Convertidor Buck a 1MHz de frecuencia para su uso en el sistema de alimentación híbrido de un Unmanned Aerial System

Abstract

[ES] El estudio en el que se centra este trabajo aparece dentro del proyecto H2 Dron, un proyecto donde se investigan y diseñan drones con pilas de combustible. Este documento se centra en el desarrollo de un convertidor electrónico de potencia necesario para poder adaptar el voltaje de estas pilas para cargar las baterías en vuelo de las aeronaves no tripuladas. Con esto, se conseguirá una mayor autonomía de vuelo.

En este proyecto se ha comprendido el diseño de un convertidor electrónico reductor. Se ha realizado el diseño teórico de la etapa de potencia, calculando los valores del condensador y la bobina del circuito. Se han seleccionado los componentes adecuados para su posterior implementación, teniendo en cuenta las características de la frecuencia de conmutación exigidas (un megahercio).

La bobina perteneciente al Buck se fabricó manualmente para que coincidiera con el valor exacto calculado. Se implementó un sensor de corriente y un control por corriente media para modular el ciclo de trabajo de la modulación por ancho de pulso.

Tras realizar el diseño teórico, se ejecutó una simulación de la etapa de potencia, singularizando los componentes con sus características reales para obtener un resultado lo más fiel posible a la realidad. En la simulación, se verificó que los resultados eran los esperados. Tras esta primera comprobación, se procedió a elaborar los esquemáticos, el diseño y ruteado de la placa de circuito impreso.

Cuando se fabricó la PCB y se recibió, se comenzaron a probar las distintas partes del circuito por separado, es decir, primero se comprobó que la salida del modulador era la esperada. Tras esto, se incorporó el driver y se confirmó que su salida también era correcta. Seguidamente, se incorporó el transistor MOSFET. El nodo de conmutación del semiconductor no estaba dando la respuesta esperada ante los disparos de puerta. Por ello, se decidió cambiar el transistor y emplear uno de nitruro de galio. Tras este cambio, la etapa de potencia era funcional.

Una vez verificada la etapa de potencia, se montó en una placa por separado el sensor de corriente y el control por corriente media. Una vez montado, se probó y se confirmó su correcto funcionamiento.

En este punto, todas las partes se encontraban testeadas y funcionando correctamente, por lo que se decidió unirlas y comprobar el funcionamiento del sistema completo. El funcionamiento no fue el esperado, por ello, el componente que estaba ocasionando problemas, el modulador, se sustituyó por un microcontrolador. Aunque el control no ocasionó ningún problema, se decidió incorporar también el control mediante software, ya que así se reducía considerablemente el tamaño de la placa, que era lo que se buscaba inicialmente al diseñar el convertidor a tan alta frecuencia.

Tras incorporar el microcontrolador y eliminar los componentes a los que sustituía, se volvió a probar el sistema. En esta nueva prueba, el conjunto sigue fallando. Tras investigar los errores, se observa que para los componentes de nitruro de galio es necesario un diseño de placa de circuito impreso específico que no se ha seguido en el diseño de la PCB de este proyecto.

En el documento , se explica de forma detallada el proceso de diseño a seguir para este tipo de componentes, que implica seguir especificaciones concretas acerca de la máscara de soldadura que aparecen en las hojas de características de estos componentes.

El último cambio que se realizó fue pasar del convertidor asíncrono que se implementó inicialmente a uno síncrono.

Para poder comprobar el diseño se utilizó una placa de circuito impreso de la empresa MAHLE Electronics, diseñada específicamente para estos componentes. En esta placa, con el diseño realizado, el control y modulación implementados de forma digital, se corroboró que el funcionamiento era el exigido en las condiciones iniciales del proyecto.

[EN] The study on which this work focuses is part of the H2 Dron project. A project where drones with fuel cells are researched and designed. This document focuses on the development of an electronic power converter necessary to adapt the voltage of these batteries to charge the batteries in flight of unmanned aircraft. This will provide greater flight autonomy. This project has included the design of an electronic step-down converter. The theoretical design of the power stage has been carried out, calculating the values of the capacitor and coil of the circuit. The appropriate components have been selected for subsequent implementation, taking into account the required switching frequency characteristics (one megahertz). The coil belonging to the Buck was manually manufactured to match the exact value calculated. A current sensor and an average current control were implemented to modulate the duty cycle of the pulse width modulation. After the theoretical design, a simulation of the power stage was carried out, singling out the components with their real characteristics to obtain a result as close as possible to reality. In the simulation, it was verified that the results were as expected. After this first check, the schematics, design and routing of the printed circuit board were drawn up. When the PCB was manufactured and received, the different parts of the circuit were tested separately, i.e., first the modulator output was checked to ensure that it was as expected, then the driver was incorporated and its output was also confirmed to be correct. The MOSFET transistor was then incorporated. The semiconductor switching node was not giving the expected response to the gate triggers. Therefore, it was decided to change the transistor and use a gallium nitride transistor. After this change, the power stage was functional. Once the power stage was verified, the current sensor and the average current control were mounted on a separate board, tested and confirmed to work correctly. At this point, all the parts were tested and working correctly, so it was decided to put them together and check the operation of the complete system. The operation was not as expected, so the component that was causing problems, the modulator, was replaced by a microcontroller. Although the control did not cause any problems, it was decided to also incorporate software control, as this considerably reduced the size of the board, which was what was initially intended when designing the converter at such a high frequency. After incorporating the microcontroller and eliminating the components it replaced, the system is tested again. In this new test, the system continues to fail. After investigating the errors, it is found that the gallium nitride components require a specific printed circuit board design which has not been followed in the PCB design of this project. In the document, the design process to be followed for this type of components is explained in detail, which involves following specific specifications regarding the solder mask that appear in the characteristics sheets of these components. The last change that was made was to change from the asynchronous converter that was initially 5 implemented to a synchronous converter. In order to test the design, a printed circuit board from MAHLE electronics, designed specifically for these components, was used. On this board, with the design, control and modulation carried out digitally, it was corroborated that the operation was as required in the initial conditions of the project.