Modelado y metodología analítica de diseño de transformadores de potencia y alta frecuencia: análisis de los devanados, optimización de eficiencia y densidad de potencia e integración en el diseño de convertidores electrónicos

Abstract

Esta tesis se centra en el estudio y análisis del diseño de transformadores de potencia y alta frecuencia. Los principales temas tratados en esta tesis se resumen a continuación: - Realización del estado del arte y síntesis del modelado de transformadores de potencia y alta frecuencia, haciendo especial hincapié en el estudio de los materiales magnéticos, los fenómenos de alta frecuencia en los devanados, el cálculo de pérdidas en el núcleo y en el cobre y las técnicas que permiten su atenuación. - Tratamiento específico de formas de onda no senoidales de tensión y corriente. - Realización del estado del arte de los métodos de diseño existentes. Evaluación de la bondad de las reglas de oro, rules of thumb, en el diseño de transformadores. - Análisis teórico del problema de diseño y definición del concepto de diseño óptimo en términos de densidad de potencia y eficiencia para un rango de frecuencias de 1 a 150 kHz y de potencias de 500 W a 25 kW. - Desarrollo de una metodología analítica de diseño que conduce al diseño óptimo en términos de selección del material magnético, proporciones y tamaño del núcleo magnético, disposición de los devanados (reparto de ventana e intercalado), tipo de cable y su dimensionado, y nivel de inducción magnética. - Ejemplos de diseño: inversor fotovoltaico y convertidor forward. Realización de diseños prácticos y verificación experimental. Tratamiento de la problemática de la medida de pérdidas en estas aplicaciones. - Estudio de las tendencias presentes en la densidad de potencia y la eficiencia de los diseños óptimos en función de la potencia y la frecuencia de la aplicación. - Proposición de diversas fórmulas para posibilitar la integración del diseño de transformadores en el proceso de diseño y dimensionado de los convertidores electrónicos de potencia.