Topologías de Convertidores DC/DC para Sistemas de Almacenamiento de Energía

Convertidor DC/DC Buck/Boost Monofásico

La filosofía de control de este convertidor se basa en el control del valor medio y la polaridad de la corriente iL que atraviesa la inductancia L (iL = iBatt). Para una consigna de corriente negativa, el convertidor descargará el Sistema de Almacenamiento, mientras que para una consigna positiva, lo cargará.

Para poder controlar la corriente que atraviesa el Sistema de Almacenamiento, esta topología requiere que la tensión en el bus de CC (VBus1) sea siempre superior a la máxima tensión posible del Sistema de Almacenamiento (VBus2), es decir, cuando este se encuentre completamente cargado. La razón es que, si la tensión del Sistema de Almacenamiento (VBus2) fuera en algún momento mayor que la máxima de VBus1, el Sistema de Almacenamiento cargaría VBus1 al nivel de VBus2 a través del diodo D1 sin control de corriente.

Nota importante: Si el Sistema de Almacenamiento se compone de baterías (químicas como PbA, Li-ion, NiCd), es una recomendación del fabricante limitar el rizado de corriente (iL) entregado por el convertidor, ya que un rizado excesivo puede provocar degradación prematura de la batería. La forma de minimizar el rizado de corriente en el convertidor Buck-Boost monofásico es incrementar el valor inductivo de la bobina (lo que implica mayor peso y coste) y/o aumentar la frecuencia de conmutación (lo que conlleva mayores pérdidas en los semiconductores S1 y S2).

Convertidor DC/DC Buck-Boost en Cascada (No Aislado)

Esta topología se puede considerar como la aplicación de dos convertidores Buck/Boost monofásicos enfrentados que comparten la misma inductancia de acoplamiento L. Para generar las órdenes de conmutación, es necesario conocer:

• El nivel de las tensiones VBus1 y VBus2.
• La dirección deseada para la transferencia de energía: desde VBus1 hacia VBus2 o viceversa.

Convertidor DC/DC Dual Active Bridge (DAB) Aislado

La necesidad de aislamiento galvánico en un convertidor de potencia surge de la necesidad de unir electromagnéticamente dos entornos eléctricos con referencias o requisitos de aislamiento eléctrico diferentes. Las topologías de convertidores DC/DC con aislamiento galvánico son ampliamente utilizadas en cargadores de baterías para vehículos eléctricos y en Transformadores de Estado Sólido (STS).

Control del Convertidor DAB

En el convertidor DAB, se utilizan dos puentes H (S1, S2, S3, S4 y Q1, Q2, Q3, Q4) a ambos lados del transformador de aislamiento, conmutando con un ciclo de trabajo del 50% (para el Modo de Modulación Rectangular). El control del nivel de potencia activa transferida entre ambos puentes H, así como su sentido, se realiza mediante una estrategia de cambio del ángulo de desfase entre las órdenes de conmutación de ambos puentes H.

Con el empleo de esta estrategia de conmutación, se busca controlar la cantidad de potencia transferida entre dos fuentes de CA en función de las tensiones eficaces V1 y V2, el ángulo de desfase entre ellas y el valor inductivo de la conexión existente entre ambas:

• Máxima transferencia de potencia desde VBus1 hacia VBus2: Corresponde a la carga del Sistema de Almacenamiento.
• Máxima transferencia de potencia desde VBus2 hacia VBus1: Corresponde a la descarga del Sistema de Almacenamiento.