Modelado comportamental de convertidores CC-CC para el análisis y simulación de sistemas distribuidos de potencia

La presente Tesis doctoral está dirigida al modelado comportamental de convertidores cc-cc, tanto de una salida como de varias salidas, para la simulación y el análisis de sistemas de alimentación distribuida. Estos modelos se caracterizan porque son parametrizables y están basados en las especificaciones que proporcionan los fabricantes en sus hojas de características o en medidas de los mismos. Para ello se propone de forma original un modelo comportamental híbrido que tiene en cuenta el comportamiento estático del convertidor, su comportamiento dinámico y su comportamiento dirigido por eventos (señal de encendido, protecciones de temperatura, sobre-corriente, baja o alta tensión de entrada, etc.). Asimismo, se propone de forma original la extensión del modelo comportamental a convertidores con capacidad de puesta en paralelo y la aplicación de los mismos al análisis y simulación de sistemas distribuidos de potencia. El problema que se aborda cubre todo tipo de topologías distintas: reductor, elevador, reductor-elevador, convertidores con aislamiento (directo, retroceso, medio puente, puente completo, etc.), convertidores resonantes, cuasi-resonantes, con modulación de ancho de pulso y, todos ellos, con distintas posibilidades en cuanto a su control. La complejidad de abordar con un único modelo las distintas alternativas existentes en la realización de convertidores cc-cc se incrementa al incluir dentro de los objetivos de la presente tesis la extensión de la técnica de modelado propuesta a: • Convertidores multisalida, donde además de las distintas topologías y estrategias de control aparece la posibilidad de tener salidas acopladas, bien a través de elementos magnéticos o del control, y salidas post-reguladas. • Convertidores con capacidad de puesta en paralelo con distintas estrategias de reparto de carga: Maestro Automático, Maestro Dedicado y programación promediada Respecto a la estructura de los modelos propuestos, se ha buscado que tenga significado físico para facilitar el proceso de identificación de los parámetros. Además, su concepción ha estado enfocada de forma que puedan ser implementados en simuladores comerciales (PSPICE, SABER, SIMPLORER, SIMULINK) o mediante lenguajes de descripción hardware como VHDL-AMS o MAST. Estas características han llevado a la aplicación de un trabajo sistemático de validación a tres niveles, comparando el comportamiento de los modelos propuestos frente a simulaciones, convertidores comerciales de distintos fabricantes y validando su comportamiento dentro de un sistema distribuido de potencia real. La memoria de esta tesis se ha estructurado a través de los siguientes capítulos: Capítulo 1. En este capítulo se resalta la tendencia existente hacia soluciones distribuidas en el procesamiento de la energía y como esta repercute en la dificultad de análisis y diseño de los mismos. En él se describen tres escenarios distintos: el avión más eléctrico, la estación espacial internacional y los servidores de datos. En ellos se aprecia claramente el incremento de la complejidad de los sistemas de alimentación y la necesidad de la simulación. En dicho capítulo se recorren cronológicamente las técnicas de modelado de convertidores cc-cc así como el alcance de cada una de ellas y su aplicación a la simulación de sistemas distribuidos de potencia. Finalmente se muestra el alcance y limitaciones de los modelos comportamentales. Capítulo 2. Se desarrolla el modelo comportamental de los convertidores cc-cc, tanto de una salida como de varias salidas. Las características principales del modelo propuesto son, por un lado, que su identificación está basada en las hojas de datos de los fabricantes y, por otro lado, que son parametrizables. En dicho capítulo se propone abordar su modelado considerando a los convertidores como un sistema híbrido, con dos bloques: un bloque que gestiona los eventos del convertidor (señal de habilitación y protecciones) indicando su estado de funcionamiento, y otro bloque que modela la etapa de potencia y el control. Este último bloque se modela utilizando una estructura que permite desacoplar el comportamiento estático no lineal de la dinámica lineal, conocida como estructura de tipo Wiener-Hammerstein. Capítulo 3. Se propone una nueva estructura basada en la propuesta en el capítulo 2 para modelar convertidores con reparto activo de carga a través de un bus. En dicho capítulo se hace un repaso de las distintas alternativas para conseguir reparto de carga, tanto activas como pasivas, y se muestra como pueden ser implementadas por medio de los modelos comportamentales. Respecto a las técnicas de reparto activa de carga se aborda el modelado de los tres tipos comunes: maestro dedicado, maestro automático y programación promediada. Capítulo 5. Se aplican los modelos comportamentales a la simulación y análisis de sistemas distribuidos de potencia. Se analiza la influencia de características de los convertidores, como la constante de tiempo de arranque y el retardo en el encendido, en la estabilidad en gran señal y se detalla qué tipos de simulaciones se pueden realizar para analizar el comportamiento de los sistemas distribuidos de potencia. Capítulo 6. Se realiza la validación de los modelos comportamentales propuestos a tres niveles: • En un primer nivel se comparan los resultados respecto a modelos promediados y conmutados de los convertidores. Esto permite conocer el alcance en función de la topología y la estrategia de control. Dicha validación se ha llevado a cabo con convertidores con transferencia directa e indirecta de energía y con control modo corriente de pico, promediada y modo tensión. En el caso de convertidores de múltiples salidas se ha hecho la distinción entre convertidores con acoplamiento fuerte entre salidas y con acoplamiento débil, validando ambas familias. • En un segundo nivel se ha realizado una comparación con distintos convertidores comerciales para comprobar la validez de los modelos respecto al comportamiento estático, al comportamiento dinámico y a su comportamiento dirigido por eventos. • Por último se han validado los modelos comportamentales propuestos a nivel de sistema de comparando los resultados de medidas y simulaciones sobre un sistema real de alimentación para un equipo embarcado en un avión. Dicha comparación permite evaluar de forma más precisa la validez de los modelos para representar el comportamiento de los convertidores, así como determinar la velocidad y convergencia de las simulaciones de grandes sistemas de alimentación distribuidos. Finalmente, en el capítulo 7 se hace un resumen de las principales aportaciones y líneas de futuro

Generic Battery Model based on a Parametric Implementation

Batteries are a common element used in many electronic applications. Therefore, the analysis and simulation of these applications requires a battery model in order to validate the behavior of the whole system. Since batteries are based on different technologies, a modeling approach valid for any technology is a potential good alternative. Since there are similarities among the different technologies, it is possible to address the modeling of batteries as generic energy storage elements with particular differences. This work presents a battery model valid for different technologies based on a parametric implementation

Uso de Herramientas de Simulación Electrónica como Apoyo Docente en Electrónica de Potencia

El objetivo de este trabajo es el mostrar cómo las herramientas de simulación electrónica pueden apoyar didácticamente al profesor en la enseñanza de asignaturas relacionadas con la electrónica de potencia. Se va a presentar un ejemplo guiado de uso de este tipo de herramientas en para el diseño del circuito de control de un convertidor CC/CC para una aplicación de alimentación dual en el entorno del automóvil. Para diseñar el circuito de control es necesario determinar en primer lugar la respuesta en frecuencia del convertidor. Se va a hacer uso del programa Simplorer con la biblioteca SMPS Library como herramienta de simulación para este ejemplo. Existen modelos en dicha biblioteca que permiten obtener la respuesta en frecuencia del circuito de forma directa. Este artículo explica los pasos que deben seguirse para diseñar el circuito de control de un convertidor Buck multi-fase usando tanto modelos promediados como modelos conmutados

Teaching Magnetic Design using CAD tools

Design of magnetic components is a multivariable problem. There are many different combinations of shapes, sizes and materials for the core with many diameters for the wires. So it is difficult to find the optimum design without a great number of iterations. Analytically only a few combinations are usually studied but it is very easy to take into account all the combinations using a CAD tool [1]. In this work the CAD tool used is PExprt (ANSYS [2]) which is being developed at UPMCEI

Multiphase Parallel Interleaved And Primary-Parallel Secondary-Series Forward Micro-Inverter Comparison.

Using multiphase technique is interesting in PV AC-module application due to light-load efficiency improvement by applying phase shedding, and the possibility of low-profile implementation. This paper presents a comparison, in terms of size and efficiency, of the parallel interleaved and the parallel-series connected multiphase configurations, as a function of the number of phases, for a forward micro-inverter operated in DCM. 8-phase prototypes of both multiphase configurations are built and compared between them and with the single phase forward micro-inverter, validating the presented analysis

Differential-mode EMI reduction in a multiphase DCM flyback converter

Switched converters are a source of electromagnetic interference (EMI) due to the hard switching and abrupt edges in the current and voltage waveforms. Multiphase converters can reduce the EMI at the source, minimizing the conducted EMI generation, without changing dramatically the normal operation of the circuit. Input filter can be greatly reduced, radiated EMI is lower, and internal EMI problems are minimized. This paper is focused on exploring multiphase converters as a topological technique to reduce conducted differential-mode EMI generation at the source, considering some no idealities of the multiphase converter

DC/DC Converter Parametric Models for System level Simulation

The objective of this work is to propose a whole solution for simulating power systems based on the use of behavioral DC/DC converter models. The proposed model is a generic model whose parameters can be obtained from data sheets (especially useful to model commercial converters) or equivalent tests. The model has configurable features which can be activated or disabled in order to perform optimal simulations or to generate models with different levels of abstraction to be used in a top-down design methodology

Modeling and Simulation Requirements for the Analysis and Design of DC Distributed Power Electronics Systems

The objective of this paper is to establish which are the requirements of the component models in a distributed power system in order to satisfy the necessities of the system architect. Based on the information that will help the designer to make the right decision for its architecture and the selection of their components, different levels of modeling will be required for each simulation. The paper also shows the implication of the modeling approach on the requirements for the simulator and the description language

A Parametrization Tool for Power Electronics Design at System Level

This paper describes a parameterization software used for the generation of behavioral models of power converters. This tool eases the capture and generation of fast and accurate models based on the information provided by manufacturers and measures. The models incorporate many behavioral features and can be used at different levels in the analysis, design and verification of complete power distribution systems like aircraft and automotive power systems. Simulations of common tests of power systems are presented to show the functionality of the models

Robustness Analysis of DC Distributed Power Systems by Means of Behavioral DC-DC Converter Models

The aim of this paper is to determine the model requirements for dc-dc converters in order to analyze and evaluate the performance of different architectures of DC distributed power systems and to assure that all the specifications are met under all parameter variations. Based on these requirements a parametric model for the dc-dc converters is presented that can be identified as a function of the information given by the manufacturers in their datasheets. In this way, it is possible to make sensitivity and worst case analysis that can help the designer to evaluate the robustness of their architectures