Contribución al diseño de convertidores de tipo elevador-reductor para alimentación de sistemas de iluminación en leds.

Abstract

.En aquesta tesis doctoral es presenta el disseny i implementació d’un sistema d’alimentació ac-dc basat en convertidors de tipus elevador-reductor d’única etapa. El sistema s’ha dissenyat per regular el corrent d’alimentació d’un conjunt de LEDs connectats en sèrie. El sistema d’alimentaciódissenyat té la capacitat de mantenir constant el flux lumínic dels LEDs i permet la dimerització en un ampli rang de valors de corrent. Simultàniament, el sistema manté un nivell molt baix d’harmònics introduïts a la xarxa de corrent altern.

L’anàlisi ha demostrat la viabilitat en l’aplicació del control en mode lliscant per a la imposició d’un comportament como resistor lliure de pèrdues (LFR) en convertidors de tipus elevador-reductor d’ordre elevat (Ćuk, SEPIC i Shepard-Taylor) en els que es pretengui simultàniament regular el corrent de sortida. En aquest context, s’ha exposat en detall l’anàlisi dinàmic, i posterior disseny del llaç de regulació de corrent, del LFR basat en el convertidor Ćuk quan s’alimenta a través d’una font de corrent alterna de 230 Vrms-50 Hz. Un dels problemes trobats ha estat l’aparició de distorsió a la forma d’ona del corrent d’entrada en els passos per zero. Aquesta distorsió impedeix, per baixes potències d’entrada, el compliment de la norma d’introducció d’harmònics i, per tant, limita el seu ús en aplicacions de dimerització. S’ha proposat una solució basada en la modulació de la finestra d’histèresi de tal forma que a la proximitat del pas per zero la freqüència de commutació del convertidor augmenta. Mitjançant aquesta tècnica es garanteix tant el compliment de las normes preceptives com un rang de dimerització del 0 al 100 %. Las previsions teòriques s’han verificat mitjançant simulació i a partir de prototipus experimentals.

En esta tesis doctoral se presenta el diseño e implementación de un sistema de alimentación AC-DC basado en convertidores de tipo elevador-reductor de única etapa. El sistema se ha diseñado para regular la corriente de alimentación de un conjunto de LEDs conectados en serie. Este tiene la capacidad de mantener constante el flujo lumínico de los LEDs y permite la dimerización en un amplio rango de valores de corriente. Simultáneamente, el sistema mantiene un nivel muy bajo de armónicos introducidos a la red de corriente alterna.

El análisis ha demostrado la viabilidad en la aplicación del control en modo deslizante para la imposición de un comportamiento como resistor libre de pérdidas (LFR) en convertidores de tipo elevador-reductor de orden elevado (Ćuk, SEPIC y Shepard-Taylor) en los que se pretenda simultáneamente regular la corriente de salida. En este contexto, se ha expuesto en detalle el análisis dinámico, y posterior diseño del lazo de regulación de corriente, del LFR basado en el convertidor Ćuk cuando se alimenta a través de una fuente de corriente alterna de 230 Vrms-50 Hz. Uno de los problemas encontrados ha sido la aparición de distorsión en la forma de onda de la corriente de entrada en los cruces por cero. Dicha distorsión impide, para bajas potencias de entrada, el cumplimiento de la norma de introducción de armónicos y, por tanto, limita su utilización para aplicaciones de dimmerización. Se ha propuesto una solución basada en modulación de la ventana de histéresis de tal forma que en las cercanías del cruce por cero la frecuencia de conmutación del convertidor aumenta. Mediante esta técnica se garantiza tanto el cumplimiento de las normas preceptivas como un rango de dimerización del 0 al 100 %. Las previsiones teóricas se han verificado mediante simulación y a partir de prototipos experimentales.

In this thesis, the design and implementation of an ac-dc power factor correction system based on single-stage step up/down converters is presented. The system has been designed to regulate the supply current of a string of LEDs connected in series. The driver has the capability to maintain a constant luminous flux and to dimmer the LED in a wide range of current values. Simultaneously, the system maintains a very low level of current harmonics introduced into the AC mains. The analysis has demonstrated the feasibility in applying the sliding mode control for imposing simultaneously, at single-stage high-order converters (Ćuk, SEPIC and Shepard-Taylor), a Loss-Free Resistor (LFR) behavior and a regulated output current. In this context, it has been exposed in detail the dynamic analysis and the design of a current regulation loop for a Ćuk-based LFR supplied from a AC voltage source of 230 Vrms-50 Hz. One of the problems identified has been the presence of distortion in the input current waveform at the zero crossings. Such distortion prevents, for low input powers, the harmonics compliance and therefore limits their use in LED dimming. To overcome this problem, it has been proposed a technique, based on a variable hysteresis window, to improve the performance near the zero crossing of the input current. This improvement is achieved by increasing the switching frequency near this zero crossing region. With this technique, the dimming range goes from 0-100% maintaining at the same time very low harmonic distortion at the input current. Moreover, experimental and computer simulation results presented are given in order to verify the theoretical predictions.