Uno de los problemas recurrentes a los que se enfrentan los sistemas de propulsión de los vehículos eléctricos y que está siendo investigado ampliamente es la tensión de modo común (common-mode voltage, CMV). Esta tensión produce serios problemas en los motores cuando son accionados por convertidores de potencia que se controlan con estrategias de modulación basadas en PWM. En concreto, los patrones de conmutación de los dispositivos producen formas de onda de tensión desequilibradas que oscilan a altas frecuencias y hacen que se produzca una forma de onda de CMV perjudicial para el sistema de propulsión. Ésta genera problemas que, en su conjunto, pueden provocar un mal funcionamiento del motor o incluso un fallo total del sistema de propulsión y, de no buscarse una solución adecuada, éstos problemas se harán más frecuentes en los próximos años. De hecho, en la actualidad los fabricantes de vehículos eléctricos están comenzando a desarrollar nuevas soluciones basadas en packs de baterías que operen a tensiones más elevadas (sistemas de 800 V). Además, la necesidad de mejorar los sistemas de propulsión también hace necesario aumentar la velocidad de operación de las máquinas eléctricas. Sin embargo, un aumento de la velocidad de operación de las máquinas requiere de convertidores de potencia que conmuten a frecuencias más elevadas. La desventaja de aumentar la tensión de las baterías o la frecuencia de conmutación de los semiconductores de potencia es que se pueden agravar las formas de onda de la CMV y, por lo tanto, empeorar los problemas derivados de esta tensión tan problemática. Considerando lo anterior, en esta tesis doctoral se propone y se analiza detalladamente un nuevo convertidor de potencia junto con una nueva estrategia de modulación cuyo objetivo es, por un lado, la reducción de la CMV y, por otro, que no se penalice el resto de prestaciones de los sistemas de propulsión de los vehículos eléctricos actuales. En particular, como la tendencia seguida por los fabricantes, en lo que se refiere al convertidor de potencia, sigue siendo utilizar el inversor trifásico de dos niveles, conocido comúnmente como voltage-source inverter (VSI), en esta tesis se propone una nueva variante de este inversor, denominada ZVR-D2, que consta de dos puentes rectificadores de diodos y dos diodos de fijación para proporcionar a la máquina eléctrica el valor de CMV deseado, reduciendo, así, esta tensión parásita.

El enfoque que se ha seguido para desarrollar esta tesis doctoral ha sido, en primer lugar, realizar una revisión exhaustiva del estado de la tecnología, tanto de los problemas derivados de la CMV como de sus principales soluciones, además de las alternativas de topologías de convertidor y técnicas de modulación que existen para reducir esta tensión. En segundo lugar, y para evaluar el rendimiento del convertidor ZVR-D2 propuesto, se han llevado a cabo varias simulaciones que permiten, por un lado, analizar detalladamente sus prestaciones y, por otro, compararlo frente a otras soluciones existentes que han sido previamente propuestas por otros autores. Por último, se ha desarrollado un prototipo de inversor de automoción a escala para validar experimentalmente el concepto de la reducción de la CMV sobre la topología de convertidor propuesta. A partir de los resultados obtenidos se demuestra el alto desempeño de la solución propuesta en comparación con el VSI convencional, logrando reducir la CMV y, al mismo tiempo, buscando un equilibrio entre el resto de prestaciones del convertidor de potencia. Se demuestra que una reducción de la CMV conlleva un ligero empeoramiento de otros parámetros, tales como la eficiencia del convertidor o la distorsión armónica de la corriente entregada al motor. Sin embargo, se demuestra que en función de la estrategia de modulación se puede ajustar la mejora o el empeoramiento de todas estas prestaciones, e incluso operar empleando únicamente el VSI convencional, si se desea. De hecho, la migración del VSI convencional al nuevo convertidor ZVR-D2 es simple y puede producir beneficios, ya que se pueden explotar grados de libertad adicionales que permiten resolver grandes problemas de fiabilidad en los sistemas de propulsión actuales.