Mejora de la eficiencia en convertidores resonantes de alta frecuencia mediante el control de los elementos reactivos

El presente trabajo de tesis presenta las aportaciones realizadas al diseño, análisis y validación experimental de inversores resonantes de potencia y alta frecuencia para aplicaciones de calentamiento por inducción, con un enfoque innovador en el control de elementos reactivos. La técnica de modulación en frecuencia permite que los inversores resonantes puedan regular su potencia de salida variando la frecuencia de conmutación en relación con la frecuencia de resonancia lo cual presenta inconvenientes en cuanto a su eficiencia y la calidad del tratamiento térmico. Sin embargo, es posible operar a frecuencia constante, si se controlar la frecuencia de resonancia mediante el control de los elementos reactivos, lo que mejora la eficiencia y el comportamiento del inversor. La investigación llevada a cabo proporcionó como resultado la mejora en tres topologías de estos convertidores. La primera consiste en un convertidor resonante LLC donde se sustituye el inductor serie por un inductor variable controlado por corriente además de utilizar la modulación por desplazamiento de fase. Esta estrategia busca mantener la frecuencia de conmutación fija y reducir la corriente reactiva del inversor, minimizando las pérdidas de conducción y conmutación, mientras se mantiene la conmutación a tensión cero en todo el rango de potencia. Se presenta una metodología de diseño para el inductor variable, validada mediante modelado matemático y experimentalmente. Los resultados experimentales, demuestran una eficiencia máxima del 98,5% en un amplio rango de potencia de salida, representando una mejora significativa respecto a topologías previas. La segunda consiste en mejorar la eficiencia de un convertidor basado en un inversor resonante LC serie. Para ello se emplea un transformador variable controlado por corriente junto con regulación por desplazamiento de fase para operar a una frecuencia fija cercana a la de resonancia. Este enfoque permite mantener un ángulo de conmutación reducido, logrando adaptarse a variaciones significativas de carga sin comprometer la conmutación a tensión cero en los transistores, mejorando así el rendimiento del inversor en todo su rango operativo. Además, se analiza un nuevo diseño de transformador con relación variable, validado mediante modelado matemático. Tanto el diseño del inversor como el del transformador variable fueron validados experimentalmente obteniendo un rendimiento superior al 99%. La tercera se basa un inversor resonante en serie tipo LC con control de los dos elementos reactivos. El método propuesto utiliza un transformador variable controlado por corriente para ajustar la inductancia reflejada del inductor en el circuito resonante, y un interruptor de recuperación de energía magnética para modificar la influencia del condensador como elemento de compensación de potencia reactiva. Esta topología permite ajustar el factor de calidad o la frecuencia de operación, facilitando el tratamiento térmico de piezas de diferentes geometrías y materiales con un único convertidor. Los resultados experimentales realizados operando entre 60 y 100kHz con un factor de calidad de 6 a 10, muestran eficiencias superiores al 95%. Para las tres topologías se utilizaron inversores de puente completo con transistores MOSFET de SiC operando en rangos de potencia de hasta 20kW y con frecuencias de conmutación de hasta 200kHz.