones de vehículos eléctricos

Transcripción

1 1 Red adapaiva de conmuación suave para converidor rifásico en puene acivo compleo para aplicaciones de vehículos elécricos Absrac En ése arículo se presena el conrol adapaivo de un circuio auxiliar para conseguir conmuaciones suaves en los semiconducores principales de un converidor cargador de baerías rifásico, basado en doble puene acivo. Mediane ese sisema se consigue ener ZVS en odo el margen de carga, sin ser necesaria la modificación de los parámeros del circuio ni de los semiconducores principales. Los principios de operación de ese circuio y su conrol se comprobarán experimenalmene en un converidor cargador de baerías de caracerísicas similares al uilizado en el HYBRD TOYOTA PRUS. L. NTRODUCCÓN os converidores CC/CC en aplicaciones de vehículos elécricos pueden cumplir diferenes roles, como la alimenación del moor, de los sisemas de seguridad, sensado, e iluminación enre oros, además de la regeneración de la energía de frenado y carga de la baería [1]. Ese arículo se cenra en los converidores que gesionan la carga/descarga de las baerías. Esos converidores suelen manejar rangos de poencia basane amplios, alcanzando valores máximos del orden de decenas de kw []. Por ello, el esudio de écnicas para aumenar el rendimieno de esos converidores es un ema de gran imporancia. En los vehículos elécricos, el peso y el volumen son facores que afecan noablemene ano en el diseño del vehículo como en el gaso energéico que empleará para desplazarse, de ese modo la densidad de poencia, que se pueda alcanzar es un facor imporane, que depende, en gran medida, de las opologías uilizadas. Los converidores bidireccionales en puene compleo con desfase enre devanados son una alernaiva que bien conocida en la gesión de energía en aplicaciones con vehículos elécricos [], ya que permie ransferir una gran densidad de energía, en comparación con oras opologías, sin que los semiconducores sufran elevados esreses. Una modalidad de esos converidores con la que se alcanzaría una mayor densidad de poencia es la modalidad rifásica. El converidor que se analiza en ese arículo es un converidor con puene acivo compleo rifásico [], cuyo esquema se muesra en la Fig. 1. En el esudio de ese ipo de converidores se observa que al gesionar un flujo de energía alo, ambién se vuelven más vulnerables a las perdidas ano en conmuación como en conducción. Para ello, dependiendo del rango de poencias que se vaya a uilizar, así como la frecuencia de conmuación, se valorará la posibilidad de uilizar ecnología GBT en lugar de MOSFET con el objeo de disminuir las pérdidas en conducción. En ese arículo se esudia la reducción de pérdidas en los semiconducores mediane la uilización de écnicas de conmuación suave, consiguiendo conmuaciones a ensión cero [4] (ZVS, zero volaje swiching). Un modo de conseguir ZVS en los converidores de puene compleo es mediane el aprovechamieno de la energía almacenada en la inducancia de dispersión. Una vez analizado ese ipo de écnicas, se comprobará que en los converidores de puene compleo rifásicos para aplicaciones de vehículos elécricos, en ocasiones, se presenan una serie de problemas a la hora de conseguir ZVS para rangos de poencia medio-bajos, ya que la energía que pueda almacenar la inducancia de dispersión no es suficiene para conseguir conmuación suave en los disposiivos semiconducores, sobreodo en aplicaciones donde se uilice un rafo plano. Para ello se ha uilizado ora écnica conocida como ARCN (Auxiliar Resonan Conmuaion Nework, [5]). La ARCN es una écnica que consise en añadir una rama de inerrupores en paralelo conecados a la rama donde se desee conseguir ZVS a ravés de una bobina (ver circuio ARCN de la Fig. ). Ese circuio se encargará de faciliar la descarga de los condensadores parásios de los inerrupores para que esos puedan conmuar a ensión cero. En ése arículo se presena el esudio de la red ARCN para el converidor de puene acivo compleo rifásico, así como su adapación en función de la carga, así como el cálculo del iempo ideal para conseguir ZVS sin incluir pérdidas adicionales. Ese iempo depende en gran medida del valor de la capacidad equivalene. El converidor llevado a esudio endrá unos parámeros similares, pero con ora opología, a las del converidor uilizado en el HBRD TOYOTA PRUS [6], con unas caracerísicas de 50 kw para 50 V en el lado de la baería, y 500 V en el lado del moor. Ese converidor rabajará bajo las condiciones de carga que exija el moor (y la baería pueda corresponder), de modo que podrá ener ramos de funcionamieno a muy diferenes valores de carga, por lo que el objeivo será conseguir ener ZVS para odo el rango de carga. Fig. 1. Converidor con puene acivo compleo.

2 . ANÁLSS DEL CONVERTDOR PUENTE ACTVO TRFÁSCO COMPLETO CON ARCN En el circuio de la Fig. se muesra el converidor rifásico con ARCN que consise en eapas inversoras rifásicas bidireccionales, pudiendo hacer las veces de recificador cada una de ellas, conrolando la poencia a ravés del desfase enre devanados. El circuio ARCN consise en añadir un circuio como el mosrado en la Fig. formado por dos inerrupores y una bobina adicional, que se uilizará para faciliar la operación de ZVS para cieros valores de carga. Ese converidor opera en un modo de seis escalones. El conrol en cada devanado, y la suma de las res fases crean una forma de onda de ensión de línea como la que se aprecia en la Fig.. Fig.. Converidor rifásico de puene acivo compleo con ARCN. () (4) En aplicaciones de ala poencia, especialmene donde se manejen alos valores de corriene, el valor de la C equ en los semiconducores se ve incremenado. Observando (4), podremos deducir que para comporamienos de baja carga se precisa de un exra de energía para poder descargar los condensadores. Por ello con la ayuda de la ARCN se conseguirá que la suma de alcance el valor de y así descargar los condensadores parásios anes de que se produzca el disparo, consiguiendo ZVS. Según aumena la carga se aprecia un aumeno de la energía disponible en la inducancia de dispersión, por lo que precisaremos de menos energía de la inducancia de la ARCN, hasa llegar a no ser necesaria la conexión del circuio auxiliar. E E Cequ V 1 E Lr E Llk E Llk= E Lr 1 T 6 Fig.. Tensión de fase en el ransformador. Para conseguir ZVS en ese converidor podemos uilizar la inducancia de dispersión del ransformador, complemenando con el circuio ARCN cuando sea oporuno, y el iempo que sea necesario en cada esado de carga. Se podrá conseguir ZVS sin circuio auxiliar siempre y cuando la energía disponible en la inducancia de dispersión sea mayor que la almacenada en los condensadores parásios de cada rama. Como se observa en las ecuaciones (1) y () ésa condición esará sujea a las condiciones de carga del converidor. T CARGA Fig. 4. Energías en los elemenos que inervienen para conseguir ZVS. Asumiendo que el funcionamieno de las res ramas, es exacamene igual salvo que desfasadas 10º, el análisis se cenra en la rama de los inerrupores M1 y M, unida al circuio ARCN formado por L r y los inerrupores M1arcn y Marcn. (1) () Siendo C equ la capacidad equivalene de cada rama principal, dependiene de la capacidad parásia de los inerrupores, L lk la inducancia de dispersión del ransformador e p la corriene pico por el ransformador. Fig. 5. Circuios equivalenes del funcionamieno de la ARCN. Con el circuio ARCN, se inroduce un nuevo facor en la ecuación (). Ese circuio auxiliar, uiliza un inducor como elemeno de almacenamieno exra, en () se observa la ecuación resulane.

3 llegando a anularse anes de que se produzca el disparo a ensión cero de M. V GS De ese modo en la Fig. 5.e se aprecia que M esá conduciendo y que la corriene por la rama auxiliar ha desaparecido hasa la siguiene conmuación de la rama M1, M. V GS. CONSDERACONES EN EL DSEÑO M arcn D 1 arcn Lr v C1 v C Tarcn arcn arcn Tf Fig. 6. Formas de onda durane las diferenes fases reflejadas en Fig. 5. En la Fig. 5.a. se puede observar el esado inicial del converidor, unos insanes anes de acivar la ARCN. Mienras el inerrupor M1 esá conduciendo, M se encuenra en bloqueo y su capacidad parásia se encuenra cargada al valor de la ensión. En la Fig. 5.b. se aciva el inerrupor Marcn, de modo que aparece una corriene por su bobina Lr. Alcanzando su valor máximo ranscurrido Tarcn, que coincidirá con el bloqueo del inerrupor M1 y Marcn. En la Fig. 5.c. se observa que se bloquean ano M1, como Marcn, obligando a conducir al diodo parasio de M1arcn. En ese inervalo se descarga C, del inerrupor M, y se carga C1, del inerrupor M1. Los inducores Lr y Llk resuenan con las capacidades parásias, hasa que la ensión en C llegue a 0 V, y en C1 a. En la Fig. 5.d se observa como C1 ya ha alcanzado el valor de y el flujo de corriene desaparece. Sin embargo, el flujo de corriene que descarga la inducancia Lr se maniene a ravés del diodo parasio de M, y el diodo parasio de M1arcn, La descarga de las capacidades parasias de los inerrupores se hace a ravés de la corriene por la inducancia de dispersión del ransformador, y la inducancia L r. De ese modo, por medio de los siguienes cálculos se especifican los parámeros de la ARCN así como del iempo que debe esar conecada en función de la carga con la que rabaje el converidor. En primer lugar esableceremos el crierio, por el cual se definirán los parámeros de la red ARCN, los cuales son el valor de la inducancia Lr, y en función de eso, el inerrupor que uilizaremos con el fin de soporar las condiciones de corriene que pasan a ravés de la ARCN. Lr se calcula llegando a un compromiso de los parámeros de iempo (Tarcn), amaño de L y corriene por el circuio auxiliar. Se ajusará el iempo con el objeo de que Tarcn sea mucho menor que el periodo de conmuación, y eniendo en cuena que para valores de inducancia muy bajos, el pico de corriene por el circuio auxiliar será mayor. Hay que ener en cuena que el amaño de Lr influirá en la canidad de corriene que circulará por los semiconducores de la ARCN, como se observa en la ecuación (5). (5) De la ecuación (4) y (5) deducimos la ecuación (6), la función maemáica que represena la condición adapaiva de la ARCN en función de la carga. Esa función esá definida en dos pares, debido que a parir de ciero puno de rabajo (, ecuación (8)) ya no es necesario su conexión. Si (6) Si Siendo 0 (7) Esa función fija el valor de iempo que los inerrupores de la red ARCN ienen que esar acivos para conseguir ZVS. Por ejemplo, en la Fig. 7 se muesra el resulado obenido para el caso del converidor diseñado con parámeros similares al (8)

4 4 converidor HYBRD TOYOTA PRUS, eniendo en cuena que la capacidad parásia de los MOSFET es de nf, y que se han colocado 4 en paralelo, para disminuir pérdidas en conducción, por lo que la capacidad equivalene en cada uno será de 8 nf. El valor de la inducancia de dispersión es de 1 uh en cada devanado, y el de la inducancia de la ARCN de 5 uh. En Fig. 7 se aprecia que para esos parámeros solo es necesario el uso de la ARCN hasa rabajar enre un 50 % de carga y vacio, como ya se dedujo mediane (8). lo que las perdidas ambién se ven afecadas. El circuio auxiliar ambién provoca pérdidas en sus propios semiconducores y en su bobina. arcn arcn ( s ) x10 7 o Fig. 9. Corriene por los MOSFET principales. CARGA Fig. 7: Duración del pulso en la ARCN en función de la carga Una vez deerminado el valor de la inducancia de la ARCN se deermina el valor de la corriene que deben de soporar los inerrupores de la ARCN. La corriene que pasa por la inducancia L r iene la forma que se observa en Fig. 8. A parir de la corriene mosrada en la Fig. 9 se calculan las perdidas dependienes de la R ds equivalene en conducción del semiconducor principal. Como se ha presenado en ese aparado, la adapabilidad de la ARCN, permie reducir las pérdidas en la ARCN, pero a su vez ambién inroduce nuevas pérdidas que a la hora de calcular el rendimieno global deberán enerse en cuena. V. RESULTADOS EXPERMENTALES arcn Lr o Para comprobar los resulados obenidos mediane cálculo eórico y simulación se consruye el siguiene prooipo de la Fig. 11 consruido a ravés del circuio de la Fig. 10 con objeo de demosrar el funcionamieno del conrol adapaivo para el circuio ARCN. Fig. 8. Corriene por Lr. En ese aparado se ha considerado que el sisema es equilibrado, de modo que en el caso de un sisema desequilibrado, la inducancia de dispersión de cada fase es diferene, de modo que el circuio auxiliar se podrá ajusar al valor adecuado en cada fase, disminuyendo las diferencias relaivas por el desequilibrio. Fig. 10. Esquema del circuio del prooipo El converidor iene las siguienes caracerísicas: V in =500 V P o =1. kw V o =50 V f c =40 khz N p /N s = C n =8 nf V. ESTUDO DE PÉRDDAS PARA EL CONVERTDOR CON ARCN Tras conseguir el objeivo de ZVS, se reducen las perdidas en conmuación en los semiconducores de forma significaiva, ya que en aplicaciones de vehículos elécricos de ala poencia, ésas pueden alcanzar valores alos. El nuevo converidor, disminuye las perdidas en odo su rango de carga, pero a su vez, la inroducción del circuio ARCN en el converidor, modifica la corriene por los semiconducores principales M (la corriene por los inerrupores sin ARCN se puede enconrar en [7]), por Fig. 11. Prooipo.

5 5 Para la discreización de la función de la Fig. 1 y su implemenación en el conrol se han esablecido esados en función del esado de carga, en la Tabla 1 se muesran dichos valores. arcn (s ) x10 7 Fig. 14 Fig. 1. Adapación de la ARCN para el prooipo propueso. Se ha elegido una FPGA Sparan para el conrol por su simplicidad a la hora de gobernar los numerosos pulsos, los desfases o el conrol de la ARCN. Esado de Tarcn carga(load) (us) Load< 5 % 0, us 5 %< Load < 40 % 0,5us 40 %< Load < 50 % 0,15us Tabla 1. Valores de iempo conecado por inervalos de carga. Los primeros resulados se han obenido a condiciones de baja carga y parámeros inferiores a los nominales. En Fig. 1 y Fig. 14 se observa V ds del Mosfe M1, así como V gs del mismo Mosfe. También se muesra V gs de Marcn y la corriene arcn por la bobina L r. Ambos casos han sido obenidos bajo las mismas condiciones de carga, pero en la Fig. 1 se aprecia como la conmuación se ha conseguido bajo condiciones de ZVS ya que se ha configurado el sisema con el iempo de ARCN adecuado, mienras que en Fig. 14 la conmuación se realiza sin ZVS ya que T arcn era de un valor inferior al esimado para ese valor de carga. V. CONCLUSONES Se propone un conrol adapaivo para un circuio auxiliar ARCN para conseguir ZVS en los inerrupores principales de un converidor rifásico con puene acivo. El conrol aciva el circuio auxiliar el iempo necesario para conseguir disminuir las perdidas el iempo adecuado de manera que no añada más perdidas al circuio. Los resulados finales del prooipo serán incluidos en la versión definiiva. REFERENCES [1] D.M. Bellur, M.K. Kazimierczuk, "DC-DC converers for elecric vehicle applicaions," Elecrical nsulaion Conference and Elecrical Manufacuring Expo, 007, Vol., No., pp. 86-9, -4 Oc [] R.W De Doncker, A.A. D.M. Divan, M.H. Kheraluwala, "A hree-phase sof-swiched high-power-densiy DC/DC converer for high-power applicaions," ndusry Applicaions, EEE Transacions on, Vol.7, No.1, pp.6-7, Jan/Feb [] J. Waler, R.W De Doncker, "High-power galvanically isolaed DC/DC converer opology for fuure auomobiles," Power Elecronics Specialis Conference, 00. PESC '0. 00 EEE 4h Annual, Vol.1, No., pp. 7- Vol.1, June. [4] L.Zhu, "A novel sof-commuaing isolaed boos full-bridge ZVS-PWM DC-DC converer for bidirecional high power applicaions," Power Elecronics Specialiss Conference, 004. PESC EEE 5h Annual, Vol., No., pp Vol., 0-5 June 004. [5] J.G. Cho, J.A. Sabae, F.C. Lee, "Novel full bridge zero-volage-ransiion PWM DC/DC converer for high power applicaions," Applied Power Elecronics Conference and Exposiion, APEC '94. Conference Proceedings 1994., Ninh Annual, Vol., No., pp Vol.1, 1-17 Feb [6] A. Khaligh, "Sabiliy Crieria for he Energy Sorage Bi-direcional Dc/Dc Converer in he Toyoa Hybrid Sysem," Vehicle Power and Propulsion Conference, 007. VPPC 007. EEE, Vol., No., pp.48-5, 9-1 Sep [7] D. Segaran, D.G. Holmes, B.P. McGrah, "Comparaive analysis of single and hree-phase dual acive bridge bidirecional DC-DC converers," Power Engineering Conference, 008. AUPEC '08. Ausralasian Universiies, Vol., No., pp.1-6, Dec Fig. 1