Este documento presenta el proyecto final de un estudiante de ingeniería eléctrica sobre el diseño e implementación de un acondicionador de potencia para generación fotovoltaica. El estudiante selecciona el convertidor puente completo luego de analizar diferentes topologías. El diseño incluye simulaciones del convertidor y su control mediante un DSP. El prototipo implementado incluye un transformador de alta frecuencia y circuitos de aislamiento galvánica.

1. Proyecto Electrónico - Presentación Final
“Selección de topología, diseño e implementación
de acondicionador de potencia tipo fuente de
corriente para generación fotovoltaica.”
Profesor guía: Sr. Leonardo Palma F.
Profesor de asignatura: Sr. Alejandro Rojas N.
Alumno: Sr. Andrés Paiva Medina
Universidad de Concepción Departamento de Ingeniería Eléctrica
Facultad de Ingeniería

2. Planteamiento del problema
 Energía fotovoltaica:
 Paneles solares actúan como “fuente de corriente”
 Dependen de temperatura, radiación solar incidente
 Topología típica:

3. Planteamiento del problema
 Seguimiento de máxima potencia:

4. Planteamiento del problema
 Seguimiento de máxima potencia:

5. A realizar
 Selección de topología de convertidor:
 Sin aislamiento galvánico
 Buck
 Boost
 Buck-Boost
 Con aislamiento galvánico
 Forward
 Flyback
 Push-Pull
 Medio Puente
 Puente Completo

6. A realizar
 Diseño y simulación de convertidores
 Cálculo de elementos de almacenaje de energía
 Dimensionamiento de semiconductor(es)
 Control
 Alcance del Proyecto Electrónico: Control mediante una
DSP (Digital Signal Processor), pruebas con Generador
de Funciones

7. Consideraciones de Selección y Diseño
 Niveles de potencia, voltajes y corrientes de entrada:
 Prototipo 1 [kW]
 Arreglo de paneles (Voltaje de entrada) 48 [V]
 Corrientes =
 Niveles de voltajes y corrientes de salida:
 PIN = POUT + PPÉRDIDAS  POUT = PIN*η
 Voltaje para enlace AC 3φ: 380*sqrt(3) = 657 [V]
 Ganancia de Tensión =
1000 [ ]
20.83 [ ]
48 [ ]
W
A
V
657 [ ]
13.7 [ . .]
48 [ ]
OUT
IN
V
p u
V

8. Topología: Comparación
 Convertidores DC/DC sin aislamiento galvánico
 Buck:
Vout = D*Vin
Ventajas:
 Alta eficiencia
 Bajo ripple de salida (Filtro LC)
 No invierte la polaridad de voltaje
 Hasta 1000 [W]
Desventajas:
 Ruido elevado a la entrada (Interrupción)
 Bajas potencias
 Reductor
 Rango de voltajes de entrada: 5 a 40 [V]

9. Topología: Comparación
 Convertidores DC/DC sin aislamiento galvánico
 Boost:
Vout = (1/(1-D))*Vin
Ventajas:
 Bajo ruido en la entrada
 No invierte la polaridad de voltaje
Desventajas:
 Bajos voltajes y potencias: 150 [W], a 40 [V]
 Switch soporta elevada tensión
 Voltaje de salida muy sensible a los cambios de D, especialmente con D
cercano a los extremos [0, 1]
 Eficiencia es función de D

10. Topología: Comparación
 Convertidores DC/DC sin aislamiento galvánico
 Boost:
Bobina no ideal (Electrónica de Potencia, pág. 232 – Daniel W. Hart)

11. Topología: Comparación
 Convertidores DC/DC sin aislamiento galvánico
 Buck Boost:
Vout = (-D/(1-D))*Vin
Ventajas:
 Alta eficiencia
 Permite elevar y disminuir voltaje
 Control de disparo sencillo
Desventajas:
 Ruido elevado a la entrada
 Voltaje de salida muy sensible a los cambios de D, especialmente con D
cercano a los extremos [0, 1]
 Rangos de potencia y voltajes: 150 [W] a 40 [V]

12. Topología: Comparación
 Convertidores DC/DC sin aislamiento galvánico
 Buck Boost:
Bobina no ideal (http://www.gte.us.es/~leopoldo/Store/tsp_14.pdf - Tema 14:
Convertidores DC/DC – Pág. - Ph.D Leopoldo García F. - Grupo de Tecnología
Electrónica – Universidad de Sevilla )

13. Topología: Comparación
 Convertidores DC/DC sin aislamiento galvánico:
 No serán capaces de soportar los valores de
potencia y voltaje.
 No serán capaces de otorgar una ganancia de
voltaje superior a 4, y aún esa ganancia conlleva
una pérdida en eficiencia sustancial (alrededor
del 60%).

14. Topología: Comparación
 Convertidores DC/DC con transformador
(aislamiento)
 Forward (Reductor)
 Flyback (Elevador)
 Push Pull (Reductor Elevador)
 Medio Puente
 Puente Completo

15. Topología: Comparación
 Convertidores DC/DC con transformador (aislamiento)
 Forward
 Utilización del núcleo del transformador poco eficiente
 Mala respuesta dinámica
 Disparo sencillo del switch
 Bajo ripple de salida
 Permite ajustar tensión mayor en relación a las vueltas del primario y secundario

16. Topología: Comparación
 Convertidores DC/DC con transformador (aislamiento)
 Flyback
 Utilización del núcleo del transformador poco eficiente
 Disparo sencillo del switch
 Bajo ripple de salida
 Permite ajustar tensión mayor en relación a las vueltas del primario y secundario
 Reducido coste
 Simpleza de construcción

17. Topología: Comparación
 Convertidores DC/DC con transformador (aislamiento)
 Push Pull
 Utilización del núcleo del transformador eficiente (más pequeño)
 Bajo ripple de salida
 Reducido coste
 Simpleza de construcción
 Posible desbalance del flujo.

18. Topología: Comparación
 Convertidores DC/DC con transformador (aislamiento)
 Medio Puente
 Utilización del núcleo del transformador eficiente (más pequeño)
 Bajo ripple y ruido de salida
 Baja dispersión de flujo
 Filtros reducidos
 Corrientes elevadas en switches
 Adecuado para potencias hasta 500[W] y 1000[V]
 Baja eficiencia (73%)

19. Topología: Comparación
 Convertidores DC/DC con transformador (aislamiento)
 Puente completo
 Utilización del núcleo del transformador eficiente (más pequeño)
 Bajo ripple y ruido de salida
 Baja dispersión de flujo
 Baja eficiencia (alrededor del 73 - 75%)
 Adecuado para potencias mayores a 1[kW] y 660[V]
 Voltajes de hasta 1000 [V]

20. Topología: Comparación
 Cuadro comparativo
(Fuente: Pág. 25 - Memoria Ingeniería Técnica Industrial – Daniel E. Álvaro, Ph.D.
Simón Dávila S. – Universidad Carlos III España)

21. Selección de Convertidor
 En base a la bibliografía existente, y
de común acuerdo con el Profesor
Patrocinante, se selecciona el
Convertidor del tipo Puente
Completo para ser simulado e
implementado.

22. Diseño y principio de
funcionamiento

23. Convertidor Seleccionado
Etapa
Inversora
Transformador
“High Frequency”
Etapa
Rectificadora
Inductor

24. (1) Etapa Inversora
• Almacenaje de Energía en el
Inductor
• Anular el riesgo de desbalance
en el Transformador.
• De preferencia, mínimas
conmutaciones posibles.

25. (1) Etapa Inversora: Control de Pulsos

26. (1) Etapa Inversora: Control de Pulsos
 Normalmente los SW.1 y SW 4 operan idénticos, y
complementarios a los SW.2 y SW.3.
 Se utilizará una técnica distinta: Control por desfase de
pulsos con ciclo de trabajo constante del 50%.
 Ventajas:
 Permite cargar el inductor, generando dos cortocircuitos
controlados por cada período.
 Anula el riesgo de asimetría en el transformador.
 La frecuencia de la corriente vista desde el inductor es del
doble de la frecuencia nominal.

27. (1) Etapa Inversora: Control de Pulsos

28. (1) Etapa Inversora: Corrientes (a)
Corriente: Recta ascendente
Rizado: Función de voltaje,
inductancia, desfase y frecuencia.

29. (1) Etapa Inversora: Corrientes (b)
Corriente: Recta ascendente
Rizado: Función de voltaje,
inductancia, desfase y frecuencia.

30. (1) Etapa Inversora: Corrientes (c) y (d)
(C) (D)

31. (1) Etapa Inversora: Voltaje
Función de Transferencia de voltaje:

32. (1) Etapa Inversora: Corriente

33. (1) Etapa Inversora: Snubber

34. (2) Transformador

35. (2) Transformador

36. (2) Transformador

37. (3) Rectificador
Diodos Rápidos: FR 307 Fast Recovery Diode
1000 [V]. 3 [A] – trr = 500[ns] (2MHz)

38. (4) Inductor
Frecuencia de conmutación = 25 [kHz]
Desfase máximo asumido = 150°
Rizado de corriente = 5% de IL
LREAL = 635 [uH]

39. Simulación PSIM

40. Simulación

41. Simulación
0
-50
-100
-150
50
100
150
Vin Vprim
0.0999 0.09992 0.09994 0.09996 0.09998 0.1
Time (s)
0K
-0.5K
-1K
-1.5K
0.5K
1K
1.5K
Vsec Vout

42. Implementación

43. Transformador
 Barrido de frecuencias
Frecuencia [kHz] Ganancia
20 5.7
30 6.0
40 6.1
45 6.1
50 6.2
130 7.4

44. Generación de Pulsos de Control
 DSP de Texas Instruments “C2000 – f28335”.

45. Generación de Pulsos de Control
cc = ticcs
cc.open(‘control’,’project’)
cc.visible(1)
checkEnvSetup(‘ccs’, ‘f28335’, ‘check’)

46. Generación de Pulsos de Control

47. 1ra Etapa de Aislación - Buffer
Seguidor de Voltaje
con amplificador
operacional 353N

48. 1ra Etapa de Aislación - Buffer

49. 2ra Etapa de Aislación - Optodriver
OptoDriver HCPL -
3120

50. Etapa Inversora HF

52. 1. Semiconductores de Interrupción: MOSFET
IRFP 250N
Etapa Inversora HF

53. Prototipo

54. Prototipo

55. Pulsos en Osciloscopio - DSP

56. Pulsos en Osciloscopio - Buffer

57. Bibliografía Revisada

58. Control Fuente de Corriente
1. “Designer’s Series - Part V: Current-Mode Control Modeling”
– Ph.D. Ray Ridley.
 Modelos de función de transferencia de lazos de control en distintos
convertidores
 Selección y utilización de rampa de compensación adecuada
 Utilización de un único modelo de pequeña señal para la función de transferencia
de control y lazo de estabilización de corriente
2. “Circuitos Integrados PWM Modo Corriente y Modo Voltaje”
- Ph.D. Lautaro Salazar.
 Topología del lazo de control
 Circuitos integrados de control
3. “Control de convertidores DC/DC”- Ph.D. Lautaro Salazar
 Control modo corriente por banda de histéresis
 Control de modo corriente con realimentación en convertidores no aislados
 Diseño de controladores por factor K

59. Control Fuente de Corriente
4. “SmartCtrl Tutorial – Single Control Loop Design”
– Power Sim.
 Diseño y simulación de convertidores con realimentación modo
corriente en PSIM
 Topologías sencillas de lazo modo corriente en convertidores DC
DC sin aislamiento galvánico
5. “SmartCtrl Tutorial – Double Control Loop
Design” – Power Sim.
 Diseño y simulación de convertidores con realimentación modo
corriente y voltaje en PSIM
 Herramienta “SmartCtrl®” de PowerSim para diseño

60. Convertidores DC/DC y MPPT
1. “Switched capacitor DC-DC converter based maximum power point tracker of a
PV source for nano satellite application” – Peter Pradeep y Vivek Agarwal – Indian
Institute of Techonology Bombay, Mumbay, Maharashtra, India.
 Modelos de función de transferencia de lazos de control en distintos convertidores
 Selección y utilización de rampa de compensación adecuada
 Utilización de un único modelo de pequeña señal para la función de transferencia de
control y lazo de estabilización de corriente
2. “Sistemas electrónicos de alimentación – Tema II” - Ph.D. E. Sanchiz – Universitat
de Valëncia.
 Principios de funcionamiento
 Criterios de selección de topología: Necesidad de aislación, potencia, filtrado, ripple,
eficiencia, ganancias.
3. “Conversor DC-DC de alta ganancia de voltaje aplicado a sistemas
fotovoltaicaos” – Memoria de título Ingeniería Electrónica - Álvaro Olarte E. y Ph.D.
George Julien Noel– Universitat de Valëncia.
 Principios de funcionamiento
 Criterios de selección de topología: Necesidad de aislación, potencia, filtrado, ripple,
eficiencia, ganancias.

61. Convertidores DC/DC y MPPT
4. “Electrónica de Potencia – Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones” – Muhammad
H. Rashid – Prentice Hall Hispanoamericana, S.A., 1993.
 Principios de funcionamiento de convertidores DC-DC
 Principios de diseño de convertidores DC-DC
 Funciones de transferencia y comparación
5. “Electrónica de Potencia ” – Daniel W. Hart– Prentice Hall Hispanoamericana, S.A.,
1997.
 Principios de funcionamiento y diseño de convertidores DC-DC
 Pérdidas por componentes parásitas de conmutación
 Funciones de transferencia no ideales en convertidores
6. “A Novel Type High-Efficiency High-Frequency- Linked Full-Bridge DC-DC
Converter Operating under Secondary-Side Series Resonant Principle for High-
Power PV Generation” - Daisuke Tsukiyama, Yasuhiko Fukuda, Shuji Miyake -
Dispersed Power System Division, Daihen Corporation, Osaka, Japan.