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.

Sobre la formulación de las ecuaciones del campo eléctrico y magnético

Con esta breve nota no intentaré más que dar una pequeña idea de la actual controversia surgida con motivo de la aparición del libro de Chu y la consecuente discusión de los modelos más característicos de formulación de las ecuaciones de Maxwell: el modelo de Minkowski, el de Boffi o Amperiano y el de Chu.

Movimiento de paredes de dominio magnético en nanohilos con defectos controlados

La investigación realizada en este trabajo de tesis se ha centrado en el estudio de la generación, anclaje y desenganche de paredes de dominio magnético en nanohilos de permalloy con defectos controlados. Las últimas tecnologías de nanofabricación han abierto importantes líneas de investigación centradas en el estudio del movimiento de paredes de dominio magnético, gracias a su potencial aplicación en memorias magnéticas del futuro. En el 2004, Stuart Parkin de IBM introdujo un concepto innovador, el dispositivo “Racetrack”, basado en un nanohilo ferromagnético donde los dominios de imanación representan los "bits" de información. La frontera entre dominios, ie pared magnética, se moverían en una situación ideal por medio de transferencia de espín de una corriente polarizada. Se anclan en determinadas posiciones gracias a pequeños defectos o constricciones de tamaño nanométrico fabricados por litografía electrónica. El éxito de esta idea se basa en la generación, anclaje y desenganche de las paredes de dominio de forma controlada y repetitiva, tanto para la lectura como para la escritura de los bits de información. Slonczewski en 1994 muestra que la corriente polarizada de espín puede transferir momento magnético a la imanación local y así mover paredes por transferencia de espín y no por el campo creado por la corriente. Desde entonces muchos grupos de investigación de todo el mundo trabajan en optimizar las condiciones de transferencia de espín para mover paredes de dominio. La fracción de electrones polarizados que viaja en un hilo ferromagnético es considerablemente pequeña, así hoy por hoy la corriente necesaria para mover una pared magnética por transferencia de espín es superior a 1 107 A/cm2. Una densidad de corriente tan elevada no sólo tiene como consecuencia una importante degradación del dispositivo sino también se observan importantes efectos relacionados con el calentamiento por efecto Joule inducido por la corriente. Otro de los problemas científico - tecnológicos a resolver es la diversidad de paredes de dominio magnético ancladas en el defecto. Los diferentes tipos de pared anclados en el defecto, su quiralidad o el campo o corriente necesarios para desenganchar la pared pueden variar dependiendo si el defecto posee dimensiones ligeramente diferentes o si la pared se ancla con un método distinto. Además, existe una componente estocástica presente tanto en la nucleación como en el proceso de anclaje y desenganche que por un lado puede ser debido a la naturaleza de la pared que viaja por el hilo a una determinada temperatura distinta de cero, así como a defectos inevitables en el proceso de fabricación. Esto constituye un gran inconveniente dado que según el tipo de pared es necesario aplicar distintos valores de corriente y/o campo para desenganchar la pared del defecto. Como se menciona anteriormente, para realizar de forma eficaz la lectura y escritura de los bits de información, es necesaria la inyección, anclaje y desenganche forma controlada y repetitiva. Esto implica generar, anclar y desenganchar las paredes de dominio siempre en las mismas condiciones, ie siempre a la misma corriente o campo aplicado. Por ello, en el primer capítulo de resultados de esta tesis estudiamos el anclaje y desenganche de paredes de dominio en defectos de seis formas distintas, cada uno, de dos profundidades diferentes. Hemos realizado un análisis estadístico en diferentes hilos, donde hemos estudiado la probabilidad de anclaje cada tipo de defecto y la dispersión en el valor de campo magnético aplicado necesario para desenganchar la pared. Luego, continuamos con el estudio de la nucleación de las paredes de dominio magnético con pulsos de corriente a través una linea adyacente al nanohilo. Estudiamos defectos de tres formas distintas e identificamos, en función del valor de campo magnético aplicado, los distintos tipos de paredes de dominio anclados en cada uno de ellos. Además, con la ayuda de este método de inyección que es rápido y eficaz, hemos sido capaces de generar y anclar un único tipo de pared minimizando el comportamiento estocástico de la pared mencionado anteriormente. En estas condiciones óptimas, hemos estudiado el desenganche de las paredes de dominio por medio de corriente polarizada en espín, donde hemos conseguido desenganchar la pared de forma controlada y repetitiva siempre para los mismos valores de corriente y campo magnético aplicados. Además, aplicando pulsos de corriente en distintas direcciones, estudiamos en base a su diferencia, la contribución térmica debido al efecto Joule. Los resultados obtenidos representan un importante avance hacia la explotación práctica de este tipo de dispositivos. ABSTRACT The research activity of this thesis was focused on the nucleation, pinning and depinning of magnetic domain walls (DWs) in notched permalloy nanowires. The access to nanofabrication techniques has boosted the number of applications based on magnetic domain walls (DWs) like memory devices. In 2004, Stuart Parkin at IBM, conceived an innovative concept, the “racetrack memory” based on a ferromagnetic nanowire were the magnetic domains constitute the “bits” of information. The frontier between those magnetic domains, ie magnetic domain wall, will move ideally assisted by a spin polarized current. DWs will pin at certain positions due to artificially created pinning sites or “notches” fabricated with ebeam lithography. The success of this idea relies on the careful and predictable control on DW nucleation and a defined pinning-depinning process in order to read and write the bits of information. Sloncsewski in 1994 shows that a spin polarized current can transfer magnetic moment to the local magnetization to move the DWs instead of the magnetic field created by the current. Since then many research groups worldwide have been working on optimizing the conditions for the current induced DW motion due to the spin transfer effect. The fraction of spin polarized electrons traveling through a ferromagnetic nanowire is considerably small, so nowadays the current density required to move a DW by STT exceeds 1 107 A/cm2. A high current density not only can produce a significant degradation of the device but also important effects related to Joule heating were also observed . There are other scientific and technological issues to solve regarding the diversity of DWs states pinned at the notch. The types of DWs pinned, their chirality or their characteristic depinning current or field, may change if the notch has slightly different dimensions, the stripe has different thickness or even if the DW is pinned by a different procedure. Additionally, there is a stochastic component in both the injection of the DW and in its pinning-depinning process, which may be partly intrinsic to the nature of the travelling DW at a non-zero temperature and partly due to the unavoidable defects introduced during the nano-fabrication process. This constitutes an important inconvenient because depending on the DW type different values of current of magnetic field need to be applied in order to depin a DW from the notch. As mentioned earlier, in order to write and read the bits of information accurately, a controlled reproducible and predictable pinning- depinning process is required. This implies to nucleate, pin and depin always at the same applied magnetic field or current. Therefore, in the first chapter of this thesis we studied the pinning and depinning of DW in six different notch shapes and two depths. An statistical analysis was conducted in order to determine which notch type performed best in terms of pinning probability and the dispersion measured in the magnetic field necessary to depin the magnetic DWs. Then, we continued studying the nucleation of DWs with nanosecond current pulses by an adjacent conductive stripe. We studied the conditions for DW injection that allow a selective pinning of the different types of DWs in Permalloy nanostripes with 3 different notch shapes. Furthermore, with this injection method, which has proven to be fast and reliable, we manage to nucleate only one type of DW avoiding its stochastic behavior mentioned earlier. Having achieved this optimized conditions we studied current induced depinning where we also achieved a controlled and reproducible depinning process at always the same applied current and magnetic field. Additionally, changing the pulse polarity we studied the joule heating contribution in a current induced depinning process. The results obtained represent an important step towards the practical exploitation of these devices.

Tratamiento magnético como técnica estimulante de la germinación de semillas de soja

El campo magnético está presente en la naturaleza y afecta al reino vegetal y animal. El bioelectromagnetismo es el estudio de los efectos de los campos electromagnéticos sobre los sistemas biológicos y sus interacciones con los campos magnéticos naturales y artificiales. Estudios previos han determinado que la aplicación de campos magnéticos modifica la velocidad de germinación y el desarrollo de plantas. La soja constituye uno de los cultivos oleaginosos más importantes del mundo: en las últimas décadas su popularidad se ha incrementado por considerar esta leguminosa como una fuente de salud. Este estudio se centra en el efecto que se puede producir en la germinación de la soja (Glycine max L.) al exponerlo a campos magnéticos estacionarios de 125 mT, 250 mT y 300 mT durante diferentes tiempos de exposición (10¿,20¿, 1 hora, 24 horas y de forma permanente). Se observan diferencias muy significativas tanto en la velocidad de germinación como en el porcentaje de semillas germinadas entre las semillas control y las tratadas. Estos resultados ofrecen nuevas posibilidades para una más efectiva producción vegetal.

Análisis interferométrico de la influencia de un campo magnético axial sobre una estructura cilíndrica de cristal líquido

En el estudio de la propagación transversal de una radiación luminosa a través de un capilar con cristal líquido nemático, y cuyas moléculas se encuentran orientadas homeotrópicamente con respecto a las paredes internas de dicho capilar es necesario conocer de forma exacta la distribución espacial del director de cada una de las moléculas contenidas en el mismo. Esta distribución ha sido obtenida de forma empírica por Scudieri interpretando los resultados mediante la suposición de "lente delgada". Experimentalmente, mediante técnicas interferométricas, se obtienen dos grupos de franjas correspondiendo uno al índice de refraccción ordinario y siendo el otro función del ordinario y del extraordinario. El análisis de estas franjas es de una gran importancia a la hora de aplicar estructuras como la presente en Optica Integrada, ya que de ellas se puede inferir cuál es la respuesta de las moléculas de cristal líquido frente a campos externos, conocidos los valores del índice de refracción.

Contribuciones en sistemas de adquisición de datos inteligentes para entornos de fusión por confinamiento magnético

Los sistemas de adquisición de datos utilizados en los diagnósticos de los dispositivos de fusión termonuclear se enfrentan a importantes retos planteados en los dispositivos de pulso largo. Incluso en los dispositivos de pulso corto, en los que se analizan los datos después de la descarga, existen aún una gran cantidad de datos sin analizar, lo cual supone que queda una gran cantidad de conocimiento por descubrir dentro de las bases de datos existentes. En la última década, la comunidad de fusión ha realizado un gran esfuerzo para mejorar los métodos de análisis off‐line para mejorar este problema, pero no se ha conseguido resolver completamente, debido a que algunos de estos métodos han de resolverse en tiempo real. Este paradigma lleva a establecer que los dispositivos de pulso largo deberán incluir dispositivos de adquisición de datos con capacidades de procesamiento local, capaces de ejecutar avanzados algoritmos de análisis. Los trabajos de investigación realizados en esta tesis tienen como objetivo determinar si es posible incrementar la capacidad local de procesamiento en tiempo real de dichos sistemas mediante el uso de GPUs. Para ello durante el trascurso del periodo de experimentación realizado se han evaluado distintas propuestas a través de casos de uso reales elaborados para algunos de los dispositivos de fusión más representativos como ITER, JET y TCV. Las conclusiones y experiencias obtenidas en dicha fase han permitido proponer un modelo y una metodología de desarrollo para incluir esta tecnología en los sistemas de adquisición para diagnósticos de distinta naturaleza. El modelo define no sólo la arquitectura hardware óptima para realizar dicha integración, sino también la incorporación de este nuevo recurso de procesamiento en los Sistemas de Control de Supervisión y Adquisición de Datos (SCADA) utilizados en la comunidad de fusión (EPICS), proporcionando una solución completa. La propuesta se complementa con la definición de una metodología que resuelve las debilidades detectadas, y permite trazar un camino de integración de la solución en los estándares hardware y software existentes. La evaluación final se ha realizado mediante el desarrollo de un caso de uso representativo de los diagnósticos que necesitan adquisición y procesado de imágenes en el contexto del dispositivo internacional ITER, y ha sido testeada con éxito en sus instalaciones. La solución propuesta en este trabajo ha sido incluida por la ITER IO en su catálogo de soluciones estándar para el desarrollo de sus futuros diagnósticos. Por otra parte, como resultado y fruto de la investigación de esta tesis, cabe destacar el acuerdo llevado a cabo con la empresa National Instruments en términos de transferencia tecnológica, lo que va a permitir la actualización de los sistemas de adquisición utilizados en los dispositivos de fusión. ABSTRACT Data acquisition systems used in the diagnostics of thermonuclear fusion devices face important challenges due to the change in the data acquisition paradigm needed for long pulse operation. Even in shot pulse devices, where data is mainly analyzed after the discharge has finished , there is still a large amount of data that has not been analyzed, therefore producing a lot of buried knowledge that still lies undiscovered in the data bases holding the vast amount of data that has been generated. There has been a strong effort in the fusion community in the last decade to improve the offline analysis methods to overcome this problem, but it has proved to be insufficient unless some of these mechanisms can be run in real time. In long pulse devices this new paradigm, where data acquisition devices include local processing capabilities to be able to run advanced data analysis algorithms, will be a must. The research works done in this thesis aim to determining whether it is possible to increase local capacity for real‐time processing of such systems by using GPUs. For that, during the experimentation period, various proposals have been evaluated through use cases developed for several of the most representative fusion devices, ITER, JET and TCV. Conclusions and experiences obtained have allowed to propose a model, and a development methodology, to include this technology in systems for diagnostics of different nature. The model defines not only the optimal hardware architecture for achieving this integration, but also the incorporation of this new processing resource in one of the Systems of Supervision Control and Data Acquisition (SCADA) systems more relevant at the moment in the fusion community (EPICS), providing a complete solution. The final evaluation has been performed through a use case developed for a generic diagnostic requiring image acquisition and processing for the international ITER device, and has been successfully tested in their premises. The solution proposed in this thesis has been included by the ITER IO in his catalog of standard solutions for the development of their future diagnostics. This has been possible thanks to the technologic transfer agreement signed with xi National Instruments which has permitted us to modify and update one of their core software products targeted for the acquisition systems used in these devices.

Realineamiento por campo magnético en estructuras cilíndricas de cristal líquido nemático

En este artículo se presenta un análisis del realineamiento inducido por campos magnéticos aplicados sobre estructuras cilíndricas de cristal líquido nemático. Se analizan las dos posibles configuraciones moleculares, homeotrópica y homogénea,con campos longitudinales y transversales aplicados a ellas. Los resultados más significativos son la aparición de un campo umbral, para configuraciones homogéneas y campos transversales, y de un plano de moléculas que no sufren reorientación, para configuraciones homeotrópicas y campos transversales.