Reduced carbon and energy footprint in highway operations: the Highway Energy Assessment (HERA) methodology

Global demand for mobility is increasing and the environmental impact of transport has become an important issue in transportation network planning and decision-making, as well as in the operational management phase. Suitable methods are required to assess emissions and fuel consumption reduction strategies that seek to improve energy efficiency and furthering decarbonization. This study describes the development and application of an improved modeling framework – the HERA (Highway EneRgy Assessment) methodology – that enables to assess the energy and carbon footprint of different highways and traffic flow scenarios and their comparison. HERA incorporates an average speed consumption model adjusted with a correction factor which takes into account the road gradient. It provides a more comprehensive method for estimating the footprint of particular highway segments under specific traffic conditions. It includes the application of the methodology to the Spanish highway network to validate it. Finally, a case study shows the benefits from using this methodology and how to integrate the objective of carbon footprint reductions into highway design, operation and scenario comparison.

Asymmetric propagation of airblast from bench blasting

This paper investigates the propagation of airblast from quarry blasting. Peak overpressure is calculated as a function of blasting parameters (explosive mass per delay and velocity at which the detonation sequence proceeds along the bench) and polar coordinates of the point of interest (distance to the blast and azimuth with respect to the free face of the blast). The model is in the form of the product of a classical scaled distance attenuation law times a directional correction factor. The latter considers the influence of the bench face, and attenuates overpressure at the top level and amplifies it at the bottom. Such factor also accounts for the effect of the delay by amplifying the pressure in the direction of the initiation sequence if the velocity of initiation exceeds half the speed of sound and up to an initiation velocity in the range of the speed of sound. The model has been fitted to an empirical data set composed by 134 airblast records monitored in 47 blasts at two quarries. The measurements were made at distances to the blast less than 450 m. The model is statistically significant and has a determination coefficient of 0.869

Clasificación de madera estructural de gran escuadría de Pinus sylvestris l. mediante métodos no destructivos

Esta Tesis Doctoral aborda el estudio de algunas técnicas no destructivas para la clasificación de madera de pino silvestre (Pinus sylvestris L.) de procedencia española y de gruesa escuadría para uso estructural. Para la estimación del módulo de elasticidad y de la resistencia se han aplicado técnicas basadas en la propagación de una onda a través de la madera: onda de ultrasonidos (Sylvatest) o de impacto (Microsecond Timer) en dirección longitudinal, o vibración en dirección longitudinal y transversal (PLG). Para la estimación de la densidad se han utilizado métodos puntuales basados en el penetrómetro (Pilodyn) y en la resistencia al arranque de un tornillo. Las variables obtenidas han sido relacionadas con los resultados de la clasificación visual y con las propiedades de la madera determinadas mediante ensayo mecánico. Además, se ha estudiado la influencia de la humedad de la madera en la velocidad de propagación de la onda para definir factores de corrección a los equipos comerciales utilizados en esta Tesis Doctoral. La muestra de estudio está formada por 244 piezas procedentes de El Espinar, Segovia, con dimensiones nominales 150 x 200 x 4000 mm (218 piezas) y 100 x 150 x 3000 mm (26 piezas). De todas las piezas se tomaron datos de dimensiones, contenido de humedad y clasificación visual según la norma UNE 56544. En las primeras 218 vigas se aplicaron las técnicas de ultrasonidos, onda de impacto y vibraciones, se determinó la densidad de cada pieza completa y se ensayaron según la norma UNE-EN 408 para obtener el módulo de elasticidad global (en todos los casos) y local (en un porcentaje), así como de la tensión de rotura. Se extrajeron tres rebanadas para los ensayos puntuales y para el cálculo de la densidad. En las otras 26 piezas se repitieron los ensayos (transmisión de onda, vibración y clasificación visual) durante el proceso de secado natural, desde que la madera se encontraba húmeda (en torno al 40 %) hasta la humedad de equilibrio higroscópico (en torno al 9%). Respecto a la clasificación visual no se han observado diferencias significativas entre la calidad MEG o las rechazadas. Se han estudiado las consecuencias del secado (principalmente las deformaciones) y no se ha encontrado justificación para que estos defectos penalicen la clasificación. Para la densidad, el mayor R2 obtenido ha sido de un 47% a partir del uso combinado de los dos equipos puntuales (penetrómetro y arranque de tornillo). Para el módulo de elasticidad y la tensión de rotura, la mejor relación se ha obtenido a partir de la técnica de vibración longitudinal, con unos coeficientes de 79% y un 52% respectivamente. Se ha estimado que el aumento de un punto porcentual en el contenido de humedad de la madera produce una pérdida de velocidad de onda del 0,58% para Sylvatest y Microsecond Timer, y del 0,71% para PLG. Estos valores son generalizables para un rango de humedades entre 9 y 25 %. Abstract This Doctoral Thesis approach the study of some non-destructive techniques as a classification method for structural use of Scots pine wood of Spanish origin with large cross section. To estimate the modulus of elasticity and strength have been used techniques based on the propagation of a wave through the timber: ultrasonic wave (Sylvatest) or stress wave (Microsecond Timer) in longitudinal direction, or vibration in longitudinal and transversal direction (PLG). Local probing methods have been applied to estimate the density, based on penetrometer (Pilodyn) and the screw withdrawal resistance meter. The different variables obtained were compared with the results of the visual grading and the values of the properties of the wood determined by the standardized test of the pieces. Furthermore, the influence of the moisture content of the wood on the velocity of propagation of the waves through the timber has been analyzed in order to establish a correction factor for the commercial devices used in this Doctoral Thesis. The sample tested consists of 244 pieces from El Espinar, Segovia, with nominal dimensions 150 x 200 x 4000 mm (218 pieces) and 100 x 150 x 3000 mm (26 pieces). Data collection about dimensions, moisture content and visual grading according to the UNE 56544 standard were carried out on all the pieces. The first 218 pieces were tested by non destructive techniques based on ultrasonic wave, stress wave and vibration, the density was measured on each piece and bending test according to the UNE-EN 408 standard was carried out for calculating the global modulus of elasticity (all the pieces) and the local one (only a representative group), as well as the bending strength. Three slices were removed for implementing the local probing and to calculate the density. In the other 26 pieces the tests (wave transmission, vibration and visual grading) were repeated during the natural drying process, from wet timber (around 40 % moisture content) up to the equilibrium moisture content (around 9%). Regarding the visual grading no significant differences were observed between MEG or rejected pieces. The effects of drying (deformations) have been studied, and justification for the specification hasn't been found. To estimate the density, the greater R2 obtained was 47% by using both penetrometer and screw withdrawal. For the modulus of elasticity and bending strength, the best relationship has been found with the longitudinal vibration, with coefficients of 79% and 52% respectively. It has been estimated that an increase of a point of the moisture content of the wood produces a decrease on the velocity obtained from ultrasonic or stress wave of 0,58%, and 0,71 % for the one obtained from vibration. Those values can be generalized for a range of moisture content from 9 to 25 %.

Power-frequency control of hydropower plants with long penstocks in isolated systems with wind generation

In this paper the power-frequency control of hydropower plants with long penstocks is addressed. In such configuration the effects of pressure waves cannot be neglected and therefore commonly used criteria for adjustment of PID governors would not be appropriate. A second-order Π model of the turbine-penstock based on a lumped parameter approach is considered. A correction factor is introduced in order to approximate the model frequency response to the continuous case in the frequency interval of interest. Using this model, several criteria are analysed for adjusting the PI governor of a hydropower plant operating in an isolated system. Practical criteria for adjusting the PI governor are given. The results are applied to a real case of a small island where the objective is to achieve a generation 100% renewable (wind and hydro). Frequency control is supposed to be provided exclusively by the hydropower plant. It is verified that the usual criterion for tuning the PI controller of isolated hydro plants gives poor results. However, with the new proposed adjustment, the time response is considerably improved

Metodología de simulación numérica de la transferencia de calor por ebullición en película en torno a superficies esféricas refrigeradas por líquido saturado en convección libre: aplicación a reactores nucleares de lecho de bolas (PBR)

En la presente Tesis se realizó un análisis numérico, usando el código comercial Ansys-Fluent, de la refrigeración de una bola de combustible de un reactor de lecho de bolas (PBR, por sus siglas en inglés), ante un escenario de emergencia en el cual el núcleo sea desensamblado y las bolas se dejen caer en una piscina de agua, donde el mecanismo de transferencia de calor inicialmente sería la ebullición en película, implicando la convección y la radiación al fluido. Previamente se realizaron pruebas de validación, comparando los resultados numéricos con datos experimentales disponibles en la literatura para tres geometrías diferentes, lo cual permitió seleccionar los esquemas y modelos numéricos con mejor precisión y menor costo computacional. Una vez identificada la metodología numérica, todas las pruebas de validación fueron ampliamente satisfactorias, encontrándose muy buena concordancia en el flujo de calor promedio con los datos experimentales. Durante estas pruebas de validación se lograron caracterizar numéricamente algunos parámetros importantes en la ebullición en película con los cuales existen ciertos niveles de incertidumbre, como son el factor de acoplamiento entre convección y radiación, y el factor de corrección del calor latente de vaporización. El análisis térmico de la refrigeración de la bola del reactor por ebullición en película mostró que la misma se enfría, a pesar del calor de decaimiento, con una temperatura superficial de la bola que desciende de forma oscilatoria, debido al comportamiento inestable de la película de vapor. Sin embargo, la temperatura de esta superficie tiene una buena uniformidad, notándose que las áreas mejor y peor refrigeradas están localizadas en la parte superior de la bola. Se observó la formación de múltiples domos de vapor en diferentes posiciones circunferenciales, lo cual causa que el área más caliente de la superficie se localice donde se forman los domos más grandes. La separación entre los domos de vapor fue consistente con la teoría hidrodinámica, con la adición de que la separación entre domos se reduce a medida que evolucionan y crecen, debido a la curvatura de la superficie. ABSTRACT A numerical cooling analysis of a PBR fuel pebble, after an emergency scenario in which the nucleus disassembly is made and the pebbles are dropped into a water pool, transmitting heat by film boiling, involving convection and radiation to the fluid, is carried out in this Thesis. First, were performed validation tests comparing the numerical results with experimental works available for three different geometries, which allowed the selection of numerical models and schemes with better precision and lower computational cost. Once identified the numerical methodology, all validation tests were widely satisfactory, finding very good agreement with experimental works in average heat flux. During these validation tests were achieved numerically characterize some important parameters in film boiling with which there are certain levels of uncertainty, such as the coupling factor between convection and radiation, and the correction factor of the latent heat of vaporization. The thermal analysis of pebble cooling by film boiling shows that despite its decay heat, cooling occurs, with pebble surface temperature descending from an oscillatory manner, due to the instability of the vapor film. However, the temperature of this surface has a good uniformity, noting that the best and worst refrigerated area is located at the top of the pebble. The formation of multiple vapor domes at different circumferential positions is observed, which cause that the hottest area of the surface was located where biggest vapor domes were formed. The separation between vapor domes was consistent with the hydrodynamic theory, with the addition that the separation is reduced as the vapor dome evolves and grows, due to the surface curvature.

Implementation of road dust resuspension in air quality simulations of particulate matter in Madrid (Spain)

An evaluation of the concentration levels of Particulate Matter (PM) was carried out in Madrid (Spain) by introducing the emissions from road dust resuspension. Road dust resuspension emission factors (EF) for different types of vehicles were calculated from EPA-AP42, a global resuspension factor of 0.097 g veh−1km−1 as described in Amato et al. (2010) and a rain-dependent correction factor. With these resuspension EFs, a simulation at street canyon level was performed with the OSPM model without rainfall. Subsequently, a simulation using the CMAQ model was implemented adding resuspension emissions affected by the rain. These data were compared with monitored data obtained from air quality stations. OSPM model simulations with resuspension EFs but without the effect of rainfall improve the PM estimates in about 20gm−3μ compared to the simulation with default EFs. Total emissions were calculated by adding the emissions estimated with resuspension EFs to the default PM emissions to be used by CMAQ. For the study in the Madrid Area, resuspension emissions are approximately of the same order of magnitude as inventoried emissions. On a monthly scale, rain effects are negligible for resuspension emissions due to the dry weather conditions of Spain. With the exception of April and May, the decrease in resuspension emissions is not >3%. The predicted PM10 concentration increases up to 9μ gm−3 on annual average for each station compared to the same scenario without resuspension. However, in both cases, PM 10 estimates with resuspension are still underestimating observations. It should be noted that although that accounting for resuspension improves the quality of model predictions, other PM sources (e.g., Saharan dust) were not considered in this study.

Unconformity-bounded stratigraphic units (UBSUs) in an italian alluvial-plain area: recognizing and dating

We studied the coastal zone of the Tavoliere di Puglia plain, (Puglia region, southern Italy) with the aim to recognize the main unconformities, and therefore, the unconformity-bounded stratigraphic units (UBSUs; Salvador 1987, 1994) forming its Quaternary sedimentary fill. Recognizing unconformities is particularly problematic in an alluvial plain, due to the difficulties in distinguishing the unconformities that bound the UBSUs. So far, the recognition of UBSUs in buried successions has been made mostly by using seismic profiles. Instead, in our case, the unavailability of the latter has prompted us to address the problem by developing a methodological protocol consisting of the following steps: I) geological survey in the field; II) draft of a preliminary geological setting based on the field-survey results; III) dating of 102 samples coming from a large number of boreholes and some outcropping sections by means of the amino acid racemization (AAR) method applied to ostracod shells and 14C dating, filtering of the ages and the selection of valid ages; IV) correction of the preliminary geological setting in the light of the numerical ages; definition of the final geological setting with UBSUs; identification of a ‘‘hypothetical’’ or ‘‘attributed time range’’ (HTR or ATR) for each UBSU, the former very wide and subject to a subsequent modification, the latter definitive; V) cross-checking between the numerical ages and/or other characteristics of the sedimentary bodies and/or the sea-level curves (with their effects on the sedimentary processes) in order to restrict also the hypothetical time ranges in the attributed time ranges. The successful application of AAR geochronology to ostracod shells relies on the fact that the ability of ostracods to colonize almost all environments constitutes a tool for correlation, and also allow the inclusion in the same unit of coeval sediments that differ lithologically and paleoenvironmentally. The treatment of the numerical ages obtained using the AAR method required special attention. The first filtering step was made by the laboratory (rejection criteria a and b). Then, the second filtering step was made by testing in the field the remaining ages. Among these, in fact, we never compared an age with a single preceding and/or following age; instead, we identified homogeneous groups of numerical ages consistent with their reciprocal stratigraphic position. This operation led to the rejection of further numerical ages that deviate erratically from a larger, homogeneous age population which fits well with its stratigraphic position (rejection criterion c). After all of the filtering steps, the valid ages that remained were used for the subdivision of the sedimentary sequences into UBSUs together with the lithological and paleoenvironmental criteria. The numerical ages allowed us, in the first instance, to recognize all of the age gaps between two consecutive samples. Next, we identified the level, in the sedimentary thickness that is between these two samples, that may represent the most suitable UBSU boundary based on its lithology and/or the paleoenvironment. The recognized units are: I) Coppa Nevigata sands (NEA), HTR: MIS 20–14, ATR: MIS 17–16; II) Argille subappennine (ASP), HTR: MIS 15–11, ATR: MIS 15–13; III) Coppa Nevigata synthem (NVI), HTR: MIS 13–8, ATR: MIS 12–11; IV) Sabbie di Torre Quarto (STQ), HTR: MIS 13–9.1, ATR: MIS 11; V) Amendola subsynthem (MLM1), HTR: MIS 12–10, ATR: MIS 11; VI) Undifferentiated continental unit (UCI), HTR: MIS 11–6.2, ATR: MIS 9.3–7.1; VII) Foggia synthem (TGF), ATR: MIS 6; VIII) Masseria Finamondo synthem (TPF), ATR: Upper Pleistocene; IX) Carapelle and Cervaro streams synthem (RPL), subdivided into: IXa) Incoronata subsynthem (RPL1), HTR: MIS 6–3; ATR: MIS 5–3; IXb) Marane La Pidocchiosa–Castello subsynthem (RPL3), ATR: Holocene; X) Masseria Inacquata synthem (NAQ), ATR: Holocene. The possibility of recognizing and dating Quaternary units in an alluvial plain to the scale of a marine isotope stage constitutes a clear step forward compared with similar studies regarding other alluvial-plain areas, where Quaternary units were dated almost exclusively using their stratigraphic position. As a result, they were generically associated with a geological sub-epoch. Instead, our method allowed a higher detail in the timing of the sedimentary processes: for example, MIS 11 and MIS 5.5 deposits have been recognized and characterized for the first time in the study area, highlighting their importance as phases of sedimentation.

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.