Investigación

Todas las actividades del SEA-UNIOVI se centran en el estudio de la conversión eficiente de energía eléctrica, y más concretamente, en los convertidores electrónicos de potencia destinados a alimentar distintos tipos de cargas. Sin embargo, la diversidad de tipos de cargas, de tensiones de entrada y salida, de potencias manejadas, de especificaciones dinámicas y de tipos de dispositivos electrónicos usados, hace que se realicen agrupaciones coyunturales para abordar los distintos proyectos que se presentan. A continuación, se pretende reflejar las líneas de trabajo e investigación en las que habitualmente han trabajado y trabajan los miembros del SEA-UNIOVI en los últimos 5 años.

Circuitos electrónicos para alimentación de diodos LED de iluminación (LED)

En esta línea se investiga en la alimentación de diodos LED, que son cargas de CC, desde sistemas de distribución de energía eléctrica en CA (monofásicas y trifásicas) y desde tensiones de continua muy bajas (1,5 V y menores). En los últimos años se ha centrado la investigación en la eliminación de los condensadores electrolíticos, buscando alargar la vida útil de todo el sistema de iluminación. Otra sublínea de la que se han obtenido muy buenos resultados en los últimos años es el análisis de convertidores CC/CC con muy alto rendimiento como segundas etapas.

Distribución doméstica en corriente continua (DC)

Con esta línea se pretende verificar, en una situación real, las ventajas y limitaciones de la utilización de la CC en una futura distribución de energía eléctrica en los hogares. Es bien conocido que una parte importante de las cargas conectadas a las redes domésticas son cargas de CC (iluminación con diodos LED, electrónica de consumo multimedia, cargadores de baterías, etc.) y otra importante parte no son cargas de CC, pero la energía que las alimenta es convertida de CA a CC en algún momento antes de adquirir su forma final (accionadores de diversos tipos de motores de CA, por ejemplo). Por esta razón, la distribución en CC puede tener importantes ventajas en ahorro de convertidores electrónicos de potencia para realizar las transformaciones de energía eléctrica (que supone un ahorro energético), pero por el contrario requiere que se determinen cómo van a ser sus alternativas.

En esto se centra el trabajo en esta línea y como punto de partida se ha realizado una plataforma de "proveedor de bus" para un sistema original de distribución de energía eléctrica en CC.

Uso de convertidores modulares (MOD)

En general, la estandarización ahorra tiempo de diseño y permite tener mejores productos. Esto es extensible a la electrónica de potencia, pero la disparidad de situaciones con relación a las potencias y a las tensiones a manejar suponen una dificultad adicional. Afortunadamente, la modularización ayuda a superar este problema, ya que las agrupaciones de varios convertidores electrónicos de potencia permiten multiplicar la capacidad de manejar potencias, de admitir tensiones de entrada y de generar tensiones de salida.

La investigación en este caso se centra en la determinación de las topologías, modos de operación y controles que resultan ser mejores para el convertidor "celda" y la estrategia de funcionamiento conjunto de todas las celdas.

Caracterización y uso de dispositivos electrónicos de carburo de silicio y nitruro de galio en convertidores electrónicos de potencia (SiC y GaN) 

Los dispositivos electrónicos basados en nitruro de galio (GaN) se llevan utilizando desde hace bastantes años en aplicaciones orientadas al espectro radioeléctrico o RF. Sin embargo, su uso en aplicaciones de conversión de energía eléctrica es relativamente reciente. Al no ser transistores MOSFET, sino del tipo transistores de alta movilidad de electrones (High-Electron-Mobility Transistors, HEMTs), su uso en convertidores electrónicos de potencia no está exento de dificultades, lo que ha retrasado su aplicación.

Las particularidades del gobierno de estos dispositivos (al ser en algunos casos interruptores "normalmente cerrados"), la localización de aplicaciones en las que sus ventajas compensen su mayor coste y la búsqueda de topologías específicas para ellos es, y seguirá siendo, objeto de investigación del SEA-UNIOVI.

Los dispositivos electrónicos de potencia basados en carburo de silicio (SiC) poseen campos eléctricos de ruptura claramente mayores que el del Silicio (Si) (entre 7 y 10 veces mayor), lo que los hace muy adecuados para trabajar a altas tensiones. La conductividad térmica del SiC es 3 veces mayor que la del Si. Este hecho unido al anterior, determina que el campo de aplicación del SiC derive hacia dispositivos electrónicos de altas potencias, dónde la gestión térmica y la conmutación a altos niveles de tensión y altas frecuencias sea factible, cosa que actualmente no lo es con el Si. El grupo SEA-UNIOVI estudia sobre la posibilidad de emplear estos dispositivos en aplicaciones embarcadas (el avión más eléctrico, el tren eléctrico y el vehículo eléctrico), transformadores de estado sólido, integración de energías renovables, redes inteligentes de distribución de energía eléctrica s o smart-grids, etc.

Convertidores de respuesta muy rápida para aplicaciones de seguimiento de envolvente en amplificadores de potencia y para comunicaciones por luz visible (ET y VLC)

Se trata de 2 temas de investigación en los que el SEA-UNIOVI ha desarrollado una actividad muy relevante y original en los últimos 15 años. En ambos casos, se trata de desarrollar convertidores electrónicos de potencia con respuesta dinámica extraordinariamente rápida, para lo cual hay que acudir a nuevos dispositivos y nuevas topologías (en este último campo el SEA-UNIOVI ha sido especialmente activo). 

La diferencia entre ambos casos (Envelope Tracking o ET, y Visible Light Communications o VLC) es la carga conectada a la salida de los convertidores: en el primer caso es un amplificador de potencia de radio frecuencia o RFPAs, por ejemplo, el amplificador que en una estación repetidora eleva el nivel de las señales de telefonía móvil al valor adecuado para dotar de cobertura a una zona, mientras que en el segundo caso son diodos LED de iluminación con los que se quiere realizar la doble función de iluminar y transmitir información.

La particularidad que representan los 2 tipos de carga mencionados hace que sea posible desarrollar nuevas topologías de convertidores electrónicos de potencia especialmente interesantes para estas aplicaciones. En esta línea la evaluación del uso de dispositivos electrónicos de potencia basados en GaN (HEMTs) juega un papel muy relevante. 

Caracterización y uso de nuevos dispositivos electrónicos de potencia de silicio (Si)

Aunque la tecnología de los dispositivos electrónicos de potencia basada en Si está madura, existen nichos de investigación en el modelado comportamental y la aplicación estos modelos a la evaluación de pérdidas de potencia y a la estimación de fiabilidad de los convertidores electrónicos de potencia. El SEA-UNIOVI sigue centrando el estudio de la aplicación de los dispositivos electrónicos de potencia basados en Si desarrollados por diferentes compañías en convertidores electrónicos de potencia reales y masivamente utilizados.

Estudio de nuevos convertidores para la gestión de la energía eléctrica en satélites (ESA)

Se está trabajando desde hace 7 años en diversos proyectos consistentes en buscar alternativas a los convertidores electrónicos de potencia que se están utilizando actualmente en el sistema de distribución de energía eléctrica en satélites. Los objetivos son los generales de la electrónica de potencia en cuanto a mejora de rendimientos, pesos, costes y respuestas dinámicas, añadiendo en este caso las particularidades de la redundancia y la fiabilidad propias de equipos que por su ubicación no admiten posibilidad de reparación (aunque sí de reconfiguración a partir de una orden recibida desde tierra o generada en el propio satélite). Es muy importante destacar la particularidad que todo este sistema viene en función de la misión del satélite (debe diseñarse a medida de la misión), lo que encarece su coste y dificulta su diseño.

Convertidores electrónicos de potencia para su integración en transformadores de estado sólido (SST)

Esta línea es una extensión de la que se ha definido como MOD al caso particular de los transformadores de estado sólido o SSTs. La actividad a desarrollar pretende continuar explotando la posibilidad de aplicar la electrónica de potencia a los sistemas de distribución de energía eléctrica, en concreto a los SSTs. Los SSTs tienen como objetivo principal sustituir el transformador de potencia de 50/60 Hz tradicional usando técnicas de conversión en alta frecuencia de conmutación con convertidores electrónicos de potencia. La motivación principal para la investigación y desarrollo de esta tecnología es proporcionar una significativa reducción del volumen y peso en la trasformación, así como dotar a la distribución de inteligencia.

Convertidores para mejorar la calidad de la red eléctrica (LQ)

La actividad en esta línea se centra en desarrollo de compensadores activos de potencia reactiva basados en convertidores electrónicos de potencia para hogares. Como claramente refleja el título de la línea, la singularidad de los convertidores electrónicos de potencia a desarrollar está en que son para una instalación monofásica (con los problemas de potencia total pulsada que esto implica) y que deben encajar en el entorno doméstico, dónde se imponen unas condiciones de tamaño y seguridad más restrictivas que en el contexto industrial. El futuro trabajo en esta línea de investigación se orienta hacia el cumplimiento de las citadas especificaciones del entorno doméstico.

Convertidores para sistemas embarcados (EMB)

Desde hace unos años, los sistemas electrónicos embarcados en los distintos tipos de transporte (aéreo, marítimo, y terrestre) han ido evolucionando e incrementándose día a día. Los objetivos de esta línea son los generales de la electrónica de potencia en cuanto a mejora de rendimientos, costes, respuestas dinámicas, fiabilidad, tamaño, peso y coste. Siendo las 3 últimas las prioridades principales en el diseño de los convertidores electrónicos de potencia que constituyen los sistemas de alimentación de estas aplicaciones: el tren eléctrico, el vehículo automóvil eléctrico, el avión más eléctrico o completamente eléctrico y el barco más eléctrico.

Otras líneas en las que se ha llevado a cabo tareas de investigación:

  • Sistemas de alimentación ininterrumpida.

  • Convertidores para la alimentación de diodos LED.

  • Componentes magnéticos.

  • Fuentes de alimentación multipuerto para energías renovables.

  • Modelado dinámico de convertidores.

  • Rectificación síncrona.

  • Corrección del Factor de Potencia.

  • Convertidores CA/CC y CC/CC de baja y media potencia.

  • Cargadores de baterías.

  • Ejemplos de prototipos vinculados a líneas de investigación:

  •                 

  • Prototipos vinculados con el desarrollo de convertidores para aplicaciones espaciales

  • Prototipo vinculado a la temática de convertidores para sistemas embarcados

  • Prototipo vinculado a la temática de convertidores para vehículos eléctricos

    •   

    • Prototipos vinculado a la temática de convertidores para comunicaciones por luz visible (VLC)

      • Prototipo vinculado a la temática de convertidores para transformadores de estado sólido

      •    

      • Prototipos vinculados a la temática de diseño de fuentes de alimentación. En este caso, para la empresa Marshall

        •