Tesis:
Wide bandwidth high efficiency power converter for rf amplifiers.
- Autor: VASIC, Miroslav
- Título: Wide bandwidth high efficiency power converter for rf amplifiers.
- Fecha: 2010
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/4026/
- Director/a 1º: GARCIA SUAREZ, Óscar
- Director/a 2º: OLIVER RAMIREZ, Jesús Angel
- Resumen: Tradicionalmente, en el mundo de la amplificación de potencia de alta frecuencia, se han distinguido dos grandes familias de amplificadores de potencia, atendiendo al efecto de su utilización sobre las señales amplificadas por los mismos: lineales y no lineales. Los amplificadores lineales se han relacionado con las clases de amplificación A, B y AB generalmente poco eficaces en el aprovechamiento de la energía, mientras que los amplificadores no lineales se han asociado a clases de funcionamiento de alto rendimiento energético basadas (o no) en la conmutación: C, D, E, F y mixtas. Se debe precisar que estas definiciones son en si mismas excesivamente elementales. Así, por ejemplo, las exigencias de linealidad de ciertas señales de comunicaciones hacen que ni siquiera los amplificadores basados en clases de funcionamiento consideradas como lineales sirvan para la amplificación de señales con envolventes complejas, tanto de naturaleza analógica como digital, como por ejemplo las señales de difusión de televisión tanto en su vertiente analógica como digital. La extensión y el perfeccionamiento en el uso de las llamadas clases de amplificación de alto rendimiento basadas en conmutación (clases D, E, F y mixtas), junto con la explosión de las aplicaciones digitales de banda ancha, generalmente asociadas con envolventes complejas (no constantes), ha alentado mucho esfuerzo de investigación en electrónica de potencia y comunicaciones hacia el desarrollo de técnicas de linealización que permitan el uso de amplificadores de alto rendimiento, inherentemente muy alinéales, con señales de envolvente no constante. En electrónica de comunicaciones se han desarrollado varias técnicas para linealizar amplificadores de potencia: Back-Off, predistorsión, prealimentación, Doherty, Outphasing, Khan (EER, Envelope Elimination & Restoration), etc. Casi todas se han mostrado limitadas para proporcionar linealidad a amplificadores de alto rendimiento fuertemente alinéales en todo el margen dinámico de la señal amplificada. Solo la técnica EER (o técnica de Khan) ha resultado eficaz para linealizar amplificadores de alto rendimiento en clases caracterizadas por trabajar en conmutación y presentar una naturaleza muy alineal, además de conseguir dicho efecto en todo el margen dinámico de la señal amplificada, si bien a costa de un ancho de banda y niveles de intermodulación limitados. Las técnicas EER se basan en la utilización de un amplificador de alto rendimiento, muy alineal, junto con un amplificador de envolvente, también de alto rendimiento que proporciona la modulación de envolvente que el amplificador de alto rendimiento y alta frecuencia no puede reproducir. En esencia aprovechan el hecho de que una señal de banda estrecha queda bien definida conociendo su envolvente y su fase. Los principales inconvenientes técnicos que han impedido, hasta el momento, el uso masivo de las etapas de linealización EER se resumen seguidamente: El retraso introducido por el amplificador de envolvente que causa una desincronización entre la fase y la envolvente de la señal amplificada y que resulta muy difícil de controlar sin la ayuda de técnicas de procesado digital de la señal. El limitado ancho de banda de los convertidores continua-continua amplificadores de envolvente, resultado de la limitada velocidad de conmutación de los dispositivos activos semiconductores que los componen. Los errores introducidos en el proceso de linealización especialmente por los detectores de envolvente, tanto mayores cuanto mas grande es el margen dinámico de la señal a amplificar. La incapacidad de los amplificadores de alto rendimiento para trabajar a altas frecuencias y en banda ancha, causado en buena medida por las limitaciones impuestas por los dispositivos activos semiconductores en cuanto a tensión máxima, capacidades intrínsecas, tiempos de caída, resistencias de perdidas y los efectos parásitos introducidos por sus encapsulados que limitan tanto el grado de libertad de síntesis de redes de carga como la eficacia de los circuitos de excitación. El objetivo principal de la tesis es la investigación de una solución para el amplificador de envolvente. El rendimiento de esta fuente influirá en el rendimiento total del sistema, por lo que una especificación clave para la fuente sería alto rendimiento. Otros requisitos serán la tensión de salida que debería cambiar entre 0V y 24V y la potencia máxima de la carga estará entre 50 W y 100 W. El rizado de la tensión de la salida deberá ser despreciable, en el rango de decenas de mV. Esta condición influye mucho y complica el diseño del filtro de la salida de la fuente conmutada. La fuente tiene que ser capaz seguir una señal de alta dinámica (la señal de la envolvente) y por eso es necesario que tenga gran ancho de banda. Para obtener gran ancho de banda del amplificador de envolvente es necesario utilizar alta frecuencia de conmutación y finalmente el rendimiento del amplificador de envolvente baja significativamente y es necesario buscar otras soluciones distintas de las convencionales. La idea principal de esta tesis es utilizar una solución de dos etapas donde se encadenan un convertidor conmutado con un regulador lineal. El regulador conmutado no funcionará en lazo abierto, para no disminuirle su ancho de banda, y el filtro de salida no tiene que ser muy complicado, porque el rizado del convertidor reductor no pasará a través del regulador lineal. El regulador lineal estará realimentado y su tarea será garantizar que la tensión en la salida es la misma que la tensión mandada por la señal de referencia. El rendimiento de la segunda etapa depende directamente de la diferencia de las tensiones en su entrada y salida. Cuanto menor sea la diferencia mayor será el rendimiento. Mantener esta diferencia pequeña será la tarea para el control dentro de las dos etapas. En esta tesis se proponen dos arquitecturas diferentes para implementar el convertidor multinivel. La primera arquitectura está basada en las celdas de tensión que se ponen en serie para que se puedan combinar las tensiones generadas por ellas. Dentro de esta arquitectura se pueden distinguir dos soluciones, dependiendo si las celdas de tensión pueden reproducir dos o tres niveles. Aplicando una celda de dos o tres niveles significa un cambio importante en la etapa que sirve para alimentar las celdas, porque el convertidor que alimenta una celda de tres niveles tiene que ser bidireccional. La segunda arquitectura consta de varias fuentes de tensión y un multiplexador analógico que tiene que seleccionar la fuente apropiada dependiendo del nivel de la envolvente que se reproduce. Un convertidor como el convertidor multinivel propuesto tendría un gran ancho de banda, porque la velocidad de su reacción depende sólo de la velocidad de los interruptores que apagan y encienden las celdas. Salvo la tarea de construcción del convertidor multinivel, otros temas de la tesis son tanto buscar topologías que tengan aislamiento, como buscar el número óptimo de niveles y como distribuir estos niveles para maximizar el rendimiento del convertidor en total. Finalmente, el último tema de la tesis es la integración del amplificador de envolvente con un amplificador de clase E para demostrar las ventajas de la técnica de EER. Las principales aportaciones de la tesis doctoral se resumen a continuación Se ha propuesto una nueva solución para el amplificador de envolvente. La solución consta de un convertidor multinivel con un regulador lineal en serie. De esta manera se mantiene alto ancho de banda y alta linealidad del regulador lineal, pero se mejor su rendimiento. En la tesis se proponen dos arquitecturas diferentes para la implementación del convertidor multinivel. La primera arquitectura esta basada en las celdas de tensión que se pueden combinar para obtener varios niveles de tensión. La segunda arquitectura consta de fuentes independientes que se combinan con multiplexador analógico. Un método de optimización para mejorar el rendimiento total del sistema está propuesto en la tesis. Utilizando este método es posible decidir cuanto niveles es necesario generar con el convertidor multinivel y como hay que distribuirlos. La integración de un prototipo del amplificador de envolvente con un amplificador de clase E es la última aportación de la tesis. Durante este proceso se ha hecho un amplificador de EER completo y se han medido sus prestaciones. Como conclusión global del trabajo de investigación realizado cabe destacar que la presente tesis ha dado lugar a la creación y consolidación de una línea de investigación en el grupo de electrónica de potencia del Centro de Electrónica Industrial.