Thesis:

Diseño de un 8-cell Flying Capacitor Converter modular basado en GaN conq esquemas de control ante fallas internas y temperatura para aplicaciones aeroespaciales

La exploración espacial está en auge, con un aumento en la cantidad de satélites en órbita y decenas de astronautas visitando la ISS anualmente. La ambición por regresar a la Luna y alcanzar Marte está creciendo, con el objetivo de establecer asentamientos permanentes más allá de la Tierra. Estas misiones requieren un suministro energético robusto, lo que ha generado interés en estudiar sistemas eléctricos de potencia para condiciones espaciales. Este trabajo se centra en los convertidores de potencia, específicamente los encargados de convertir de media tensión a una adecuada para las cargas. Estos convertidores enfrentan desafíos únicos, como aislamiento completo, temperaturas extremas y baja presión atmosférica. Para abordar estas dificultades, se propone un diseño de sistema resiliente y modular, capaz de mantener su funcionamiento incluso en caso de fallos. Además, se tiene en cuenta un diseño tipo PEBB, en conjunto con una disminución en el peso del convertidor, aumentando la potencia específica. Para lograr estos objetivos, se elige una topología de 8-cell FCC para proporcionar modularidad, permitiendo que las celdas se baipaseen en caso de fallo interno, sin afectar la potencia nominal. Se desarrollan estrategias de control nominal, control ante fallas internas y control térmico. Se proponen y comparan mediante simulación los métodos de control lineal, predictivo de actuaciones finitas y predictivo secuencial. Este último es seleccionado para el control nominal, ofreciendo lo mejor de los primeros dos, una frecuencia constante y la no necesidad de linealizar la planta. Para mejorar este control, se propone un método para la elección de pesos variables, con el fin de controlar el convertidor sin oscilación en los voltajes internos para cualquier punto de trabajo. El control secuencial es modificado para poder responder ante fallas internas, las cuales pueden simplificarse como un convertidor nominal con una celda menos. Para esto, se plantean los conceptos de convertidor real y teórico, además de los vectores de transformación para pasar de uno a otro. Para el control térmico, se obtiene la planta de una celda, simplificando la respuesta de segundo orden sobreamortiguada de la temperatura en el disipador a una de primer orden. Para controlar esta respuesta, se utiliza un control PI con la frecuencia de conmutación como actuación, la cual varía las pérdidas del sistema. Simulaciones corroboran la eficacia de este método. Se realizan pruebas experimentales bajo condiciones normales y perturbaciones diversas, demostrando el buen desempeño del control predictivo secuencial y la efectividad del control de pesos variables, controlando tanto el voltaje de salida como el de las celdas. Fallas internas se realizan en el módulo cuatro, obteniendo como resultados un buen balance del voltaje de las celdas resultantes, sin perturbación en la salida. Para la temperatura, se somete una celda a condiciones nominales terrestres, baja temperatura (-60°C) y baja presión (<4% tierra). Para los tres casos, y ante perturbaciones, el control PI logra mantener la temperatura en la referencia con un leve overshoot, saturando la frecuencia sólo ante grandes cambios en la referencia.

Space exploration is raising, with an increase in the number of satellites in orbit and dozens of astronauts visiting the ISS annually. The ambition to return to the Moon and reach Mars is growing, aiming to establish permanent settlements beyond Earth. These missions demand robust energy supply, sparking interest in studying power electrical systems for space conditions. This study focuses on power converters, specifically those tasked with stepping down from medium voltage to one suitable for loads. These converters face unique challenges, such as complete isolation, extreme temperatures, and low atmospheric pressure. To address these difficulties, a resilient and modular system design is proposed, capable of maintaining operation even in the event of failures. Additionally, a PEBB-type design is considered, along with reducing the converter’s weight to increase specific power. To achieve these goals, an 8-cell FCC topology is chosen to provide modularity, allowing cells to be bypassed in case of internal failure without affecting nominal power. Strategies for nominal control, internal fault control, and thermal control are developed. The linear, predictive of finite actuation and predictive sequence control methods are proposed and compared via simulation. The last one is chosen for nominal control, offering the best of the first two, a constant frequency and no need for plant linearization. To enhance this control, a method for variable weight selection is proposed to control the converter without voltage oscillation for any operating point. The sequential control is modified to respond against internal faults, which can be simplified as a nominal converter with one less cell. Concepts of real and theoretical converters are introduced, along with transformation vectors to switch between them. For thermal control, the plant of a cell is obtained, simplifying the over-damped second-order temperature response in the heatsink to a first-order one. A PI control with switching frequency as the actuation is used to control this response, varying the system losses. Simulations confirm the effectiveness of this method. Experimental tests are conducted under normal conditions and various disturbances, demonstrating the good performance of predictive sequential control and the effectiveness of variable weight control, regulating both the output voltage and internal cell voltages. Internal faults are induced in cell four, resulting in a balanced voltage among the remaining cells with no disturbance in the output. For temperature, a cell is subjected to nominal terrestrial conditions, low temperatures (-60°C), and low pressures (<4% earth). In all three cases and under disturbances, the PI control maintains the temperature at the reference with slight overshoot, only saturating the frequency with large reference changes.