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Sistemas de Alimentación de Alta Densidad de Potencia

A partir de la miniaturización de convertidores electrónicos de potencia que trae implícita la integración de componentes magnéticos, se entró en contacto con otra alternativa para reducir el tamaño y el peso de los convertidores suprimiendo los componentes magnéticos (sin lugar a dudas unos de los más voluminosos de los convertidores) por dispositivos piezoeléctricos. Esto dio lugar a varios trabajos en los que el GE2 explora la viabilidad de utilizar este tipo de componentes para remplazar los tradicionales transformadores magnéticos.

CONTACTO

Fernando Nuño García
Despacho 3.1.20
Edificio Departamental Oeste Nº 3
Campus de Viesques
33204 Gijón
Asturias - España

   985 18 20 71
   985 18 21 38
E-mail: fnuno@uniovi.es

   Este convertidor incluye componentes magnéticos (bobina y transformador) integrados en su interior. Todo el convertidor se encuentra implementado en un substrato de ferrita (Ni-Zn) adecuado para serigrafiar las pistas y los devanados. Se serigrafían hasta ocho capas de material conductor (plata) sobre el substrato de ferrita usando tecnología híbrida de capa gruesa. El camino magnético se cierra empleando núcleos comerciales de ferrita (Mn-Zn).

   La presencia de ferrita Ni-Zn en los magnéticos obliga a utilizar una frecuencia de conmutación elevada (para compensar la baja permeabilidad de este tipo de ferrita), lo que justifica la selección de una topología multi-resonante para el convertidor.

    J. M. Lopera, M. J. Prieto, A. M. Pernía, F. Nuño, M. de Graaf, W. Waanders, L. Álvarez.

        "Design of Integrated Magnetic Elements Using Thick-Film Technology"

        IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 14, nº 3, pp. 408-414 (Mayo 1999)

    J. M. Lopera, M. J. Prieto, A. M. Pernía, M. de Graaf, W. Waanders, L. Álvarez.

        "Design of Integrated Magnetic Elements Using Thick-Film Technology"

        XIII Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (Anaheim, California - EE.UU.)

        Proceedings APEC'98 (Febrero 1998)

    M. J. Prieto, J. M. Lopera, A. M. Pernía, M. de Graaf, W. Waanders, L. Álvarez.

        "Thick-Film Technology as an Alternative for Magnetic Integration"

        XIII Design of Circuits and Integrated Systems Conference (Madrid - España)

        Proceedings DCIS'98, pp. 424-429 (Noviembre 1998)

                   

                        Estrategia                      Módulo de condensadores           Convertidor final

   Convertidor de alta densidad de potencia (6,25W/cm³) basado en topología buck de conmutación suave. Este convertidor ha sido desarrollado utilizando integración pasiva y ha sido validado para funcionar en un rango de temperatura típico de equipos de telecomunicaciones.

   Tiene una estructura multicapa, siendo la capa inferior una bobina de 2µH serigrafiada mediante tecnología de capa gruesa. Sobre la bobina se coloca un módulo de condensadores con tres componentes de alta capacidad (1µF, 1,8µF y 32µF) que sirve de substrato para el resto de componentes (resistencias integradas, pistas y componentes SMT).

    M. J. Prieto, A. M. Pernía, J. M. Lopera, J. A. Martín, F. Nuño.

        "Design and Analysis of Thick-Film Integrated Inductors for Power Converters"

        IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 38, nº 2, pp. 543-552 (Marzo/Abril 2002)

    A. M. Pernía, M. J. Prieto, J. M. Lopera, J. Reilly, S. Linton, C. Quiñones.

        "Thick-Film Hybrid Technology for Low-Output-Voltage DC/DC Converter"

        IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 40, nº 1, pp. 86-93 (Enero/Febrero 2004)

    A. M. Pernía, M. J. Prieto, J. M. Lopera, J. Reilly, S. Linton, C. Quiñones, R. Madsen.

        "High power density dc/dc converter using thick-film hybrid technology"

        XV Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (Nueva Orleans - EE.UU.)

        Proceedings APEC'00, pp. 277-283 (Febrero 2000)

    M. J. Prieto, A. M. Pernía, J. M. Lopera, J. A. Martín, F. Nuño.

        "Thick-Film Integrated Inductors for Power Converters"

        35th Annual Meeting of the IEEE Industry Applications Society (Roma - Italia)

        Proceedings IAS'00 (Octubre 2000)

    S. S. Linton, J. Reilly, C. Quiñones, R. Madsen, A. M. Pernía, J. M. Lopera, M. J. Prieto.

        "Integration of Capacitors and Resistors for Improved Efficiency and Miniaturisation of DC-DC Converters"

        14th European Passive Components Symposium (Bruselas - Bélgica)

        Proceedings CARTS - EUROPE 2000 (Octubre 2000)

    M. J. Prieto, J. M. Lopera, A. M. Pernía, J. A. Martín, F. Nuño.

        "Arrangement of Conductors to Obtain Turn-Coupling in Thick-Film Integrated Inductors for Power Converters"

        9th European Conference on Power Electronics and Applications (Graz - Austria)

        Proceedings EPE'01 (Agosto 2001)

    M. J. Prieto, A. M. Pernía, J. M. Lopera, J. A. Martín, F. Nuño.

        "Turn-Coupling in Thick-Film Integrated Magnetic Components for Power Converters. Inductors and Transformers"

        37th Annual Meeting of the IEEE Industry Applications Society (Pittsburgh, Pennsylvania - EE.UU.)

        Proceedings IAS'02 (Octubre 2002)

    A. M. Pernía, M. J. Prieto, J. M. Lopera, J. Reilly, S. Linton, C. Quiñones.

        "Thick-Film Hybrid Technology for Low-Output-Voltage DC/DC Converter"

        37th Annual Meeting of the IEEE Industry Applications Society (Pittsburgh, Pennsylvania - EE.UU.)

        Proceedings IAS'02 (Octubre 2002)

   Adaptador CA/CC especialmente pensado para ser utilizado como cargador de baterías en el que el tradicional transformador magnético ha sido sustituido por un transformador piezoeléctrico (PT). Al eliminar este componente, se reducen el tamaño y el peso y se espera que la interferencia electromagnética sea menor. Sin embargo, el nuevo dispositivo necesita una bobina auxiliar colocada a su entrada para conseguir un comportamiento adecuado. La selección de esta bobina es crítica para obtener un buen funcionamiento.

   El control de este adaptador CA/CC puede implementarse mediante una regulación clásica de frecuencia variable en modo tensión o mediante el denominado modo quantum resonante (similar a una modulación ASK) que permitiría al PT trabajar a frecuencia constante.

    J. A. Martín, M. J. Prieto, F. Nuño, J. Díaz.

        "A New Full-Protected Control Mode to Drive Piezoelectric Transformers in DC-DC Converters"

        IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 17, nº 6, pp. 1096-1103 (Noviembre 2002)

    J. Díaz, F. Nuño, J. M. Lopera, J. A. Martín.

        "A New Control Strategy for an AC/DC Converter Based on Piezoelectric Transformer"

        IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 51, nº 4, pp. 850-856 (Agosto 2004)

    J. Díaz, F. Nuño, M. J. Prieto, J. A. Martín.

        "A New Control Strategy for AC/DC Converter Based on Piezoelectric Transformer"

        16th Annual Applied Power Electronics Conference (Anaheim, California - EE.UU.)

        Proceedings APEC'01 (Marzo 2001)

    M. J. Prieto, J. Díaz, J. A. Martín, F. Nuño.

        "A Very Symple DC/DC Converter Using Piezoelectric Transformer"

        32nd Power Electronics Specialists Conference (Vancouver - Canadá)

        Proceedings PESC'01 (Junio 2001)

    F. Nuño, J. Díaz, J. A. Martín, M. J. Prieto

        "A New Piezoelectric Control for an AC/DC Converter"

        9th European Conference on Power Electronics and Applications (Graz - Austria)

        Proceedings EPE'01 (Agosto 2001)

    F. Nuño, J. A. Martín, J. Díaz, M. J. Prieto, F. F. Linera.

        "Quantum Mode Control for Piezoelectric Transformers in AC/DC Applications"

        VIII IEEE International Power Electronics Congress (Guadalajara - México)

        Proceedings CIEP'02 (Octubre 2002)

    M. J. Prieto, J. Díaz, J. A. Martín.

        "Frequency Optimisation for a Piezoelectric Transformer-Based Converter"

        26th International PCIM Conference (Nürnberg - Alemania)

        Proceedings PCIM'05 (Junio 2005)

                                          Prototipo                                          Amplificador de potencia

   Con este proyecto se persigue mejorar los resultados obtenidos en el proyecto TRAMST. Para ello Limiel lleva a cabo nuevos diseños de transformadores piezoeléctricos con forma de anillo que Noliac fabrica para que la Universidad de Oviedo los pruebe en demostradores que exploten al máximo las posibilidades de estos dispositivos. En este proyecto, Universidad de Oviedo también desarrolla un amplificador de potencia capaz de trabajar a las frecuencias de funcionamiento de los transformadores piezoeléctricos, lo que facilita la caracterización de los mismos.

   Los resultados obtenidos fueron satisfactorios en lo que se refiere a la consecución de mejores resultados que los obtenidos anteriormente, tanto en términos de tensión de entrada al piezoeléctrico como de potencia transferida con un rendimiento aceptable.

    J. Díaz, F. Nuño, M. J. Prieto, J. A. Martín, P. J. Villegas.

        "Closing a Second Feedbak Loop in a DC/DC Converter Based on a Piezoelectric Transformer"

        IEEE Transactions on Power Electronics (accepted for publication in 2007)

    J. Díaz, J. A. Martín, M. J. Prieto, F. Nuño.

        "A Double-Closed Loop DC/DC Converter Based on a Piezoelectric Transformer"

        19th Annual Applied Power Electronics Conference (Anaheim, California - EE.UU.)

        Proceedings APEC'04 (Febrero 2004)

Prototipo funcionando en modo burst

Paralelizado de convertidores con rectificador de 6 diodos

   Este proyecto persigue llevar a cabo el estudio, diseño y verificación de distintas topologías de convertidores, así como diversas filosofías de control que permitan evaluar y determinar cuáles son las más adecuadas para la inclusión de transformadores piezoeléctricos en los convertidores electrónicos CA/CC y CC/CC. Para ello se llevan a cabo las siguientes tareas:

1. Validación de los transformadores piezoeléctricos como dispositivos que pueden reemplazar a los transformadores magnéticos en convertidores alterna/continua (CA/CC) y continua/continua (CC/CC) con densidades energéticas muy superiores.

2. Análisis y selección de topologías de convertidores que mejor se adapten a las características particulares de los transformadores piezoeléctricos y permitan conseguir una mayor reducción de tamaño y peso con altos rendimientos energéticos.

3. Estudio de las técnicas de control más apropiadas para el gobierno de los interruptores de la etapa de potencia: control PWM, control de la frecuencia de trabajo, control mixto PWM y en frecuencia, autoajuste de la frecuencia óptima de trabajo del piezoeléctrico, etc.

4. Modelado estático y dinámico de los convertidores CA/CC y CC/CC con transformador piezoeléctrico de aislamiento para que junto con el objetivo 3, sea posible establecer las reglas, guía de diseño y lo que se podría esperar en los convertidores que incorporen estos dispositivos

5. Desarrollo de un demostrador de la tecnología de piezoeléctricos y de la topología capaz de trabajar en un rango amplio de entrada de tensión alterna, obteniendo  potencias demandadas en los equipos comerciales