Diseño de topologías rectificadoras e inversoras clase E basadas en tecnologías GaN HEMT y E-pHEMT para aplicaciones de transmisión inalámbrica y reciclado de energía

• Autores: María de las Nieves Ruiz Lavín
• Directores de la Tesis: José Ángel García García (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Cantabria ( España ) en 2017
• Idioma: español
• Número de páginas: 198
• Títulos paralelos:
  • Design of rectifying and inverter class E topologies on GaN and E-pHEMT devices for wireless powering and energy harvesting applications
• Tribunal Calificador de la Tesis: Javier Sebastián Zúñiga (presid.), Pere Lluis Gilabert Pinal (secret.), Nuno Borges Carvalho (voc.)
• Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Tecnologías de la Información y Comunicaciones en Redes Móviles
• Materias:
  • Física
    • Electromagnetismo
      • Radioondas y microondas
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología electrónica
      • Dispositivos de microondas
      • Transmisores de radio
    • Tecnología de las telecomunicaciones
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: UCrea
• Resumen
  • español

    Actualmente, la mejora de la eficiencia energética se viene aplicando en muchos ámbitos para reducir, tanto la emisión de gases de efecto invernadero, provocados en gran parte por la generación de la energía eléctrica, como los costes de operación asociados. Concretamente, en el campo de RF/Microondas, se están desarrollando sistemas de transmisión inalámbrica eficientes, que permitan reducir el elevado consumo eléctrico de las estaciones base de telefonía móvil, aumentar la duración de las baterías en los terminales, así como alimentar dispositivos de forma inalámbrica, utilizando incluso la energía remanente en el ambiente.

    Dado que la mejora en la eficiencia del amplificador de potencia es clave en la reducción del consumo eléctrico, en esta tesis se han propuesto distintas topologías inversoras y rectificadoras de alta eficiencia, operando en clase E, para su uso en la transmisión eficiente de señales de comunicaciones y alimentación inalámbrica. Por un lado, se han diseñado e implementado amplificadores de potencia de alta eficiencia con tecnología GaN HEMT, enfocados a su uso en arquitecturas de transmisión que permitan manejar señales con estándares tan exigentes como los vigentes WCDMA (3G) y LTE (4G), de manera lineal y eficiente. Cada uno de los diseños presentados, presenta mejoras en cuanto a su eficiencia y ancho de banda, y han sido posteriormente implementados en sendos transmisores outphasing. Asimismo, utilizando amplificadores y rectificadores síncronos a GaN HEMT, se han diseñado convertidores DC/DC Clase E2, utilizados como moduladores de envolvente en arquitecturas ET/EER, siendo también adecuados para su uso en fuentes de alimentación que requieran una alta densidad de potencia y una respuesta muy rápida, gracias a su reducido tamaño y elevado ancho de banda.

    Por otra parte, se han diseñado rectificadores síncronos con dispositivos E-pHEMT, con eficiencias en el estado de la técnica, enfocados hacia aplicaciones de transferencia de potencia en campo lejano y de reciclado de energía. El uso de un transistor como elemento activo, además de una estrategia de auto-alimentación de puerta, ha permitido aumentar considerablemente el rango dinámico de potencia de entrada de rectificación, en comparación con las habituales soluciones a diodo.

    Por tanto, bajo una perspectiva de eficiencia energética, se han propuesto soluciones competitivas para la transmisión sostenible, teniendo en cuenta el desarrollo que experimentan actualmente las comunicaciones inalámbricas y los dispositivos móviles.

  • English

    In the RF/Microwave field, efficient wireless transmission systems are being developed in order to reduce base stations electric consumption, extend battery lifetime in handsets, as well as to remotely power up wireless devices by means of wireless powering transmission (WPT) or even energy harvesting solutions. In this sense, high efficient inverter and rectifier topologies, operating in class E, have been proposed in this thesis to be used on wireless communications and WPT. On the one hand, high-efficiency power amplifiers based on GaN HEMT technology, have been designed, which were used as a part of outphasing transmitters afterwards. In addition, using GaN HEMT amplifiers and synchronous rectifiers, Class E2 DC/DC converters have been designed, to be used as envelope modulators in ET/EER architectures. On the other hand, synchronous rectifiers with E-pHEMT technology, focused on far-field power transfer and energy harvesting applications, have been designed. State-of-the-art efficiencies have been measured in some implementations.