Diseño e implementación de un modulador de alta resolución para el control digital de convertidores conmutados de potencia que trabajan en alta frecuencia
- Autores: Marcos Fernández Gómez
- Directores de la Tesis: Cristina Fernandez Herrero (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2022
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Emilio Olías Ruiz (presid.), Christian Brañas Reyes (secret.), José Fernando Jiménez Vargas (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
- Resumen
Desde finales del siglo XX, la evolución tecnológica ha avanzado en el camino de conseguir diseños de circuitos cada vez más compactos con el fin de mejorar la eficiencia y reducir el peso y volumen de los equipos. Esto se ha debido a un incremento en la demanda de las necesidades tecnológicas por parte de la sociedad a causa de la reducción de los costes en los dispositivos electrónicos. Lo que ha permitido que la tecnología sea más accesible, convirtiéndose en un producto de consumo cotidiano. El satisfacer todas estas necesidades tecnológicas que demanda la sociedad han generado un mercado muy competitivo, lo que ha provocado que cada vez se requiera de implementar diseños electrónicos más complejos que abarquen un mayor número de funciones para cubrir todas estas necesidades. Toda esta carrera de innovación tecnológica ha llegado a impulsar el desarrollo de grandes sistemas tecnológicos como las redes de telecomunicaciones, sistemas aeronáuticos o redes de transporte. Además, estos avances han permitido satisfacer necesidades más cotidianas con el diseño de dispositivos inteligentes que ayudan en el ámbito doméstico, facilitan el acceso a la información o generan entretenimiento.
En este contexto de evolución tecnológica, el uso de convertidores de potencia ha jugado un papel principal centrado en la gestión eficiente de la energía. Tal ha sido la importancia de su desarrollo que han servido de base para que sea posible lograr soluciones tecnológicas inviables hasta ese momento. Un claro ejemplo son los implantes cocleares, los cuales permiten a las personas con problemas de audición a distinguir sonidos. Estos implantes se alimentan a través de un sistema de transferencia de energía sin contacto. Además, poseen un tamaño y peso pequeño para implantarse dentro del cuerpo humano y reducir el consumo lo máximo posible. En general, la evolución tecnológica ha seguido una tendencia donde se trata de conseguir diseños de circuitos cada vez más compactos con el fin de mejorar la eficiencia o autonomía y reducir el peso y volumen.
En base a esta tendencia de miniaturización de los circuitos, esta tesis se centra en resolver uno de los problemas más comunes debidos al aumento de la frecuencia de conmutación de los convertidores de potencia controlados mediante dispositivos digitales, que es la resolución limitada del modulador. Para ello, se presentan e implementan dos arquitecturas para moduladores digitales por ancho de pulso (DPWM), implementadas en FPGAs, para incrementar la resolución del modulador del convertidor. Estas soluciones se diseñan, se implementan, y se aplican en convertidores de potencia que operan en alta frecuencia para comprobar su funcionamiento real.
Para los diseños de los DPWM propuestos, se ha realizado una recopilación de las diferentes propuestas en el estado de la técnica diferenciando según la tecnología y realizando distinciones de las tipologías de arquitecturas empleadas. Una vez se ha identificado las ventajas y desventajas de cada una de las tecnologías digitales y tipos de arquitecturas, se decide trabajar con la tecnología FPGA.
La primera contribución original que se propone en esta tesis es un modulador capaz de generar un pulso cuyo flanco de bajada se controla con muy alta resolución. Este diseño soluciona muchos de los problemas que presentan las diferentes arquitecturas del estado del arte, como que no necesita de calibración manual y se puede realizar un rutado automático en la FPGA. Además, este diseño se implementa en dos modelos de FPGAs de Xilinx (Artix-7 y Kintex UltraScale-7), donde se mejora notablemente la resolución frente a las existentes (79,9 ps y 4,997 ps, respectivamente). La segunda arquitectura original propuesta permite dotar de una alta resolución a los flancos de subida y bajada de los pulsos de control de manera independiente. Aprovechando esta ventaja de control independiente de los flancos de alta resolución, se propone una tercera arquitectura original que se utiliza para generar pulsos complementarios.
Para la implementación de las arquitecturas propuestas, se realiza un primer análisis a través de simulaciones con la herramienta del fabricante. Esta información se utiliza para tener un primer contacto del funcionamiento de las arquitecturas y cómo se comportan las señales de que genera el controlador. Con la herramienta de simulación, se obtiene una aproximación de cuál es la resolución alcanzada con la arquitectura. Una vez realizada esta simulación, se implementa las arquitecturas en el controlador y se caracteriza el comportamiento y la resolución real de la señal de salida del controlador. Ante la dificultad de realizar mediciones temporales con una resolución óptima para obtener cual es el mínimo incremento de la arquitectura, se decide utilizar medidas indirectas para conocer este valor. La medida de resolución temporal se logra a través de un cálculo indirecto en el mínimo incremento que se produce en el valor medio de la señal generada con las arquitecturas propuestas.
Por último, se ha diseñado una tercera arquitectura de alta resolución con el objetivo de aplicarse en el control de convertidores reales de potencia de alta frecuencia. Esta nueva arquitectura está basada en la anterior y es capaz de generar señales complementarias con alta resolución. Gracias a las pruebas realizadas se puede obtener una comparación razonada de cómo afecta tener alta resolución en diferentes convertidores y de la importancia de la utilización de las arquitecturas propuestas. Además, se ha explorado el uso de esta alta resolución en otras aplicaciones de la electrónica de potencia como es la identificación de la respuesta en frecuencia de los convertidores conmutados que funcionan a alta frecuencia. Esto permite poder diseñar, con un mayor conocimiento de la planta real del convertidor, los lazos de control de alta frecuencia para que el convertidor opere en base a un punto de trabajo ajustando de manera autónoma las señales de control.
