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Tesis:

Modelado térmico de componentes magnéticos en electrónica de potencia de alta frecuencia mediante técnicas analíticas y de análisis por elementos finitos

  • Autor: ESCRIBANO RODENAS, Luís Miguel

  • Título: Modelado térmico de componentes magnéticos en electrónica de potencia de alta frecuencia mediante técnicas analíticas y de análisis por elementos finitos

  • Fecha: 2005

  • Materia: Sin materia definida

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

  • Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL

  • Acceso electrónico:

  • Director/a 1º: PRIETO LOPEZ, Roberto

  • Resumen: Dentro de los circuitos electrónicos que trabajan en alta frecuencia, los componentes magnéticos desempeñan una función clave en el funcionamiento de los mismos, ya que dichos componentes constituyen un gran porcentaje del peso y volumen de estos circuitos de los que forman parte. Por tanto, para diseñar un circuito que esté constituido por componentes magnéticos, hay que realizar un diseño óptimo de estos dispositivos. Los componentes magnéticos, como partes integrantes de un circuito electrónico, generan pérdidas, lo cual repercute en el funcionamiento tanto del sistema del que forman parte, como del propio componente. Estas pérdidas, según establece la transmisión del calor y la termodinámica, son las responsables del calentamiento del dispositivo. Por otro lado, la tendencia actual en los sistemas electrónicos es hacia el máximo empaquetamiento y hacia la máxima integración de los dispositivos. Es por ello, que disponer de herramientas, modelos y procedimientos de modelado que permitan predecir la máxima temperatura del dispositivo y del sistema, resulta de gran utilidad para el diseño de estos sistemas. En el diseño de un componente magnético, el tratamiento de los efectos térmicos es fundamental, debido a que de todos los diseños factibles que proporciona un algoritmo de diseño, solamente tendrá sentido construir aquellos cuya temperatura se encuentre por debajo de un valor especificado. El objetivo de este trabajo de tesis, es la obtención de modelos térmicos de componentes magnéticos, para su empleo en el modelado y diseño de circuitos electrónicos que operan en alta frecuencia. Se busca la máxima generalidad en cuanto a los distintos aspectos del modelado térmico. En cuanto a la geometría de los devanados y del núcleo, en cuanto a las distribuciones térmicas (1D, 2D y 3D), en cuanto a la distribución de la generación de calor (concentrada, distribuida), en cuanto a las propiedades térmicas, eléctricas y magnéticas (constantes o dependientes de la temperatura) y en cuanto a las condiciones de contorno (lineales o no), a las que son aplicables los distintos modelos. Se ha tratado de ampliar el campo de aplicación de los modelos térmicos existentes, analíticos en su gran mayoría, aportando soluciones para situaciones que se dan con mucha frecuencia en el diseño y construcción de estos dispositivos. Tal es el caso del llenado parcial (espaciado) a nivel de capa de conductores, el llenado parcial a nivel de ventana en el que será clave el modelado de la convección y la radiación en la región de aire de la ventana, el caso de componentes toroidales y el acoplamiento entre el modelo magnético y el modelo térmico. Por otro lado, existen situaciones en las que o bien por que los modelos analíticos existentes pierden precisión o bien porque no son aplicables, debido a que las distribuciones térmicas son 2D y 3D, es donde se necesita la generación de nuevos modelos. Para tales casos, se ha desarrollado un modelo basado en análisis por elementos finitos, tanto en 2D como en 3D válido para cualquier geometría y distribución en la generación de calor. En general esta técnica de análisis, se emplea habitualmente para validar modelos y para visualizar distribuciones térmicas, pero no para obtener un modelo térmico fruto del análisis. Es decir, a esta técnica de modelado, no se le saca todo el partido posible. Los modelos analíticos desarrollados se han validado mediante análisis por elementos finitos y finalmente se ha hecho una validación experimental de todos los modelos presentados. Todos los modelos presentados se han implementado en una herramienta software PExprt que se comercializa a través de la compañía de software americana Ansoft Corporation, de la cual se han vendido más de 140 licencias en todo el mundo.