Digital Control Implementation to Reduce the Cost and Improve the Performance of the Control Stage of an Industrial Switched-Mode Power Supply

The main objective of this work is the design and implementation of the digital control stage of a 280W AC/DC industrial power supply in a single low-cost microcontroller to replace the analog control stage. The switch-mode power supply (SMPS) consists of a PFC boost converter with fixed frequency operation and a variable frequency LLC series resonant DC/DC converter. Input voltage range is 85VRMS-550VRMS and the output voltage range is 24V-28V. A digital controller is especially suitable for this kind of SMPS to implement its multiple functionalities and to keep the efficiency and the performance high over the wide range of input voltages. Additional advantages of the digital control are reliability and size. The optimized design and implementation of the digital control stage it is presented. Experimental results show the stable operation of the controlled system and an estimation of the cost reduction achieved with the digital control stage.

Three-level cell topology for a multilevel power supply to achieve High

This paper presents an envelope amplifier solution for envelope elimination and restoration (EER), that consists of a series combination of a switch-mode power supply (SMPS), based on three-level voltage cells and a linear regulator. This cell topology offers several advantages over a previously presented envelope amplifier based on a different multilevel topology (two-level voltage cells). The topology of the multilevel converter affects to the whole design of the envelope amplifier and a comparison between both design alternatives regarding the size, complexity and the efficiency of the solution is done. Both envelope amplifier solutions have a bandwidth of 2 MHz with an instantaneous maximum power of 50 W. It is also analyzed the linearity of the three-level cell solution, with critical importance in the EER technique implementation. Additionally, considerations to optimize the design of the envelope amplifier and experimental comparison between both cell topologies are included.

Application and modeling of GaN FET in 1MHz large signal bandwidth power supply for radio frequency power amplifier

In this paper, implementation and testing of non- commercial GaN HEMT in a simple buck converter for envelope amplifier in ET and EER transmission techn iques has been done. Comparing to the prototypes with commercially available EPC1014 and 1015 GaN HEMTs, experimentally demonstrated power supply provided better thermal management and increased the switching frequency up to 25MHz. 64QAM signal with 1MHz of large signal bandw idth and 10.5dB of Peak to Average Power Ratio was gener ated, using the switching frequency of 20MHz. The obtaine defficiency was 38% including the driving circuit an d the total losses breakdown showed that switching power losses in the HEMT are the dominant ones. In addition to this, some basic physical modeling has been done, in order to provide an insight on the correlation between the electrical characteristics of the GaN HEMT and physical design parameters. This is the first step in the optimization of the HEMT design for this particular application.

Teaching digital control of switch mode power supplier

This paper explains the methodology followed to teach the subject `Digital control of power converters'. This subject belongs to the research master on `Industrial Electronics' of the Universidad Politécnica de Madrid. The subject is composed of several theoretical lessons plus the development of an actual digital control. For that purpose an ad hoc dc-dc converter has been designed and built. The use of this board together with some software tools seems a very powerful way for the students to learn the concepts from the design to the real world

Advanced Control for Very Fast DC-DC Converters Based on Hysteresis of the C-out Current

The bandwidth achievable by using voltage mode control or current mode control in switch-mode power supply is limited by the switching frequency. Fast transient response requires high switching frequency, although lower switching frequencies could be more suitable for higher efficiency. This paper proposes the use of hysteretic control of the output capacitor $(C_{out})$ current to improve the dynamic response of the buck converter. An external voltage loop is required to accurately regulate the output voltage. The design of the hysteretic loop and the voltage loop are presented. Besides, it is presented a non-invasive current sensor that allows measuring the current in the capacitor. This strategy has been applied for DVS (dynamic voltage scaling) on a 5 MHz buck converter. Experimental results validate the proposed control technique and show fast transient response from 1.5 V to 2.5 V in 2 $mu{rm s}$.

A low-area reference-free power supply sensor

Power supply unpredictable uctuations jeopardize the functioning of several types of current electronic systems. This work presents a power supply sensor based on a voltage divider followed by buffer-comparator cells employing just MOSFET transistors and provides a digital output. The divider outputs are designed to change more slowly than the thresholds of the comparators, in this way the sensor is able to detect voltage droops. The sensor is implemented in a 65nm technology node occupying an area of 2700?m2 and displaying a power consumption of 50?W. It is designed to work with no voltage reference and with no clock and aiming to obtain a fast response.

A Novel Ground Fault Identification Method for 2 x 5 kV Railway Power Supply Systems

The location of ground faults in railway electric lines in 2 × 5 kV railway power supply systems is a difficult task. In both 1 × 25 kV and transmission power systems it is common practice to use distance protection relays to clear ground faults and localize their positions. However, in the particular case of this 2 × 25 kV system, due to the widespread use of autotransformers, the relation between the distance and the impedance seen by the distance protection relays is not linear and therefore the location is not accurate enough. This paper presents a simple and economical method to identify the subsection between autotransformers and the conductor (catenary or feeder) where the ground fault is happening. This method is based on the comparison of the angle between the current and the voltage of the positive terminal in each autotransformer. Consequently, after the identification of the subsection and the conductor with the ground defect, only the subsection where the ground fault is present will be quickly removed from service, with the minimum effect on rail traffic. This method has been validated through computer simulations and laboratory tests with positive results.

High Efficiency Envelope Amplifier based on a Ripple Cancellation Buck Converter. Design, Optimization and Integration in an EER RFPA

Durante los últimos años la tendencia en el sector de las telecomunicaciones ha sido un aumento y diversificación en la transmisión de voz, video y fundamentalmente de datos. Para conseguir alcanzar las tasas de transmisión requeridas, los nuevos estándares de comunicaciones requieren un mayor ancho de banda y tienen un mayor factor de pico, lo cual influye en el bajo rendimiento del amplificador de radiofrecuencia (RFPA). Otro factor que ha influido en el bajo rendimiento es el diseño del amplificador de radiofrecuencia. Tradicionalmente se han utilizado amplificadores lineales por su buen funcionamiento. Sin embargo, debido al elevado factor de pico de las señales transmitidas, el rendimiento de este tipo de amplificadores es bajo. El bajo rendimiento del sistema conlleva desventajas adicionales como el aumento del coste y del tamaño del sistema de refrigeración, como en el caso de una estación base, o como la reducción del tiempo de uso y un mayor calentamiento del equipo para sistemas portátiles alimentados con baterías. Debido a estos factores, se han desarrollado durante las últimas décadas varias soluciones para aumentar el rendimiento del RFPA como la técnica de Outphasing, combinadores de potencia o la técnica de Doherty. Estas soluciones mejoran las prestaciones del RFPA y en algún caso han sido ampliamente utilizados comercialmente como la técnica de Doherty, que alcanza rendimientos hasta del 50% para el sistema completo para anchos de banda de hasta 20MHz. Pese a las mejoras obtenidas con estas soluciones, los mayores rendimientos del sistema se obtienen para soluciones basadas en la modulación de la tensión de alimentación del amplificador de potencia como “Envelope Tracking” o “EER”. La técnica de seguimiento de envolvente o “Envelope Tracking” está basada en la modulación de la tensión de alimentación de un amplificador lineal de potencia para obtener una mejora en el rendimiento en el sistema comparado a una solución con una tensión de alimentación constante. Para la implementación de esta técnica se necesita una etapa adicional, el amplificador de envolvente, que añade complejidad al amplificador de radiofrecuencia. En un amplificador diseñado con esta técnica, se aumentan las pérdidas debido a la etapa adicional que supone el amplificador de envolvente pero a su vez disminuyen las pérdidas en el amplificador de potencia. Si el diseño se optimiza adecuadamente, puede conseguirse un aumento global en el rendimiento del sistema superior al conseguido con las técnicas mencionadas anteriormente. Esta técnica presenta ventajas en el diseño del amplificador de envolvente, ya que el ancho de banda requerido puede ser menor que el ancho de banda de la señal de envolvente si se optimiza adecuadamente el diseño. Adicionalmente, debido a que la sincronización entre la señal de envolvente y de fase no tiene que ser perfecta, el proceso de integración conlleva ciertas ventajas respecto a otras técnicas como EER. La técnica de eliminación y restauración de envolvente, llamada EER o técnica de Kahn está basada en modulación simultánea de la envolvente y la fase de la señal usando un amplificador de potencia conmutado, no lineal y que permite obtener un elevado rendimiento. Esta solución fue propuesta en el año 1952, pero no ha sido implementada con éxito durante muchos años debido a los exigentes requerimientos en cuanto a la sincronización entre fase y envolvente, a las técnicas de control y de corrección de los errores y no linealidades de cada una de las etapas así como de los equipos para poder implementar estas técnicas, que tienen unos requerimientos exigentes en capacidad de cálculo y procesamiento. Dentro del diseño de un RFPA, el amplificador de envolvente tiene una gran importancia debido a su influencia en el rendimiento y ancho de banda del sistema completo. Adicionalmente, la linealidad y la calidad de la señal de transmitida deben ser elevados para poder cumplir con los diferentes estándares de telecomunicaciones. Esta tesis se centra en el amplificador de envolvente y el objetivo principal es el desarrollo de soluciones que permitan el aumento del rendimiento total del sistema a la vez que satisfagan los requerimientos de ancho de banda, calidad de la señal transmitida y de linealidad. Debido al elevado rendimiento que potencialmente puede alcanzarse con la técnica de EER, esta técnica ha sido objeto de análisis y en el estado del arte pueden encontrarse numerosas referencias que analizan el diseño y proponen diversas implementaciones. En una clasificación de alto nivel, podemos agrupar las soluciones propuestas del amplificador de envolvente según estén compuestas de una o múltiples etapas. Las soluciones para el amplificador de envolvente en una configuración multietapa se basan en la combinación de un convertidor conmutado, de elevado rendimiento con un regulador lineal, de alto ancho de banda, en una combinación serie o paralelo. Estas soluciones, debido a la combinación de las características de ambas etapas, proporcionan un buen compromiso entre rendimiento y buen funcionamiento del amplificador de RF. Por otro lado, la complejidad del sistema aumenta debido al mayor número de componentes y de señales de control necesarias y el aumento de rendimiento que se consigue con estas soluciones es limitado. Una configuración en una etapa tiene las ventajas de una mayor simplicidad, pero debido al elevado ancho de banda necesario, la frecuencia de conmutación debe aumentarse en gran medida. Esto implicará un bajo rendimiento y un peor funcionamiento del amplificador de envolvente. En el estado del arte pueden encontrarse diversas soluciones para un amplificador de envolvente en una etapa, como aumentar la frecuencia de conmutación y realizar la implementación en un circuito integrado, que tendrá mejor funcionamiento a altas frecuencias o utilizar técnicas topológicas y/o filtros de orden elevado, que permiten una reducción de la frecuencia de conmutación. En esta tesis se propone de manera original el uso de la técnica de cancelación de rizado, aplicado al convertidor reductor síncrono, para reducir la frecuencia de conmutación comparado con diseño equivalente del convertidor reductor convencional. Adicionalmente se han desarrollado dos variantes topológicas basadas en esta solución para aumentar la robustez y las prestaciones de la misma. Otro punto de interés en el diseño de un RFPA es la dificultad de poder estimar la influencia de los parámetros de diseño del amplificador de envolvente en el amplificador final integrado. En esta tesis se ha abordado este problema y se ha desarrollado una herramienta de diseño que permite obtener las principales figuras de mérito del amplificador integrado para la técnica de EER a partir del diseño del amplificador de envolvente. Mediante el uso de esta herramienta pueden validarse el efecto del ancho de banda, el rizado de tensión de salida o las no linealidades del diseño del amplificador de envolvente para varias modulaciones digitales. Las principales contribuciones originales de esta tesis son las siguientes: La aplicación de la técnica de cancelación de rizado a un convertidor reductor síncrono para un amplificador de envolvente de alto rendimiento para un RFPA linealizado mediante la técnica de EER. Una reducción del 66% en la frecuencia de conmutación, comparado con el reductor convencional equivalente. Esta reducción se ha validado experimentalmente obteniéndose una mejora en el rendimiento de entre el 12.4% y el 16% para las especificaciones de este trabajo. La topología y el diseño del convertidor reductor con dos redes de cancelación de rizado en cascada para mejorar el funcionamiento y robustez de la solución con una red de cancelación. La combinación de un convertidor redactor multifase con la técnica de cancelación de rizado para obtener una topología que proporciona una reducción del cociente entre frecuencia de conmutación y ancho de banda de la señal. El proceso de optimización del control del amplificador de envolvente en lazo cerrado para mejorar el funcionamiento respecto a la solución en lazo abierto del convertidor reductor con red de cancelación de rizado. Una herramienta de simulación para optimizar el proceso de diseño del amplificador de envolvente mediante la estimación de las figuras de mérito del RFPA, implementado mediante EER, basada en el diseño del amplificador de envolvente. La integración y caracterización del amplificador de envolvente basado en un convertidor reductor con red de cancelación de rizado en el transmisor de radiofrecuencia completo consiguiendo un elevado rendimiento, entre 57% y 70.6% para potencias de salida de 14.4W y 40.7W respectivamente. Esta tesis se divide en seis capítulos. El primer capítulo aborda la introducción enfocada en la aplicación, los amplificadores de potencia de radiofrecuencia, así como los principales problemas, retos y soluciones existentes. En el capítulo dos se desarrolla el estado del arte de amplificadores de potencia de RF, describiéndose las principales técnicas de diseño, las causas de no linealidad y las técnicas de optimización. El capítulo tres está centrado en las soluciones propuestas para el amplificador de envolvente. El modo de control se ha abordado en este capítulo y se ha presentado una optimización del diseño en lazo cerrado para el convertidor reductor convencional y para el convertidor reductor con red de cancelación de rizado. El capítulo cuatro se centra en el proceso de diseño del amplificador de envolvente. Se ha desarrollado una herramienta de diseño para evaluar la influencia del amplificador de envolvente en las figuras de mérito del RFPA. En el capítulo cinco se presenta el proceso de integración realizado y las pruebas realizadas para las diversas modulaciones, así como la completa caracterización y análisis del amplificador de RF. El capítulo seis describe las principales conclusiones de la tesis y las líneas futuras. ABSTRACT The trend in the telecommunications sector during the last years follow a high increase in the transmission rate of voice, video and mainly in data. To achieve the required levels of data rates, the new modulation standards demand higher bandwidths and have a higher peak to average power ratio (PAPR). These specifications have a direct impact in the low efficiency of the RFPA. An additional factor for the low efficiency of the RFPA is in the power amplifier design. Traditionally, linear classes have been used for the implementation of the power amplifier as they comply with the technical requirements. However, they have a low efficiency, especially in the operating range of signals with a high PAPR. The low efficiency of the transmitter has additional disadvantages as an increase in the cost and size as the cooling system needs to be increased for a base station and a temperature increase and a lower use time for portable devices. Several solutions have been proposed in the state of the art to improve the efficiency of the transmitter as Outphasing, power combiners or Doherty technique. However, the highest potential of efficiency improvement can be obtained using a modulated power supply for the power amplifier, as in the Envelope Tracking and EER techniques. The Envelope Tracking technique is based on the modulation of the power supply of a linear power amplifier to improve the overall efficiency compared to a fixed voltage supply. In the implementation of this technique an additional stage is needed, the envelope amplifier, that will increase the complexity of the RFPA. However, the efficiency of the linear power amplifier will increase and, if designed properly, the RFPA efficiency will be improved. The advantages of this technique are that the envelope amplifier design does not require such a high bandwidth as the envelope signal and that in the integration process a perfect synchronization between envelope and phase is not required. The Envelope Elimination and Restoration (EER) technique, known also as Kahn’s technique, is based on the simultaneous modulation of envelope and phase using a high efficiency switched power amplifier. This solution has the highest potential in terms of the efficiency improvement but also has the most challenging specifications. This solution, proposed in 1952, has not been successfully implemented until the last two decades due to the high demanding requirements for each of the stages as well as for the highly demanding processing and computation capabilities needed. At the system level, a very precise synchronization is required between the envelope and phase paths to avoid a linearity decrease of the system. Several techniques are used to compensate the non-linear effects in amplitude and phase and to improve the rejection of the out of band noise as predistortion, feedback and feed-forward. In order to obtain a high bandwidth and efficient RFPA using either ET or EER, the envelope amplifier stage will have a critical importance. The requirements for this stage are very demanding in terms of bandwidth, linearity and quality of the transmitted signal. Additionally the efficiency should be as high as possible, as the envelope amplifier has a direct impact in the efficiency of the overall system. This thesis is focused on the envelope amplifier stage and the main objective will be the development of high efficiency envelope amplifier solutions that comply with the requirements of the RFPA application. The design and optimization of an envelope amplifier for a RFPA application is a highly referenced research topic, and many solutions that address the envelope amplifier and the RFPA design and optimization can be found in the state of the art. From a high level classification, multiple and single stage envelope amplifiers can be identified. Envelope amplifiers for EER based on multiple stage architecture combine a linear assisted stage and a switched-mode stage, either in a series or parallel configuration, to achieve a very high performance RFPA. However, the complexity of the system increases and the efficiency improvement is limited. A single-stage envelope amplifier has the advantage of a lower complexity but in order to achieve the required bandwidth the switching frequency has to be highly increased, and therefore the performance and the efficiency are degraded. Several techniques are used to overcome this limitation, as the design of integrated circuits that are capable of switching at very high rates or the use of topological solutions, high order filters or a combination of both to reduce the switching frequency requirements. In this thesis it is originally proposed the use of the ripple cancellation technique, applied to a synchronous buck converter, to reduce the switching frequency requirements compared to a conventional buck converter for an envelope amplifier application. Three original proposals for the envelope amplifier stage, based on the ripple cancellation technique, are presented and one of the solutions has been experimentally validated and integrated in the complete amplifier, showing a high total efficiency increase compared to other solutions of the state of the art. Additionally, the proposed envelope amplifier has been integrated in the complete RFPA achieving a high total efficiency. The design process optimization has also been analyzed in this thesis. Due to the different figures of merit between the envelope amplifier and the complete RFPA it is very difficult to obtain an optimized design for the envelope amplifier. To reduce the design uncertainties, a design tool has been developed to provide an estimation of the RFPA figures of merit based on the design of the envelope amplifier. The main contributions of this thesis are: The application of the ripple cancellation technique to a synchronous buck converter for an envelope amplifier application to achieve a high efficiency and high bandwidth EER RFPA. A 66% reduction of the switching frequency, validated experimentally, compared to the equivalent conventional buck converter. This reduction has been reflected in an improvement in the efficiency between 12.4% and 16%, validated for the specifications of this work. The synchronous buck converter with two cascaded ripple cancellation networks (RCNs) topology and design to improve the robustness and the performance of the envelope amplifier. The combination of a phase-shifted multi-phase buck converter with the ripple cancellation technique to improve the envelope amplifier switching frequency to signal bandwidth ratio. The optimization of the control loop of an envelope amplifier to improve the performance of the open loop design for the conventional and ripple cancellation buck converter. A simulation tool to optimize the envelope amplifier design process. Using the envelope amplifier design as the input data, the main figures of merit of the complete RFPA for an EER application are obtained for several digital modulations. The successful integration of the envelope amplifier based on a RCN buck converter in the complete RFPA obtaining a high efficiency integrated amplifier. The efficiency obtained is between 57% and 70.6% for an output power of 14.4W and 40.7W respectively. The main figures of merit for the different modulations have been characterized and analyzed. This thesis is organized in six chapters. In Chapter 1 is provided an introduction of the RFPA application, where the main problems, challenges and solutions are described. In Chapter 2 the technical background for radiofrequency power amplifiers (RF) is presented. The main techniques to implement an RFPA are described and analyzed. The state of the art techniques to improve performance of the RFPA are identified as well as the main sources of no-linearities for the RFPA. Chapter 3 is focused on the envelope amplifier stage. The three different solutions proposed originally in this thesis for the envelope amplifier are presented and analyzed. The control stage design is analyzed and an optimization is proposed both for the conventional and the RCN buck converter. Chapter 4 is focused in the design and optimization process of the envelope amplifier and a design tool to evaluate the envelope amplifier design impact in the RFPA is presented. Chapter 5 shows the integration process of the complete amplifier. Chapter 6 addresses the main conclusions of the thesis and the future work.

Design and Optimization of Power Delivery and Distribution Systems Using Evolutionary Computation Techniques

Nowadays computing platforms consist of a very large number of components that require to be supplied with diferent voltage levels and power requirements. Even a very small platform, like a handheld computer, may contain more than twenty diferent loads and voltage regulators. The power delivery designers of these systems are required to provide, in a very short time, the right power architecture that optimizes the performance, meets electrical specifications plus cost and size targets. The appropriate selection of the architecture and converters directly defines the performance of a given solution. Therefore, the designer needs to be able to evaluate a significant number of options in order to know with good certainty whether the selected solutions meet the size, energy eficiency and cost targets. The design dificulties of selecting the right solution arise due to the wide range of power conversion products provided by diferent manufacturers. These products range from discrete components (to build converters) to complete power conversion modules that employ diferent manufacturing technologies. Consequently, in most cases it is not possible to analyze all the alternatives (combinations of power architectures and converters) that can be built. The designer has to select a limited number of converters in order to simplify the analysis. In this thesis, in order to overcome the mentioned dificulties, a new design methodology for power supply systems is proposed. This methodology integrates evolutionary computation techniques in order to make possible analyzing a large number of possibilities. This exhaustive analysis helps the designer to quickly define a set of feasible solutions and select the best trade-off in performance according to each application. The proposed approach consists of two key steps, one for the automatic generation of architectures and other for the optimized selection of components. In this thesis are detailed the implementation of these two steps. The usefulness of the methodology is corroborated by contrasting the results using real problems and experiments designed to test the limits of the algorithms.

Excitación y control de IGBTs de un inversor trifásico sinusoidal

El origen del proyecto se encuentra en la mejora de un inversor trifásico sinusoidal comercial sobre la base del estudio de las técnicas de excitación óptimas para los IGBTs que lo componen en su etapa de potencia. En las primeras fases de planteamiento del proyecto se propone una idea mucho más ambiciosa, la realización de un nuevo convertidor de emergencia, destinado al sector ferroviario, para dar servicio de climatización. Este convertidor está formado por la asociación en cascada de un bloque DC/DC elevador y un bloque inversor DC/AC trifásico controlado mediante PWM con modulación sinusoidal. Se pretendía así dar solución a las siguientes problemáticas detectadas en los convertidores comercializados hasta el momento: un bloque elevador excesivamente sobredimensionado, subsistemas de control independientes para los dos bloques que configuran el convertidor, adicionalmente, la tarjeta driver se rediseña con cada cambio de especificaciones por parte de un nuevo cliente y finalmente, las comunicaciones tanto de diagnosis como de mantenimiento necesitaban una importante actualización. Inicialmente, se ha realizado un estudio teórico de los bloques elevador e inversor para poder realizar el diseño y dimensionamiento de sus componentes tanto semiconductores como electromagnéticos. Una vez completada la parte de potencia, se estudia el control que se realiza mediante medidas directas y simulación tanto de la estrategia de control del elevador como del inversor. Así se obtiene una información completa de la funcionalidad de las tarjetas existentes. Se desea realizar el diseño de una única tarjeta controladora y una única tarjeta de drivers para ambos bloques. Por problemas ajenos, en el transcurso de este proyecto se cancela su realización comercial, con lo que se decide al menos crear la placa de control y poder gobernar un convertidor ya existente, sustituyendo la tarjeta de control del bloque elevador. Para poder fabricar la placa de control se divide en dos tarjetas que irán conectadas en modo sándwich. En una tarjeta está el microcontrolador y en otra está todo el interface necesario para operar con el sistema: entradas y salidas digitales, entradas y salidas analógicas, comunicación CAN, y un pequeño DC/DC comercial que proporciona alimentación al prototipo. Se realiza un pequeño programa funcional para poder manejar el convertidor, el cual con una tensión de 110V DC, proporciona a la salida una tensión de 380V AC. Como ya se ha expuesto, debido a la cancelación del proyecto industrial no se profundiza más en su mejora y se decide proponerlo para su evaluación en su fase actual. ABSTRACT. The beginning of the project is found in the improvement of a commercial sine wave three phase inverter which is based in a study about optimal excitation techniques to IGBTs which compose in the power stage. In the early phases of project it is proposed a much more ambitious idea, the fact of a new emergency converter, proposed for the rail sector to work in an air condition unit. This converter is formed by an association of a block cascaded DC/DC booster and a block DC/AC inverter three-phase controlled by a sine wave modulation PWM. The purposed was to give a solution to following problems detected in commercial converters nowadays: an excessively oversized block boost, independent control subsystems for two blocks that configure the converter. In addition, driver board is redesigned with each specifications change demand it a new customer, and finally, the communications, diagnostic and maintenance that needed a important upgrade. Initially, it has been performed a theoretical study of boost and the inverter blocks to be able to perform the component’s design and the size (semiconductor and electromagnetic fields). Once finished power study, it is analysed the control performed using direct measures and simulation of boost control strategy and inverter. With this it is obtained complete information about existing cards functionality. The project is looking for the design of just one controller card and one drivers´ card for both blocks. By unrelated problems, during the course of this project a commercial realization. So at least its decided to create control board to be able to existing converter, replacing boost block’s control board. To be able to manufacture control board it is divided in two cards connected in sandwiching mode. In a card is microcontroller and in another is all needed interface to operate with the system: digital inputs and outputs, analogical inputs and outputs, CAN communication, and a small DC / DC business that provide power supply to the prototype. It is performed a small functional program to handle the converter, which with an input voltage 110V DC provides an output voltage 380V AC. As already has been exposed, due to industrial project cancellation it is decided no to continue with all improvements and directly to evaluate it in the current phase.

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.

A "Free-Lunch" tour of the Jovian System

An ED-tether mission to Jupiter is presented. A bare tether carrying cathodic devices at both ends but no power supply, and using no propellant, could move 'freely' among Jupiter's 4 great moons. The tour scheme would have current naturally driven throughout by the motional electric field, the Lorentz force switching direction with current around a 'drag' radius of 160,00 kms, where the speed of the jovian ionosphere equals the speed of a spacecraft in circular orbit. With plasma density and magnetic field decreasing rapidly with distance from Jupiter, drag/thrust would only be operated in the inner plasmasphere, current being near shut off conveniently in orbit by disconnecting cathodes or plugging in a very large resistance; the tether could serve as its own power supply by plugging in an electric load where convenient, with just some reduction in thrust or drag. The periapsis of the spacecraft in a heliocentric transfer orbit from Earth would lie inside the drag sphere; with tether deployed and current on around periapsis, magnetic drag allows Jupiter to capture the spacecraft into an elliptic orbit of high eccentricity. Current would be on at succesive perijove passes and off elsewhere, reducing the eccentricity by lowering the apoapsis progressively to allow visits of the giant moons. In a second phase, current is on around apoapsis outside the drag sphere, rising the periapsis until the full orbit lies outside that sphere. In a third phase, current is on at periapsis, increasing the eccentricity until a last push makes the orbit hyperbolic to escape Jupiter. Dynamical issues such as low gravity-gradient at Jupiter and tether orientation in elliptic orbits of high eccentricity are discussed.

A proposed bare-tether experiment on board a sounding rocket

A mission on board a sounding rocket to carry out two bare-tether experiments is proposed: a test of orbital-motion-limited (OML) collection and the proof-of-flight of a technique to determine the (neutral) density vertical profile in the critical E-layer. Since full bias from the motional field will be small (~ 20V), corresponding to a tape 1 km long and V rocket <8 km/s, a power source with a range of supply voltages of few kV would be used. First, the negative terminal of the supply would be connected to the tape, and the positive terminal to a round, conductive boom of length 10 - 20 m; electrons collected by the boom cross the supply into the tape, where they leak out at the rate of ion impact plus secondary emission. Determination of the density profile from measurements of auroral emissions observed from the rocket, as secondaries racing down the magnetic field reach an E-layer footprint, are discussed. Next the positive terminal of the voltage supply is connected to the tape, and the negative terminal to a Hollow Cathode (HC); electrons now collected by the tape cross the supply, and are ejected at the HC. The opposite connections, with current collection operated by tape and boom, and operating on electrons and ions, and through partial switching in the supply, allow testing OML collection in almost all respects it depends on.

On the simulation of the UPMSAT-2 microsatellite power

Simulation of satellite subsystems behaviour is extramely important in the design at early stages. The subsystems are normally simulated in the both ways : isolated and as part of more complex simulation that takes into account imputs from other subsystems (concurrent design). In the present work, a simple concurrent simulation of the power subsystem of a microsatellite, UPMSat-2, is described. The aim of the work is to obtain the performance profile of the system (battery charging level, power consumption by the payloads, power supply from solar panels....). Different situations such as battery critical low or high level, effects of high current charging due to the low temperature of solar panels after eclipse,DoD margins..., were analysed, and different safety strategies studied using the developed tool (simulator) to fulfil the mission requirements. Also, failure cases were analysed in order to study the robustness of the system. The mentioned simulator has been programed taking into account the power consumption performances (average and maximum consumptions per orbit/day) of small part of the subsystem (SELEX GALILEO SPVS modular generators built with Azur Space solar cells, SAFT VES16 6P4S Li-ion battery, SSBV magnetometers, TECNOBIT and DATSI/UPM On Board Data Handling -OBDH-...). The developed tool is then intended to be a modular simulator, with the chance of use any other components implementing some standard data.

Sistema portátil de medida de dispositivos sometidos a ensayos en campo

El proyecto fin de carrera “Sistema Portátil de Medida de Dispositivos Sometidos a Ensayos en Campo” es un proyecto acometido para el desarrollo y evaluación de un sistema de medición portátil y confiable, que permita la realización de mediciones de curvas I-V en campo, en condiciones reales de funcionamiento. Dado que la finalidad de este proyecto fin de carrera es la obtención de un sistema para la realización de mediciones en campo, en la implementación del proyecto se tendrán como requisitos principales de diseño el tamaño, la fuente de alimentación, el peso del sistema, además de la fiabilidad y una relativa precisión en la realización de mediciones. Durante la realización de este proyecto y dados los requerimientos anteriores de portabilidad y fiabilidad, se ha buscado ofrecer una solución de compromiso diseñando un equipamiento que sea realizable, que cumpla con los objetivos anteriores con un coste que no sea elevado y con la característica de que disponga de una facilidad de manejo que permita a cualquier usuario la utilización del mismo. El sistema final diseñado está basado en el dispositivo de adquisición de datos MyDAQ de National Instruments que permite la realización de múltiples tipos de mediciones. En base a este dispositivo de adquisición de datos, se ha diseñado un sistema de medición con una arquitectura que se implementa a través de un ordenador portátil, con un software de medición instalado que recopila e interpreta los datos, y que alimenta y controla al dispositivo a través del puerto USB. El sistema también implementa una carga variable que permite la medición de la curva I-V en iluminación de células o mini-paneles fotovoltaicos. Este diseño permite que para la realización de las mediciones de las curvas I-V en iluminación en campo sólo se requiera conectar el dispositivo de adquisición a un PC portátil con batería y a la carga variable. Aunque este diseño es específico para la medición de células solares se ha implementado de forma que pueda extrapolarse fácilmente a otro tipo de medición de tensión y corriente. Para la comprobación de la precisión del sistema portátil de medidas, durante el proyecto se ha procedido a la comparación de los resultados obtenidos del sistema diseñado con un equipo de caracterización en laboratorio. Dicho sistema de alta exactitud permite cuantificar la degradación real de la célula y establecer una comparación de mediciones con el sistema portátil de medida, ofreciendo resultados satisfactorios en todas las mediciones realizadas y permitiendo concluir la evaluación del sistema portátil como apto para las mediciones de dispositivos en campo. El proceso de evaluación del equipamiento diseñado consistiría en la medida de la curva I-V en laboratorio de un dispositivo fotovoltaico con instrumentación de alta precisión y condiciones controladas de luz y temperatura de un dispositivo, célula o mini-panel. Tras la medida inicial las células se instalarían en campo y se realizaría una caracterización periódica de los dispositivos mediante el sistema portátil de medida, que permitiría evidenciar si en la curva I-V bajo iluminación existe degradación, y en qué zona de la curva. Al finalizar el ensayo o en periodos intermedios se desmontarían los dispositivos para volver a medir la curva I-V con exactitud en laboratorio. Por tanto el sistema portátil de medida, debe permitir evaluar la evolución de la curva I-V en condiciones ambientales similares a obtenidas en medidas anteriores, y a partir de la misma determinar el modo de degradación del dispositivo, no siendo necesaria una elevada precisión de medida para ofrecer resultados exactos de degradación, que sólo podrán medirse en el laboratorio. ABSTRACT. The final degree project "Portable Measurement System For Devices Under Field Tests" is a project undertaken for the development and evaluation of portable and reliable measurement equipment, which allows the realization of I-V curve measurements in field conditions actual operation. Since the purpose of this final project is to obtain a system for conducting field measurements in the implementation of the project will have as main design requirements for size, power supply, system weight, plus reliability and precision relative to the taking of measurements. During the development of this project and given the above requirements portability and reliability, has sought to offer a compromise designing equipment that is achievable, that meets the above objectives with a cost that is not high and the feature that available management facility that allows any user to use it. The final system is designed based on the acquisition device MyDAQ NI data that allows the execution of multiple types of measurements. Based on this data acquisition device, we have designed a measurement system with an architecture that is implemented via a laptop, with measurement software installed that collects and interprets data, and feeds and controls the device through the USB port. The system also implements a variable load which allows measurement of the I-V curve lighting photovoltaic cells. This design allows performing measurements of I-V curves in lighting field is only required to connect the device to purchase a laptop with a battery and variable load. Although this design is specific for the measurement of solar cells has been implemented so that it can easily be extrapolated to other types of measuring voltage and current. To test the accuracy of the portable measurement system during the project has been carried out to compare the results of the designed system, a team of laboratory characterization. This system of high accuracy to quantify the actual degradation of the cell and a comparison of measurements with portable measurement system, providing satisfactory results in all measurements and allowing complete portable system assessment as suitable for measurements of devices field. The evaluation process designed equipment would be far laboratory I-V curve of a photovoltaic device with high precision instrumentation controlled light and temperature of a device, panel or mini-cell conditions. After initial measurement cells settle in a periodic field and device characterization will be achieved through the portable measurement system, which would show whether the I-V curve under illumination degradation exists, and in which area of the curve. At the end of the trial or in interim periods devices to remeasure the I-V curve accurately in laboratory dismount. Therefore the portable measurement system should allow evaluating the evolution of the I-V curve similar to previous measurements obtained in ambient conditions, and from it determine the mode of degradation of the device, not a high measurement accuracy to be necessary to provide degradation accurate results, which can only be measured in the laboratory.