Tesis:
Novel Inductor-less Conversion Strategy Based on Multiphase Transformer-Coupled converters: Analysis, Design and Applications.
- Autor: GONZALEZ SANCHEZ, María del Carmen
- Título: Novel Inductor-less Conversion Strategy Based on Multiphase Transformer-Coupled converters: Analysis, Design and Applications.
- Fecha: 2012
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/14841/
- Director/a 1º: ALOU CERVERA, Pedro
- Director/a 2º: COBOS MARQUEZ, José Antonio
- Resumen: Son muchos los requisitos que los convertidores de potencia deben cumplir en la actualidad. La mayoría de las aplicaciones demandan convertidores cada vez más eficientes y cada vez más pequeños, con una mayor densidad de potencia y una rápida respuesta dinámica. Por ejemplo, cargas como los microprocesadores demandan escalones de corriente muy agresivos con derivadas de 100A/μs o mayores; al tiempo que ocurren estos escalones, la tensión de alimentación del microprocesador debe mantenerse dentro de unos márgenes muy estrechos. Cumplir todos estos requisitos es una tarea complicada que requiere soluciones topológicas avanzadas -como los convertidores multifase-, además del uso de condensadores de salida con baja ESR y frecuencias de conmutación muy elevadas. Mejorar la respuesta dinámica no depende sólo de la estrategia de control, sino que además la topología de potencia debe ser capaz de permitir una respuesta dinámica rápida. Sin embargo, en los últimos años los requisitos de respuesta dinámica no afectan sólo a los escalones de intensidad de salida, sino que también es importante que un convertidor de potencia sea capaz de lograr cambios muy rápidos en su tensión de salida. Hay al menos, dos aplicaciones que motivan este requisito: • Microprocesadores de bajo consumo. En estos dispositivos, se cambia su tensión de alimentación dependiendo de la necesidad de procesamiento requerida. El cambio en tensión va a compañado de un cambio en la frecuencia de trabajo del microprocesador, con lo que se consiguen importantes reducciones en las pérdidas dependientes de la tensión. Esta técnica se conoce como Escalado Dinámico de Tensión (Dynamic Voltage Scaling). • Otra aplicación en la que se pueden lograr importantes ahorros de energía al cambiar la tensión de salida son los amplificadores de potencia en arquitecturas de Radio Frecuencia. En amplificadores de RF, basados en técnicas como ‘Envelope Tracking’ (ET) o ‘Envelope Elimination and Restoration’ (EER), el cambio de tensión de alimentación permite reducir drásticamente el consumo de energía. No obstante, el convertidor de potencia encargado de proveer los cambios de tensión, debe tener un ancho de banda suficiente para seguir una referencia que puede variar con un ancho de banda muy alto (cientos de kHz o incluso decenas de MHz) y así garantizar una tensión de alimentación adecuada. El principal objetivo de esta tesis es mejorar la respuesta dinámica de los convertidores de CC-CC desde el punto de vista de la topología, tanto para escalones de intensidad como para escalones de tensión de salida o incluso para modular la tensión de salida del convertidor con un ancho de banda determinado. Si se analiza qué es lo que limita la respuesta dinámica en los convertidores de potencia, se llegará a la conclusión de que incluso asumiendo que el control del convertidor fuera óptimo, la respuesta dinámica está limitada por la topología de potencia y más en concreto, por la inductancia serie entre la entrada y la salida del convertidor. Es la inductancia serie la que determina la ganancia del convertidor y su capacidad de regulación. Bien es sabido que esta ganancia se obtiene igualando el valor medio de tensión en esta bobina a cero. Si bien el almacenamiento de energía en la inductancia serie permite regular y filtrar la tensión, tiene un aspecto negativo que es el que nos ocupa en esta tesis. La inductancia serie impide que la intensidad cambie de forma instantánea limitando la derivada de corriente que circula por ella. En la literatura encontramos diferentes alternativas para reducir este límite impuesto por la inductancia serie, se han publicado muchos trabajos proponiendo nuevas topologías y mejoras a topologías ya existentes así como estrategias de control complejas con el objetivo de aumentar la respuesta dinámica de los convertidores de potencia. En estas topologías se disminuye el almacenamiento de energía en el elemento magnético, ejemplo de esto es el convertidor multi-fase, el convertidor reductor conmutando a muy alta frecuencia, o la incorporación de caminos de baja impedancia en paralelo con la inductancia de salida del convertidor. Las técnicas de control propuestas en la literatura, están enfocadas a regular adecuadamente la tensión de salida tan rápido como la etapa de potencia lo permita. Algunos ejemplos de estas técnicas son el control por histéresis, el control V2 y el control basado en la ley del tiempo mínimo. Con algunas de las soluciones topológicas avanzadas se consigue una rápida respuesta dinámica al reducirse el tamaño de la inductancia serie y por tanto el almacenamiento de energía en dicha inductancia, aunque en algunos casos esto se hace a costa de empeorar el rendimiento de la topología (como en el convertidor reductor de muy alta frecuencia de conmutación). En esta tesis se plantea una propuesta más radical que las anteriores: eliminar totalmente la inductancia serie. Al eliminar la inductancia serie, perdemos la capacidad de regulación del convertidor, lo cual puede limitar su aplicabilidad si se trata de un solo convertidor pero tiene aplicabilidad en arquitecturas de alimentación constituidas por varias etapas de conversión. La ventaja indudable de eliminar la inductancia serie, es que la derivada de corriente di/dt ya no está limitada; esto equivale a decir que sin la inductancia serie, la respuesta del convertidor es independiente de la frecuencia de conmutación. El objetivo, por tanto, será proponer una estrategia de conversión de energía sin inductancia serie. Sin inductancia serie, no habría energía almacenada en serie entre la entrada y la salida del convertidor, y la respuesta dinámica del convertidor sería instantánea (si todos los componentes fueran ideales). Si ante un escalón de carga la transferencia de energía de la entrada a la salida del convertidor se hace de forma instantánea, conceptualmente, no sería necesario almacenar energía en la salida del convertidor (no haría falta el condensador de salida COUT ) y si la fuente de entrada fuese ideal, tampoco haría falta almacenar energía en el condensador de entrada CIN. Esta última característica (CIN igual a cero si la fuente de entrada fuese ideal) es común a todos los convertidores de potencia. Sin embargo, en la realidad, existen inductancias parásitas que son inherentes a la implementación física del convertidor (como la inductancia de dispersión de los transformadores y la inductancia parásita de las pistas del PCB) pero que no afectan significativamente al concepto propuesto. En esta Tesis, se propone eliminar la inductancia serie para aumentar la respuesta dinámica del convertidor, y a contraprestación es que se pierde la capacidad de regular de forma continua. Y decimos de forma continua, porque como se verá a lo largo de la Tesis, sí que es posible regular de forma discreta; un convertidor sin inductancia serie y sin almacenamiento de energía puede entregar un número limitado de niveles de tensión. Los cambios de un nivel de tensión a otro se pueden realizar de una forma muy rápida. En esta tesis, la estrategia de conversión propuesta se implementará mediante un convertidor multifase donde el acoplamiento de las fases se hace por medio de transformadores discretos en lugar de inductores acoplados ya que los transformadores son elementos que idealmente no almacenan energía. Esta idea constituye la principal aportación de esta tesis. La viabilidad de esta estrategia de conversión se analiza y se verifica mediante simulación y mediante la implementación de prototipos experimentales. Una vez que la estrategia se ha validado, se estudian diferentes opciones para implementar la estructura magnética y se analizan e implementan tres de ellas. Un convertidor basado en esta estrategia de conversión se diseñará de forma muy diferente a los convertidores clásicos dado que existe un grado de libertad adicional. La frecuencia de conmutación puede escogerse según convenga sin afectar la respuesta dinámica del convertidor. Se puede escoger operar a frecuencias bajas (decenas de kHz) para favorecer el rendimiento o bien a frecuencias altas (MHz) para favorecer el tamaño del convertidor. Por este motivo se propone un procedimiento de diseño donde la frecuencia es un grado de libertad, ya sea para aumentar el rendimiento del convertidor sin que el tamaño sea la prioridad o para obtener el máximo rendimiento con un tamaño dado de transformador. Finalmente se proponen aplicaciones donde las ventajas de la topología (alto rendimiento con rápida respuesta dinámica) resultan de interés. Por ejemplo, en los sistemas de alimentación de dos etapas para alimentación de microprocesadores, donde se necesita una primera etapa con alto rendimiento y hay una segunda etapa que se encarga de la regulación final. Otro ejemplo son los amplificadores de RF, donde se modula la tensión de entrada siguiendo la amplitud de la envolvente para ahorrar energía; en este caso, también se necesita un convertidor con alto rendimiento y capaz de cambiar la tensión de forma rápida. Las principales aportaciones de esta tesis son: • La propuesta de una técnica de conversión que idealmente se lleva a cabo sin almacenar energía en el elemento magnético del convertidor. • La validación y la implementación de la estrategia de conversión propuesta. • El estudio de diferentes estructuras magnéticas basadas en transformadores discretos para la implementación de la estrategia de conversión propuesta. • La elaboración y validación de un procedimiento de diseño. • Identificar y validar campos de aplicación para la estrategia de conversión propuesta. Cabe destacar que este trabajo se llevó a cabo en colaboración con la empresa Intel dado que la singularidad de esta estrategia de conversión abre la posibilidad de solucionar algunos problemas de forma diferente. Por ejemplo, el alto rendimiento de la topología, la convierte en un candidato ideal para usarse como una primera etapa de acondicionamiento de energía en sistemas de alimentación de dos etapas para microprocesadores.