Tesis:
Optimization of DC-DC Power Supply Systems by Differential and Hybrid Power Processing
- Autor: LI, Cheng
- Título: Optimization of DC-DC Power Supply Systems by Differential and Hybrid Power Processing
- Fecha: 2021
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/69027/
- Director/a 1º: COBOS MÁRQUEZ, José Antonio
- Resumen: With the development of electronic technology and emerging new applications, specifications for power electronics are becoming more demanding. New converters and power architectures are proposed aiming at higher efficiency and power density. The basic constraints for switched-mode power converters have been studied since the 1960s. For a certain conversion gain, part of the total power may be transferred directly (Pdir) without being processed, while the rest of the total power (P−Pdir) needs to be converted into AC power (PAC) by the switches and processed by passive components. Thus, this AC power introduces losses and requires certain physical volume of the components. The minimum power that needs to be processed in switched-mode power converters is only related to the conversion gain. This lower boundary is termed differential power Pdiff. The key to improving the performance of a power converter is to optimize the processing of PAC. This fundamental theory provides a simple and effective way to understand and compare different power converters and architectures, thus help us in choosing better solutions and synthesizing new converters and architectures. This thesis seeks to present a thorough work on applying the Pdiff methodology to DC-DC power architectures and converters, from the theoretical analysis and comparison of SoA architectures to the proposal of a new hybrid converter. In this thesis, first, the methodology is reviewed and re-organized to present a complete picture of the related concepts from the 1960s. Afterward, this methodology is applied to a study case on the reduction of Pdiff at architecture-level and a study case on how to process Pdiff more efficiently at the converter level. For the study case at the architecture level, the differential power processing (DPP) architectures are analyzed. In the literature, the common objective for DPP and other architectures aiming at reducing the processed power is to minimize the power delivered by the converters (Pout). However, this work reveals that Pout is not what should be minimized. As indicated by the fundamental constraints, at both converter and architecture levels there may exist some direct power Pdir that does not need to be processed. Analysis and comparison neglecting Pdir may lead to incomplete results. In this thesis, DPP architectures are revisited taking into account Pdir and Pdiff. The second study case is about hybrid converters. At the converter level, Pdiff only sets the lower boundary of the processed power, we need to design considering how much power is processed by each component. Hybrid converters that use both capacitive and inductive components show advantageous performance compared to conventional converters. In this thesis, they are analyzed and compared accounting for the processed power in different types of components, thus explaining why they can achieve good performance, and how to chose / design hybrid topologies for a given specification. At last, based on the learnings from the SoA hybrid converters, a novel switched capacitor plus autotransformer (SC+AT) hybrid converter is proposed, analyzed, optimized and experimentally verified. The converter is optimized for 4:1 DCX and high current application The biggest advantage of the proposed converter is that the autotransformer has DC current in the windings. Other advantages include the auto-balance between capacitor voltage and winding current, simple design and manufacture of the transformer, etc. In summary, the Pdiff methodology is presented and applied to two study cases, and a novel hybrid DC-DC converter is proposed. Discussions are given at three design levels (power architecture, converter topology and hardware prototype) to address the key design objectives on the topic of DC-DC power supply systems optimization. ----------RESUMEN---------- El desarrollo de la electrónica y la introducción de nuevas aplicaciones en el campo de la electrónica de potencia están llevando a especificaciones cada vez más exigentes. Con el objetivo de mejorar la eficiencia y densidad de potencia de estos sistemas, se están introduciendo nuevos convertidores y arquitecturas de potencia. Los limites teóricos de las fuentes de alimentación conmutadas se han estudiado desde los sesenta, para una ganancia especifica, una parte de la potencia total del convertidor se puede transferir de forma directa (Pdir), sin necesidad de procesamiento. Sin embargo, el resto de la potencia (P−Pdir) se tiene que convertir en potencia alterna (PAC) a traves de los transistors para luego ser procesada por los componentes pasivos, por tanto, esta potencia alterna genera pérdidas y está asociada con volumen que requieren los componentes. La mínima potencia que las fuentes de alimentación conmutadas tienen que procesar está directamente relacionada con la ganancia, a este límite inferior se le denomina potencia diferencial Pdiff. La clave para mejorar la eficiencia y densidad de potencia de los convertidores es optimizar como se procesa la potencia alterna. Este marco teórico permite entender y comparar los diferentes convertidores y arquitecturas de potencia de manera simple y clara, por tanto, resulta útil a la hora de elegir la mejor solución a emplear para unas especificaciones dadas, o incluso sintetizar nuevos convertidores y arquitecturas. Esta tesis estudia en detalle cómo se aplica la metodología de la potencia diferencial a los convertidores y arquitecturas de corriente continua, abarcando desde el análisis teórico y la comparación de las arquitecturas propuestas en la literatura hasta la propuesta de un nuevo convertidor híbrido. Primero, con el fin de ofrecer una imagen global de la metodología, se han revisado y reorganizado todos los concetos similares a los propuestos en los sesenta, después, esta metodología se ha utilizado para estudiar cómo reducir la potencia diferencial a nivel de arquitectura y también para estudiar cómo se puede procesar la potencia diferencial más eficientemente a nivel de convertidor. Para el estudio a nivel de arquitectura, se han analizado las arquitecturas de procesamiento de potencia diferencial (DPP), del inglés differential power processing. En la literatura, el objetivo de las arquitecturas DPP y otras arquitecturas similares es minimizar la potencia entregada por cada convertidor, o potencia de salida (Pout), sin embargo, en este trabajo se explica porque minimizar Pout no es siempre es el mejor camino a seguir, tanto a nivel de convertidor como a nivel de arquitectura, hay una parte de potencia directa Pdir que no es procesada, por tanto, analizar o comparar arquitecturas sin tener en cuenta la potencia directa puede llevar a conclusiones incompletas. En este trabajo, se han revisado las arquitecturas DPP teniendo en cuenta tanto la potencia directa como la potencia diferencial. La segunda parte del trabajo se dedica al estudio de los convertidores híbridos. A nivel de convertidor, la potencia diferencial solo establece la mínima potencia que se puede procesar, sin embargo, es necesario diseñar teniendo en cuenta potencia procesa cada uno de los componentes del sistema. Los convertidores híbridos que usan componentes capacitivos e inductivos tienen mejores características comparados con los convertidores más tradicionales. En esta tesis, se tiene en cuenta la potencia procesada en los distintos componentes a la hora de analizar y comparar convertidores híbridos, con el fin de explicar sus mejores características y de seleccionar y diseñar convertidores híbridos para unas especificaciones dadas. Finalmente, se propone un nuevo convertidor con capacidades conmutadas y autotransformador. No solo se analiza la operación del convertidor en detalle, también se describe el proceso de optimización y su funcionamiento se verifica experimentalmente. El convertidor está optimizado para una ganancia de 4 a 1 y pensado para aplicaciones de alta corriente. La mayor ventaja del convertidor que se propone es que la corriente en los devanados del autotransformador es continua, otras ventajas son el balanceo automático de la tensión de los condensadores o la facilidad del diseño y construcción del transformador entre otras. Resumiendo, en este trabajo se presenta la metodología basada en la potencia diferencial y además se utiliza para estudiar sistemas a nivel de arquitectura y nivel de convertidor y se utiliza para proponer un nuevo convertidor híbrido de corriente continua que ha sido verificado experimentalmente. Esta metodología tiene un uso directo en la optimización de los sistemas de alimentación de corriente continua.