Estudio comparativo de un convertidor CC-CC en puente completo con dispositivos semiconductores basados en silicio y en nitruro de galio

Gómez Méndez, Álvaro (2016). Estudio comparativo de un convertidor CC-CC en puente completo con dispositivos semiconductores basados en silicio y en nitruro de galio. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Estudio comparativo de un convertidor CC-CC en puente completo con dispositivos semiconductores basados en silicio y en nitruro de galio
Autor/es:
  • Gómez Méndez, Álvaro
Director/es:
  • Uceda Antolín, Javier
  • Molina, José María
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Julio 2016
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

El objetivo de este TFG es desarrollar 2 convertidores CC-CC en puente completo controlado con la técnica de desfase entre ramas o phase-shift, utilizando dispositivos de Silicio (Si) y de Nitruro de Galio (GaN). Los dispositivos de Silicio son muy comunes en las fuentes de alimentación auxiliares, mientras que los de Nitruro de Galio, son relativamente nuevos, y su estudio presenta un gran atractivo de cara a las futuras fuentes de alimentación, por sus características, que permiten aumentar la densidad de potencia de las mismas. En este trabajo, ambos convertidores serán controlados mediante la SpCard (herramienta de prototipado rápido), con el fin de comparar estas dos tecnologías. Este TFG pretende valorar las ventajas de emplear componentes de GaN en el diseño de convertidores continua-continua de baja potencia, además de valorar las dificultades añadidas en el diseño como consecuencia del aumento de la frecuencia de conmutación, especialmente empleando un sistema de prototipado rápido como la SpCard. Para ello, en primer lugar se ha comenzado por un análisis de la topología en cuestión para comprender su funcionamiento con detalle. El convertidor de puente completo, ampliamente conocido como Full-Bridge, es un convertidor CC-CC con aislamiento galvánico, y está formado por un condensador de entrada, un puente inversor de transistores, un transformador de alta frecuencia para proporcionar dicho aislamiento galvánico, un puente rectificador de diodos y un filtro LC de salida. Su funcionamiento básico es el siguiente: La corriente continua de entrada se transforma en alterna de onda cuadrada en el puente inversor ya que, cuando conducen los transistores M1 y M4 a la vez se aplica una tensión positiva al primario del transformador; negativa cuando conducen M2 y M3; y nula en el resto de los casos. En el transformador se le aplica la relación de transformación además de desacoplar galvánicamente primario de secundario. En el rectificador, la onda cuadrada negativa se hace positiva, resultando en una corriente positiva pulsada. Por último, esta corriente pulsada se transforma en continua en el filtro LC. Las pérdidas de este circuito se deben fundamentalmente a dos tipos: conducción y conmutación. Sin embargo, las pérdidas por conmutación se pueden reducir considerablemente si la tensión y la intensidad no conviven en el momento en el que se produce una conmutación. Este fenómeno se denomina soft-swiching. Este circuito favorece su funcionamiento bajo soft-switching en el encendido de los interruptores, lo que se denomina ZVS (Zero Voltage Switching) o "conmutación a tensión nula", de forma natural bajo ciertas condiciones, debido a los elementos parásitos de los componentes que lo forman. Para favorecer este fenómeno, mediante la técnica de phase-shift o desplazamiento de fase entre ramas, se introduce un pequeño retardo entre los disparos de una rama y la otra del puente inversor, siendo los disparos de una misma rama complementarios. Se procede al diseño de dos convertidores: uno con transistores de Si (MOSFETs) a 200 KHz, y otro con transistores de GaN (eGaN FETs) a 1 MHz. Ambos funcionan con una tensión de 12 V de entrada, 5 V de salida y una potencia máxima de 30 W. Se calculan las inductancias y capacidades del filtro de salida para ambos convertidores, así como la relación de transformación del transformador. A continuación, se diseña el circuito de control. El siguiente paso consiste en añadir un circuito de medida de la tensión de salida y la corriente entre el condensador de entrada y el puente inversor, que posibilite la realimentación a la SpCard, habilitando la posibilidad del cierre del lazo de control en un futuro. Una vez desarrollado el esquemático, se diseña un transformador para 1MHz y otro para 200KHz mediante el software Pexprt. El siguiente paso consiste en realizar simulaciones de ambos diseños para comprobar que todo funciona de forma correcta antes de continuar con el desarrollo de estos. A continuación se seleccionan los componentes para ambos circuitos y se procederá al diseño de la PCB de eGaN FETs mediante el software Altium. Se realiza un cálculo de pérdidas para ambos circuitos en el transformador, transistores y diodos, obteniéndose unos rendimientos teóricos muy similares en torno al 78% a plena carga. La siguiente fase corresponde a las pruebas experimentales y se comienza comprobando el funcionamiento del convertidor con MOSFETs, obteniendo como resultado un convertidor bastante robusto, el cual soporta de manera adecuada las condiciones de carga nominales sin llegar a temperaturas demasiado elevadas. Así, es posible obtener las formas de onda más características del convertidor y comprobar el funcionamiento del circuito bajo ZVS, fijando el valor mínimo del tiempo muerto entre los disparos de los MOSFETs. Se extraen las siguientes conclusiones: • El volumen formado por transistores, bobina y transformador es considerablemente inferior (10 veces inferior) en el convertidor de eGaN FETs que en el convertidor con MOSFETs, para la misma potencia, lo que aumenta bastante la densidad de potencia en el caso del convertidor con eGaN FETs. • El coste de desarrollo utilizando tecnología GaN es bastante superior que con la tecnología tradicional de Si. En un primer lugar, los componentes aún son más caros; y en segundo lugar, el diseño y desarrollo de convertidores con esta nueva tecnología requiere el uso de métodos más avanzados y caros de soldadura debido a su encapsulado. • Respecto al tiempo de desarrollo, el convertidor de tecnología GaN, requiere de más tiempo para que los desarrolladores se familiaricen a trabajar con dispositivos tan pequeños y a tan elevada frecuencia. Asimismo, como se ha comentado anteriormente, para la soldadura de estos encapsulados (GaN) se requieren herramientas modernas, cuya falta de disponibilidad han aumentado el tiempo de desarrollo, y hecho del montaje y reparación del convertidor una tediosa tarea.

Más información

ID de Registro: 43168
Identificador DC: http://oa.upm.es/43168/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:43168
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 26 Sep 2016 11:17
Ultima Modificación: 26 Sep 2016 11:22
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