Diseño e implementación de controladores de potencia de estado sólido SiC para aplicaciones DC

Abstract

A lo largo de los últimos años, el uso de sistemas de distribución energética basada en corriente continua (DC) está aumentando de forma considerable y están presentes en multitud de aplicaciones y ámbitos. Su uso permite implementar sistemas con generación distribuida de forma más sencilla que en corriente alterna, facilitando la integración de fuentes de energía renovables y sistemas de almacenamiento de energía basados en baterías. Son diversos los sectores que cada vez utilizan más sistemas basados en DC. El sector aeroespacial, los centros de procesamiento de datos, el sector de la automoción y edificios residenciales son algunos ejemplos. Los principales factores que limitan una mayor implantación de este tipo de sistemas son la falta de normativa –en algunos sectores–, la poca disponibilidad de equipos de protección y maniobra, la falta de infraestructura y en definitiva, la relativa novedad de los mismos. Con el objetivo de sumar en esta dirección, la presente tesis propone y evalúa sistemas de protección y control de potencia para ser utilizados en DC. En concreto, se focaliza en aquellas aplicaciones que, por sus necesidades, funcionan en rangos de tensión superiores a los habituales, por encima de los 250V y hasta los 1000V, utilizando para ello dispositivos semiconductores de carburo de silicio. El primer capítulo expone todos los aspectos relacionados con el ámbito académico, dentro del programa de doctorado TECNIT y la Universidad Miguel Hernández de Elche. En el segundo capítulo se presentan el escenario de aplicaciones y contexto tecnológico en el que se ha desarrollado la tesis, analizando los diferentes tipos de redes, tecnologías de protección y control de potencia para DC y aspectos relevantes de los semiconductores de banda prohibida ancha. El tercer capítulo expone el estado del arte como una recopilación de trabajos influyentes en el desarrollo de los sistemas propuestos y evaluados en esta tesis. Los capítulos cuarto, quinto, sexto y séptimo se corresponden a cada uno de los cuatro trabajos que forman el compendio de artículos y cuerpo principal de esta tesis. Se incluyen íntegramente los trabajos y se amplía parte de los resultados. Se presenta por orden: • Un limitador activo de corriente para fines espaciales basado en dispositivos semiconductores de carburo de silicio. Supone la antesala y primera toma de contacto con este tipo de dispositivos, especialmente en su uso como limitadores de corriente. • Un sistema de protección para su uso en centros de datos que requieren alimentación DC de 380V. Se propone una nueva arquitectura, se analiza y se implementa y evalua un prototipo funcional. • Un sistema de protección basado en el trabajo previo que permite ser utilizado hasta el rango de los 1000V. Se analiza en detalle sus propiedades de ajuste y funcionamiento, proporcionando ecuaciones de diseño para adaptar su respuesta a las necesidades de la red y cargas. • Un estudio de fiabilidad y robustez de los dispositivos semiconductores de carburo de silicio utilizados en los tres trabajos previos. Se analiza cómo afecta a la degradación de los dispositivos el sufrir procesos de cortocircuito repetitivo. El octavo capítulo expone conclusiones generales de la temática y los trabajos realizados. Resume las principales aportaciones y propone diversas líneas abiertas en las que poder desarrollar nuevos trabajos y aportaciones futuras. Finalmente, la tesis cierra con cinco anexos que facilitan la comprensión de los prototipos y bancos de trabajo desarrollados, así como las referencias más importantes.

The use of DC-based energy distribution systems has increased substantially in recent years and DC distribution is present in many areas and applications. They allow distributed generation in an easier way than alternating current, providing the integration of renewable energy sources and battery-based energy storage systems. DC-based systems are used in many different sectors, like aerospace, datacenters, automotive and residential buildings. The main limitations of the use of DC-based systems are the lack of regulations in some sectors, the low availability of protection and control devices, defficient infrastructure and, eventually, their relative novelty. For the sake of progress towards DC-based systems implementation, this thesis proposes and evaluates power protection and control systems for DC distribution. In particular, it is focused on those applications that work at high voltage, above 250V and up to 1000V, by means of the use of silicon carbide devices. The first chapter presents all the academic aspects within the TECNIT PhD program and the Miguel Hernández University of Elche. The second chapter presents the scenario and technological framework, analysing the types of DC-grids, protection and power control technologies for DC, as well as relevant aspects of wide band gap semiconductors. The third chapter exposes the state of the art as a compendium of influential works for this thesis. The fourth, fifth, sixth and seventh chapters correspond with each of the four scientific papers that comprise the core of this thesis. Apart of the scientific paper itself, the results have been expanded. The structure of the work is as follows: • A silicon carbide based current limiter for space applications is detailed in the fourth chapter. It supposes the prelude and first contact with silicon carbide devices, especially when used as current limiters.• A protection system designed for use in DC 380V datacenters is covered in the fifth chapter. A new architecture is proposed and a functional prototype is analysed, implemented and evaluated. • A protection system based on the previous work that allows to be used up to 1000V is introduced in the sixth chapter. Adjustment and operating properties are detailed, providing design equations in order to adapt its response to the requirements of the particular application. • A reliability and robustness study of the silicon carbide devices used in the previous works is detailed in the seventh chapter. The eighth chapter presents the conclusions. It summarizes the main contributions and proposes several open ideas to develop new works and future contributions. Finally, the thesis concludes with five annexes which facilitate understanding of the prototypes and setups, as well as the references.