Introducción a los puentes activos duales

Un puente activo dual (DAB) es un convertidor CC-CC que proporciona un flujo de potencia bidireccional y aislamiento galvánico. Se utiliza en sistemas de baterías, energías renovables, transformadores de estado sólido y redes de baja a media tensión. Presenta características de diseño flexibles para adaptarse a requisitos específicos de tensión y potencia con opciones de conmutación suave. La adaptabilidad del diseño permite lograr una eficiencia superior al 98% para el rango operativo deseado. Se puede apilar para tensiones más altas, modificar para proporcionar funcionalidad de CA, y paralelizar para aumentar el flujo de potencia y mejorar los armónicos.

Un puente activo dual consta de dos puentes completos que están separados por un transformador de alta frecuencia y un inductor. Dependiendo de la estrategia de control, también se puede incluir un condensador de bloqueo de CC. El siguiente esquema muestra el diseño de un DAB monofásico.

El número de dispositivos de un puente activo dual, junto con técnicas de control de modulación de fase, se prestan al control digital. El diseño de un puente activo dual requiere una combinación de diseño de control digital y simulación eléctrica de alta calidad. Con Simulink^® y Simscape Electrical™, puede modelar y simular los algoritmos de control y la electrónica de un puente activo dual. Se puede generar código a partir de los modelos para simular en tiempo real e implementar código de producción. Esto permite aplicar diseño basado en modelos a todos y cada uno de los aspectos del diseño de un puente activo dual.

Modelización y simulación

Puede comenzar a simular un puente activo dual inmediatamente utilizando los ejemplos proporcionados en Simscape Electrical. Simscape Electrical ofrece múltiples niveles de fidelidad para dispositivos activos y pasivos, con una amplia gama de opciones de pérdidas de conmutación y modelado térmico.

Diseño de control

En Simulink, puede desarrollar algoritmos de control para puentes activos duales monofásicos y trifásicos. La simulación de algoritmos de control con el modelo de DAB permite ajustar los parámetros del controlador para lograr un rendimiento óptimo con requisitos de diseño concretos. Existen múltiples estrategias de control, tales como modulación trapezoidal y triangular, pero la más común es la modulación monofásica por desplazamiento, que se explica en el apartado sobre modulación al final de esta página.

Generación de código embebido

Cuando los algoritmos de control de DAB estén listos, puede generar código C o HDL a partir del modelo de Simulink. Este código está listo para desplegarse en microcontroladores, SoC (systems on chip) y FPGA, con opciones que permiten su optimización para proveedores de hardware específicos.

Tutorial sobre modulación monofásica

La modulación monofásica es el enfoque más común para controlar y utilizar un puente activo dual. El control se logra generando dos señales PWM en semiciclos de trabajo que están desfasados entre sí. Cuanto mayor sea la diferencia de fase, mayor será el flujo de potencia a través del convertidor. En la Figura 3, el lado izquierdo se controla con la primera señal PWM y su complemento, mientras que el lado derecho se controla con la segunda señal PWM y su complemento. Esto permite cuatro combinaciones de tensión en el inductor. La tensión de fuente positiva y negativa se encuentra en un lado, mientras que la tensión de carga referida positiva o negativa está del otro lado. Estos cuatro modos se logran con el ángulo de fase como única variable de control, que es suficiente para generar los ocho pulsos de compuerta. Otros esquemas de control más avanzados aumentan el número de variables de control para mejorar el funcionamiento y eficiencia (aumentando la conmutación suave al máximo).

A continuación, se muestra una animación del funcionamiento básico de un DAB con control por modulación monofásica. El funcionamiento se divide parte por parte mas adelante para centrarse en los modos de funcionamiento específicos que aparecen en este gráfico.

La línea de color morado sobre el inductor representa la corriente del inductor. Las dos ondas cuadradas debajo del inductor representan las dos señales PWM. En este ejemplo, se utiliza un desplazamiento de fase positivo exagerado de 45 grados para facilitar la visualización de los diferentes modos. La onda cuadrada verde controla el puente completo izquierdo y la onda cuadrada azul controla el puente completo derecho. La tensión de carga, cuando se envía a través del transformador, es un 20% menor que la tensión de fuente. El flujo de potencia inverso se logra con un desplazamiento de fase negativo.

Modos de funcionamiento

En este apartado se examinan los cuatro modos de funcionamiento principales con imágenes estáticas.

En la Figura 4, el flujo de potencia se logra principalmente en los modos A y C, siendo B y D necesarios para crear una señal de CA que pueda transmitir potencia a través del transformador de alta frecuencia. Esto genera una corriente circulante, que debe tenerse en cuenta en el diseño y reducirse en función de las estrategias de diseño y control.