Mejora de la eficacia de Penicillium oxalicum como agente de biocontrol en enfermedades de plantas hortícolas

Actualmente, la reducción de materias activas (UE) y la implantación de la nueva Directiva comunitaria 2009/128/ que establece el marco de actuación para conseguir un uso sostenible de los plaguicidas químicos y la preferencia de uso de métodos biológicos, físicos y otros no químicos, obliga a buscar métodos de control menos perjudiciales para el medio ambiente. El control biológico (CB) de enfermedades vegetales empleando agentes de control biológico (ACB) se percibe como una alternativa más segura y con menor impacto ambiental, bien solos o bien como parte de una estrategia de control integrado. El aislado 212 de Penicillium oxalicum (PO212) (ATCC 201888) fue aislado originalmente de la micoflora del suelo en España y ha demostrado ser un eficaz ACB frente a la marchitez vascular del tomate. Una vez identificado y caracterizado el ACB se inició el periodo de desarrollo del mismo poniendo a punto un método de producción en masa de sus conidias. Tras lo cual se inició el proceso de formulación del ACB deshidratando las conidias para su preservación durante un período de tiempo mayor mediante lecho fluido. Finalmente, se han desarrollado algunos formulados que contienen de forma individual diferentes aditivos que han alargado su viabilidad, estabilidad y facilitado su manejo y aplicación. Sin embargo, es necesario seguir trabajando en la mejora de su eficacia de biocontrol. El primer objetivo de esta Tesis se ha centrado en el estudio de la interacción ACB-patógeno-huésped que permita la actuación de P.oxalicum en diferentes patosistemas. Uno de los primeros puntos que se abordan dentro de este objetivo es el desarrollo de nuevas FORMULACIONES del ACB que incrementen su eficacia frente a la marchitez vascular del tomate. Las conidias formuladas de PO212 se obtuvieron por la adición conjunta de distintos aditivos (mojantes, adherentes o estabilizantes) en dos momentos diferentes del proceso de producción/secado: i) antes del proceso de producción (en la bolsa de fermentación) en el momento de la inoculación de las bolsas de fermentación con conidias de PO212 o ii) antes del secado en el momento de la resuspensión de las conidias tras su centrifugación. De las 22 nuevas formulaciones desarrolladas y evaluadas en plantas de tomate en ensayos en invernadero, seis de ellas (FOR22, FOR25, FOR32, FOR35, FOR36 y FOR37) mejoran significativamente (P=0,05) el control de la marchitez vascular del tomate con respecto al obtenido con las conidias secas de P.oxalicum sin aditivos (CSPO) o con el fungicida Bavistin. Los formulados que mejoran la eficacia de las conidias secas sin aditivos son aquellos que contienen como humectantes alginato sódico en fermentación, seguido de aquellos que contienen glicerol como estabilizante en fermentación, y metil celulosa y leche desnatada como adherentes antes del secado. Además, el control de la marchitez vascular del tomate por parte de los formulados de P. oxalicum está relacionado con la fecha de inicio de la enfermedad. Otra forma de continuar mejorando la eficacia de biocontrol es mejorar la materia activa mediante la SELECCIÓN DE NUEVAS CEPAS de P. oxalicum, las cuales podrían tener diferentes niveles de eficacia. De entre las 28 nuevas cepas de P. oxalicum ensayadas en cámara de cultivo, sólo el aislado PO15 muestra el mismo nivel de eficacia que PO212 (62-67% de control) frente a la marchitez vascular del tomate en casos de alta presión de enfermedad. Mientras que, en casos de baja presión de enfermedad todas las cepas de P. oxalicum y sus mezclas demuestran ser eficaces. Finalmente, se estudia ampliar el rango de actuación de este ACB a OTROS HUÉSPEDES Y OTROS PATÓGENOS Y DIFERENTES GRADOS DE VIRULENCIA. En ensayos de eficacia de P. oxalicum frente a aislados de diferente agresividad de Verticillium spp. y Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici en plantas de tomate en cámaras de cultivo, se demuestra que la eficacia de PO212 está negativamente correlacionada con el nivel de enfermedad causada por F. oxysporum f. sp. lycopersici pero que no hay ningún efecto diferencial en la reducción de la incidencia ni de la gravedad según la virulencia de los aislados. Sin embargo, en los ensayos realizados con V. dahliae, PO212 causa una mayor reducción de la enfermedad en las plantas inoculadas con aislados de virulencia media. La eficacia de PO212 también era mayor frente a aislados de virulencia media alta de F. oxysporum f. sp. melonis y F. oxysporum f. sp. niveum, en plantas de melón y sandía, respectivamente. En ambos huéspedes se demuestra que la dosis óptima de aplicación del ACB es de 107 conidias de PO212 g-1 de suelo de semillero, aplicada 7 días antes del trasplante. Además, entre 2 y 4 nuevas aplicaciones de PO212 a la raíces de las plantas mediante un riego al terreno de asiento mejoran la eficacia de biocontrol. La eficacia de PO212 no se limita a hongos patógenos vasculares como los citados anteriormente, sino también a otros patógenos como: Phytophthora cactorum, Globodera pallida y G. rostochiensis. PO212 reduce significativamente los síntomas (50%) causados por P. cactorum en plantas de vivero de fresa, tras la aplicación del ACB por inmersión de las raíces antes de su trasplante al suelo de viveros comerciales. Por otra parte, la exposición de los quistes de Globodera pallida y G. rostochiensis (nematodos del quiste de la patata) a las conidias de P. oxalicum, en ensayos in vitro o en microcosmos de suelo, reduce significativamente la capacidad de eclosión de los huevos. Para G. pallida esta reducción es mayor cuando se emplean exudados de raíz de patata del cv. 'Monalisa', que exudados de raíz del cv. 'Desirée'. No hay una reducción significativa en la tasa de eclosión con exudados de raíz de tomate del cv. 'San Pedro'. Para G. rostochiensis la reducción en la tasa de eclosión de los huevos se obtiene con exudados de la raíz de patata del cv. 'Desirée'. El tratamiento con P. oxalicum reduce también significativamente el número de quistes de G. pallida en macetas. Con el fin de optimizar la aplicación práctica de P. oxalicum cepa 212 como tratamiento biológico del suelo, es esencial entender cómo el entorno físico influye en la capacidad de colonización, crecimiento y supervivencia del mismo, así como el posible riesgo que puede suponer su aplicación sobre el resto de los microorganismos del ecosistema. Por ello en este segundo objetivo de esta tesis se estudia la interacción del ACB con el medio ambiente en el cual se aplica. Dentro de este objetivo se evalúa la INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA, DISPONIBILIDAD DE AGUA Y PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DE LOS SUELOS (POROSIDAD, TEXTURA, DENSIDAD...) SOBRE LA SUPERVIVENCIA Y EL CRECIMIENTO DE PO212 en condiciones controladas elaborando modelos que permitan predecir el impacto de cada factor ambiental en la supervivencia y crecimiento de P. oxalicum y conocer su capacidad para crecer y sobrevivir en diferentes ambientes. En las muestras de suelo se cuantifica: i) la supervivencia de Penicillium spp. usando el recuento del número de unidades formadoras de colonias en un medio de cultivo semi-selectivo y ii) el crecimiento (biomasa) de PO212 mediante PCR en tiempo real. En los resultados obtenidos se demuestra que P. oxalicum crece y sobrevive mejor en condiciones de sequía independientemente de la temperatura y del tipo de suelo. Si comparamos tipos de suelo P. oxalicum crece y sobrevive en mayor medida en suelos areno-arcillosos con un bajo contenido en materia orgánica, un mayor pH y una menor disponibilidad de fósforo y nitrógeno. La supervivencia y el crecimiento de P. oxalicum se correlaciona de forma negativa con la disponibilidad de agua y de forma positiva con el contenido de materia orgánica. Sólo la supervivencia se correlaciona también positivamente con el pH. Por otro lado se realizan ensayos en suelos de huertos comerciales con diferentes propiedades físico-químicas y diferentes condiciones ambientales para ESTUDIAR EL ESTABLECIMIENTO, SUPERVIVENCIA Y DISPERSIÓN VERTICAL Y MOVILIDAD HORIZONTAL DE PO212. P. oxalicum 212 puede persistir y sobrevivir en esos suelos al menos un año después de su liberación pero a niveles similares a los de otras especies de Penicillium indígenas presentes en los mismos suelos naturales. Además, P. oxalicum 212 muestra una dispersión vertical y movilidad horizontal muy limitada en los diferentes tipos de suelo evaluados. La introducción de P. oxalicum en un ambiente natural no sólo implica su actuación sobre el microorganismo diana, el patógeno, si no también sobre otros microorganismos indígenas. Para EVALUAR EL EFECTO DE LA APLICACIÓN DE P. oxalicum SOBRE LAS POBLACIONES FÚNGICAS INDIGENAS PRESENTES EN EL SUELO de dos huertos comerciales, se analizan mediante electroforesis en gradiente desnaturalizante de poliacrilamida (DGGE) muestras de dichos suelos a dos profundidades (5 y 10 cm) y a cuatro fechas desde la aplicación de P. oxalicum 212 (0, 75, 180 y 365 días). El análisis de la DGGE muestra que las diferencias entre las poblaciones fúngicas se deben significativamente a la fecha de muestreo y son independientes del tratamiento aplicado y de la profundidad a la que se tomen las muestras. Luego, la aplicación del ACB no afecta a la población fúngica de los dos suelos analizados. El análisis de las secuencias de la DGGE confirma los resultados anteriores y permiten identificar la presencia del ACB en los suelos. La presencia de P. oxalicum en el suelo se encuentra especialmente relacionada con factores ambientales como la humedad. Por tanto, podemos concluir que Penicillium oxalicum cepa 212 puede considerarse un óptimo Agente de Control Biológico (ACB), puesto que es ecológicamente competitivo, eficaz para combatir un amplio espectro de enfermedades y no supone un riesgo para el resto de microorganismos fúngicos no diana presentes en el lugar de aplicación. ABSTRACT Currently, reduction of active (EU) and the implementation of the new EU Directive 2009/128 which establishing the framework for action to achieve the sustainable use of chemical pesticides and preference of use of biological, physical and other non-chemical methods, forces to look for control methods less harmful to the environment. Biological control (CB) of plant diseases using biological control agents (BCA) is perceived as a safer alternative and with less environmental impact, either alone or as part of an integrated control strategy. The isolate 212 of Penicillium oxalicum (PO212) (ATCC 201888) was originally isolated from the soil mycoflora in Spain. P. oxalicum is a promising biological control agent for Fusarium wilt and other tomato diseases. Once identified and characterized the BCA, was developed a mass production method of conidia by solid-state fermentation. After determined the process of obtaining a formulated product of the BCA by drying of product by fluid-bed drying, it enables the preservation of the inoculum over a long period of time. Finally, some formulations of dried P. oxalicum conidia have been developed which contain one different additive that have improved their viability, stability and facilitated its handling and application. However, further work is needed to improve biocontrol efficacy. The first objective of this thesis has focused on the study of the interaction BCA- pathogen-host, to allow P.oxalicum to work in different pathosystems. The first point to be addressed in this objective is the development of new FORMULATIONS of BCA which increase their effectiveness against vascular wilt of tomato. PO212 conidial formulations were obtained by the joint addition of various additives (wetting agents, adhesives or stabilizers) at two different points of the production-drying process: i) to substrate in the fermentation bags before the production process, and (ii) to conidial paste obtained after production but before drying. Of the 22 new formulations developed and evaluated in tomato plants in greenhouse tests, six of them (FOR22 , FOR25 , FOR32 , FOR35 , FOR36 and FOR3) improved significantly (P = 0.05) the biocontrol efficacy against tomato wilt with respect to that obtained with dried P.oxalicum conidia without additives (CSPO) or the fungicide Bavistin. The formulations that improve the efficiency of dried conidia without additives are those containing as humectants sodium alginate in the fermentation bags, followed by those containing glycerol as a stabilizer in the fermentation bags, and methylcellulose and skimmed milk as adherents before drying. Moreover, control of vascular wilt of tomatoes by PO212 conidial formulations is related to the date of disease onset. Another way to further improve the effectiveness of biocontrol is to improve the active substance by SELECTION OF NEW STRAINS of P. oxalicum, which may have different levels of effectiveness. Of the 28 new strains of P. oxalicum tested in a culture chamber, only PO15 isolate shows the same effectiveness that PO212 (62-67 % of control) against tomato vascular wilt in cases of high disease pressure. Whereas in cases of low disease pressure all strains of P. oxalicum and its mixtures effective. Finally, we study extend the range of action of this BCA TO OTHER GUESTS AND OTHER PATHOGENS AND DIFFERENT DEGREES OF VIRULENCE. In efficacy trials of P. oxalicum against isolates of different aggressiveness of Verticillium spp. and Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici in tomato plants in growth chambers, shows that the efficiency of PO212 is negatively correlated with the level of disease caused by F. oxysporum f. sp. lycopersici. There is not differential effect in reducing the incidence or severity depending on the virulence of isolates. However, PO212 cause a greater reduction of disease in plants inoculated with virulent isolates media of V. dahlia. PO212 efficacy was also higher against isolates of high and average virulence of F. oxysporum f. sp. melonis and F. oxysporum f. sp. niveum in melon and watermelon plants, respectively. In both hosts the optimum dose of the BCA application is 107 conidia PO212 g-1 soil, applied on seedlings 7 days before transplantation into the field. Moreover, the reapplication of PO212 (2-4 times) to the roots by irrigation into the field improve efficiency of biocontrol. The efficacy of PO212 is not limited to vascular pathogens as those mentioned above, but also other pathogens such as Oomycetes (Phytophthora cactorum) and nematodes (Globodera pallida and G. rostochiensis). PO212 significantly reduces symptoms (50 %) caused by P. cactorum in strawberry nursery plants after application of BCA by dipping the roots before transplanting to soil in commercial nurseries. Moreover, the exposure of G. pallida and G. rostochiensis cysts to the conidia of P. oxalicum, in in vitro assays or in soil microcosms significantly reduces hatchability of eggs. The reduction in the rate of G. pallida juveniles hatching was greatest when root diffusates from the `Monalisa´ potato cultivar were used, followed by root diffusates from the `Désirée´ potato cultivar. However, no significant reduction in the rate of G. pallida juveniles hatching was found when root diffusates from the ‘San Pedro” tomato cultivar were used. For G. rostochiensis reduction in the juveniles hatching is obtained from the root diffusates 'Desirée' potato cultivar. Treatment with P. oxalicum also significantly reduces the number of cysts of G. pallida in pots. In order to optimize the practical application of P. oxalicum strain 212 as a biological soil treatment, it is essential to understand how the physical environment influences the BCA colonization, survival and growth, and the possible risk that can cause its application on other microorganisms in the ecosystem of performance. Therefore, the second objective of this thesis is the interaction of the BCA with the environment in which it is applied. Within this objective is evaluated the INFLUENCE OF TEMPERATURE, WATER AVAILABILITY AND PHYSICAL-CHEMICAL PROPERTIES OF SOILS (POROSITY, TEXTURE, DENSITY...) ON SURVIVAL AND GROWTH OF PO212 under controlled conditions to develop models for predicting the environmental impact of each factor on survival and growth of P. oxalicum and to know their ability to grow and survive in different environments. Two parameters are evaluated in the soil samples: i) the survival of Penicillium spp. by counting the number of colony forming units in semi-selective medium and ii) growth (biomass) of PO212 by real-time PCR. P. oxalicum grows and survives better in drought conditions regardless of temperature and soil type. P. oxalicum grows and survives more in sandy loam soils with low organic matter content, higher pH and lower availability of phosphorus and nitrogen. Survival and growth of P. oxalicum negatively correlates with the availability of water and positively with the organic content. Only survival also correlated positively with pH. Moreover, trials are carried out into commercial orchards soils with different physic-chemical properties and different environmental conditions TO STUDY THE ESTABLISHMENT, SURVIVAL, VERTICAL DISPERSION AND HORIZONTAL SPREAD OF PO212. P. oxalicum 212 can persist and survive at very low levels in soil one year after its release. The size of the PO212 population after its release into the tested natural soils is similar to that of indigenous Penicillium spp. Furthermore, the vertical dispersion and horizontal spread of PO212 is limited in different soil types. The introduction of P. oxalicum in a natural environment not only involves their action on the target organism, the pathogen, but also on other indigenous microorganisms. TO ASSESS THE EFFECT OF P. oxalicum APPLICATION ON SOIL INDIGENOUS FUNGAL COMMUNITIES in two commercial orchards, soil samples are analyzed by Denaturing Gradient Gel Electrophoresis polyacrylamide (DGGE). Samples are taken from soil at two depths (5 and 10 cm) and four dates from the application of P. oxalicum 212 (0, 75, 180 and 365 days). DGGE analysis shows that differences are observed between sampling dates and are independent of the treatment of P. oxalicum applied and the depth. BCA application does not affect the fungal population of the two soil analyzed. Sequence analysis of the DGGE bands confirms previous findings and to identify the presence of BCA on soils. The presence of P. oxalicum in soil is especially related to environmental factors such as humidity. Therefore, we conclude that the 212 of strain Penicillium oxalicum can be considered an optimum BCA, since it is environmentally competitive and effective against a broad spectrum of diseases and does not have any negative effect on soil non-target fungi communities.

Evaluación de los Proyectos de Fin de Carrera realizados por estudiantes de la ETSI de Montes en las Universidades del SUNEO, México

Desde el año 2008 hasta finales de 2012 se han publicado dieciséis proyectos de fin de carrera realizados por alumnos de la Escuela Técnica de Ingenieros de Montes en tres de las escuelas del Sistema de Universidades Estatales de Oaxaca (SUNEO), México que se han analizado en este estudio. Los proyectos son muy diversos donde se profundizan temáticas muy distintas, pero todos tienen un fondo en común: la gestión del medio ambiente y el desarrollo de las comunidades indígenas oaxaqueñas. Sin embargo es necesario y siempre enriquecedor, saber qué ha pasado con posterioridad a la publicación de dichos proyectos, en qué han quedado los esfuerzos de los estudiantes hoy ingenieros y de ambas universidades implicadas, las del SUNEO por un lado como universidades receptoras que acogieron a los estudiantes que guiaron en el desarrollo de los proyectos, y por otro lado la Universidad Politécnica de Madrid, que formó a los ahora ingenieros y que les apoyó económicamente para realizar estos trabajos. Esta evaluación es un reto dada la diversidad de los proyectos y las distintas fechas en que fueron realizados. Algunos de ellos son de publicación reciente y apenas han empezado a dar sus frutos, pero es posible prever qué consecuencias van a tener si estudiamos las acciones que se están tomando actualmente para sacar el máximo provecho de toda la información generada en beneficio de las comunidades. Algunos proyectos son directamente y potencialmente ejecutables, otros (la mayoría) son de investigación, pero ellos no significa que no puedan tener efectos positivos sobre el entorno. Las formas de evaluar el efecto de proyectos ejecutados están ya muy estandarizadas, pero sin embargo no es así para los de investigación. Este documento tiene también como objeto dar pautas para poder evaluar este tipo de proyectos así como documentar las buenas prácticas y los factores de fracaso para aumentar la probabilidad de que estos trabajos alcancen el mayor impacto positivo posible en el futuro. From 2008 to the present many projects have been published by students from ETSI Montes UPM which were developed in three of the University Schools in the State University System of Oaxaca (SUNEO), Mexico. Until the end of 2012, sixteen projects had been published and these have been analyzed and included in this study. The projects are very diverse, and they all explore different themes but they all have a common background: environmental management and development of Oaxacan indigenous communities. However it is necessary to know what happened after the publication of such projects, and to observe the impact of them. It has been a joint effort between the two universities, on the one hand the SUNEO Universities which have received, hosted and guided the development of projects, and on the other hand the Polytechnic University of Madrid, who trained the current engineers and financed them to undertake these jobs. This evaluation is a challenge due to the diversity of the projects and the different dates on which they were carried out; some of them were recently published and are just beginning to bear fruit, but it is possible to predict what kind of impact they will produce if we study the actions currently being undertaken in order to take full advantage of all the information generated for the benefit of communities. Some projects are directly and potentially executable, others (the majority) are research works, but this does not mean they cannot have an impact. The way to evaluate the impact of technical projects is already very standardized, but there is not one for the research ones yet. This document will also give guidelines to assess the impacts of such projects and will also document good practices and actions to avoid in order to increase the likelihood that these projects achieve the greatest positive impact.

Output Impedance Correction Circuit (OICC): A New Concept to Improve the Dynamic Response of DC/DC Converters with Additional Energy Path

El desarrollo da las nuevas tecnologías permite a los ingenieros llevar al límite el funcionamiento de los circuitos integrados (Integrated Circuits, IC). Las nuevas generaciones de procesadores, DSPs o FPGAs son capaces de procesar la información a una alta velocidad, con un alto consumo de energía, o esperar en modo de baja potencia con el mínimo consumo posible. Esta gran variación en el consumo de potencia y el corto tiempo necesario para cambiar de un nivel al otro, afecta a las especificaciones del Módulo de Regulador de Tensión (Voltage Regulated Module, VRM) que alimenta al IC. Además, las características adicionales obligatorias, tales como adaptación del nivel de tensión (Adaptive Voltage Positioning, AVP) y escalado dinámico de la tensión (Dynamic Voltage Scaling, DVS), imponen requisitos opuestas en el diseño de la etapa de potencia del VRM. Para poder soportar las altas variaciones de los escalones de carga, el condensador de filtro de salida del VRM se ha de sobredimensionar, penalizando la densidad de energía y el rendimiento durante la operación de DVS. Por tanto, las actuales tendencias de investigación se centran en mejorar la respuesta dinámica del VRM, mientras se reduce el tamaño del condensador de salida. La reducción del condensador de salida lleva a menor coste y una prolongación de la vida del sistema ya que se podría evitar el uso de condensadores voluminosos, normalmente implementados con condensadores OSCON. Una ventaja adicional es que reduciendo el condensador de salida, el DVS se puede realizar más rápido y con menor estrés de la etapa de potencia, ya que la cantidad de carga necesaria para cambiar la tensión de salida es menor. El comportamiento dinámico del sistema con un control lineal (Control Modo Tensión, VMC, o Control Corriente de Pico, Peak Current Mode Control, PCMC,…) está limitado por la frecuencia de conmutación del convertidor y por el tamaño del filtro de salida. La reducción del condensador de salida se puede lograr incrementando la frecuencia de conmutación, así como incrementando el ancho de banda del sistema, y/o aplicando controles avanzados no-lineales. Usando esos controles, las variables del estado se saturan para conseguir el nuevo régimen permanente en un tiempo mínimo, así como el filtro de salida, más específicamente la pendiente de la corriente de la bobina, define la respuesta de la tensión de salida. Por tanto, reduciendo la inductancia de la bobina de salida, la corriente de bobina llega más rápido al nuevo régimen permanente, por lo que una menor cantidad de carga es tomada del condensador de salida durante el tránsito. El inconveniente de esa propuesta es que el rendimiento del sistema es penalizado debido al incremento de pérdidas de conmutación y las corrientes RMS. Para conseguir tanto la reducción del condensador de salida como el alto rendimiento del sistema, mientras se satisfacen las estrictas especificaciones dinámicas, un convertidor multifase es adoptado como estándar para aplicaciones VRM. Para asegurar el reparto de las corrientes entre fases, el convertidor multifase se suele implementar con control de modo de corriente. Para superar la limitación impuesta por el filtro de salida, la segunda posibilidad para reducir el condensador de salida es aplicar alguna modificación topológica (Topologic modifications) de la etapa básica de potencia para incrementar la pendiente de la corriente de bobina y así reducir la duración de tránsito. Como el transitorio se ha reducido, una menor cantidad de carga es tomada del condensador de salida bajo el mismo escalón de la corriente de salida, con lo cual, el condensador de salida se puede reducir para lograr la misma desviación de la tensión de salida. La tercera posibilidad para reducir el condensador de salida del convertidor es introducir un camino auxiliar de energía (additional energy path, AEP) para compensar el desequilibrio de la carga del condensador de salida reduciendo consecuentemente la duración del transitorio y la desviación de la tensión de salida. De esta manera, durante el régimen permanente, el sistema tiene un alto rendimiento debido a que el convertidor principal con bajo ancho de banda es diseñado para trabajar con una frecuencia de conmutación moderada para conseguir requisitos estáticos. Por otro lado, el comportamiento dinámico durante los transitorios es determinado por el AEP con un alto ancho de banda. El AEP puede ser implementado como un camino resistivo, como regulador lineal (Linear regulator, LR) o como un convertidor conmutado. Las dos primeras implementaciones proveen un mayor ancho de banda, acosta del incremento de pérdidas durante el transitorio. Por otro lado, la implementación del convertidor computado presenta menor ancho de banda, limitado por la frecuencia de conmutación, aunque produce menores pérdidas comparado con las dos anteriores implementaciones. Dependiendo de la aplicación, la implementación y la estrategia de control del sistema, hay una variedad de soluciones propuestas en el Estado del Arte (State-of-the-Art, SoA), teniendo diferentes propiedades donde una solución ofrece más ventajas que las otras, pero también unas desventajas. En general, un sistema con AEP ideal debería tener las siguientes propiedades: 1. El impacto del AEP a las pérdidas del sistema debería ser mínimo. A lo largo de la operación, el AEP genera pérdidas adicionales, con lo cual, en el caso ideal, el AEP debería trabajar por un pequeño intervalo de tiempo, solo durante los tránsitos; la otra opción es tener el AEP constantemente activo pero, por la compensación del rizado de la corriente de bobina, se generan pérdidas innecesarias. 2. El AEP debería ser activado inmediatamente para minimizar la desviación de la tensión de salida. Para conseguir una activación casi instantánea, el sistema puede ser informado por la carga antes del escalón o el sistema puede observar la corriente del condensador de salida, debido a que es la primera variable del estado que actúa a la perturbación de la corriente de salida. De esa manera, el AEP es activado con casi cero error de la tensión de salida, logrando una menor desviación de la tensión de salida. 3. El AEP debería ser desactivado una vez que el nuevo régimen permanente es detectado para evitar los transitorios adicionales de establecimiento. La mayoría de las soluciones de SoA estiman la duración del transitorio, que puede provocar un transitorio adicional si la estimación no se ha hecho correctamente (por ejemplo, si la corriente de bobina del convertidor principal tiene un nivel superior o inferior al necesitado, el regulador lento del convertidor principal tiene que compensar esa diferencia una vez que el AEP es desactivado). Otras soluciones de SoA observan las variables de estado, asegurando que el sistema llegue al nuevo régimen permanente, o pueden ser informadas por la carga. 4. Durante el transitorio, como mínimo un subsistema, o bien el convertidor principal o el AEP, debería operar en el lazo cerrado. Implementando un sistema en el lazo cerrado, preferiblemente el subsistema AEP por su ancho de banda elevado, se incrementa la robustez del sistema a los parásitos. Además, el AEP puede operar con cualquier tipo de corriente de carga. Las soluciones que funcionan en el lazo abierto suelen preformar el control de balance de carga con mínimo tiempo, así reducen la duración del transitorio y tienen un impacto menor a las pérdidas del sistema. Por otro lado, esas soluciones demuestran una alta sensibilidad a las tolerancias y parásitos de los componentes. 5. El AEP debería inyectar la corriente a la salida en una manera controlada, así se reduce el riesgo de unas corrientes elevadas y potencialmente peligrosas y se incrementa la robustez del sistema bajo las perturbaciones de la tensión de entrada. Ese problema suele ser relacionado con los sistemas donde el AEP es implementado como un convertidor auxiliar. El convertidor auxiliar es diseñado para una potencia baja, con lo cual, los dispositivos elegidos son de baja corriente/potencia. Si la corriente no es controlada, bajo un pico de tensión de entrada provocada por otro parte del sistema (por ejemplo, otro convertidor conectado al mismo bus), se puede llegar a un pico en la corriente auxiliar que puede causar la perturbación de tensión de salida e incluso el fallo de los dispositivos del convertidor auxiliar. Sin embargo, cuando la corriente es controlada, usando control del pico de corriente o control con histéresis, la corriente auxiliar tiene el control con prealimentación (feed-forward) de tensión de entrada y la corriente es definida y limitada. Por otro lado, si la solución utiliza el control de balance de carga, el sistema puede actuar de forma deficiente si la tensión de entrada tiene un valor diferente del nominal, provocando que el AEP inyecta/toma más/menos carga que necesitada. 6. Escalabilidad del sistema a convertidores multifase. Como ya ha sido comentado anteriormente, para las aplicaciones VRM por la corriente de carga elevada, el convertidor principal suele ser implementado como multifase para distribuir las perdidas entre las fases y bajar el estrés térmico de los dispositivos. Para asegurar el reparto de las corrientes, normalmente un control de modo corriente es usado. Las soluciones de SoA que usan VMC son limitadas a la implementación con solo una fase. Esta tesis propone un nuevo método de control del flujo de energía por el AEP y el convertidor principal. El concepto propuesto se basa en la inyección controlada de la corriente auxiliar al nodo de salida donde la amplitud de la corriente es n-1 veces mayor que la corriente del condensador de salida con las direcciones apropiadas. De esta manera, el AEP genera un condensador virtual cuya capacidad es n veces mayor que el condensador físico y reduce la impedancia de salida. Como el concepto propuesto reduce la impedancia de salida usando el AEP, el concepto es llamado Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept. El concepto se desarrolla para un convertidor tipo reductor síncrono multifase con control modo de corriente CMC (incluyendo e implementación con una fase) y puede operar con la tensión de salida constante o con AVP. Además, el concepto es extendido a un convertidor de una fase con control modo de tensión VMC. Durante la operación, el control de tensión de salida de convertidor principal y control de corriente del subsistema OICC están siempre cerrados, incrementando la robustez a las tolerancias de componentes y a los parásitos del cirquito y permitiendo que el sistema se pueda enfrentar a cualquier tipo de la corriente de carga. Según el método de control propuesto, el sistema se puede encontrar en dos estados: durante el régimen permanente, el sistema se encuentra en el estado Idle y el subsistema OICC esta desactivado. Por otro lado, durante el transitorio, el sistema se encuentra en estado Activo y el subsistema OICC está activado para reducir la impedancia de salida. El cambio entre los estados se hace de forma autónoma: el sistema entra en el estado Activo observando la corriente de condensador de salida y vuelve al estado Idle cunado el nuevo régimen permanente es detectado, observando las variables del estado. La validación del concepto OICC es hecha aplicándolo a un convertidor tipo reductor síncrono con dos fases y de 30W cuyo condensador de salida tiene capacidad de 140μF, mientras el factor de multiplicación n es 15, generando en el estado Activo el condensador virtual de 2.1mF. El subsistema OICC es implementado como un convertidor tipo reductor síncrono con PCMC. Comparando el funcionamiento del convertidor con y sin el OICC, los resultados demuestran que se ha logrado una reducción de la desviación de tensión de salida con factor 12, tanto con funcionamiento básico como con funcionamiento AVP. Además, los resultados son comparados con un prototipo de referencia que tiene la misma etapa de potencia y un condensador de salida físico de 2.1mF. Los resultados demuestran que los dos sistemas tienen el mismo comportamiento dinámico. Más aun, se ha cuantificado el impacto en las pérdidas del sistema operando bajo una corriente de carga pulsante y bajo DVS. Se demuestra que el sistema con OICC mejora el rendimiento del sistema, considerando las pérdidas cuando el sistema trabaja con la carga pulsante y con DVS. Por lo último, el condensador de salida de sistema con OICC es mucho más pequeño que el condensador de salida del convertidor de referencia, con lo cual, por usar el concepto OICC, la densidad de energía se incrementa. En resumen, las contribuciones principales de la tesis son: • El concepto propuesto de Output Impedance Correction Circuit (OICC), • El control a nivel de sistema basado en el método usado para cambiar los estados de operación, • La implementación del subsistema OICC en lazo cerrado conjunto con la implementación del convertidor principal, • La cuantificación de las perdidas dinámicas bajo la carga pulsante y bajo la operación DVS, y • La robustez del sistema bajo la variación del condensador de salida y bajo los escalones de carga consecutiva. ABSTRACT Development of new technologies allows engineers to push the performance of the integrated circuits to its limits. New generations of processors, DSPs or FPGAs are able to process information with high speed and high consumption or to wait in low power mode with minimum possible consumption. This huge variation in power consumption and the short time needed to change from one level to another, affect the specifications of the Voltage Regulated Module (VRM) that supplies the IC. Furthermore, additional mandatory features, such as Adaptive Voltage Positioning (AVP) and Dynamic Voltage Scaling (DVS), impose opposite trends on the design of the VRM power stage. In order to cope with high load-step amplitudes, the output capacitor of the VRM power stage output filter is drastically oversized, penalizing power density and the efficiency during the DVS operation. Therefore, the ongoing research trend is directed to improve the dynamic response of the VRM while reducing the size of the output capacitor. The output capacitor reduction leads to a smaller cost and longer life-time of the system since the big bulk capacitors, usually implemented with OSCON capacitors, may not be needed to achieve the desired dynamic behavior. An additional advantage is that, by reducing the output capacitance, dynamic voltage scaling (DVS) can be performed faster and with smaller stress on the power stage, since the needed amount of charge to change the output voltage is smaller. The dynamic behavior of the system with a linear control (Voltage mode control, VMC, Peak Current Mode Control, PCMC,…) is limited by the converter switching frequency and filter size. The reduction of the output capacitor can be achieved by increasing the switching frequency of the converter, thus increasing the bandwidth of the system, and/or by applying advanced non-linear controls. Applying nonlinear control, the system variables get saturated in order to reach the new steady-state in a minimum time, thus the output filter, more specifically the output inductor current slew-rate, determines the output voltage response. Therefore, by reducing the output inductor value, the inductor current reaches faster the new steady state, so a smaller amount of charge is taken from the output capacitor during the transient. The drawback of this approach is that the system efficiency is penalized due to increased switching losses and RMS currents. In order to achieve both the output capacitor reduction and high system efficiency, while satisfying strict dynamic specifications, a Multiphase converter system is adopted as a standard for VRM applications. In order to ensure the current sharing among the phases, the multiphase converter is usually implemented with current mode control. In order to overcome the limitation imposed by the output filter, the second possibility to reduce the output capacitor is to apply Topologic modifications of the basic power stage topology in order to increase the slew-rate of the inductor current and, therefore, reduce the transient duration. Since the transient is reduced, smaller amount of charge is taken from the output capacitor under the same load current, thus, the output capacitor can be reduced to achieve the same output voltage deviation. The third possibility to reduce the output capacitor of the converter is to introduce an additional energy path (AEP) to compensate the charge unbalance of the output capacitor, consequently reducing the transient time and output voltage deviation. Doing so, during the steady-state operation the system has high efficiency because the main low-bandwidth converter is designed to operate at moderate switching frequency, to meet the static requirements, whereas the dynamic behavior during the transients is determined by the high-bandwidth auxiliary energy path. The auxiliary energy path can be implemented as a resistive path, as a Linear regulator, LR, or as a switching converter. The first two implementations provide higher bandwidth, at the expense of increasing losses during the transient. On the other hand, the switching converter implementation presents lower bandwidth, limited by the auxiliary converter switching frequency, though it produces smaller losses compared to the two previous implementations. Depending on the application, the implementation and the control strategy of the system, there is a variety of proposed solutions in the State-of-the-Art (SoA), having different features where one solution offers some advantages over the others, but also some disadvantages. In general, an ideal additional energy path system should have the following features: 1. The impact on the system losses should be minimal. During its operation, the AEP generates additional losses, thus ideally, the AEP should operate for a short period of time, only when the transient is occurring; the other option is to have the AEP constantly on, but due to the inductor current ripple compensation at the output, unnecessary losses are generated. 2. The AEP should be activated nearly instantaneously to prevent bigger output voltage deviation. To achieve near instantaneous activation, the converter system can be informed by the load prior to the load-step or the system can observe the output capacitor current, which is the first system state variable that reacts on the load current perturbation. In this manner, the AEP is turned on with near zero output voltage error, providing smaller output voltage deviation. 3. The AEP should be deactivated once the new steady state is reached to avoid additional settling transients. Most of the SoA solutions estimate duration of the transient which may cause additional transient if the estimation is not performed correctly (e.g. if the main converter inductor current has higher or lower value than needed, the slow regulator of the main converter needs to compensate the difference after the AEP is deactivated). Other SoA solutions are observing state variables, ensuring that the system reaches the new steady state or they are informed by the load. 4. During the transient, at least one subsystem, either the main converter or the AEP, should be in closed-loop. Implementing a closed loop system, preferably the AEP subsystem, due its higher bandwidth, increases the robustness under system tolerances and circuit parasitic. In addition, the AEP can operate with any type of load. The solutions that operate in open loop usually perform minimum time charge balance control, thus reducing the transient length and minimizing the impact on the losses, however they are very sensitive to tolerances and parasitics. 5. The AEP should inject current at the output in a controlled manner, thus reducing the risk of high and potentially damaging currents and increasing robustness on the input voltage deviation. This issue is mainly related to the systems where AEP is implemented as auxiliary converter. The auxiliary converter is designed for small power and, as such, the MOSFETs are rated for small power/currents. If the current is not controlled, due to the some unpredicted spike in input voltage caused by some other part of the system (e.g. different converter), it may lead to a current spike in auxiliary current which will cause the perturbation of the output voltage and even failure of the switching components of auxiliary converter. In the case when the current is controlled, using peak CMC or Hysteretic Window CMC, the auxiliary converter has inherent feed-forwarding of the input voltage in current control and the current is defined and limited. Furthermore, if the solution employs charge balance control, the system may perform poorly if the input voltage has different value than the nominal, causing that AEP injects/extracts more/less charge than needed. 6. Scalability of the system to multiphase converters. As commented previously, in VRM applications, due to the high load currents, the main converters are implemented as multiphase to redistribute losses among the modules, lowering temperature stress of the components. To ensure the current sharing, usually a Current Mode Control (CMC) is employed. The SoA solutions that are implemented with VMC are limited to a single stage implementation. This thesis proposes a novel control method of the energy flow through the AEP and the main converter system. The proposed concept relays on a controlled injection of the auxiliary current at the output node where the instantaneous current value is n-1 times bigger than the output capacitor current with appropriate directions. Doing so, the AEP creates an equivalent n times bigger virtual capacitor at the output, thus reducing the output impedance. Due to the fact that the proposed concept reduces the output impedance using the AEP, it has been named the Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept. The concept is developed for a multiphase CMC synchronous buck converter (including a single phase implementation), operating with a constant output voltage and with AVP feature. Further, it is extended to a single phase VMC synchronous buck converter. During the operation, the main converter voltage loop and the OICC subsystem capacitor current loop is constantly closed, increasing the robustness under system tolerances and circuit parasitic and allowing the system to operate with any load-current shape or pattern. According to the proposed control method, the system operates in two states: during the steady-state the system is in the Idle state and the OICC subsystem is deactivated, while during the load-step transient the system is in the Active state and the OICC subsystem is activated in order to reduce the output impedance. The state changes are performed autonomously: the system enters in the Active state by observing the output capacitor current and it returns back to the Idle state when the steady-state operation is detected by observing the state variables. The validation of the OICC concept has been done by applying it to a 30W two phase synchronous buck converter with 140μF output capacitor and with the multiplication factor n equal to 15, generating during the Active state equivalent output capacitor of 2.1mF. The OICC subsystem is implemented as single phase PCMC synchronous buck converter. Comparing the converter operation with and without the OICC the results demonstrate that the 12 times reduction of the output voltage deviation is achieved, for both basic operation and for the AVP operation. Furthermore, the results have been compared to a reference prototype which has the same power stage and a fiscal output capacitor of 2.1mF. The results show that the two systems have the same dynamic behavior. Moreover, an impact on the system losses under the pulsating load and DVS operation has been quantified and it has been demonstrated that the OICC system has improved the system efficiency, considering the losses when the system operates with the pulsating load and the DVS operation. Lastly, the output capacitor of the OICC system is much smaller than the reference design output capacitor, therefore, by applying the OICC concept the power density can be increased. In summary, the main contributions of the thesis are: • The proposed Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept, • The system level control based on the used approach to change the states of operation, • The OICC subsystem closed-loop implementation, together with the main converter implementation, • The dynamic losses under the pulsating load and the DVS operation quantification, and • The system robustness on the capacitor impedance variation and consecutive load-steps.

Steady state analysis of a storage integrated solar thermophotovoltaic (SISTPV) system

This paper presents the theoretical analysis of a storage integrated solar thermophotovoltaic (SISTPV) system operating in steady state. These systems combine thermophotovoltaic (TPV) technology and high temperature thermal storage phase-change materials (PCM) in the same unit, providing a great potential in terms of efficiency, cost reduction and storage energy density. The main attraction in the proposed system is its simplicity and modularity compared to conventional Concentrated Solar Power (CSP) technologies. This is mainly due to the absence of moving parts. In this paper we analyze the use of Silicon as the phase change material (PCM). Silicon is an excellent candidate because of its high melting point (1680 K) and its very high latent heat of fusion of 1800 kJ/kg, which is about ten times greater than the conventional PCMs like molten salts. For a simple system configuration, we have demonstrated that overall conversion efficiencies up to ?35% are approachable. Although higher efficiencies are expected by incorporating more advanced devices like multijunction TPV cells, narrow band selective emitters or adopting near-field TPV configurations as well as by enhancing the convective/conductive heat transfer within the PCM. In this paper, we also discuss about the optimum system configurations and provide the general guidelines for designing these systems. Preliminary estimates of night time operations indicate it is possible to achieve over 10 h of operation with a relatively small quantity of Silicon.

State Convergence Theory Applied to a Delayed Teleoperation System

State convergence is a control strategy that was proposed in the early 2000s to ensure stability and transparency in a teleoperation system under specific control gains values. This control strategy has been implemented for a linear system with or without time delay. This paper represents the first attempt at demonstrating, theoretically and experimentantally, that this control strategy can also be applied to a nonlinear teleoperation system with n degrees of freedom and delay in the communication channel. It is assumed that the human operator applies a constant force on the local manipulator during the teleoperation. In addition, the interaction between the remote manipulator and the environment is considered passive. Communication between the local and remote sites is made by means of a communication channel with variable time delay. In this article the theory of Lyapunov-Krasovskii was used to demonstrate that the local-remote teleoperation system is asymptotically stable.

Control of a Nonlinear Teleoperation System by State Convergence

In this work, we proposes a control strategy that allows the remote manipulator follow the local manipulator through the state convergence even if it has a delay in the communication channel. The bilateral control of the teleoperator system considers the case were the human operator applies a constant force on the local manipulator and when the interaction of the remote manipulator with the environment is considered passive. The stability analysis was performed using Lyapunov- Krasovskii functional, it showed for the case with constant delay, that using a proposed control algorithm by state convergence resulted in asymptotically stable, local and remote the nonlinear teleoperation system.

Advances in Control of Teleoperation System by State Convergence

In this work, we proposes a control strategy by state convergence applied to bilateral control of a nonlinear teleoperator system with constant delay. The bilateral control of the teleoperator system considers the case when the human operator applies a constant force on the local manipulator and when the interaction of the remote manipulator with the environment is considered passive. The stability analysis is performed using Lyapunov-Krasovskii functional, it showed that using an control algorithm by state convergence for the case with constant delay, the nonlinear local and remote teleoperation system is asymptotically stable, also speeds converge to zero and position tracking is achieved. This work also presents the implementation of an experimental platform. The mechanical structure of the arm that is located in the remote side has been built and the electric servomechanism has been mounted to control their movement.

Control of a Teleoperation System by State Convergence with Variable Time Delay

In this paper, we propose a novel control scheme for bilateral teleoperation of n degree-of-freedom (DOF) nonlinear robotic systems with time-varying communication delay. We consider that the human operator contains a constant force on the local manipulator. The local and remote manipulators are coupled using state convergence control scheme. By choosing a Lyapunov-Krasovskii functional, we show that the local-remote teleoperation system is asymptotically stable. It is also shown that, in the case of reliable communication protocols, the proposed scheme guarantees that the remote manipulator tracks the delayed trajectory of the local manipulator. The time delay of communication channel is assumed to be unknown and randomly time varying, but the upper bounds of the delay interval and the derivative of the delay are assumed to be known.

Stability Analysis of Teleoperation System by State Convergence with Variable Time Delay

We propose a novel control scheme for bilateral teleoperation of n degree-of-freedom (DOF) nonlinear robotic systems with time-varying communication delay. A major contribution from this work lies in the demonstration that the structure of a state convergence algorithm can be also applied to nth-order nonlinear teleoperation systems. By choosing a Lyapunov Krasovskii functional, we show that the local-remote teleoperation system is asymptotically stable. The time delay of communication channel is assumed to be unknown and randomly time varying, but the upper bounds of the delay interval and the derivative of the delay are assumed to be known.