Diseño e implementación de la etapa de rectificación con corrección de factor de potencia de un On Board Charger de 1KW para aplicaciones de movilidad eléctrica

Abstract

[ES] El objetivo del presente proyecto es el diseño y desarrollo de un Corrector de Factor de Potencia (PFC) monofásico destinado a la industria del automóvil, el cual formará la primera etapa de un On Board Charger (OBC). Se trata de un producto para el sector de la automoción llevado a cabo durante la realización de las prácticas del alumno en la empresa MAHLE Electronics, S.A.U con sede en Paterna. Este TFM es parte de un proyecto de la empresa, un OBC el cual puede ser dividido en dos etapas. Un PFC (Corrector del Factor de Potencia) el cual se conectará a la red monofásica; y un convertidor DC/DC encargado de reducir la tensión de 400V, entregada por el PFC, a 48V. En este documento, el alumno se centrará en la etapa de rectificación con corrección de factor de potencia de dicho OBC. En primer lugar, para el diseño del PFC, se modelará la etapa de potencia con el modelo del conmutador PWM, se dimensionarán los componentes y se analizará la respuesta dinámica y temporal del sistema. En segundo lugar, se modelará la etapa de control mediante el integrado UCC2818A-Q1 de Texas Instruments y se comprobará su funcionamiento con sus respectivas simulaciones. En tercer lugar, se seleccionarán en el mercado los componentes de diseño que mejor se adaptan a nuestro PFC para poder materializarlo en prototipos. Para llevar a cabo el diseño matemático del convertidor se utilizará la herramienta Mathcad, para el desarrollo de las simulaciones se usará el programa LTSpice, mientras que los esquemáticos y el layout se diseñarán mediante el software Altium. En cuarto lugar, una vez diseñada la primera PCB, se ha puesto en marcha experimentalmente el convertidor en el laboratorio y se han resuelto los problemas surgidos en los primeros prototipos. Por último, se realizará un presupuesto y se extraerán las conclusiones.

[EN] The goal of this project is the design and development of a single-phase Power Factor Corrector (PFC) for the automotive industry, which will form the first stage of an On Board Charger (OBC). It is a product for the automotive sector carried out during the performance of the student's internship at the company MAHLE Electronics, S.A.U based in Paterna. This TFM is part of a project of the company, an OBC which can be divided into two stages. A PFC which will be connected to the single-phase grid; and a DC/DC converter charged to reduce the voltage of 400V, delivered by PFC, to 48V. In this document, the student will focus on the rectification phase with the power factor correction of the OBC. First, for the design of the PFC, the power stage will be modeled with the PWM switch model, the components will be dimensioned and the dynamic and temporal response of the system will be analyzed. Secondly, the control stage will be modeled through the integrated UCC2818A-Q1 of Texas Instruments and its operation will be verified with their respective simulations. Thirdly, the design components that best adapt to our PFC will be selected in the market to be able to materialize it in prototypes. To carry out the mathematical design of the converter will use the tool Mathcad, for the development of the simulations will be used the program LTSpice, while the schematics and the layout will be designed using the software Altium. Fourthly, once the first PCB has been designed, the converter has been experimentally implemented in the laboratory and the problems encountered in the first prototypes have been solved. Finally, a budget will be made and the conclusions extracted.

[CA] L'objectiu del present projecte és el disseny i desenvolupament d'un Corrector de Factor de Potència (PFC) monofàsic destinat a la indústria de l'automòbil, el qual formarà la primera etapa d'un On Board Charger (OBC). Es tracta d'un producte per al sector de l'automoció dut a terme durant la realització de les pràctiques de l'alumne en l'empresa MAHLE Electronics, S.A.U amb seu a Paterna. Aquest TFM és part d'un projecte de l'empresa, un OBC el qual pot ser dividit en dues etapes. Un PFC (Corrector del Factor de Potència) el qual es connectarà a la xarxa monofàsica; i un convertidor DC/DC encarregat de reduir la tensió de 400V, entregada pel PFC, a 48V. En aquest document, l'alumne se centrarà en l'etapa de rectificació amb correcció de factor de potència d'aquest OBC. En primer lloc, per al disseny del PFC, es modelarà l'etapa de potència amb el model del commutador PWM, es dimensionaran els components i s'analitzarà la resposta dinàmica i temporal del sistema. En segon lloc, es modelarà l'etapa de control mitjançant l'integrat UCC2818AQ1 de Texas Instruments i es comprovarà el seu funcionament amb les seues respectives simulacions. En tercer lloc, se seleccionaran en el mercat els components de disseny que millor s'adapten al nostre PFC per a poder materialitzar-ho en prototips. Per a dur a terme el disseny matemàtic del convertidor s'utilitzarà la ferramenta Mathcad, per al desenvolupament de les simulacions s'usarà el programa LTSpice, mentre que els esquemàtics i el layout es dissenyaran mitjançant el software Altium. En quart lloc, una vegada dissenyada la primera PCB, s'ha posat en marxa experimentalment el convertidor en el laboratori i s'han resolt els problemes sorgits en els primers prototips. Finalment, es realitzarà un pressupost i s'extrauran les conclusions.