Tesis:
Design and Optimization of a Forward-Flyback Converter with Cockcroft-Walton Voltage Multiplier to Supply Loads Based on Electrohydrodynamic Technology
- Autor: SERRANO VARGAS, Juan Antonio
- Título: Design and Optimization of a Forward-Flyback Converter with Cockcroft-Walton Voltage Multiplier to Supply Loads Based on Electrohydrodynamic Technology
- Fecha: 2022
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/70386/
- Director/a 1º: ALOU CERVERA, Pedro
- Resumen: Nowadays, novel cooling systems based on the Corona Efect and the Electrohydrodynamic (EHD) technology are being developed because they can increase the power density of electronic systems while reducing their volume and weight. These novel cooling systems are considered a good alternative to replace the conventional cooling systems, such as heat sinks and rotary fans, due to their robustness, high cooling capability, low weight and geometric adaptability. The EHD devices manufactured by Cedrion (which is the company that allowed for this Industrial PhD.) consist of two electrodes with a wire-to-plane geometric confguration. When a very high voltage is applied across the electrodes, plasma is generated, mostly formed by ionized molecules, which is known as the Corona Efect. Those ions are attracted due to the strong electric feld generated by the very high voltage, generating an air fow. This phenomenon, known as Electrohydrodynamics, can be used in several applications, such as the cooling of electronic systems and the surface disinfection treatments by means of plasma. The main objective of this PhD. thesis is focused on the design and the implementation of a high voltage (3 kV) and very low current (500 fiA) DC/DC converter to supply devices based on the EHD technology. Also, the safe operation of the system must be guaranteed by design, preventing the electrodes from breaking. Thanks to the contributions of this PhD. thesis and the development of the EHD technology accomplished along this work, a product is introduced into the industrial market. First, after comparing several DC/DC converters for high voltage and very low power applications, the Forward-Flyback with Cockcroft-Walton Voltage Multiplier (FFCWVM) topology is validated to supply the EHD devices. The steady-state of this converter is analyzed, considering the efect of the parasitic capacitances in the operation of the circuit. As a consequence, the resonant operating stages can be modelled mathematically and the optimal operation can be achieved, which is calculated according to the resonant operation of the diodes and the theoretical operation of the Cockcroft-Walton Voltage Multiplier (CWVM) in combination with the Flyback topology in primary. Then, the theoretical analysis has been validated by means of simulations and experimental results, achieving a very high efciency (95.11%) for such low output power (1.5 W). Then, the averaged small-signal modelling of the FFCWVM is proposed based on a frst-order equivalent circuit and taking into account the parasitic capacitances throughout the analysis. The control stage is designed considering the valley-switching technique, which is the optimal operation of this converter, and the performance of the EHD devices. A voltage-mode controller is designed from scratch with analog components, resulting in a variable switching frequency control that adjusts the MOSFET on-time to achieve the required output voltage. The resulting transfer functions and the design of the regulator are validated by means of simulations. The design of the power stage and all the functionalities implemented in the controller have also been validated by building another prototype. After validating the operation of the power stage and the controller, the modelling of the power losses is described. Based on the power losses calculation, the methodology to properly design the power stage of this converter is explained in detail and the optimization processes carried out are presented. Finally, the implementation of the FFCWVM for low power specifcations is addressed to test EHD devices at [6 kV, 60 W] and [7.6 kV, 23 W]. When the system is scaled-up, several problems arise related to the electric arcs that can be produced between the electrodes, compromising the integrity of the power supply and the EHD devices. As a result, some design rules are established to mitigate them and to guarantee the proper operation of the system. In conclusion, the Forward-Flyback with Cockcroft-Walton Voltage Multiplier is validated as a suitable topology to supply devices based on the Corona Efect and the Electrohydrodynamic technology. A very high efciency is achieved in all the prototypes due to the optimal valley-switching operation implemented in this converter. As a consequence, the steady-state operation, the modelling of the circuit considering the parasitic capacitances and the design of the control are validated for diferent output specifcations, proving the accuracy of the analysis presented throughout this PhD. thesis. Finally, the integrity of the system is also guaranteed by applying certain design guidelines and by implementing protections against the electric arcs. ----------RESUMEN---------- Debido al aumento de la densidad de potencia de los sistemas electrónicos, así como a la reducción de su volumen y su peso, es necesario analizar alternativas a los sistemas de refrigeración convencionales, tales como los ventiladores o los disipadores pasivos. Para sustituir dichos dispositivos, actualmente se están desarrollando sistemas de refrigeración basados en el Efecto Corona y en tecnología Electrohidrodinámica (EHD) debido a su robustez, su alta capacidad de refrigeración, su bajo peso y su adaptabilidad geométrica. Los dispositivos EHD fabricados por Cedrión constan de dos electrodos con confguración hilo-plano. Al aplicar una muy alta tensión entre los electrodos, se genera plasma, formado mayormente por moléculas ionizadas, lo cual se conoce como el Efecto Corona. Dichos iones se ven atraídos debido al fuerte campo eléctrico al cual están sometidos, generando una corriente de aire. Este fenómeno, conocido como Electrohidrodinámica, puede utilizarse en diversas aplicaciones, tales como la refrigeración de sistemas electrónicos y el tratamiento de desinfección de superfcies mediante plasma. El objetivo principal de esta tesis doctoral se centra en el diseño y la implementación de un convertidor DC/DC de alta tensión (3 kV) y muy baja corriente (500 fiA) para alimentar los dispositivos EHD fabricados por Cedrión. Además, se debe asegurar el buen funcionamiento de todo el sistema, previniendo la rotura de los electrodos y garantizando su integridad desde la fase de diseño. De esta forma, se pretende continuar desarrollando la tecnología de la empresa hasta obtener un producto que pueda certifcarse e introducirse en el mercado. En primer lugar, tras realizar una comparativa entre distintos convertidores DC/DC para aplicaciones de alta tensión y muy baja potencia, se valida la topología Forward- Flyback with Cockcroft-Walton Voltage Multiplier (FFCWVM) para alimentar los dispositivos EHD. Se analiza dicho circuito en régimen permanente, teniendo en cuenta el efecto de las capacidades parásitas en el funcionamiento del mismo. De esta manera, todos los intervalos de operación del convertidor pueden ser modelados matemáticamente. Como consecuencia, el funcionamiento óptimo del convertidor se consigue analizando la operación de los diodos durante los intervalos resonantes y la operación teórica del Cockcroft-Walton Voltage Multiplier (CWVM) alimentado por la topología Flyback en primario. El análisis teórico ha sido validado mediante simulaciones y resultados experimentales, obteniendo una muy alta eficiencia (95.11%) si consideramos la baja potencia de salida del sistema (1.5 W). En segundo lugar, se propone un complejo modelado dinámico promediado del FFCWVM y su análisis en pequeña señal, basado en un circuito equivalente de primer orden y teniendo en cuenta las capacidades parásitas. La etapa de control se diseña teniendo en cuenta que la operación óptima de este convertidor se basa en la técnica del valley-switching y el funcionamiento de los dispositivos EHD. Se diseña un controlador en modo tensión con componentes analógicos, dando lugar a un control en frecuencia variable que ajusta el tiempo de encendido del MOSFET para obtener la tensión de salida necesaria. Tras esto, las funciones de transferencia obtenidas y el diseño del regulador se han validado mediante simulaciones. Además, el diseño de la etapa de potencia y todas las funcionalidades del controlador han sido validadas mediante la implementación de un nuevo prototipo. Después de comprobar el funcionamiento tanto de la etapa de potencia como del diseño del controlador, se describe el modelado de las pérdidas de potencia de todo el convertidor. En función del cálculo de las pérdidas de potencia, se explica en detalle la metodología seguida para diseñar correctamente la etapa de potencia del FFCWVM y se presentan varios procesos de optimización. Finalmente, se ha llevado a cabo el diseño y la implementación del FFCWVM a mayores potencias para permitir a Cedrión probar dispositivos EHD a [6 kV, 60 W] y [7.6 kV, 23 W]. Al escalar el sistema, aparecen diversos problemas que comprometen la integridad tanto de la fuente de alimentación como de los propios dispositivos EHD debido a los arcos eléctricos producidos esporádicamente entre los electrodos. Tras analizarlos, se han establecido nuevas reglas de diseño para mitigarlos y asegurar el buen funcionamiento del sistema. En conclusión, se ha validado la topología Forward-Flyback with Cockcroft-Walton Voltage Multiplier para alimentar dispositivos basados en el Efecto Corona y en tecnología Electrohidrodinámica. Se ha conseguido una muy alta eficiencia en todos los prototipos debido a la operación del valley-switching óptima implementada en esta topología. Como consecuencia, el funcionamiento en régimen permanente, el modelado del circuito teniendo en cuenta las capacidades parásitas y el diseño del control han sido validados para diferentes especifcaciones, demostrando la rigurosidad del análisis llevado a cabo en esta tesis doctoral. Además, la integridad del sistema se ha asegurado mediante la aplicación de ciertas reglas de diseño y la implementación de protecciones contra los arcos eléctricos.