Caracterización del estrés en convertidores dc-dc reductores para producción de hidrógeno verde mediante energía fotovoltaica

Abstract

Este trabajo de memoria se centra en la caracterización del estrés en convertidores DC-DC reductores para aplicaciones de producción de hidrógeno verde mediante energía fotovoltaica. El estudio contrasta simulaciones en PLECS con pruebas experimentales para evaluar el desempeño de un convertidor buck síncrono basado en tecnología SiC MOSFET, implementado en un módulo semipuente desarrollado en el centro de investigación AC3E. El trabajo incluye un modelo electro-térmico en PLECS que integra pérdidas por conducción y conmutación, así como redes térmicas tipo Foster para predecir el comportamiento térmico del convertidor bajo distintas condiciones de operación. Las simulaciones abarcan voltajes de entrada de 400 V y 600 V, frecuencias de conmutación de 20 kHz y 40 kHz, y cargas entre 1 A y 5 A, con ciclos de trabajo desde 0.2 hasta 0.9. Los resultados de las simulaciones se validan experimentalmente en lazo abierto mediante un setup de laboratorio que incluye fuentes programables, osciloscopios, analizador de potencia y mediciones térmicas y el módulo semipuente modulado con PWM. Las pruebas experimentales demuestran eficiencias superiores al 95% en la mayoría de los escenarios. Se identifican discrepancias menores al 5% entre los datos simulados y experimentales, atribuidas principalmente a efectos no ideales como el ringing en las conmutaciones y las variaciones térmicas no modeladas. Adicionalmente, se propone el uso del Component Stress Factor (CSF) para cuantificar el estrés en los componentes críticos (semiconductores, inductores y capacitores), lo que permite optimizar su diseño y mejorar la confiabilidad del sistema. Como aplicación práctica, se evalúa mediante simulación una configuración interleaved del convertidor buck para conectar arreglos fotovoltaicos con electrolizadores de agua, demostrando su potencial para reducir el ripple de corriente y aumentar la confiabilidad del sistema. This thesis focuses on the characterization of stress in buck-type DC-DC converters for green hydrogen production using photovoltaic energy. The study contrasts simulations in PLECS with experimental tests to evaluate the performance of a synchronous buck converter based on SiC MOSFET technology, implemented in a half-bridge module developed at the AC3E research center. The work includes an electro-thermal model in PLECS that integrates conduction and switching losses, as well as Foster-type thermal networks to predict the converter’s thermal behavior under various operating conditions. Simulations cover input voltages of 400 V and 600 V , switching frequencies of 20 kHz and 40 kHz, and loads ranging from 1A and 5A, with duty cycles from 0.2 to 0.9. The simulation results are validated experimentally in open-loop using a laboratory setup that includes programmable sources, oscilloscopes, power analyzers, thermal measurements, and PWM-modulated half-bridge modules. Experimental tests demonstrate efficiencies above 95% in most scenarios. Discrepancies below 5% between simulated and experimental data are identified, mainly due to nonideal effects such as switching ringing and unmodeled thermal variations. Additionally, the Component Stress Factor (CSF) is proposed to quantify stress in critical components (semiconductors, inductors, and capacitors), enabling design optimization and improved system reliability. As a practical application, an interleaved buck converter configuration is evaluated via simulation to connect photovoltaic arrays with water electrolyzers, demonstrating its potential to reduce current ripple and enhance system reliability.