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Defensa Tesis Doctorado : “Circuitos y sistemas para transferencia inductiva de potencia”

Miércoles 21 de noviembre 14:30hs, Salón B22 – Edificio Polifuncional “José Luis Massera” Senda Nelson Landoni 631

Tenemos el agrado de invitarlos a la defensa de tesis de doctorado de Pablo Pérez :  “Circuitos y sistemas para transferencia inductiva de potencia”

Tutor : Fernando Silveira

Tribunal : Alfredo Arnau (UCUDAL), Alessandra Costanzo (Universitá di Bologna, Italia) y Maysam Ghovanloo (Georgia Institute of Technology, USA)

Saludos,

Fernando Silveira

Resumen :

En los últimos años la transferencia inalámbrica de energía (WPT) ha cobrado especial atención, ya que logra aumentar la robustez, usabilidad y autonomía de los dispositivos móviles. Transferir energía inalámbricamente relaja el compromiso entre el tamaño de la batería y la disponibilidad de energía, permitiendo aplicaciones que de otro modo no serían posibles.

Esta tesis tiene como objetivo desarrollar técnicas novedosas para aumentar la eficiencia y la distancia de transmisión de sistemas de transferencia inalámbrica por acople inductivo (IPT). Se abordó el diseño del enlace inductivo y varios circuitos utilizados en el receptor de energía. Además, realizamos un cuidadoso análisis a nivel sistema, teniendo en cuenta el diseño conjunto de diferentes bloques. Todo el trabajo está orientado hacia el desarrollo de aplicaciones de bajo consumo, como dispositivos médicos implantables activos (AIMD) o sistemas de identificación por radio frecuencia (RFID).

Se consideraron principalmente tres enfoques para lograr mayor eficiencia y distancia: 1) El uso de bobinas resonantes adicionales, colocadas entre el transmisor y el receptor. 2) El uso de redes de adaptación de impedancia en el receptor. 3) El diseño de circuitos rectificadores y conversores dc-dc con alta eficiencia.

El efecto ocasionado por las bobinas resonantes adicionales en el enlace inductivo es usualmente abordado sin tener en cuenta su influencia en todas las partes del sistema. En este trabajo, analizamos teóricamente y comparamos sistemas de 2 y 3 bobinas, mostrando las ventajas que tiene la bobina adicional en conjunto con el uso de redes de adaptación. El efecto de dicha bobina, en sistemas de lazo cerrado fue también estudiado, demostrando que el diseño del lazo debe considerar el número de bobinas que utiliza el link. Se trabajó con un sistema real de RFID, analizando el uso de una bobina resonante en una aplicación práctica existente y de amplio uso en el Uruguay.

El punto de máxima eficiencia se puede alcanzar ajustando la impedancia vista por la bobina receptora hasta alcanzar su valor óptimo. En transferencia inductiva, este valor óptimo se ajusta en muchos casos mediante un conversor dc-dc de ganancia variable. Por otro lado, otros trabajos utilizan una red de adaptación para lograr el mismo objetivo. En esta tesis, proponemos un diseño combinando ambas técnicas, las redes de adaptación y los conversores dc-dc, resaltando los beneficios del uso conjunto de ambos métodos.

Circuitos de rectificación y de conversión de tensión dc-dc, son usualmente incluidos en el receptor de energía. Mantener alta eficiencia en ambos circuitos es fundamental, ya que ésta afecta no solo la potencia de salida sino también la disipación del receptor. En aplicaciones como AIMDs, aprovechar la mayor cantidad de energía recibida es crucial para reducir el calentamiento y respetar los limites de exposición. En esta tesis presentamos el diseño de un rectificador activo, y un conversor dc-dc a capacitores conmutados. En aplicaciones de bajo consumo, la potencia consumida por cualquier bloque auxiliar utilizado en el circuito, puede afectar la eficiencia considerablemente. Por lo tanto, hemos diseñado cuidadosamente estos bloques, como ser amplificadores de transconductancia y comparadores de tensión.

Las mayores contribuciones de la tesis son :

La deducción de ecuaciones simplificadas que permiten comparar sistemas de 2 y 3 bobinas que utilizan redes de adaptación de impedancia.

El desarrollo de un sistema de RFID de 3 bobinas.

El análisis del efecto que tiene la caja de titanio, que habitualmente se usa para encapsular AIMDs, en el enlace inductivo.

Un flujo de diseño que aprovecha las ventajas de utilizar redes de adaptación en conjunto con conversores dc-dc en el receptor para alcanzar la impedancia de carga óptima.

El análisis de un sistema en lazo cerrado con postregulación, donde se muestran los efectos en el lazo de control generado por las bobinas adicionales utilizadas y el tipo de resonancia (serie o paralelo) del receptor.

El análisis de la implementación de las llaves en conversores dc-dc elevadores de tensión.

El diseño de amplificadores de transconductancia de bajo consumo y alto slew-rate.

Diseño de rectificadores activos de alta eficiencia.