En aquest curs s’introdueixen els components i les topologies més habituals emprades en els diferents tipus de convertidors commutats. En la primera part del curs es desenvolupen les tècniques d’anàlisi necessàries per tal de calcular els paràmetres rellevants del convertidor en règim estacionari (tensions, corrents, eficiència, etc.) i s’obté un primer model equivalent del convertidor. L’estudi inclou els modes de conducció contínua i de conducció discontínua. També s’estudien les topologies bàsiques dels convertidors DC-DC (reductor, elevador i reductor-elevador) i altres tipus de convertidors (SEPIC, Cuk).
A continuació s’estudien els semiconductors emprats en els convertidors de potència (díode, MOSFET, IGBT) i la implementació dels mateixos mitjançant aquests components. Els models desenvolupats anteriorment s’evolucionen per tal d’incloure les pèrdues d’eficiència derivades de les no idealitats dels components reals (pèrdues en conducció i de commutació).
S’inclou una breu introducció del transformador per a aplicacions de commutació i l’estudi d’algunes de les topologies de convertidors aïllats.
En el curs s’estudia també el control del convertidor en llaç tancat. En una primera fase s’obté el model AC del convertidor y es deriven les funcions de transferència del convertidor y del controlador. Aquestes es fan servir per a analitzar el sistema en llaç tancat i per a dissenyar un controlador que compleixi els requeriments de disseny (regulació de línia i de càrrega, resposta transitòria, etc.).
Es dedica també un capítol sencer als convertidors AC-DC o rectificadors, amb èmfasi especial en els rectificadors de baix contingut harmònic.
La darrera part del curs està dedicada al tema dels motors i els seus accionaments. Inclou una breu descripció dels tipus de motor més habitual seguit d’una anàlisi més detallada dels accionaments de motor emprats.
El simulador LTspice s'utilitza extensivament al llarg del curs per il·lustrar els conceptes introduïts en les seccions teòriques i per analitzar el comportament dels diferents circuits i dispositius.
El curs assumeix uns coneixements previs sobre components electrònics i dispositius semiconductors, anàlisi de circuits i fonaments de sistemes de control.
Professors Titulars
Components electrònics i dispositius semiconductors, electrònica bàsica, anàlisi de circuits i fonaments de sistemes de control.
Aquesta assignatura té com a objectiu ajudar l’estudiant a entendre el paper de l’electrònica de potència en els sistemes electrònics moderns i desenvolupar un marc conceptual sòlid per analitzar convertidors commutats i el seu comportament. Es basa en els coneixements previs d’electrònica i control, i permet connectar el funcionament dels dispositius amb la funcionalitat del sistema dins del perfil d’Enginyeria Electrònica.
L’assignatura també pretén enfortir la capacitat de l’estudiant per avaluar tecnologies de convertidors, aplicar criteris d’enginyeria en la selecció de components i desenvolupar criteri tècnic davant restriccions d’eficiència, comportament tèrmic i disseny. En integrar modelatge, semiconductors i conceptes de control, afavoreix el desenvolupament de les competències professionals pròpies d’un graduat en Enginyeria Electrònica.
1. INTRODUCCIÓ A L’ELECTRÒNICA DE POTÈNCIA
1.1 Àmbit d’estudi i aplicacions
1.2 Convertidor: model i classificació
1.3 Eficiència
1.4 Sistemes commutats
1.5 Simulació
2. CONVERTIDORS DC-DC
2.1 Introducció
2.2 Tècniques d’anàlisi
2.3 Topologies bàsiques de convertidors DC-DC: buck, boost i buck-boost
2.4 Arrissada del corrent de l’inductor
2.5 Arrissada de la tensió de sortida
2.6 Eficiència
2.7 Model DC del convertidor
2.8 Altres topologies: ?uk, SEPIC
2.9 Règim transitori
3. INTERRUPTORS ELECTRÒNICS
3.1 Implementació de l’interruptor
3.2 Díode
3.3 MOSFET
3.4 Implementació del convertidor mitjançant semiconductors
3.5 Modes de conducció contínua i discontínua
3.6 Transistor bipolar
3.7 IGBT
3.8 Nous materials per a dispositius semiconductors (SiC, GaN, etc.)
3.9 SOA
3.10 Efecte de l’interruptor en l’eficiència
3.11 Anàlisi tèrmica
4. CONVERTIDORS DC-DC AÏLLATS
4.1 Introducció
4.2 Transformadors per a aplicacions en commutació
4.3 Convertidors aïllats asimètrics
4.4 Convertidors aïllats simètrics
5. CONTROL DEL CONVERTIDOR EN LLAÇ TANCAT
5.1 Control en llaç tancat
5.2 Models de valors mitjans i AC del convertidor
5.3 Funcions de transferència
5.4 Disseny del sistema
6. CONVERTIDORS AC-DC
6.1 Conceptes bàsics de rectificadors
6.2 Rectificadors no controlats
6.3 Rectificadors amb baix contingut harmònic
6.4 Rectificadors polifàsics
6.5 Tiristors i triacs
6.6 Rectificadors controlats
7. ACCIONAMENTS DE MOTORS
7.1 Introducció
7.2 Motors de corrent continu amb escombretes
7.3 Motors pas a pas
L’assignatura s’imparteix principalment mitjançant classes magistrals en què el contingut teòric es combina amb la demostració de conceptes mitjançant programes de simulació, animacions, etc. Aquesta integració permet que l’estudiant relacioni les idees teòriques amb la seva aplicació pràctica i adquireixi una comprensió més profunda del funcionament dels convertidors i dels sistemes d’electrònica de potència.
La consolidació dels coneixements adquirits es reforça mitjançant exercicis individuals que permeten desenvolupar i ampliar els conceptes teòrics, així com utilitzar eines de simulació per aplicar-los i validar-los de manera rigorosa. A més, el curs inclou una pràctica de laboratori estructurada com un petit projecte de disseny que l’estudiant desenvolupa al llarg del semestre. Aquest projecte li permet integrar els fonaments teòrics de l’assignatura en un context pràctic orientat al disseny, reforçant tant la seva competència tècnica com el seu criteri d’enginyeria.
Tot el material docent, incloent-hi presentacions, models de simulació i recursos complementaris, està disponible a la plataforma Moodle, cosa que garanteix un accés continu i facilita l’aprenentatge autònom durant tot el curs.
L’avaluació de l’assignatura es duu a terme mitjançant tres components principals: els exercicis d’avaluació contínua, una pràctica de laboratori i l’examen final.
Els exercicis d’avaluació contínua representen el 45% de la nota de teoria, mentre que el 55% restant s’obté a partir de l’examen final. L’avaluació de la pràctica de laboratori s’utilitza exclusivament per determinar la qualificació corresponent a la part pràctica de l’assignatura.
La nota final de l’assignatura es calcula com la mitjana ponderada de la nota de teoria i de la nota de pràctiques. La part teòrica té un pes del 80% en la nota final, mentre que la part pràctica contribueix amb el 20% restant.
Per superar l’assignatura, l’estudiant ha d’obtenir una nota de teoria igual o superior a 4, una nota de pràctiques igual o superior a 5 i assolir una nota final ponderada mínima de 5.
La no-presentació de la pràctica de laboratori comporta automàticament una qualificació final d’NP (No Presentat), independentment del rendiment de l’estudiant en la resta d’elements d’avaluació.
L’avaluació del rendiment de l’estudiant en aquesta assignatura es basa en els criteris següents, que reflecteixen els coneixements i habilitats esperats d’un estudiant de quart curs del grau d’Enginyeria Elèctrònica especialitzat en electrònica de potència:
- Comprensió dels fonaments
Demostra una comprensió sòlida dels principis fonamentals implicats en el disseny i el modelatge de sistemes d’electrònica de potència. - Domini d’arquitectures, tecnologies i components
Mostra una comprensió clara de les diferents arquitectures de convertidors, tecnologies de semiconductors, components magnètics i elements auxiliars utilitzats en sistemes d’electrònica de potència. - Interpretació de requisits i objectius de disseny
Interpreta correctament les especificacions del sistema, els requisits operatius i els objectius de disseny, i els utilitza per justificar decisions d’enginyeria. - Capacitat d’avaluar alternatives i seleccionar components
Identifica opcions de disseny viables i selecciona els components i topologies més adequats per complir els requisits funcionals, tèrmics i de rendiment del sistema. - Habilitats de modelatge i simulació
Modela amb precisió convertidors i sistemes relacionats, i utilitza les eines de simulació adequades per analitzar-ne el comportament en règim permanent i dinàmic. - Precisió analítica
Realitza càlculs amb precisió i demostra una interpretació correcta dels resultats quantitatius. - Claredat i estructura en la presentació de solucions
Presenta procediments, raonaments i solucions de manera clara, organitzada i tècnicament rigorosa, d’acord amb les pràctiques professionals de l’enginyeria.
Robert W. Erickson, Dragan Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, 2nd ed., Kluwer Academic Publishers, New York, 2004.
N. Mohan, T. M. Undeland, and W. P. Robbins, Power Electronics: Converters, Applications and Design, 3rd ed.,Wiley, New York, 2003.
Gilles Brocard, The LTSpice IV Simulator – Manual, Methods and Applications, 1st edition, Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG, Germany, 2013.
Christophe P. Basso, Switch Mode Power Supplies, 1st ed., McGraw-Hill, 2008.
D. W. Hart, Power Electronics, McGraw-Hill, New York, 2011.
M. H. Rashid, Electrónica de potencia – Circuitos, dispositivos y aplicaciones, 3ª edición, Pearson-Prentice Hall, México, 2004.