Thesis:

Hybrid Modulation Strategy for Efficiency Improvement of a Step-Down Partial Power Converter

Power electronics plays a central role in the ongoing energy transition. To enable the integration of renewable energy sources into power grids and to facilitate electrification of industrial sectors and domestic applications, the demand for power converters continues to grow. Considering the increasing global energy demand, driven by industrial and technological revolutions accelerating, it has become crucial for power converters to achieve higher efficiency, compactness, and operational flexibility. For this reason, the study of Partial Power Converters (PPCs) has gained significant attention in recent years. Converters that process only a fraction of the total system power allow for more efficient devices with improved power density. This is particularly advantageous in applications such as electric mobility and residential photovoltaic (PV) power generation, where converter size and efficiency are important factors. Focusing on improving the efficiency and flexibility of PPCs, this thesis introduces a novel hybrid modulation strategy aimed at expanding the operational range of the converter. This approach combines the primary modulation strategy—normally employed in the converter’s nominal power range—with a newly proposed modulation scheme designed to process power levels significantly below the nominal value. By doing so, the converter maintains high efficiency across an extended power range, achieving better hardware utilization solely by modifying the control of the active switching devices. To validate the proposed modulation strategy, experimental tests were conducted demonstrating efficiency improvements across an extended operating range of the converter. In addition, dynamic simulations were performed to analyse the transient behaviour when transitioning between modulation strategies during operation. Both the experimental and simulated results confirm the effectiveness and feasibility of the proposed hybrid modulation strategy in extending the useful operating range of a PPC beyond its nominal design point.

La electrónica de potencia juega un rol central en la transición energética. Para habilitar la integración de fuentes de energías renovables a las redes eléctricas o facilitar la electrificación de sectores productivos o aplicaciones domésticas, se necesitan cada vez más convertidores de potencia. Considerando la creciente demanda energética mundial, impulsada por las revoluciones industriales y tecnológicas que suceden cada vez más rápido, se vuelve crucial que los convertidores de potencia sean más eficientes, compactos y flexibles en su operación. Por este motivo, el estudio de los convertidores de potencia parcial (PPC) se ha vuelto más atractivo en los últimos años. Convertidores que procesan solamente una fracción de la potencia en un sistema permiten dispositivos más eficientes y con mejor densidad de potencia. Esto es especialmente positivo en aplicaciones como la electromovilidad o los sistemas de generación de energía solar fotovoltaica domésticos, donde el tamaño de los convertidores son factores de gran importancia. Enfocándose en la eficiencia y flexibilidad de los PPC, esta tesis presenta una nueva estrategia de modulación híbrida para expandir el rango de operación de un dispositivo. Este enfoque utiliza la estrategia de modulación de corriente principal, con la que normalmente se opera el convertidor, para cierto rango de operación de potencia y, complementariamente, también utiliza una nueva estrategia de modulación propuesta para procesar valores de potencia alejados del nominal. Esto permite expandir el rango de potencia en el que el convertidor opera con eficiencia cercana a la nominal, logrando una mejor utilización del hardware, cambiando únicamente la forma en la que se controlan los interruptores activos del dispositivo. Para validar la estrategia de modulación diseñada, se realizan pruebas experimentales que muestran la mejora en eficiencia en un rango de operación extendido del convertidor. Además, se estudia a través de simulación el efecto dinámico de cambiar de modulación mientras el convertidor está en funcionamiento. Ambos resultados confirman la efectividad y factibilidad de utilizar esta novedosa estrategia híbrida de modulación para ampliar el rango útil de operación de un PPC, más allá del punto de operación para el que fue diseñado.