Multiple Input-Output Bidirectional Solid State Transformer Based on a Series Resonant Converter

Las fuentes de alimentación de modo conmutado (SMPS en sus siglas en inglés) se utilizan ampliamente en una gran variedad de aplicaciones. La tarea más difícil para los diseñadores de SMPS consiste en lograr simultáneamente la operación del convertidor con alto rendimiento y alta densidad de energía. El tamaño y el peso de un convertidor de potencia está dominado por los componentes pasivos, ya que estos elementos son normalmente más grandes y más pesados que otros elementos en el circuito. Para una potencia de salida dada, la cantidad de energía almacenada en el convertidor que ha de ser entregada a la carga en cada ciclo de conmutación, es inversamente proporcional a la frecuencia de conmutación del convertidor. Por lo tanto, el aumento de la frecuencia de conmutación se considera un medio para lograr soluciones más compactas con los niveles de densidad de potencia más altos. La importancia de investigar en el rango de alta frecuencia de conmutación radica en todos los beneficios que se pueden lograr: además de la reducción en el tamaño de los componentes pasivos, el aumento de la frecuencia de conmutación puede mejorar significativamente prestaciones dinámicas de convertidores de potencia. Almacenamiento de energía pequeña y el período de conmutación corto conducen a una respuesta transitoria del convertidor más rápida en presencia de las variaciones de la tensión de entrada o de la carga. Las limitaciones más importantes del incremento de la frecuencia de conmutación se relacionan con mayores pérdidas del núcleo magnético convencional, así como las pérdidas de los devanados debido a los efectos pelicular y proximidad. También, un problema potencial es el aumento de los efectos de los elementos parásitos de los componentes magnéticos - inductancia de dispersión y la capacidad entre los devanados - que causan pérdidas adicionales debido a las corrientes no deseadas. Otro factor limitante supone el incremento de las pérdidas de conmutación y el aumento de la influencia de los elementos parásitos (pistas de circuitos impresos, interconexiones y empaquetado) en el comportamiento del circuito. El uso de topologías resonantes puede abordar estos problemas mediante el uso de las técnicas de conmutaciones suaves para reducir las pérdidas de conmutación incorporando los parásitos en los elementos del circuito. Sin embargo, las mejoras de rendimiento se reducen significativamente debido a las corrientes circulantes cuando el convertidor opera fuera de las condiciones de funcionamiento nominales. A medida que la tensión de entrada o la carga cambian las corrientes circulantes incrementan en comparación con aquellos en condiciones de funcionamiento nominales. Se pueden obtener muchos beneficios potenciales de la operación de convertidores resonantes a más alta frecuencia si se emplean en aplicaciones con condiciones de tensión de entrada favorables como las que se encuentran en las arquitecturas de potencia distribuidas. La regulación de la carga y en particular la regulación de la tensión de entrada reducen tanto la densidad de potencia del convertidor como el rendimiento. Debido a la relativamente constante tensión de bus que se encuentra en arquitecturas de potencia distribuidas los convertidores resonantes son adecuados para el uso en convertidores de tipo bus (transformadores cc/cc de estado sólido). En el mercado ya están disponibles productos comerciales de transformadores cc/cc de dos puertos que tienen muy alta densidad de potencia y alto rendimiento se basan en convertidor resonante serie que opera justo en la frecuencia de resonancia y en el orden de los megahercios. Sin embargo, las mejoras futuras en el rendimiento de las arquitecturas de potencia se esperan que vengan del uso de dos o más buses de distribución de baja tensión en vez de una sola. Teniendo eso en cuenta, el objetivo principal de esta tesis es aplicar el concepto del convertidor resonante serie que funciona en su punto óptimo en un nuevo transformador cc/cc bidireccional de puertos múltiples para atender las necesidades futuras de las arquitecturas de potencia. El nuevo transformador cc/cc bidireccional de puertos múltiples se basa en la topología de convertidor resonante serie y reduce a sólo uno el número de componentes magnéticos. Conmutaciones suaves de los interruptores hacen que sea posible la operación en las altas frecuencias de conmutación para alcanzar altas densidades de potencia. Los problemas posibles con respecto a inductancias parásitas se eliminan, ya que se absorben en los Resumen elementos del circuito. El convertidor se caracteriza con una muy buena regulación de la carga propia y cruzada debido a sus pequeñas impedancias de salida intrínsecas. El transformador cc/cc de puertos múltiples opera a una frecuencia de conmutación fija y sin regulación de la tensión de entrada. En esta tesis se analiza de forma teórica y en profundidad el funcionamiento y el diseño de la topología y del transformador, modelándolos en detalle para poder optimizar su diseño. Los resultados experimentales obtenidos se corresponden con gran exactitud a aquellos proporcionados por los modelos. El efecto de los elementos parásitos son críticos y afectan a diferentes aspectos del convertidor, regulación de la tensión de salida, pérdidas de conducción, regulación cruzada, etc. También se obtienen los criterios de diseño para seleccionar los valores de los condensadores de resonancia para lograr diferentes objetivos de diseño, tales como pérdidas de conducción mínimas, la eliminación de la regulación cruzada o conmutación en apagado con corriente cero en plena carga de todos los puentes secundarios. Las conmutaciones en encendido con tensión cero en todos los interruptores se consiguen ajustando el entrehierro para obtener una inductancia magnetizante finita en el transformador. Se propone, además, un cambio en los señales de disparo para conseguir que la operación con conmutaciones en apagado con corriente cero de todos los puentes secundarios sea independiente de la variación de la carga y de las tolerancias de los condensadores resonantes. La viabilidad de la topología propuesta se verifica a través una extensa tarea de simulación y el trabajo experimental. La optimización del diseño del transformador de alta frecuencia también se aborda en este trabajo, ya que es el componente más voluminoso en el convertidor. El impacto de de la duración del tiempo muerto y el tamaño del entrehierro en el rendimiento del convertidor se analizan en un ejemplo de diseño de transformador cc/cc de tres puertos y cientos de vatios de potencia. En la parte final de esta investigación se considera la implementación y el análisis de las prestaciones de un transformador cc/cc de cuatro puertos para una aplicación de muy baja tensión y de decenas de vatios de potencia, y sin requisitos de aislamiento. Abstract Recently, switch mode power supplies (SMPS) have been used in a great variety of applications. The most challenging issue for designers of SMPS is to achieve simultaneously high efficiency operation at high power density. The size and weight of a power converter is dominated by the passive components since these elements are normally larger and heavier than other elements in the circuit. If the output power is constant, the stored amount of energy in the converter which is to be delivered to the load in each switching cycle is inversely proportional to the converter’s switching frequency. Therefore, increasing the switching frequency is considered a mean to achieve more compact solutions at higher power density levels. The importance of investigation in high switching frequency range comes from all the benefits that can be achieved. Besides the reduction in size of passive components, increasing switching frequency can significantly improve dynamic performances of power converters. Small energy storage and short switching period lead to faster transient response of the converter against the input voltage and load variations. The most important limitations for pushing up the switching frequency are related to increased conventional magnetic core loss as well as the winding loss due to the skin and proximity effect. A potential problem is also increased magnetic parasitics – leakage inductance and capacitance between the windings – that cause additional loss due to unwanted currents. Higher switching loss and the increased influence of printed circuit boards, interconnections and packaging on circuit behavior is another limiting factor. Resonant power conversion can address these problems by using soft switching techniques to reduce switching loss incorporating the parasitics into the circuit elements. However the performance gains are significantly reduced due to the circulating currents when the converter operates out of the nominal operating conditions. As the input voltage or the load change the circulating currents become higher comparing to those ones at nominal operating conditions. Multiple Input-Output Many potential gains from operating resonant converters at higher switching frequency can be obtained if they are employed in applications with favorable input voltage conditions such as those found in distributed power architectures. Load and particularly input voltage regulation reduce a converter’s power density and efficiency. Due to a relatively constant bus voltage in distributed power architectures the resonant converters are suitable for bus voltage conversion (dc/dc or solid state transformation). Unregulated two port dc/dc transformer products achieving very high power density and efficiency figures are based on series resonant converter operating just at the resonant frequency and operating in the megahertz range are already available in the market. However, further efficiency improvements of power architectures are expected to come from using two or more separate low voltage distribution buses instead of a single one. The principal objective of this dissertation is to implement the concept of the series resonant converter operating at its optimum point into a novel bidirectional multiple port dc/dc transformer to address the future needs of power architectures. The new multiple port dc/dc transformer is based on a series resonant converter topology and reduces to only one the number of magnetic components. Soft switching commutations make possible high switching frequencies to be adopted and high power densities to be achieved. Possible problems regarding stray inductances are eliminated since they are absorbed into the circuit elements. The converter features very good inherent load and cross regulation due to the small output impedances. The proposed multiple port dc/dc transformer operates at fixed switching frequency without line regulation. Extensive theoretical analysis of the topology and modeling in details are provided in order to compare with the experimental results. The relationships that show how the output voltage regulation and conduction losses are affected by the circuit parasitics are derived. The methods to select the resonant capacitor values to achieve different design goals such as minimum conduction losses, elimination of cross regulation or ZCS operation at full load of all the secondary side bridges are discussed. ZVS turn-on of all the switches is achieved by relying on the finite magnetizing inductance of the Abstract transformer. A change of the driving pattern is proposed to achieve ZCS operation of all the secondary side bridges independent on load variations or resonant capacitor tolerances. The feasibility of the proposed topology is verified through extensive simulation and experimental work. The optimization of the high frequency transformer design is also addressed in this work since it is the most bulky component in the converter. The impact of dead time interval and the gap size on the overall converter efficiency is analyzed on the design example of the three port dc/dc transformer of several hundreds of watts of the output power for high voltage applications. The final part of this research considers the implementation and performance analysis of the four port dc/dc transformer in a low voltage application of tens of watts of the output power and without isolation requirements.

Characterization of a 90° Transfer Point in a Fruit Packing Line.

Characteristics of the impacts suffered by the fruit on a transfer point of an experimental fruit packing line were analysed. The transfer is made up by two transporting belts at different heights forming an angle of 90°. These transfer points are very common in fruit packing lines, in which fruits receive two impacts: the first onto the belt base and the second into the lateral plate. Different tests were earned out to study the effect of transfer height, velocity, belt structure and padding on tire acceleration values recorded by an instrumental sphere (IS 100). Results showed that transfer height and belt structure affect mainly impact values on the belt base, and padding affects mainly impact values registered in lateral impact. The effect of belt velocity in both impacts is less important when compared to the rest of the variables. Additionally, two powered transfer decelerators were tested at the same point with the aim of decreasing impacts suffered by the fruit. Comparing impacts registered using these decelerators to those analysed in the first part of the study without decelerators a high reduction of the impact values was observed.

Effect of hamstring injuries on kicking in soccer using inverse dynamics

Las lesiones musculares del muslo tienen una gran incidencia en el fútbol. El objetivo del estudio ha sido desarrollar un nuevo procedimiento para evaluar el efecto de las lesiones de isquiotibiales en los golpeos con el pie s en el fútbol utilizando los principios de la dinámica inversa. El trabajo se ha centrado en la evaluación de la diferencia entre sujetos que habían sufrido la lesión en los últimos 5 años y los que no. Se analizaron 17 jugadores de fútbol profesionales realizando cinco tiros con el empeine y cinco con el interior del pie. Los movimientos se registraron mediante una plataforma de fuerza y un sistema de captura de movimiento Vicon funcionando a 500Hz. Los participantes también tomaron parte en una prueba de isocinético en la que se midió el torque isocinético en 60 º/s y 120 º/s. Se observaron diferencias significativas en los parámetros cinemáticos y cinéticos entre los dos grupos (lesionados y no lesionados) en la fase posterior del golpeo y en el instante de máxima flexión de cadera. No se encontraron diferencias significativas entre los dos grupos en la prueba isocinética tradicional. Estos resultados indican que el procedimiento empleado probablemente podría ser muy útil en la evaluación del efecto de las lesiones de isquiotibiales en el fútbol.

Brain rhythms alterations and their effect in functional networks: A simultaneous EEG/fMRI study in Fixation-off epilepsy

Fixation-off sensitivity (FOS) denotes the forms of EEG abnormalities, which are elicited by elimination of central vision or fixation. The phenomenon seems to depend on variables that modulate the alpha rhythm, however, the cerebral mechanisms underlying FOS remain unclear [1]. The scarce previous fMRI findings related to FOS have shown activation in extrastriate cortex [2] and also in frontal areas [3][4]. On the other hand, simultaneous EEG-fMRI technique has been used to assess the relationship between spontaneous power fluctuations of electrical rhythms and associated fMRI signal modulations. These studies have identified that lateral frontoparietal networks show a negative correlation with alpha band in healthy subjects. This neuroanatomical pattern is related to attentional processes and cognitive resources. Moreover, a sub-beta band (17-23 Hz) has been identified with posterior cingulate, temporoparietal junction and dorso-medial prefrontal cortex activations, which correspond to the DMN [5][6].

A new basic effect in retarding potential analyzers

The Retarding Potential Analyzer (RPA) is the standard instrument for in situ measurement of ion temperature and other ionospheric parameters. The fraction of incoming ions rejected by a RPA produces perturbations that reach well ahead of a thin Debye sheath, a feature common to all collisionless, hypersonic flows past ion-rejecting bodies. This phenomenon is here found to result in a correction to Whipple’s classical law for the current characteristic of an ideal RPA sheath thin; inverse ram ion Mach number M-1, and ram angle of RPA aperture u, small or moderately small.

Effect of Sb incorporation on the electronic structure of InAs quantum dots

On the basis of optical characterization experiments and an eight band kp model, we have studied the effect of Sb incorporation on the electronic structure of InAs quantum dots (QDs). We have found that Sb incorporation in InAs QDs shifts the hole wave function to the center of the QD from the edges of the QD where it is otherwise pinned down by the effects of shear stress. The observed changes in the ground-state energy cannot merely be explained by a composition change upon Sb exposure but can be accounted for when the change in lateral size is taken into consideration. The Sb distribution inside the QDs produces distinctive changes in the density of states, particularly, in the separation between excitation shells. We find a 50% increase in the thermal escape activation energy compared with reference InAs quantum dots as well as an increment of the fundamental transition decay time with Sb incorporation. Furthermore, we find that Sb incorporation into quantum dots is strongly nonlinear with coverage, saturating at low doses. This suggests the existence of a solubility limit of the Sb incorporation into the quantum dots during growth.

Moment transfer and influence of transverse beams in interior waffle flat plate-column connections under lateral loading

This paper addresses two aspects of the behavior of interior reinforced concrete waffle flat plate?column connections under lateral loads: the share of the unbalanced moment between flexure and excentric shear, and the effect of the transverse beams. A non-linear finite element model (benchmark model) was developed and calibrated with the results of quasi-static cyclic tests conducted on a 3/5 scale specimen. First, from this numerical model, the portion cv of the unbalanced moment transferred by the excentricity of shear about the centroid of the critical sections defined by Eurocode 2 (EC-2) and by ACI 318-11 was calculated and compared with the share-out prescribed by these codes. It is found that while the critical section of EC-2 is consistent with the cv provided by this code, in the case of ACI 318-11, the value assigned to cv is far below (about 50% smaller) the actual one obtained with the numerical simulations. Second, from the benchmark model, seven additional models were developed by varying the depth D of the transverse beam over the thickness h of the plate. It was found that the ductility of the connection and the effective width of the plate can respectively be increased up to 50% and 10% by raising D/h to 2 and 1.5.

Effect of rare earth additions on the critical resolved shear stresses of magnesium alloys

An inverse optimization strategy based on crystal plasticity finite element simulations of polycrystals was used to obtain the critical resolved shear stresses of two Mg?1%Mn alloys containing neodymium from macroscopic experimental data. It was found that, with respect to pure Mg, the presence of Nd increases the CRSSbasal, CRSStwinning, and the CRSSbasal/CRSStwinning ratio and decreases the CRSSnon-basal/CRSStwinning ratio. Additions of neodymium as high as 1 wt% result in similar CRSSs values for all deformation modes and, thus, in an isotropic yielding behavior.