Estudio y comparativa del control digital y analógico de un convertidor LLC de altas prestaciones

Abstract

El presente Trabajo de Fin de Grado se engloba dentro del concurso “International Future Energy Challenge” (IFEC) patrocinado por la IEEE (“Institute of Electrical and Electronics Engineers”) y la PSMA (“Power Sources Manufacturers Association”) para el periodo de julio 2016 – julio 2017. Dicho concurso reta a universidades de todo el mundo a buscar soluciones en la rama de la optimización de la energía eléctrica en aplicaciones industriales.
El desafío de esta edición es el diseño y construcción de un convertidor DC-DC aislado, con alta densidad de potencia y alta eficiencia para su utilización en centros de datos. Se estima que para el año 2.020 los centros de datos consuman aproximadamente el 10% de la energía eléctrica del planeta. Por lo tanto, un aumento en el rendimiento de los convertidores que gestionan la electricidad conlleva un ahorro de millones de euros a escala global. Debido al requisito de alta densidad de potencia, el diseño se llevará a cabo en un tamaño muy pequeño, que conlleva la reducción de los recursos necesarios para su construcción. Gracias a ello, el dispositivo podrá ser instalado directamente en la placa base del servidor.
Concretamente ha de tener las siguientes características:
.- Transformar una tensión de línea de 360~400 Vdc de entrada en corriente continua a un nivel de tensión de salida de 12 Vdc (± 0.1V), con una potencia de hasta 750 W.
.- Lograr un rendimiento del 96% a plena carga, 97% al 50% de carga, y 91% al 10% de carga.
.- Llevar a cabo el proyecto consiguiendo una solución de reducidas dimensiones para obtener una densidad de potencia superior a 15 kW/L (implica un tamaño menor o igual a 50 cm3, aproximadamente seis veces más pequeño que una lata de refresco).
.- No superar un incremento de temperatura de 40°C respecto a la temperatura ambiente siendo probado con una corriente de aire de 200 LFM (pies lineales por minuto, aproximadamente 5 L/s).
.- Variación de la tensión de salida tras un escalón de carga inferior a 300 mV.
De la misma manera se anima a los diferentes equipos a estudiar el empleo de nuevas tecnologías y materiales, como pueden ser los semiconductores de nitruro de galio (GaN) o de carburo de silicio (SiC), que permiten superar los límites de la tecnología existente. Concretamente, los dispositivos fabricados con nitruro de galio poseen unas capacidades parásitas mínimas, lo que permite alcanzar frecuencias de conmutación mucho más altas sin implicar tantas pérdidas como en los transistores de silicio.
En la actualidad, las soluciones existentes ante este reto se dan en un espacio muy grande y dividido en dos etapas . Desde el equipo de la ETSII-UPM se lanza la propuesta de cumplir las especificaciones realizando la conversión en una única etapa, y en un tamaño mínimo para lograr la densidad de potencia deseada.
En este trabajo se afronta el estudio del control del convertidor de la competición. Para ello se pasa primero por la elección de una topología óptima y el estudio de dicha topología.
Tras el análisis de las ventajas y desventajas que ofrecen los diversos tipos de convertidores, se escogió uno con características resonantes. Esto implica la instalación de un tanque resonante, es decir, un conjunto de bobina y condensador colocado a la entrada del transformador, que se encargará de almacenar y distribuir energía en función del ciclo del conmutación en el que se encuentre, y que filtrará la onda cuadrada creada a partir de la alternancia de los dos transistores del circuito primario. La salida del tanque resonante se asemejará a una senoide. Por la disposición de los elementos resonantes, el convertidor implementado es denominado convertidor LLC, puesto que posee una bobina y un condensador discretos, y utiliza igualmente la inductancia propia del transformador como segunda bobina.
Para la validación se contará con un prototipo de un cuarto de potencia nominal, que por las características del diseño del convertidor, tendrá un control equivalente al del dispositivo en su conjunto.
Tras la identificación del modelo escogido y del consecuente estudio de funcionamiento y modos de operación, se pasará a analizar la respuesta de la planta del convertidor a diferentes frecuencias con la ayuda de un simulador. Una vez identificado el tipo de sistema con el que se va a trabajar, se estudiara la respuesta que debe dar el control en términos del dominio continuo. Para lograrlo, será necesario el cálculo de un regulador que contrarreste los efectos de cambios repentinos de la carga o de perturbaciones. Se tendrá en cuenta en todo momento la satisfacción de las especificaciones de la manera más precisa posible (±0.1 voltio de variación de tensión de salida). En primer lugar se calculará un regulador para el control analógico, con el objetivo de implementarlo con un chip comercial. De esta manera, con la colocación de resistencias y condensadores se puede proveer de una respuesta satisfactoria a los cambios que experimente el convertidor. Adicionalmente, la colocación de dicho chip añade características de control adicionales, como la rectificación síncrona en los transistores del circuito secundario o el modo de baja potencia, así como protecciones contra la sobretensión o sobrecorriente. Posteriormente, el regulador se discretizará para poder ser utilizado con el control digital. El elemento principal de control es un microprocesador, denominado DSP, y este debe muestrear las señales que se busca controlar, en este caso la tensión de salida. Tras ser discretizado, se procederá a la realización de todas las simulaciones, comenzando por las ejecutadas sin realimentación, es decir, en lazo abierto, para pasar a las de lazo cerrado. Dado que en el DSP todas las funcionalidades adicionales deben ser programadas, se añaden los modos que ofrecen una mayor robustez y seguridad tanto al control en concreto, como al convertidor. En este ámbito encontramos de nuevo el modo de rectificación síncrona, con el que se reducirán las pérdidas por conducción en el circuito secundario. Igualmente se ha incluido el modo en baja potencia o burst mode en el que el controlador conmuta durante periodos cortos de tiempo para proceder a su apagado con el objetivo de reducir las pérdidas en el tanque resonante. Por último se han implementado las protecciones de sobretensión que preserven la integridad del control y del convertidor.