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.

Multiscale analysis of the mechanical behavior of needle-punched nonwoven fabrics

Los fieltros son una familia de materiales textiles constituidos por una red desordenada de fibras conectadas por medio de enlaces térmicos, químicos o mecánicos. Presentan menor rigidez y resistencia (al igual que un menor coste de procesado) que sus homólogos tejidos, pero mayor deformabilidad y capacidad de absorción de energía. Los fieltros se emplean en diversas aplicaciones en ingeniería tales como aislamiento térmico, geotextiles, láminas ignífugas, filtración y absorción de agua, impacto balístico, etc. En particular, los fieltros punzonados fabricados con fibras de alta resistencia presentan una excelente resistencia frente a impacto balístico, ofreciendo las mismas prestaciones que los materiales tejidos con un tercio de la densidad areal. Sin embargo, se sabe muy poco acerca de los mecanismos de deformación y fallo a nivel microscópico, ni sobre como influyen en las propiedades mecánicas del material. Esta carencia de conocimiento dificulta la optimización del comportamiento mecánico de estos materiales y también limita el desarrollo de modelos constitutivos basados en mecanismos físicos, que puedan ser útiles en el diseño de componentes estructurales. En esta tesis doctoral se ha llevado a cabo un estudio minucioso con el fin de determinar los mecanismos de deformación y las propiedades mecánicas de fieltros punzonados fabricados con fibras de polietileno de ultra alto peso molecular. Los procesos de deformación y disipación de energía se han caracterizado en detalle por medio de una combinación de técnicas experimentales (ensayos mecánicos macroscópicos a velocidades de deformación cuasi-estáticas y dinámicas, impacto balístico, ensayos de extracción de una o múltiples fibras, microscopía óptica, tomografía computarizada de rayos X y difracción de rayos X de gran ángulo) que proporcionan información de los mecanismos dominantes a distintas escalas. Los ensayos mecánicos macroscópicos muestran que el fieltro presenta una resistencia y ductilidad excepcionales. El estado inicial de las fibras es curvado, y la carga se transmite por el fieltro a través de una red aleatoria e isótropa de nudos creada por el proceso de punzonamiento, resultando en la formación de una red activa de fibra. La rotación y el estirado de las fibras activas es seguido por el deslizamiento y extracción de la fibra de los puntos de anclaje mecánico. La mayor parte de la resistencia y la energía disipada es proporcionada por la extracción de las fibras activas de los nudos, y la fractura final tiene lugar como consecuencia del desenredo total de la red en una sección dada donde la deformación macroscópica se localiza. No obstante, aunque la distribución inicial de la orientación de las fibras es isótropa, las propiedades mecánicas resultantes (en términos de rigidez, resistencia y energía absorbida) son muy anisótropas. Los ensayos de extracción de múltiples fibras en diferentes orientaciones muestran que la estructura de los nudos conecta más fibras en la dirección transversal en comparación con la dirección de la máquina. La mejor interconectividad de las fibras a lo largo de la dirección transversal da lugar a una esqueleto activo de fibras más denso, mejorando las propiedades mecánicas. En términos de afinidad, los fieltros deformados a lo largo de la dirección transversal exhiben deformación afín (la deformación macroscópica transfiere directamente a las fibras por el material circundante), mientras que el fieltro deformado a lo largo de la dirección de la máquina presenta deformación no afín, y la mayor parte de la deformación macroscópica no es transmitida a las fibras. A partir de estas observaciones experimentales, se ha desarrollado un modelo constitutivo para fieltros punzonados confinados por enlaces mecánicos. El modelo considera los efectos de la deformación no afín, la conectividad anisótropa inducida durante el punzonamiento, la curvatura y re-orientación de la fibra, así como el desenredo y extracción de la fibra de los nudos. El modelo proporciona la respuesta de un mesodominio del material correspondiente al volumen asociado a un elemento finito, y se divide en dos bloques. El primer bloque representa el comportamiento de la red y establece la relación entre el gradiente de deformación macroscópico y la respuesta microscópica, obtenido a partir de la integración de la respuesta de las fibras en el mesodominio. El segundo bloque describe el comportamiento de la fibra, teniendo en cuenta las características de la deformación de cada familia de fibras en el mesodominio, incluyendo deformación no afín, estiramiento, deslizamiento y extracción. En la medida de lo posible, se ha asignado un significado físico claro a los parámetros del modelo, por lo que se pueden identificar por medio de ensayos independientes. Las simulaciones numéricas basadas en el modelo se adecúan a los resultados experimentales de ensayos cuasi-estáticos y balísticos desde el punto de vista de la respuesta mecánica macroscópica y de los micromecanismos de deformación. Además, suministran información adicional sobre la influencia de las características microstructurales (orientación de la fibra, conectividad de la fibra anisótropa, afinidad, etc) en el comportamiento mecánico de los fieltros punzonados. Nonwoven fabrics are a class of textile material made up of a disordered fiber network linked by either thermal, chemical or mechanical bonds. They present lower stiffness and strength (as well as processing cost) than the woven counterparts but much higher deformability and energy absorption capability and are used in many different engineering applications (including thermal insulation, geotextiles, fireproof layers, filtration and water absorption, ballistic impact, etc). In particular, needle-punched nonwoven fabrics manufactured with high strength fibers present an excellent performance for ballistic protection, providing the same ballistic protection with one third of the areal weight as compared to dry woven fabrics. Nevertheless, very little is known about their deformation and fracture micromechanisms at the microscopic level and how they contribute to the macroscopic mechanical properties. This lack of knowledge hinders the optimization of their mechanical performance and also limits the development of physically-based models of the mechanical behavior that can be used in the design of structural components with these materials. In this thesis, a thorough study was carried out to ascertain the micromechanisms of deformation and the mechanical properties of a needle-punched nonwoven fabric made up by ultra high molecular weight polyethylene fibers. The deformation and energy dissipation processes were characterized in detail by a combination of experimental techniques (macroscopic mechanical tests at quasi-static and high strain rates, ballistic impact, single fiber and multi fiber pull-out tests, optical microscopy, X-ray computed tomography and wide angle X-ray diffraction) that provided information of the dominant mechanisms at different length scales. The macroscopic mechanical tests showed that the nonwoven fabric presented an outstanding strength and energy absorption capacity. It was found that fibers were initially curved and the load was transferred within the fabric through the random and isotropic network of knots created by needlepunching, leading to the formation of an active fiber network. Uncurling and stretching of the active fibers was followed by fiber sliding and pull-out from the entanglement points. Most of the strength and energy dissipation was provided by the extraction of the active fibers from the knots and final fracture occurred by the total disentanglement of the fiber network in a given section at which the macroscopic deformation was localized. However, although the initial fiber orientation distribution was isotropic, the mechanical properties (in terms of stiffness, strength and energy absorption) were highly anisotropic. Pull-out tests of multiple fibers at different orientations showed that structure of the knots connected more fibers in the transverse direction as compared with the machine direction. The better fiber interconnection along the transverse direction led to a denser active fiber skeleton, enhancing the mechanical response. In terms of affinity, fabrics deformed along the transverse direction essentially displayed affine deformation {i.e. the macroscopic strain was directly transferred to the fibers by the surrounding fabric, while fabrics deformed along the machine direction underwent non-affine deformation, and most of the macroscopic strain was not transferred to the fibers. Based on these experimental observations, a constitutive model for the mechanical behavior of the mechanically-entangled nonwoven fiber network was developed. The model accounted for the effects of non-affine deformation, anisotropic connectivity induced by the entanglement points, fiber uncurling and re-orientation as well as fiber disentanglement and pull-out from the knots. The model provided the constitutive response for a mesodomain of the fabric corresponding to the volume associated to a finite element and is divided in two blocks. The first one was the network model which established the relationship between the macroscopic deformation gradient and the microscopic response obtained by integrating the response of the fibers in the mesodomain. The second one was the fiber model, which took into account the deformation features of each set of fibers in the mesodomain, including non-affinity, uncurling, pull-out and disentanglement. As far as possible, a clear physical meaning is given to the model parameters, so they can be identified by means of independent tests. The numerical simulations based on the model were in very good agreement with the experimental results of in-plane and ballistic mechanical response of the fabrics in terms of the macroscopic mechanical response and of the micromechanisms of deformation. In addition, it provided additional information about the influence of the microstructural features (fiber orientation, anisotropic fiber connectivity, affinity) on the mechanical performance of mechanically-entangled nonwoven fabrics.