Estudio de inductancias acopladas y su aplicación a convertidores dc/dc en aplicaciones aeroespaciales

Resumen

El presente estudio aborda el tema del inductor acoplado, elemento magnético que se emplea sobre todo en los convertidores de potencia PWM. Entendemos por inductor acoplado, un elemento magnético donde se concentran (acoplan), por ejemplo, todas las inductancias de salida de un mismo convertidor multisalida. Para un convertidor con múltiples salidas de topología tipo Buck , el inductor acoplado estaría constituido por cada una de las inductancias que forman parte del filtro de salida, todas ellas arrolladas sobre un mismo núcleo magnético. Este estudio surge ante la necesidad de utilizar un inductor acoplado con siete bobinados, donde su alta complejidad hace que los métodos de diseño y caracterización existentes no sean precisos o incluso fallen. La tesis se puede dividir en dos bloques. El primero, consiste en el análisis de los métodos de caracterización ya existentes, finalizando el estudio con una propuesta de método de caracterización que permite medir la matriz de inductancia, matriz constituida por inductancias propias y mutuas, para inductores acoplados complejos. La propuesta del método de caracterización es analizado de forma experimental y comparado con un segundo método de medida, serie y oposición. La parte experimental avala la teórica, y además ha permitido establecer los límites del nuevo método propuesto. Fuera de estos límites el error es demasiado grande. La segunda parte de la tesis se centra en el propio estudio del inductor acoplado. Nuevamente, la bibliografía no facilita herramientas para poder conocer tanto el comportamiento del inductor acoplado, como criterios claros de diseño independientes de la aplicación. El estudio propone un modelo matemático que describe todos los fenómenos descritos en muchos de los artículos que se encuentran en la literatura técnica, como por ejemplo: rizados invertidos, cambios de pendiente de forma brusca, rizados de corriente mayores, menores o incluso cero. Gracias al modelo matemático se han podido establecer criterios de diseño con el fin de optimizar el inductor acoplado en masa y volumen. Las verificaciones experimentales ratifican la teoría propuesta, haciendo de las expresiones matemáticas, herramientas para poder conocer previamente los valores de inductancias equivalentes que aparecerán en el circuito, permitiendo así optimizar el diseño cumpliendo las características técnicas deseadas. El método de diseño propuesto ha sido verificado de forma experimental. Como ventajas adicionales, el nuevo método de diseño además reduce tanto la masa como el volumen del inductor acoplado comparado con inductancias desacopladas. Estos resultados son, sin duda, interesante en el desarrollo de proyectos aeroespaciales, donde siempre se busca reducir ambas magnitudes.