Diseño de una metodología para el diseño, simulación y validación de circuitos de alta frecuencia en convertidores de potencia

Abstract

In a context in which electronics has become a key element in many of the strategic sectors of the surrounding companies (energy, railway sector, electric mobility, etc.), there is a common challenge for them and for the centres that work with them: many of the products do not come to fruition, or do so after many cycles of trial and error, because they cannot pass the tests associated with electromagnetic compatibility regulations. This thesis has sought to delve deeper into this area with the aim of increasing the level of training and service to these companies. In general terms, the work carried out has two parts. On the one hand, a preliminary and initial phase for setting up the EMI/EMC laboratory on the Galarreta campus with the commissioning of the equipment and the test bench, and learning the measurement methods and techniques related to the subject. Once this work has been carried out, this thesis work has proposed a methodology to estimate the conducted emissions of a converter by means of a behavioural model in the frequency domain. In order to define this model, experimental measurements (in the time domain) of the fundamental switching waves have been carried out, studying the sensitivity of noise generation to parameter variation. These signals have been the basis for defining the noise generators in the frequency domain. To obtain the estimate at the output of the system, the noise propagation paths have been characterised, using an indirect method consisting of the use of two inductive current probes which have allowed these paths to be modelled as impedance quadrupole paths for the common mode and the differential mode. A model has been completed which has been compared with the results obtained in the emission measurements conducted at the output of a LISN.

Elektronika gure inguruko enpresentzat giltzarri bihurtu da hainbat arlo estrategikotan (energia, trenbide-arloa, mugikortasun elektrikoa eta abar). Enpresa hauek erronka bati aurre egiten diote: beren produktuetako asko saiakuntza eta akats ziklo amaitezinaren ondoren merkaturatzen dira, kasurik onenean, bateragarritasun elektromagnetikoko frogak gainditzen lortzen ez dutelako. Tesi honen helburua arlo horretan sakontzea izan da, unibertsitatearen trebakuntza eta zerbitzu maila handitzeko helburuarekin. Oro har, egindako lanak bi zati izan ditu. Alde batetik, Galarretako campuseko EMI/EMC laborategia muntatzeko atariko eta hasierako fasea, ekipamendua eta saiakuntza-bankua abian jarrita, eta gaiarekin lotutako neurketa-metodoak eta -teknikak ikasita. Lan hori egin ondoren, tesi honek metodologia bat proposatu du, maiztasun eremuan portaerazko eredu baten bidez bihurgailu baten emisio gidatuak balioesteko. Eredu hori definitzeko, oinarrizko kommutazio-uhinen neurketa esperimentalak egin dira (denbora eremuan), eta zarata-iturriek parametroen aldaketarekiko duten sentikortasuna aztertu da. Seinale horiek izan dira maiztasun-eremuan zarata-sorgailuak definitzeko oinarria. Sistemaren irteerako estimazioa lortzeko, zarata hedatzeko bideak karakterizatu dira, eta, horretarako, zeharkako metodo bat erabili da: korronteko bi zunda induktibo erabili dira, bide horiek inpedantzia-kuadripolo gisa modelatzeko, modu komunerako eta modu diferentzialerako. Horrekin guztiarekin, eredu bat osatu da, LISN baten irteeran gidatutako emisioen neurketan lortutako emaitzekin kontrastatu dena.

En un contexto en el que la electrónica se ha convertido en un elemento clave en muchos de los sectores estratégicos de las empresas del entorno (energía, sector ferroviario, movilidad eléctrica, etc.), existe un reto común para ellas y para los centros que trabajan con ellas: muchos de los productos no llegan a buen puerto, o lo hacen después de muchos ciclos de ensayo y error, por no poder superar las pruebas asociadas a las normativas de compatibilidad electromagnética. Esta tesis ha buscado profundizar en ese ámbito con el objetivo de aumentar el nivel de capacitación y servicio a esas empresas. De manera general, el trabajo realizado ha constado de dos partes. Por un lado, una fase preliminar e inicial para el montaje del laboratorio EMI/EMC del campus de Galarreta con la puesta en marcha del equipamiento y el banco de ensayos, y el aprendizaje de los métodos y técnicas de medida relacionados con el tema. Una vez llevada a cabo esa labor, este trabajo de tesis ha propuesto una metodología para estimar las emisiones conducidas de un convertidor mediante un modelo comportamental en el dominio de la frecuencia. Para definir este modelo se han realizado medidas experimentales (en el dominio del tiempo) de las ondas de conmutación fundamentales estudiando la sensibilidad de la generación de ruido frente a la variación de parámetros. Estas señales han sido la base para definir los generadores de ruido en el dominio frecuencial. Para obtener la estimación a la salida del sistema se han caracterizado las vías de propagación del ruido, empleando para ello un método indirecto consistente en el uso de dos sondas inductivas de corriente que han permitido modelar dichas vías como sendos cuadripolos de impedancia para el modo común y el modo diferencial. Con todo ello se ha completado un modelo que se ha contrastado con los resultados obtenidos en las medidas de emisiones conducidas a la salida de una LISN.