Reporte de Avance de Tesis

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1 Reporte de Avance de Tesis Universidad Autónoma de San Luis Potosí Facultad de Ingeniería Posgrado en Ingeniería Eléctrica Tema: Modelado, Análisis y Control de Convertidores de CD-CD de Dos Etapas Operando en Modo de Conducción Discontinua Alumno: M. I. Miguel Ángel Mendoza Dávila Asesor: Dr. Enrique Eduardo Carbajal Gutiérrez Agosto de 2016

2 Reporte de Avance de Tesis Acatando las recomendaciones indicadas en avances de tesis previos, se informa que la escritura del documento de tesis ha finalizado y fue presentado en el reporte de avance de enero del 2016, actualmente sigue en revisión por parte del asesor. Así mismo, se ha sometido un artículo ( The Cascade Connection of Boost Converters Operating in Discontinuous Conduction Mode for Portable Loads ) a una revista indizada para su posible publicación. Actualmente se continua con la redacción de un segundo artículo (título tentativo, The Cascade Connection of Buck Converters Operating in Discontinuous Conduction Mode ) el cual en breve será enviado a una revista indizada para su probable publicación. Por limitaciones de espacio en el informe de avance de tesis, no es posible mostrar el artículo redactado. Con referencia al documento de tesis, a continuación se presenta el índice de la misma así como la sección de introducción correspondiente al Capítulo 1. Índice de Tesis: 1. Introducción 2. Análisis y Diseño de Convertidores de CD-CD Conectados en Cascada y Operando en Modo de Conducción Discontinua 3. Modelos Lineales y Estrategias de Control 4. Resultados Experimentales en Reguladores en Cascada 5. Conclusiones Bibliografía Introducción del Capítulo 1: Estado del Arte La evolución de los dispositivos semiconductores en las últimas décadas sigue introduciendo nuevas tecnologías que han cambiado radicalmente la ideología del diseño de dispositivos electrónicos. Tal es el caso de los transistores de nitrito de galio (GaN) que han emergido como un remplazo para los dispositivos de silicio en varias aplicaciones de conversión de energía. Existen cinco requerimientos que se buscan en la construcción de un nuevo transistor: 2

3 1. Baja resistencia de encendido 2. Alta velocidad de conmutación 3. Mejor conductividad térmica 4. Reducción de tamaño 5. Menor Costo De vez en cuando diferentes tecnologías como el GaAs o el SiC, han mejorado uno o más de estos requerimientos básicos. Por el contrario, el nitrito de galio ha mejorado todas estas características [1]. Por todo lo anterior, se ha obligado a los ingenieros a buscar nuevos métodos y técnicas en los cuales los productos sean lo más eficientes posibles y con la tendencia en la reducción de los dispositivos semiconductores, éstos no pierden prestaciones, sino que se incrementan, convirtiéndolos en dispositivos electrónicos cada vez más complejos, más aún, la tendencia a la reducción en el tamaño de los dispositivos móviles genera un nuevo desafío y es el cómo se debe administrar la energía para llegar a los nuevos niveles de eficiencia demandados. Desde el punto de vista tecnológico puede dar la impresión de que se hace cada vez más complicado conseguirlo, es decir, entre más pequeño se hace el dispositivo, se incrementa la complejidad a la hora de administrar la energía. Figura 1.1. Estructura general de Jouler, un sistema que habilita la política efectiva y flexible de administración de energía en los smartphone. Si se considera el caso de los smartphone, la administración de energía efectiva requiere responder a una enorme cantidad de aspectos. Los dispositivos tienen baterías con capacidades diferentes. Los usuarios tienen diferentes expectativas del tiempo de vida de la batería determinados por sus hábitos de carga así como el uso de aplicaciones. La cantidad de consumo de energía depende de las actividades que realicen así como la eficiencia para realizarlas. A pesar de estas diferencias, las plataformas actuales de smarphone administran la energía usando una misma política energética para todos. Para algunos usuarios el tiempo de vida de la batería es sumamente corto y esto se ha 3

4 convertidor en la principal demanda para los smartphone. Para otros usuarios, los tiempo de vida de la batería son innecesariamente largos y degradan el rendimiento debido a la innecesaria conservación de energía. Los recientes esfuerzos de investigación han logrado mejorar la medición de energía en los smartphone, la caracterización y el modelado. También han proporcionado nuevos mecanismos de hardware y software para el control energético. Como siempre más exactitud en las mediciones y más mecanismos efectivos no van a mejorar la administración de energía en los smarphone sino se unen con un rango de políticas diferentes que reflejen las diferencias entre dispositivos, usuarios y aplicaciones. En la categoría de software se ha propuesto a Jouler (ver Figura 1.1), un sistema que habilita efectiva y flexiblemente la administración de energía en los smartphone, delega las decisiones de las políticas de administración de energía actualmente embebidas en las plataformas de los smartphone a aplicaciones no privilegiadas denominadas administradores de energía [2]. Figura 1.2. Power usage by component. The large bar at left shows an aggregated breakdown for all participants. The participant bars are scaled against the participant with the most energy usage. Continuando con la misma línea de los teléfonos inteligentes, en [3] fueron desarrolladas varias pruebas de laboratorio para mostrar el consumo de energía en cada uno de los componentes, los resultados se pueden ver en el gráfico de la Figura 1.2. Al realizar un revisión superficial se puede ver como en el display el consumo energético llega a más del 45 %, pero el porcentaje que sorprende no proviene de los datos del display, sino del consumo del teléfono cuando está en modo de sleep o en reposo que llega a 4.2 %, es decir, el teléfono consume más energía cuando está en reposo que cuando se utiliza para hacer una llamada, es en este punto donde existe oportunidad para el desarrollo de nueva tecnología a nivel de hardware, dicha tecnología tiene nombre y se refiere a los convertidores básicos de CD-CD que son el convertidor reductor y el convertidor elevador. Aplicaciones de los Convertidores de Corriente Directa a Corriente Directa (CD-CD) 4

5 Las aplicaciones se han clasificado en dos categorías, es decir, aquellas que se aplican al convertidor reductor así como al convertidor elevador. Convertidor Elevador Primeramente es necesario definir al convertidor elevador, el cual produce un nivel de voltaje mayor al voltaje de alimentación. En los últimos años las aplicaciones portables se han incrementado considerablemente y se están convirtiendo en la más importante área de aplicación para los circuitos integrados de semiconductores de potencia. Otra área de aplicación que continúa creciendo es en las fuentes de energía basadas en paneles fotovoltaicos conectados a la redes de distribución eléctrica [4], las celdas de combustible, las baterías y los microgeneradores de energía. Estos últimos, a los cuales se les ha llamado también generadores infinitos de energía son en realidad cosechadores de energía del medio ambiente, es decir, que pueden generar una pequeña cantidad de energía a través de la radio frecuencia, la vibración, la luz y los efectos termoeléctricos [5, 6]. En la Figura 1.3 [7] se puede ver un diagrama de los diferentes cosechadores de energía y en una etapa intermedia están presentes los convertidores de CD-CD, estos pueden ser utilizados para alimentar al dispositivo electrónico directamente o para almacenar en una batería la energía que producen. Aplicaciones prácticas se pueden encontrar en los sensores inalámbricos que se colocan bajo la piel para monitorear ciertas señales del organismo. En cuanto a las aplicaciones en baja potencia se puede ver en las pantallas AMOLED [8] (Matriz Activa de Diodo Orgánico Emisor de Luz, por sus siglas en inglés) para Televisores así como para equipos móviles como Teléfonos y Tabletas electrónicas [9]. En iluminación con el uso de controladores LED (Diodo Emisor de Luz, por sus siglas en inglés) [10]. Convertidor Reductor Del mismo modo que en el caso anterior, es necesario definir al convertidor reductor, el cual produce un nivel de voltaje menor al voltaje de alimentación. Las tensiones de alimentación del bus de Corriente Directa (CD) estándar son comúnmente 12, 24 y 48 V. Grandes relaciones de conversión de tensión en convertidores de CD-CD para aplicaciones de productos electrónicos son, por tanto, de gran demanda [11, 12]. Lo anterior se puede ver en los niveles de alimentación de modernos microprocesadores y chips de circuitos integrados de algunas aplicaciones en específico que se están reduciendo de forma continua a un nivel menor a 1 V [11]. 5

6 Figura 1.3: Energy harvesting system synoptic and energy flow. Por otro lado, la eficiencia energética es un aspecto de vital importancia en el diseño de un controlador para convertidores de CD-CD con Modulación de Ancho de Pulso (PWM, por sus siglas en inglés). Esto es especialmente cierto cuando la aplicación es un dispositivo portátil (por ejemplo, PDAs, teléfonos móviles, etc.) en los que la vida de la batería es un parámetro de diseño crítico. Una clave para maximizar la eficiencia de la conversión es la elección de una estructura apropiada para el controlador. Por ejemplo, un controlador minimiza el subimpulso de la tensión de salida durante los cambios de carga lo cual permite una disminución del valor de CD de la tensión de referencia, lo que reduce el consumo de energía estática. La eficiencia también se puede aumentar mediante la utilización del Modo de Conducción Discontinua (MCD) cuando se aplica una carga ligera [13]. Es bien sabido que los convertidores conmutados de CD-CD que funcionan en MCD disfrutan de los beneficios de que no existe corriente tanto en el diodo de marcha libre (interruptor pasivo), así como en el interruptor activo (normalmente implementado por un MOSFET) en un lapso de tiempo, lo que resulta en una disminución de pérdidas por conmutación, así como una reducción en la interferencia por ruido electromagnético. El convertidor reductor operando en MCD es, por lo tanto, más adecuados para aplicaciones de baja potencia, tales como los dispositivos móviles que utilizan baterías de litio como fuente de alimentación de entrada [14, 15, 16]. En la práctica, el funcionamiento MCD goza de una respuesta transitoria más rápida a expensas del incremento de esfuerzos en los dispositivos semiconductores [17]. 6

7 1.2. Convertidores de CD-CD conectados en cascada Como solución a lo anteriormente expuesto, y para proporcionar una relación de conversión extremadamente alta sobre los niveles de voltaje de salida, las topologías de convertidores básicos deben operar con ciclos de trabajo muy pequeños o muy grandes, es decir, prácticamente operando en los límites entre 0 ó 1. Un ciclo de trabajo en estos límites promueve los siguientes eventos: 1. Perjudica la eficiencia. 2. Impone obstáculos en la respuesta transitoria. 3. Puede causar fallas en el funcionamiento para altas frecuencias de operación debido a los tiempos de conducción muy cortos en los elementos de conmutación [12, 18]. 4. Provoca un gran deterioro en el voltaje de salida así como en la corriente en el inductor y por consecuencia en la señal de control [19]. Figura 1.4: Convertidor elevador de dos etapas con un solo interruptor. Por lo anterior, grandes relaciones de transformación ya no pueden ser sostenidas por las topologías de los convertidores básicos y son necesarias nuevas topologías. Figura 1.5: Convertidor elevador conectado en cascada. Una posible solución a los problemas anteriores y que puede satisfacer los requerimientos de altas relaciones de conversión es el uso de convertidores de CD-CD con n-etapas conectadas en cascada (ver Figura 1.5) [20], y las topologías con múltiples etapas con un solo interruptor (ver Figura 1.4) [19]. No obstante, estas propuestas han sido para su operación en Modo de Conducción Continua (MCC). Sin embargo, cuando la aplicación es una carga ligera (como las aplicaciones portables, por ejemplo) la utilización en Modo de Conducción Discontinua (MCD) puede ser conveniente y además se 7

8 consigue aumentar la eficiencia [13]. Asimismo, se puede proponer la interconexión en cascada para cumplir los requerimientos de relaciones de conversión de voltaje y corrientes que demande la carga. Es verdad que un convertidor básico operando en MCD presenta un gran estrés en los dispositivos de potencia y más en el diodo, más sin embargo, en una conexión en cascada se reduciría el estrés que se estuviera generando en los dispositivos de potencia, y con esto la eficiencia de la conexión en cascada comparada con la conexión de una etapa simple sí sería superior, así como la relación de conversión. Por todo lo anterior, a la fecha es difícil encontrar en la literatura especializada una metodología de diseño para los convertidores (reductor y elevador) en MCD en la conexión en cascada de dos etapas o para los circuitos equivalentes de dos etapas con un solo interruptor y que garanticen que los dos inductores trabajen en MCD Objetivos de la tesis Los objetivos del presente documento de investigación son: 1. Presentar una metodología de diseño para los convertidores reductor y elevador conectados en cascada de dos etapas con dos interruptores operando en MCD, basada principalmente en el análisis del comportamiento de las corrientes que se presenta en cada uno de los inductores y que asegura el funcionamiento en MCD en cada etapa de los convertidores. 2. Obtener los modelos promedio no-lineales y lineales que describan el comportamiento dinámico de los convertidores (elevador y reductor) CD-CD de dos etapas con dos interruptores conectados en cascada. 3. Realizar la validación de dos modelos de convertidores (reductor y elevador) a partir de la simulación y experimentación. 4. Análisis del modelo lineal en su respuesta en frecuencia. 5. Presentar una metodología de diseño de un controlador para cada uno de los convertidores (reductor y elevador) de dos etapas con dos interruptores conectados en cascada usando el esquema de control en modo voltaje Organización del trabajo de tesis El actual documento de tesis consta de 5 capítulos, donde también está presente la introducción, justamente la que el lector se encuentra examinando. Las capítulos 2, 3, 4 y 5 pasan a describirse de la manera más breve posible: Capítulo II (Análisis y Diseño de Convertidores de CD-CD Conectados en Cascada y Operando en Modo de Conducción Discontinua) En este capítulo primero se aborda el concepto de modulación por ancho de pulso (PWM), el cual es el encargado del control de conmutación del interruptor activo del convertidor, posteriormente presenta 4 modos de operación en una conexión en cascada que dependen del comportamiento de la 8

9 corriente del inductor en la segunda etapa. Además se presentan las primeras expresiones para el modelado en cascada en MCD, posteriormente se propone en nuevo enfoque para el análisis en cascada del cual también resulta un conjunto de expresiones más reducidas que en el primero. No conforme con lo anterior, se propone una nueva metodología para el diseño de lo convertidores básicos en cascada en donde se puede ver una reducción en las expresiones propuestas. Finalmente muestra una validación del nuevo diseño de los convertidores a través de resultados en simulación así como en prototipos experimentales para dos de los convertidores básicos, el reductor y el elevador Capítulo III (Modelos Lineales y Estrategias de Control) En este capítulo primeramente son mostrados los conceptos de promedio de una variable, circuitos eléctricos promedio así como el promedio de la función de conmutación. Posteriormente se muestra el modelado de un interruptor a través de la celda de conmutación PWM (sustituye los interruptores activos y pasivos por fuentes dependientes de corriente y voltaje respectivamente), en el cual se detalla la metodología donde a partir de un circuito eléctrico de un convertidor de una etapa simple mediante la identificación de las terminales activa, pasiva, común y el inductor, es posible obtener el modelo no-lineal promedio del convertidor. Posteriormente, el mismo método de la celda de conmutación PWM es aplicado a un convertidor en cascada de dos etapas con dos interruptores con la finalidad de conseguir los modelos no-lineales promedio. A continuación se efectúa la linealización de los convertidores en cascada, se analiza la función de transferencia obtenida para la selección del tipo de controlador, se valida la función de transferencia obtenida al aplicarle pruebas de seguimiento de referencia, lo anterior a través de simulaciones computaciones y como con prototipos experimentales de los convertidores reductor y elevador Capítulo IV (Resultados Experimentales en Reguladores en Cascada) En este capítulo, se inicia con el convertidor reductor, el cual es diseñado a partir de requerimientos previamente establecidos, es diseñado utilizando la metodología propuesta en capítulos previos, posteriormente se diseña el controlador a partir de la metodología que se propone en el presente capítulo (se incluyen los pasos para el cálculo de los componentes pasivos del controlador). Se prosigue con la validación de los resultados, primeramente al examinar los valores del voltaje de salida, después las corrientes en los inductores y al final la corriente de salida en la carga. Se continúa la validación al variar los parámetros de operación en niveles por arriba y abajo del valor nominal. Posteriormente, las variaciones mencionadas anteriormente fueron aplicadas en un esquema de lazo abierto, se repiten las mismas variaciones pero ahora utilizando un esquema en lazo cerrado. Todo lo anterior se lleva a cabo a través de simulaciones computaciones así como en un prototipo experimental al cual son conectados diferentes módulos para obtener el lazo de control cerrado. 9

10 Todo lo anteriormente mencionado en el presente capítulo es aplicado también al convertidor elevador Capítulo V (Conclusiones) En está sección se presentan las conclusiones del presente documento de investigación en las diferentes etapas del desarrollo del mismo, así como las nuevas aportaciones en los convertidores en cascada 2E2I y finalmente los desafíos en las líneas de investigación que están pendientes a ser desarrolladas en investigaciones futuras. Referencias Bibliográficas Por cuestiones de espacio en el reporte, las referencias pueden ser revisadas en el documento de tesis. 10