Departament d'Enginyeria Electrònica
http://hdl.handle.net/2117/95893
2024-03-28T18:03:59ZExploration of FDSOI back-biasing techniques to hinder cryptographic attacks based on leakage current
http://hdl.handle.net/2117/404071
Exploration of FDSOI back-biasing techniques to hinder cryptographic attacks based on leakage current
Palma Carmona, Kenneth
(English) Cryptography is the science that studies how to achieve secure communication between multiple parties. Under the assumption that any message transmitted is to be ultimately intercepted, the endeavors of cryptography attempt to render transmitted messages uninterpretable by a nefarious eavesdropper. To do so, cryptography has traditionally relied on mathematical functions that define non-linear mappings. As such, during its formal conceptualization during the 20th century, the security of cryptographic algorithms has heavily relied on their provable mathematical soundness that would ensure that, without the secret key used during the encryption process, the original message could not be retrieved.
However, physical implementations of cryptographic devices, be them mechanical, analog, or digital, are constrained by the laws of physical nature, beyond their mathematical representation. As such, these implementations can produce mechanical vibrations, dissipate heat, produce electromagnetic emanations, or consume power in a manner that speaks of their internal state. These physical magnitudes, referred to as side-channels, can leak information about the workings of the cryptosystem.
As such, Side-Channels are an important exploitable weakness of cryptographic circuits. In particular, the measurement of power consumption of a digital cryptosystem can be enough to disclose the secret key at the heart of the circuit. These so-called Power Analysis Attacks (PAA) have traditionally relied on the measurement of dynamic power consumed during execution. However, with ever shrinking technological nodes, static or leakage power consumption has become prominent enough to pose a vulnerability (Leakage Power Analysis Attacks - LPAA). As such, countermeasures, circuits that attempt to impede the effectiveness of PAA continue to be developed and studied.
At the same time, new transistor technologies continue to be explored and developed. Among those produced, Fully Depleted Silicon-on-Insulator (FDSOI) transistors have proven to be highly effective at reducing the impact of short-channel effects, such as leakage current. Given their structure, FDSOI transistor can also see their body bias dynamically modified.
As such, this thesis explores the feasibility of developing countermeasures against LPAA taking advantage of the properties of FDSOI transistors. FDSOI transistors, given their structure, accept a wider range of body bias values through their 4th terminal. Given that body bias modifies the threshold voltage of transistors, it is possible to indirectly affect the leakage current profile of digital circuit elements implementing a cryptosystem.
With these considerations in mind, this thesis, exploring how body bias affects the leakage consumption of FDSOI sequential logic, analyzes and designs body biasing schemes that serve as countermeasures. The effectiveness of the developed countermeasures is thoroughly analyzed through modelling with technological parameters and mathematical simulations of power analysis attacks.
The thesis presents a proof-of-concept countermeasure circuit that highly hinders the performance of LPAA by reducing the disparities between power consumption dependent on data stored. The circuit, implementing a Current Balancing body bias seeking algorithm, is functional for a wide range of temperatures, even in the presence of process and mismatch variability.; (Català) La criptografia és la ciència que estudia com obtenir una comunicació segura. Sota la premissa que qualsevol missatge transmès serà, en última instància, interceptat, els esforços de la criptografia estan orientats a assegurar que els missatges a transmetre siguin ininterpretables per malintencionades terceres parts. Per a això, la criptografia ha tradicionalment fet ús de funcions matemàtiques que defineixen mapejats no lineals. D’aquesta manera, durant la seva formalització al llarg del segle 20, la seguretat dels algoritmes d’encriptació s’ha basat demostracions matemàtiques per assegurar-se que, sense la clau secreta emprada durant el procés d’encriptació, el missatge original no pot ser recuperat.
Tot i així, les implementacions físiques de sistemes d’encriptació, ja siguin mecàniques, analògiques o digitals, estan limitades per les lleis de la naturalesa, més enllà de les seves representacions matemàtiques. D’aquesta manera, aquestes implementacions poden produir vibracions, dissipar calor, emetre radiacions electromagnètiques o consumir potència de maneres que traeixin el seu estat intern. Aquestes magnituds físiques, anomenades canals lateral, poder filtrar informació sobre el funcionament del criptosistema.
Així, els canals laterals representen una important vulnerabilitat dels circuits criptogràfics. En particular, la mesura del consum de potència d'un criptosistema digital pot ser suficient per a descobrir la clau secreta al cor del circuit. Aquest anomenats Atacs d'Anàlisis de Potència (AAP) tradicionalment han mesurat la potència dinàmica durant l'execució. Tot i això, amb la reducció de nodes tecnològics, el consum de potència estàtica cada cop representa una percentatge major del consum total, convertint-se en una vulnerabilitat més a través d'Atacs d'Anàlisis de Potència Estàtica (AAPE). Per això, contramesures, circuits amb l'objectiu de reduir l'efectivitat dels AAP són estudiats i desenvolupats.
Al mateix temps, noves tecnologies de transistors continuen sent explorades i desenvolupades. Entre les produïdes, els transistors Fully Depleted Silicon-on-Insulator (FDSOI) han demostrat ser altament efectius en la reducció d’efectes de canal curt, com les corrents de leakage. Donada la seva estructura, els transistors FDSOI poden, al mateix temps, veure el seu body bias modificat dinàmicament.
Aquesta tesi explora el desenvolupament de contramesures contra AAPE aprofitant les propietats dels transistors FDSOI. Aquest, donada la seva estructura, permeten l'aplicació d'un rang ampli de valors de body bias a través del 4t terminal. Com el body bias modifica la tensió llindar dels transistors, és possible modificar indirectament el perfil de corrent estàtica d'elements digitals que implementen un criptosistema.
Amb aquestes consideracions, aquesta tesi, explorant la relació entre body bias i consum estàtic de d'elements lògica seqüencial FDSOI, analitza i proposa esquemes de body bias que actuïn com a contramesures. L'efectivitat d'aquestes contramesures és investigada a través de la modelització amb paràmetres tecnològics i simulacions matemàtiques d'atacs.
La tesi presenta una contramesura prova-de-concepte que dificulta la realització d'AAPE, reduint les disparitats de consum estàtic dependent de dades. El circuit, que implementa un algoritme de cerca de body bias de corrent balancejada, és funcional per un elevat rang de temperatures, i en presència de variacions de procé; (Español) La criptografía es la ciencia que estudia cómo conseguir una segura comunicación entre múltiples participantes. Bajo el precepto de que cualquier mensaje transmitido será, en última instancia, interceptado por terceros actores, la criptografía tiene como objetivo que los mensajes interceptados no sean interpretables por éstos. Para ello, la criptografía se ha basado tradicionalmente en funciones que definen mapeados no lineales. En su formalización durante el siglo 20, la seguridad de algoritmos criptográficos se ha fundamentado en la demostración matemática para asegurarse de que, sin la llave secreta utilizada durante el proceso de encriptación, el mensaje original no pudiera recuperarse.
Sin embargo, la implementación física de dispositivos criptográficos, ya sean mecánicos, analógicos o digitales, se encuentran limitados por las leyes de la naturaleza, más allá de sus representaciones matemáticas. Así, estas implementaciones producen vibraciones mecánicas, disipan calor, emiten radiaciones electromagnéticas o consumen potencia de maneras tal que informan sobre su estado interno. Estas magnitudes físicas, conocidas como canales laterales, pueden filtrar información sobre el funcionamiento interno del criptosistema.
De esta manera, los canales laterales son una debilidad explotable de los circuitos criptográficos. En particular, la medición de la potencia consumida de criptosistemas digitales puede bastar para extraer la clave secreta en el corazón del sistema. Estos Análisis de Ataques de Potencia se han tradicionalmente basado en la medición de la potencia dinámica incurrida durante la ejecución. Sin embargo, a medida que los nodos tecnológicos se han ido reduciendo, la potencia estática ha ido porcentualmente incrementando hasta el punto de suponer en sí misma una nueva vulnerabilidad a través de los llamados Análisis de Ataques de Potencia Estática (AAPE). Por ello, contramedidas, circuitos con la finalidad de limitar la efectividad de estos ataques son desarrollados y estudiados.
Al mismo tiempo, nuevas tecnologías de transistor continúan siendo desarrolladas. Entre éstos, los transistores Fully Depleted Silicon-on-Insulator (FDSOI) han demostrado ser altamente efectivos en la reducción de los efectos de canal corto, como son las corrientes estáticas. Dada su estructura, el body bias de estos transistores puede, además, ser modificado dinámicamente.
De esta manera, esta tesis explora la posibilidad de desarrollar contramedidas contra AAPE aprovechando esta propiedad de la tecnología FDSOI. Dado que el body bias altera el voltaje de umbral de los transistores, es posible modificar indirectamente el perfil de consumo estático de elementos digitales que implemente un criptosistema.
Con ello, esta tesis, explorando cómo el body bias afecta las corrientes estáticas de elementos lógicos secuenciales FDSOI, analiza y diseña esquemas de aplicación de body bias que puedan servir de contramedidas. La efectividad de las contramedidas diseñadas es analizada a través de su modelización con parámetros tecnológicos y simulaciones matemáticas de ataques.
La tesis presenta una contramedida como prueba de concepto que dificulta altamente los ataques reduciendo disparidades en potencia consumida basadas en bits procesados. El circuito, que implementa un algoritmo de ecualización de corrientes por búsqueda de body bias, es funcional dentro de un amplio rango de temperaturas, incluso bajo los efectos de variabilidad de procesos.
2024-03-10T19:33:10ZPalma Carmona, Kenneth(English) Cryptography is the science that studies how to achieve secure communication between multiple parties. Under the assumption that any message transmitted is to be ultimately intercepted, the endeavors of cryptography attempt to render transmitted messages uninterpretable by a nefarious eavesdropper. To do so, cryptography has traditionally relied on mathematical functions that define non-linear mappings. As such, during its formal conceptualization during the 20th century, the security of cryptographic algorithms has heavily relied on their provable mathematical soundness that would ensure that, without the secret key used during the encryption process, the original message could not be retrieved.
However, physical implementations of cryptographic devices, be them mechanical, analog, or digital, are constrained by the laws of physical nature, beyond their mathematical representation. As such, these implementations can produce mechanical vibrations, dissipate heat, produce electromagnetic emanations, or consume power in a manner that speaks of their internal state. These physical magnitudes, referred to as side-channels, can leak information about the workings of the cryptosystem.
As such, Side-Channels are an important exploitable weakness of cryptographic circuits. In particular, the measurement of power consumption of a digital cryptosystem can be enough to disclose the secret key at the heart of the circuit. These so-called Power Analysis Attacks (PAA) have traditionally relied on the measurement of dynamic power consumed during execution. However, with ever shrinking technological nodes, static or leakage power consumption has become prominent enough to pose a vulnerability (Leakage Power Analysis Attacks - LPAA). As such, countermeasures, circuits that attempt to impede the effectiveness of PAA continue to be developed and studied.
At the same time, new transistor technologies continue to be explored and developed. Among those produced, Fully Depleted Silicon-on-Insulator (FDSOI) transistors have proven to be highly effective at reducing the impact of short-channel effects, such as leakage current. Given their structure, FDSOI transistor can also see their body bias dynamically modified.
As such, this thesis explores the feasibility of developing countermeasures against LPAA taking advantage of the properties of FDSOI transistors. FDSOI transistors, given their structure, accept a wider range of body bias values through their 4th terminal. Given that body bias modifies the threshold voltage of transistors, it is possible to indirectly affect the leakage current profile of digital circuit elements implementing a cryptosystem.
With these considerations in mind, this thesis, exploring how body bias affects the leakage consumption of FDSOI sequential logic, analyzes and designs body biasing schemes that serve as countermeasures. The effectiveness of the developed countermeasures is thoroughly analyzed through modelling with technological parameters and mathematical simulations of power analysis attacks.
The thesis presents a proof-of-concept countermeasure circuit that highly hinders the performance of LPAA by reducing the disparities between power consumption dependent on data stored. The circuit, implementing a Current Balancing body bias seeking algorithm, is functional for a wide range of temperatures, even in the presence of process and mismatch variability.
(Català) La criptografia és la ciència que estudia com obtenir una comunicació segura. Sota la premissa que qualsevol missatge transmès serà, en última instància, interceptat, els esforços de la criptografia estan orientats a assegurar que els missatges a transmetre siguin ininterpretables per malintencionades terceres parts. Per a això, la criptografia ha tradicionalment fet ús de funcions matemàtiques que defineixen mapejats no lineals. D’aquesta manera, durant la seva formalització al llarg del segle 20, la seguretat dels algoritmes d’encriptació s’ha basat demostracions matemàtiques per assegurar-se que, sense la clau secreta emprada durant el procés d’encriptació, el missatge original no pot ser recuperat.
Tot i així, les implementacions físiques de sistemes d’encriptació, ja siguin mecàniques, analògiques o digitals, estan limitades per les lleis de la naturalesa, més enllà de les seves representacions matemàtiques. D’aquesta manera, aquestes implementacions poden produir vibracions, dissipar calor, emetre radiacions electromagnètiques o consumir potència de maneres que traeixin el seu estat intern. Aquestes magnituds físiques, anomenades canals lateral, poder filtrar informació sobre el funcionament del criptosistema.
Així, els canals laterals representen una important vulnerabilitat dels circuits criptogràfics. En particular, la mesura del consum de potència d'un criptosistema digital pot ser suficient per a descobrir la clau secreta al cor del circuit. Aquest anomenats Atacs d'Anàlisis de Potència (AAP) tradicionalment han mesurat la potència dinàmica durant l'execució. Tot i això, amb la reducció de nodes tecnològics, el consum de potència estàtica cada cop representa una percentatge major del consum total, convertint-se en una vulnerabilitat més a través d'Atacs d'Anàlisis de Potència Estàtica (AAPE). Per això, contramesures, circuits amb l'objectiu de reduir l'efectivitat dels AAP són estudiats i desenvolupats.
Al mateix temps, noves tecnologies de transistors continuen sent explorades i desenvolupades. Entre les produïdes, els transistors Fully Depleted Silicon-on-Insulator (FDSOI) han demostrat ser altament efectius en la reducció d’efectes de canal curt, com les corrents de leakage. Donada la seva estructura, els transistors FDSOI poden, al mateix temps, veure el seu body bias modificat dinàmicament.
Aquesta tesi explora el desenvolupament de contramesures contra AAPE aprofitant les propietats dels transistors FDSOI. Aquest, donada la seva estructura, permeten l'aplicació d'un rang ampli de valors de body bias a través del 4t terminal. Com el body bias modifica la tensió llindar dels transistors, és possible modificar indirectament el perfil de corrent estàtica d'elements digitals que implementen un criptosistema.
Amb aquestes consideracions, aquesta tesi, explorant la relació entre body bias i consum estàtic de d'elements lògica seqüencial FDSOI, analitza i proposa esquemes de body bias que actuïn com a contramesures. L'efectivitat d'aquestes contramesures és investigada a través de la modelització amb paràmetres tecnològics i simulacions matemàtiques d'atacs.
La tesi presenta una contramesura prova-de-concepte que dificulta la realització d'AAPE, reduint les disparitats de consum estàtic dependent de dades. El circuit, que implementa un algoritme de cerca de body bias de corrent balancejada, és funcional per un elevat rang de temperatures, i en presència de variacions de procé
(Español) La criptografía es la ciencia que estudia cómo conseguir una segura comunicación entre múltiples participantes. Bajo el precepto de que cualquier mensaje transmitido será, en última instancia, interceptado por terceros actores, la criptografía tiene como objetivo que los mensajes interceptados no sean interpretables por éstos. Para ello, la criptografía se ha basado tradicionalmente en funciones que definen mapeados no lineales. En su formalización durante el siglo 20, la seguridad de algoritmos criptográficos se ha fundamentado en la demostración matemática para asegurarse de que, sin la llave secreta utilizada durante el proceso de encriptación, el mensaje original no pudiera recuperarse.
Sin embargo, la implementación física de dispositivos criptográficos, ya sean mecánicos, analógicos o digitales, se encuentran limitados por las leyes de la naturaleza, más allá de sus representaciones matemáticas. Así, estas implementaciones producen vibraciones mecánicas, disipan calor, emiten radiaciones electromagnéticas o consumen potencia de maneras tal que informan sobre su estado interno. Estas magnitudes físicas, conocidas como canales laterales, pueden filtrar información sobre el funcionamiento interno del criptosistema.
De esta manera, los canales laterales son una debilidad explotable de los circuitos criptográficos. En particular, la medición de la potencia consumida de criptosistemas digitales puede bastar para extraer la clave secreta en el corazón del sistema. Estos Análisis de Ataques de Potencia se han tradicionalmente basado en la medición de la potencia dinámica incurrida durante la ejecución. Sin embargo, a medida que los nodos tecnológicos se han ido reduciendo, la potencia estática ha ido porcentualmente incrementando hasta el punto de suponer en sí misma una nueva vulnerabilidad a través de los llamados Análisis de Ataques de Potencia Estática (AAPE). Por ello, contramedidas, circuitos con la finalidad de limitar la efectividad de estos ataques son desarrollados y estudiados.
Al mismo tiempo, nuevas tecnologías de transistor continúan siendo desarrolladas. Entre éstos, los transistores Fully Depleted Silicon-on-Insulator (FDSOI) han demostrado ser altamente efectivos en la reducción de los efectos de canal corto, como son las corrientes estáticas. Dada su estructura, el body bias de estos transistores puede, además, ser modificado dinámicamente.
De esta manera, esta tesis explora la posibilidad de desarrollar contramedidas contra AAPE aprovechando esta propiedad de la tecnología FDSOI. Dado que el body bias altera el voltaje de umbral de los transistores, es posible modificar indirectamente el perfil de consumo estático de elementos digitales que implemente un criptosistema.
Con ello, esta tesis, explorando cómo el body bias afecta las corrientes estáticas de elementos lógicos secuenciales FDSOI, analiza y diseña esquemas de aplicación de body bias que puedan servir de contramedidas. La efectividad de las contramedidas diseñadas es analizada a través de su modelización con parámetros tecnológicos y simulaciones matemáticas de ataques.
La tesis presenta una contramedida como prueba de concepto que dificulta altamente los ataques reduciendo disparidades en potencia consumida basadas en bits procesados. El circuito, que implementa un algoritmo de ecualización de corrientes por búsqueda de body bias, es funcional dentro de un amplio rango de temperaturas, incluso bajo los efectos de variabilidad de procesos.Contributions to the design, development and evaluation of network processors for automotive zonal gateway controllers
http://hdl.handle.net/2117/404067
Contributions to the design, development and evaluation of network processors for automotive zonal gateway controllers
González Mariño, Ángela
(English) This PhD dissertation analyzes the evolution of vehicular networks and focuses on the main network processing platform integrated in them: the Gateway (GW). First, a thorough analysis of state of the art technologies involved in vehicular networks is performed, leading to the definition of the requirements of future network processing platforms. Then, the available options in the
state of the art for network processing, both in industry and academia, are analyzed. This analysis shows a gap in this area: there is currently no architecture fulfilling all the requirements of future automotive GW controllers. Moreover, Hardware (HW) accelerators and custom processor design are identified as a key differentiation factor which boosts the performance of the devices. Linking the result of this analysis with the current trend towards application specific processors, this thesis proposes the novel Elastic Gateway (eGW) System on Chip (SoC) architecture as a high performance network processor for future zonal GW controllers. The proposed architecture aims at fulfilling the identified gap, advancing towards future GW SoC solutions. Elastic Gateway SoC concept aims at synthesizing a scalable and future-proof architecture embracing all new and already established functions and features demanded in a zonal gateway controller for the new era of mobility. The challenge now is not only to design the right processor that can meet the requirements available today, but also to make this design suitable for the future. For this reason, the modularity, flexibility, scalability and configurability of these future processors take, more than ever, a starring role in the early design stages. This thesis is also providing a complete lifecycle methodology for the design and validation of different network processing products based on the proposed eGW SoC architecture.
Throughout this work the architecture is evaluated from a functional perspective, proving how the differefnt technologies required in future vehicular networks are integrated in eGW and how the previously defined requirements are met. Then, a proof of concept is implemented showing the viability of the proposed concept and methodology, providing details of the experimental results. The architecture is also evaluated from a scalability point of view, looking at HW cost and power consumption, proving that eGW is able to provide a high level of performance at a reasonable cost.
Together, the eGW SoC concept and methodology become an alternative that can contribute to overcome the existing challenges, advancing over state of the art solutions.; (Català) Aquesta tesi doctoral analitza l'evolució de les xarxes vehiculars i se centra en la principal plataforma de processament de xarxa integrada: el Gateway (GW). Primer es realitza una anàlisi exhaustiva de les tecnologies capdavanteres involucrades en les
xarxes vehiculars, que porta a la definició dels requisits de les futures plataformes de processament de xarxes. Després, s'analitzen les opcions disponibles a l'estat de l'art per al processament de xarxes, tant a la indústria com al món acadèmic.
Aquesta anàlisi mostra una bretxa en aquesta àrea: actualment no hi ha cap arquitectura que compleixi amb tots els requisits dels futurs controladors GW per a automòbils. A més, els acceleradors de hardware (HW) i el disseny de processadors dedicats s'identifiquen com un factor de diferenciació clau que augmenta el rendiment dels dispositius.
Vinculant el resultat d'aquesta anàlisi amb la tendència actual cap als processadors d'aplicació específica, aquesta tesi proposa una nova arquitectura anomenada Elastic Gateway (eGW) System on Chip (SoC) com a processador de xarxes d'alt rendiment
per als futurs controladors GW. L'arquitectura proposada té com a objectiu cobrir la bretxa identificada i avançar cap a futures solucions GW SoC. El concepte Elastic Gateway SoC té com a objectiu sintetitzar una arquitectura escalable i preparada per al futur que inclogui totes les funcions i característiques noves i ja establertes que s'exigeixen en un controlador \textit{gateway} per a la nova era de la mobilitat.
El desafiament ara no és només dissenyar el processador correcte que pugui complir amb els requisits disponibles actualment, sinó també fer que aquest disseny sigui adequat per al futur. Per això, la modularitat, la flexibilitat, l'escalabilitat i la
configurabilitat d'aquests futurs processadors cobren, més que mai, un paper protagonista en les primeres etapes de disseny. Aquesta tesi també proporciona una metodologia de cicle de vida completa per al disseny i la validació de diferents productes de processament de xarxa basats en larquitectura proposada de eGW SoC.
Al llarg d'aquest treball s'avalua l'arquitectura des d'una perspectiva funcional, demostrant com s'integren a eGW les diferents tecnologies requerides en xarxes vehiculars futures i com es compleixen els requisits definits anteriorment. Per tant,
s'implementa una prova de concepte que mostra la viabilitat del concepte i la metodologia proposada, proporcionant detalls dels resultats experimentals. L'arquitectura també s'avalua des del punt de vista de l'escalabilitat, considerant el cost de recursos HW i el consum d'energia, demostrant que eGW pot proporcionar un nivell alt de rendiment a un cost raonable. Tot plegat, el concepte i la metodologia d'eGW SoC proposen una alternativa que pot contribuir a superar els desafiaments
existents, avançant sobre l'estat de l'art.; (Español) Esta tesis doctoral analiza la evolución de las redes vehiculares y se centra en la principal plataforma de procesamiento de red integrada en ellas: el Gateway (GW). Primero se realiza un análisis exhaustivo de las tecnologías punteras involucradas en las redes vehiculares, que lleva a la definición de los requisitos de las futuras plataformas de procesamiento de redes. A continuación, se analizan las opciones disponibles en el estado del arte para el procesamiento de redes, tanto en la industria
como en el mundo académico. Este análisis muestra una brecha en esta área: actualmente no existe ninguna arquitectura que cumpla con todos los requisitos de los futuros controladores GW para automóviles. Además, los aceleradores de hardware (HW) y el diseño de procesadores dedicados se identifican como un factor de diferenciación clave que aumenta el rendimiento de los dispositivos.
Vinculando el resultado de este análisis con la tendencia actual hacia los procesadores de aplicación específica, esta tesis propone la nueva arquitectura Elastic Gateway (eGW) System on Chip (SoC) como un procesador de redes de alto rendimiento
para los futuros controladores GW. La arquitectura propuesta tiene como objetivo cubrir la brecha identificada, avanzando hacia futuras soluciones GW SoC. El concepto Elastic Gateway SoC tiene como objetivo sintetizar una arquitectura escalable y
preparada para el futuro que abarque todas las funciones y características nuevas y ya establecidas que se exigen en un controlador gateway para la nueva era de la movilidad. El desafío ahora no es solo diseñar el procesador correcto que pueda cumplir con los requisitos disponibles en la actualidad, sino también hacer que este diseño sea adecuado para el futuro. Por ello, la modularidad, flexibilidad, escalabilidad y configurabilidad de estos futuros procesadores cobran, más que nunca, un papel protagonista en las primeras etapas de diseño. Esta tesis también proporciona una metodología de ciclo de vida completa para el diseño y la validación de diferentes productos de procesamiento de red basados en la arquitectura propuesta de eGW SoC. A lo largo de este trabajo se evalúa la arquitectura desde una perspectiva funcional, demostrando cómo se integran en eGW las diferentes tecnologías requeridas en futuras redes vehiculares y cómo se cumplen los requisitos definidos anteriormente. Después, se implementa una prueba de concepto que muestra la viabilidad del concepto y la metodología propuesta, proporcionando detalles de los resultados experimentales. La arquitectura también se evalúa desde el punto de vista de la escalabilidad, considerando el coste de recursos HW y el consumo de energía, demostrando que eGW puede proporcionar un alto nivel de rendimiento a un coste razonable.
En conjunto, el concepto y la metodología de eGW SoC proponen una alternativa que puede contribuir a superar los desafíos existentes, avanzando sobre el estado del arte.
Tesi amb continguts retallats per motius de confidencialitat; Tesi amb menció de Doctorat Internacional i de Doctorat Industrial
2024-03-10T19:32:37ZGonzález Mariño, Ángela(English) This PhD dissertation analyzes the evolution of vehicular networks and focuses on the main network processing platform integrated in them: the Gateway (GW). First, a thorough analysis of state of the art technologies involved in vehicular networks is performed, leading to the definition of the requirements of future network processing platforms. Then, the available options in the
state of the art for network processing, both in industry and academia, are analyzed. This analysis shows a gap in this area: there is currently no architecture fulfilling all the requirements of future automotive GW controllers. Moreover, Hardware (HW) accelerators and custom processor design are identified as a key differentiation factor which boosts the performance of the devices. Linking the result of this analysis with the current trend towards application specific processors, this thesis proposes the novel Elastic Gateway (eGW) System on Chip (SoC) architecture as a high performance network processor for future zonal GW controllers. The proposed architecture aims at fulfilling the identified gap, advancing towards future GW SoC solutions. Elastic Gateway SoC concept aims at synthesizing a scalable and future-proof architecture embracing all new and already established functions and features demanded in a zonal gateway controller for the new era of mobility. The challenge now is not only to design the right processor that can meet the requirements available today, but also to make this design suitable for the future. For this reason, the modularity, flexibility, scalability and configurability of these future processors take, more than ever, a starring role in the early design stages. This thesis is also providing a complete lifecycle methodology for the design and validation of different network processing products based on the proposed eGW SoC architecture.
Throughout this work the architecture is evaluated from a functional perspective, proving how the differefnt technologies required in future vehicular networks are integrated in eGW and how the previously defined requirements are met. Then, a proof of concept is implemented showing the viability of the proposed concept and methodology, providing details of the experimental results. The architecture is also evaluated from a scalability point of view, looking at HW cost and power consumption, proving that eGW is able to provide a high level of performance at a reasonable cost.
Together, the eGW SoC concept and methodology become an alternative that can contribute to overcome the existing challenges, advancing over state of the art solutions.
(Català) Aquesta tesi doctoral analitza l'evolució de les xarxes vehiculars i se centra en la principal plataforma de processament de xarxa integrada: el Gateway (GW). Primer es realitza una anàlisi exhaustiva de les tecnologies capdavanteres involucrades en les
xarxes vehiculars, que porta a la definició dels requisits de les futures plataformes de processament de xarxes. Després, s'analitzen les opcions disponibles a l'estat de l'art per al processament de xarxes, tant a la indústria com al món acadèmic.
Aquesta anàlisi mostra una bretxa en aquesta àrea: actualment no hi ha cap arquitectura que compleixi amb tots els requisits dels futurs controladors GW per a automòbils. A més, els acceleradors de hardware (HW) i el disseny de processadors dedicats s'identifiquen com un factor de diferenciació clau que augmenta el rendiment dels dispositius.
Vinculant el resultat d'aquesta anàlisi amb la tendència actual cap als processadors d'aplicació específica, aquesta tesi proposa una nova arquitectura anomenada Elastic Gateway (eGW) System on Chip (SoC) com a processador de xarxes d'alt rendiment
per als futurs controladors GW. L'arquitectura proposada té com a objectiu cobrir la bretxa identificada i avançar cap a futures solucions GW SoC. El concepte Elastic Gateway SoC té com a objectiu sintetitzar una arquitectura escalable i preparada per al futur que inclogui totes les funcions i característiques noves i ja establertes que s'exigeixen en un controlador \textit{gateway} per a la nova era de la mobilitat.
El desafiament ara no és només dissenyar el processador correcte que pugui complir amb els requisits disponibles actualment, sinó també fer que aquest disseny sigui adequat per al futur. Per això, la modularitat, la flexibilitat, l'escalabilitat i la
configurabilitat d'aquests futurs processadors cobren, més que mai, un paper protagonista en les primeres etapes de disseny. Aquesta tesi també proporciona una metodologia de cicle de vida completa per al disseny i la validació de diferents productes de processament de xarxa basats en larquitectura proposada de eGW SoC.
Al llarg d'aquest treball s'avalua l'arquitectura des d'una perspectiva funcional, demostrant com s'integren a eGW les diferents tecnologies requerides en xarxes vehiculars futures i com es compleixen els requisits definits anteriorment. Per tant,
s'implementa una prova de concepte que mostra la viabilitat del concepte i la metodologia proposada, proporcionant detalls dels resultats experimentals. L'arquitectura també s'avalua des del punt de vista de l'escalabilitat, considerant el cost de recursos HW i el consum d'energia, demostrant que eGW pot proporcionar un nivell alt de rendiment a un cost raonable. Tot plegat, el concepte i la metodologia d'eGW SoC proposen una alternativa que pot contribuir a superar els desafiaments
existents, avançant sobre l'estat de l'art.
(Español) Esta tesis doctoral analiza la evolución de las redes vehiculares y se centra en la principal plataforma de procesamiento de red integrada en ellas: el Gateway (GW). Primero se realiza un análisis exhaustivo de las tecnologías punteras involucradas en las redes vehiculares, que lleva a la definición de los requisitos de las futuras plataformas de procesamiento de redes. A continuación, se analizan las opciones disponibles en el estado del arte para el procesamiento de redes, tanto en la industria
como en el mundo académico. Este análisis muestra una brecha en esta área: actualmente no existe ninguna arquitectura que cumpla con todos los requisitos de los futuros controladores GW para automóviles. Además, los aceleradores de hardware (HW) y el diseño de procesadores dedicados se identifican como un factor de diferenciación clave que aumenta el rendimiento de los dispositivos.
Vinculando el resultado de este análisis con la tendencia actual hacia los procesadores de aplicación específica, esta tesis propone la nueva arquitectura Elastic Gateway (eGW) System on Chip (SoC) como un procesador de redes de alto rendimiento
para los futuros controladores GW. La arquitectura propuesta tiene como objetivo cubrir la brecha identificada, avanzando hacia futuras soluciones GW SoC. El concepto Elastic Gateway SoC tiene como objetivo sintetizar una arquitectura escalable y
preparada para el futuro que abarque todas las funciones y características nuevas y ya establecidas que se exigen en un controlador gateway para la nueva era de la movilidad. El desafío ahora no es solo diseñar el procesador correcto que pueda cumplir con los requisitos disponibles en la actualidad, sino también hacer que este diseño sea adecuado para el futuro. Por ello, la modularidad, flexibilidad, escalabilidad y configurabilidad de estos futuros procesadores cobran, más que nunca, un papel protagonista en las primeras etapas de diseño. Esta tesis también proporciona una metodología de ciclo de vida completa para el diseño y la validación de diferentes productos de procesamiento de red basados en la arquitectura propuesta de eGW SoC. A lo largo de este trabajo se evalúa la arquitectura desde una perspectiva funcional, demostrando cómo se integran en eGW las diferentes tecnologías requeridas en futuras redes vehiculares y cómo se cumplen los requisitos definidos anteriormente. Después, se implementa una prueba de concepto que muestra la viabilidad del concepto y la metodología propuesta, proporcionando detalles de los resultados experimentales. La arquitectura también se evalúa desde el punto de vista de la escalabilidad, considerando el coste de recursos HW y el consumo de energía, demostrando que eGW puede proporcionar un alto nivel de rendimiento a un coste razonable.
En conjunto, el concepto y la metodología de eGW SoC proponen una alternativa que puede contribuir a superar los desafíos existentes, avanzando sobre el estado del arte.Deep learning based methodologies applied to industrial electromechanical systems monitoring
http://hdl.handle.net/2117/403958
Deep learning based methodologies applied to industrial electromechanical systems monitoring
Arellano Espitia, Francisco
(English) In recent years, there has been significant attention from both the academic and industry sectors towards condition-based maintenance of rotating systems. This attention stems from the high relevance of these systems in the industrial sector, particularly in production plants and manufacturing processes. To ensure their high efficiency, safety, and proper performance, it is crucial to have monitoring systems, schemes, and methodologies capable of diagnosing and detecting malfunctions in the various components that comprise the electromechanical rotating system, including electrical motors, bearings, gearboxes, and shafts among others.
However, monitoring schemes face considerable challenges in dealing with the complexity inherent in these systems. This complexity arises from the diverse operational conditions, configurations with multiple components, and the presence of faults of different natures (i.e. mechanical, electrical and/or electromagnetic), occurring in isolated or combined scenarios. In recent times, techniques based on artificial intelligence, particularly artificial neural networks, have gained significant popularity in monitoring schemes. These techniques offer great potential in terms of system characterization and feature extraction, leading to the exploration of methodologies based on them. Furthermore, the advent of deep neural networks, which are multi-layered architectures, represents a significant advancement in the field of pattern recognition.
Nevertheless, the implementation of these schemes in industrial environments continues to present ongoing challenges due to the demanding requirements, such as high reliability, robustness, and scalability, particularly within the context of the new Industry 4.0 paradigm.
In this context, this thesis focuses on the investigation and proposal of a series of complementary methodologies based on deep learning, aiming to enable the implementation of predictive maintenance schemes for the industrial sector. Initially, a data-driven monitoring methodology based on deep learning is proposed for fault diagnosis in complex electromechanical system environments. Subsequently, a methodological process for anomaly identification, comprising deep learning strategies and machine learning tools, is presented. Finally, an intelligent diagnostic model utilizing domain adaptation techniques is proposed, resulting in the creation of a scalable model with the ability to generalize to fault scenarios under different operating conditions and address the issue of performance degradation.
The proposed methodologies are studied and validated using experimental databases of electromechanical systems laboratory based. Quantifiable performance metrics and qualitative validation procedures are employed for rigorous evaluation and validation purposes.; (Español) En los últimos años, el campo de mantenimiento basado en la condición de los sistemas rotativos ha recibido atención tanto del sector académico como de la industria. Esto se debe a la gran relevancia de estos sistemas en el sector industrial, especialmente para los procesos de producción y manufactura. Para garantizar la alta eficiencia, seguridad y correcto desempeño de los diferentes componentes que pueden formar un sistema rotativo, tales como motores, rodamientos, cajas de engranes y ejes, es fundamental contar con sistemas de monitoreo, esquemas y metodologías con la capacidad de diagnosticar y detectar mal funcionamientos de las mismas.
Sin embargo, los esquemas de monitoreo presentan grandes desafíos al tratar con la complejidad de estos sistemas, que implica un ambiente de trabajo sujeto a diferentes condiciones de operación, configuraciones con múltiples componentes y la presencia de fallas de diferente naturaleza, es decir, mecánicas, eléctricas, electromagnéticas, bajo condiciones aisladas o escenarios combinados. Recientemente, las técnicas basadas en inteligencia artificial se han utilizado ampliamente en esquemas de monitoreo, especialmente las redes neuronales artificiales. Debido a su gran capacidad de caracterización y de extracción de características, se ha hecho un esfuerzo por estudiar metodologías basadas en estas técnicas. Además, las arquitecturas multicapa, conocidas como redes neuronales profundas, representan un avance considerable en el campo del reconocimiento de patrones.
Sin embargo, la implantación de estos esquemas en entornos industriales aún presenta un desafío continúo debido a los requerimientos, como la alta confiabilidad, robustez y escalabilidad que deben cumplirse, especialmente en el nuevo paradigma de Industria 4.0.
En este sentido, esta tesis consiste en la investigación y propuesta de una serie de metodologías complementarias basadas en aprendizaje profundo que conducen a la implementación de esquemas de mantenimiento predictivo para el sector industrial. Inicialmente, se propone una metodología de monitoreo de datos basada en aprendizaje profundo para el diagnóstico de fallas para entornos de sistemas electromecánicos complejos. A continuación, se propone un proceso metodológico para la identificación de anomalías compuesto por estrategias de aprendizaje profundo y herramientas de aprendizaje automático. Finalmente, se propone un modelo de diagnóstico inteligente utilizando herramientas basadas en la adaptación de dominio contradictorio. Esto conduce a la creación de un modelo escalable con la capacidad de diagnosticar de manera general, escenarios de fallas bajo diferentes condiciones de operación y resolver el problema de degradación de rendimiento.
El estudio y la validación de las metodologías propuestas se han llevado a cabo mediante bases de datos experimentales de sistemas electromecánicos producidos en laboratorio. Se implementaron métricas de rendimiento cuantificables y también procedimientos de validación cualitativa.
2024-03-07T19:32:00ZArellano Espitia, Francisco(English) In recent years, there has been significant attention from both the academic and industry sectors towards condition-based maintenance of rotating systems. This attention stems from the high relevance of these systems in the industrial sector, particularly in production plants and manufacturing processes. To ensure their high efficiency, safety, and proper performance, it is crucial to have monitoring systems, schemes, and methodologies capable of diagnosing and detecting malfunctions in the various components that comprise the electromechanical rotating system, including electrical motors, bearings, gearboxes, and shafts among others.
However, monitoring schemes face considerable challenges in dealing with the complexity inherent in these systems. This complexity arises from the diverse operational conditions, configurations with multiple components, and the presence of faults of different natures (i.e. mechanical, electrical and/or electromagnetic), occurring in isolated or combined scenarios. In recent times, techniques based on artificial intelligence, particularly artificial neural networks, have gained significant popularity in monitoring schemes. These techniques offer great potential in terms of system characterization and feature extraction, leading to the exploration of methodologies based on them. Furthermore, the advent of deep neural networks, which are multi-layered architectures, represents a significant advancement in the field of pattern recognition.
Nevertheless, the implementation of these schemes in industrial environments continues to present ongoing challenges due to the demanding requirements, such as high reliability, robustness, and scalability, particularly within the context of the new Industry 4.0 paradigm.
In this context, this thesis focuses on the investigation and proposal of a series of complementary methodologies based on deep learning, aiming to enable the implementation of predictive maintenance schemes for the industrial sector. Initially, a data-driven monitoring methodology based on deep learning is proposed for fault diagnosis in complex electromechanical system environments. Subsequently, a methodological process for anomaly identification, comprising deep learning strategies and machine learning tools, is presented. Finally, an intelligent diagnostic model utilizing domain adaptation techniques is proposed, resulting in the creation of a scalable model with the ability to generalize to fault scenarios under different operating conditions and address the issue of performance degradation.
The proposed methodologies are studied and validated using experimental databases of electromechanical systems laboratory based. Quantifiable performance metrics and qualitative validation procedures are employed for rigorous evaluation and validation purposes.
(Español) En los últimos años, el campo de mantenimiento basado en la condición de los sistemas rotativos ha recibido atención tanto del sector académico como de la industria. Esto se debe a la gran relevancia de estos sistemas en el sector industrial, especialmente para los procesos de producción y manufactura. Para garantizar la alta eficiencia, seguridad y correcto desempeño de los diferentes componentes que pueden formar un sistema rotativo, tales como motores, rodamientos, cajas de engranes y ejes, es fundamental contar con sistemas de monitoreo, esquemas y metodologías con la capacidad de diagnosticar y detectar mal funcionamientos de las mismas.
Sin embargo, los esquemas de monitoreo presentan grandes desafíos al tratar con la complejidad de estos sistemas, que implica un ambiente de trabajo sujeto a diferentes condiciones de operación, configuraciones con múltiples componentes y la presencia de fallas de diferente naturaleza, es decir, mecánicas, eléctricas, electromagnéticas, bajo condiciones aisladas o escenarios combinados. Recientemente, las técnicas basadas en inteligencia artificial se han utilizado ampliamente en esquemas de monitoreo, especialmente las redes neuronales artificiales. Debido a su gran capacidad de caracterización y de extracción de características, se ha hecho un esfuerzo por estudiar metodologías basadas en estas técnicas. Además, las arquitecturas multicapa, conocidas como redes neuronales profundas, representan un avance considerable en el campo del reconocimiento de patrones.
Sin embargo, la implantación de estos esquemas en entornos industriales aún presenta un desafío continúo debido a los requerimientos, como la alta confiabilidad, robustez y escalabilidad que deben cumplirse, especialmente en el nuevo paradigma de Industria 4.0.
En este sentido, esta tesis consiste en la investigación y propuesta de una serie de metodologías complementarias basadas en aprendizaje profundo que conducen a la implementación de esquemas de mantenimiento predictivo para el sector industrial. Inicialmente, se propone una metodología de monitoreo de datos basada en aprendizaje profundo para el diagnóstico de fallas para entornos de sistemas electromecánicos complejos. A continuación, se propone un proceso metodológico para la identificación de anomalías compuesto por estrategias de aprendizaje profundo y herramientas de aprendizaje automático. Finalmente, se propone un modelo de diagnóstico inteligente utilizando herramientas basadas en la adaptación de dominio contradictorio. Esto conduce a la creación de un modelo escalable con la capacidad de diagnosticar de manera general, escenarios de fallas bajo diferentes condiciones de operación y resolver el problema de degradación de rendimiento.
El estudio y la validación de las metodologías propuestas se han llevado a cabo mediante bases de datos experimentales de sistemas electromecánicos producidos en laboratorio. Se implementaron métricas de rendimiento cuantificables y también procedimientos de validación cualitativa.Design and multiparameter optimization of a multiphase SiC converter with operation under faults applied to an electric traction system
http://hdl.handle.net/2117/402845
Design and multiparameter optimization of a multiphase SiC converter with operation under faults applied to an electric traction system
Acosta Cambranis, Fernando Geovany
(English) Greater interest in multiphase electrical systems has led to their increased use in electric traction, renewable energy generation, energy transmission, and various industrial applications. This growing interest arises from the advantages that multiphase electrical systems have over conventional three-phase systems, among which are lower current requirements per phase, more degrees of freedom, improved fault tolerance, and greater reliability. This thesis addresses the design and operation of a five-phase two-level voltage source inverter (VSI) based on wide-bandgap semiconductors. Wide-bandgap semiconductors like silicon carbide allow improving VSI power density and efficiency when designing converters. The main objective of this thesis is to develop new modulation techniques that work with wide-bandgap semiconductors operating at high frequencies. The proposed modulation techniques take into account diverse performances, such as the semiconductor converter’s power losses, the output voltage waveform quality, the common-mode voltage waveform, and the generation of conducted electromagnetic interferences. Furthermore, the VSI will rely on an additional leg for fault tolerance applications. The present thesis proposal makes the following four contributions: First, this thesis proposes two new sigma-delta modulation techniques for a fivephase two-level VSI (5PΣΔ-1 and 5PΣΔ-2). The 5PΣΔ-1 modulation technique applies the same voltage vectors as the conventional five-phase SVM techniques, while the 5PΣΔ-2 technique uses all the available voltage vectors. The converter’s performance under these modulation techniques is studied, evaluated, and compared with those obtained using conventional five-phase modulation techniques. This comparison considers the output voltage harmonic distortion, converter efficiency, generated electromagnetic interferences, and common-mode voltage (CMV). In addition, the effects of using small voltage vectors in the proposed modulation techniques (5PΣΔ-2) are evaluated. Second, this thesis presents a group of five-phase sigma-delta modulation techniques designed to mitigate CMV effects: the five-phase sigma-delta common-mode voltage reduction (5PΣΔ-CMVR) modulations. These modulation techniques utilize a set of voltage vectors that reduce the CMV peak-to-peak amplitude by 80%. Furthermore, the number of CMV level transitions during a switching frequency period is decreased, thereby improving the electromagnetic compatibility. The performances of these modulation techniques are compared with those obtained by other modulation techniques that achieved the same CMV peak-to-peak amplitude reduction. In addition, the electromagnetic distortion is reduced without compromising the converter’s performance and its harmonic distortion. Third, this thesis proposes a group of five-phase sigma-delta modulation techniques specially designed to generate a constant CMV: the five-phase sigma-delta constant common-mode voltage (5PΣΔ-CCMV) modulations. These modulation techniques implement a set of voltage vectors that produce the same CMV value, thus eliminating the CMV level transitions and improving the converter’s electromagnetic performance. This performance is achieved without affecting the converter’s efficiency and harmonic distortion. Finally, this thesis proposes a five-phase six-leg modulation techniques for CMV reduction and fault tolerance based on sigma-delta modulators (3D5PΣΔ). Leg six of the converter is connected to the load neutral point, if accessible, or through LC filters connected to the rest of the VSI phases. This proposed modulation technique allows a decrease of the CMV amplitude (3D5PΣΔ-RCMV) or makes it zero (3D5PΣΔ-ZCMV). Also, this proposed modulation strategis can be used, in motor applications, as fault tolerance strategies for one open-phase fault. With this strategy, the current phasors return to their original position. The main advantage of the proposed modulation algorithm is its easy implementation. Whereas other fault tolerance modulation strategies use complex duty cycle equations and different sets of vectors to select the proper voltage vector, using sigma-delta modulators in the proposed fault tolerance modulation strategy simplifies this choice.; (Español) El creciente interés por los sistemas eléctricos multifásicos ha hecho que se utilicen cada vez más en la tracción eléctrica, la generación de energías renovables, la transmisión de energía y diversas aplicaciones industriales. Este creciente interés surge de las ventajas que los sistemas eléctricos multifásicos tienen sobre los sistemas trifásicos convencionales, entre las que se encuentran menores requerimientos de corriente por fase, más grados de libertad, mejor tolerancia a fallos y mayor fiabilidad. Esta tesis aborda el diseño y funcionamiento de un inversor de fuente de tensión (VSI) de dos niveles y cinco fases basado en semiconductores de amplio ancho de banda. Los semiconductores de amplio ancho de banda, como el carburo de silicio, permiten mejorar la densidad de potencia y la eficiencia en los diseños de VSI. El objetivo principal de esta tesis es desarrollar nuevas técnicas de modulación que funcionen con semiconductores de amplio ancho de banda operando a altas frecuencias. Las técnicas de modulación propuestas tienen en cuenta diversos desempeños, como las pérdidas de potencia en los semiconductores del convertidor, la calidad de la forma de onda de la tensión salida, la forma de onda de tensión en modo común y la generación de interferencias electromagnéticas conducidas. Además, el VSI contará con una rama adicional para aplicaciones de tolerancia a fallos. La presente propuesta de tesis presenta las siguientes cuatro contribuciones: En primer lugar, esta tesis propone dos nuevas técnicas de modulación sigmadelta para un VSI de cinco fases y dos niveles (5PΣΔ-1 y 5PΣΔ-2). La técnica de modulación 5PΣΔ-1 aplica los mismos vectores de tensión que las técnicas SVM de cinco fases convencionales, mientras que la técnica 5PΣΔ-2 utiliza todos los vectores de tensión disponibles. Se estudian, evalúan y comparan el desempeño del convertidor bajo estas técnicas de modulación con el obtenido mediante el uso de técnicas de modulación convencionales para cinco fases. Esta comparación tiene en cuenta la distorsión armónica de la tensión de salida, la eficiencia del convertidor, las interferencias electromagnéticas generadas y la tensión en modo común (CMV). Además, se evalúan los efectos de utilizar vectores de tensión pequeños en las técnicas de modulación propuestas (5PΣΔ-2). En segundo lugar, esta tesis presenta un grupo de técnicas de modulación sigmadelta de cinco fases diseñadas para mitigar los efectos del CMV: las modulaciones sigma-delta de reducción de tensión en modo común de cinco fases (5PΣΔ-CMVR). Estas técnicas de modulación utilizan un conjunto de vectores de tensión que reducen la amplitud pico a pico del CMV en un 80%. Además, se reduce el número de transiciones de nivel CMV durante un periodo de la frecuencia de conmutación, mejorando así la compatibilidad electromagnética. Las prestaciones de estas técnicas de modulación se comparan con las obtenidas por otras técnicas de modulación que consiguen la misma reducción de la amplitud pico a pico del CMV. Además, se reduce la distorsión electromagnética sin comprometer el rendimiento del convertidor ni su distorsión armónica. En tercer lugar, esta tesis propone un grupo de técnicas de modulación sigmadelta de cinco fases especialmente diseñadas para generar una CMV constante: las modulaciones sigma-delta de tensión en modo común constante de cinco fases (5PΣΔ-CCMV). Estas técnicas de modulación implementan un conjunto de vectores de tensión que producen el mismo valor de CMV, eliminando así las transiciones de nivel de CMV y mejorando el rendimiento electromagnético del convertidor. Este rendimiento se consigue sin afectar a la eficiencia del convertidor ni a la distorsión armónica. Por último, esta tesis propone una técnica de modulación de cinco fases y seis ramas para la reducción del CMV y tolerancia a fallos basada en moduladores sigma-delta (3D5PΣΔ). La rama seis del convertidor se conecta al punto neutro de la carga, si es accesible, o a través de filtros LC conectados al resto de fases del VSI. Esta técnica de modulación propuesta permite disminuir la amplitud de la CMV (3D5PΣΔ-RCMV) o hacerla nula (3D5PΣΔ-ZCMV). Además, esta estrategia de modulación propuesta puede utilizarse, en aplicaciones de motores, como estrategia para tolerancia a fallos de una fase abierta. Con esta estrategia, los fasores de corriente vuelven a su posición original. La principal ventaja del algoritmo de modulación propuesto es su fácil implementación. Mientras que otras estrategias de modulación de tolerancia a fallos utilizan complejas ecuaciones de ciclo de trabajo y diferentes conjuntos de vectores para seleccionar el vector de tensión adecuado, el uso de moduladores sigma-delta en la estrategia de modulación de tolerancia a fallos propuesta hace mas simple esta elección.
2024-02-22T19:33:24ZAcosta Cambranis, Fernando Geovany(English) Greater interest in multiphase electrical systems has led to their increased use in electric traction, renewable energy generation, energy transmission, and various industrial applications. This growing interest arises from the advantages that multiphase electrical systems have over conventional three-phase systems, among which are lower current requirements per phase, more degrees of freedom, improved fault tolerance, and greater reliability. This thesis addresses the design and operation of a five-phase two-level voltage source inverter (VSI) based on wide-bandgap semiconductors. Wide-bandgap semiconductors like silicon carbide allow improving VSI power density and efficiency when designing converters. The main objective of this thesis is to develop new modulation techniques that work with wide-bandgap semiconductors operating at high frequencies. The proposed modulation techniques take into account diverse performances, such as the semiconductor converter’s power losses, the output voltage waveform quality, the common-mode voltage waveform, and the generation of conducted electromagnetic interferences. Furthermore, the VSI will rely on an additional leg for fault tolerance applications. The present thesis proposal makes the following four contributions: First, this thesis proposes two new sigma-delta modulation techniques for a fivephase two-level VSI (5PΣΔ-1 and 5PΣΔ-2). The 5PΣΔ-1 modulation technique applies the same voltage vectors as the conventional five-phase SVM techniques, while the 5PΣΔ-2 technique uses all the available voltage vectors. The converter’s performance under these modulation techniques is studied, evaluated, and compared with those obtained using conventional five-phase modulation techniques. This comparison considers the output voltage harmonic distortion, converter efficiency, generated electromagnetic interferences, and common-mode voltage (CMV). In addition, the effects of using small voltage vectors in the proposed modulation techniques (5PΣΔ-2) are evaluated. Second, this thesis presents a group of five-phase sigma-delta modulation techniques designed to mitigate CMV effects: the five-phase sigma-delta common-mode voltage reduction (5PΣΔ-CMVR) modulations. These modulation techniques utilize a set of voltage vectors that reduce the CMV peak-to-peak amplitude by 80%. Furthermore, the number of CMV level transitions during a switching frequency period is decreased, thereby improving the electromagnetic compatibility. The performances of these modulation techniques are compared with those obtained by other modulation techniques that achieved the same CMV peak-to-peak amplitude reduction. In addition, the electromagnetic distortion is reduced without compromising the converter’s performance and its harmonic distortion. Third, this thesis proposes a group of five-phase sigma-delta modulation techniques specially designed to generate a constant CMV: the five-phase sigma-delta constant common-mode voltage (5PΣΔ-CCMV) modulations. These modulation techniques implement a set of voltage vectors that produce the same CMV value, thus eliminating the CMV level transitions and improving the converter’s electromagnetic performance. This performance is achieved without affecting the converter’s efficiency and harmonic distortion. Finally, this thesis proposes a five-phase six-leg modulation techniques for CMV reduction and fault tolerance based on sigma-delta modulators (3D5PΣΔ). Leg six of the converter is connected to the load neutral point, if accessible, or through LC filters connected to the rest of the VSI phases. This proposed modulation technique allows a decrease of the CMV amplitude (3D5PΣΔ-RCMV) or makes it zero (3D5PΣΔ-ZCMV). Also, this proposed modulation strategis can be used, in motor applications, as fault tolerance strategies for one open-phase fault. With this strategy, the current phasors return to their original position. The main advantage of the proposed modulation algorithm is its easy implementation. Whereas other fault tolerance modulation strategies use complex duty cycle equations and different sets of vectors to select the proper voltage vector, using sigma-delta modulators in the proposed fault tolerance modulation strategy simplifies this choice.
(Español) El creciente interés por los sistemas eléctricos multifásicos ha hecho que se utilicen cada vez más en la tracción eléctrica, la generación de energías renovables, la transmisión de energía y diversas aplicaciones industriales. Este creciente interés surge de las ventajas que los sistemas eléctricos multifásicos tienen sobre los sistemas trifásicos convencionales, entre las que se encuentran menores requerimientos de corriente por fase, más grados de libertad, mejor tolerancia a fallos y mayor fiabilidad. Esta tesis aborda el diseño y funcionamiento de un inversor de fuente de tensión (VSI) de dos niveles y cinco fases basado en semiconductores de amplio ancho de banda. Los semiconductores de amplio ancho de banda, como el carburo de silicio, permiten mejorar la densidad de potencia y la eficiencia en los diseños de VSI. El objetivo principal de esta tesis es desarrollar nuevas técnicas de modulación que funcionen con semiconductores de amplio ancho de banda operando a altas frecuencias. Las técnicas de modulación propuestas tienen en cuenta diversos desempeños, como las pérdidas de potencia en los semiconductores del convertidor, la calidad de la forma de onda de la tensión salida, la forma de onda de tensión en modo común y la generación de interferencias electromagnéticas conducidas. Además, el VSI contará con una rama adicional para aplicaciones de tolerancia a fallos. La presente propuesta de tesis presenta las siguientes cuatro contribuciones: En primer lugar, esta tesis propone dos nuevas técnicas de modulación sigmadelta para un VSI de cinco fases y dos niveles (5PΣΔ-1 y 5PΣΔ-2). La técnica de modulación 5PΣΔ-1 aplica los mismos vectores de tensión que las técnicas SVM de cinco fases convencionales, mientras que la técnica 5PΣΔ-2 utiliza todos los vectores de tensión disponibles. Se estudian, evalúan y comparan el desempeño del convertidor bajo estas técnicas de modulación con el obtenido mediante el uso de técnicas de modulación convencionales para cinco fases. Esta comparación tiene en cuenta la distorsión armónica de la tensión de salida, la eficiencia del convertidor, las interferencias electromagnéticas generadas y la tensión en modo común (CMV). Además, se evalúan los efectos de utilizar vectores de tensión pequeños en las técnicas de modulación propuestas (5PΣΔ-2). En segundo lugar, esta tesis presenta un grupo de técnicas de modulación sigmadelta de cinco fases diseñadas para mitigar los efectos del CMV: las modulaciones sigma-delta de reducción de tensión en modo común de cinco fases (5PΣΔ-CMVR). Estas técnicas de modulación utilizan un conjunto de vectores de tensión que reducen la amplitud pico a pico del CMV en un 80%. Además, se reduce el número de transiciones de nivel CMV durante un periodo de la frecuencia de conmutación, mejorando así la compatibilidad electromagnética. Las prestaciones de estas técnicas de modulación se comparan con las obtenidas por otras técnicas de modulación que consiguen la misma reducción de la amplitud pico a pico del CMV. Además, se reduce la distorsión electromagnética sin comprometer el rendimiento del convertidor ni su distorsión armónica. En tercer lugar, esta tesis propone un grupo de técnicas de modulación sigmadelta de cinco fases especialmente diseñadas para generar una CMV constante: las modulaciones sigma-delta de tensión en modo común constante de cinco fases (5PΣΔ-CCMV). Estas técnicas de modulación implementan un conjunto de vectores de tensión que producen el mismo valor de CMV, eliminando así las transiciones de nivel de CMV y mejorando el rendimiento electromagnético del convertidor. Este rendimiento se consigue sin afectar a la eficiencia del convertidor ni a la distorsión armónica. Por último, esta tesis propone una técnica de modulación de cinco fases y seis ramas para la reducción del CMV y tolerancia a fallos basada en moduladores sigma-delta (3D5PΣΔ). La rama seis del convertidor se conecta al punto neutro de la carga, si es accesible, o a través de filtros LC conectados al resto de fases del VSI. Esta técnica de modulación propuesta permite disminuir la amplitud de la CMV (3D5PΣΔ-RCMV) o hacerla nula (3D5PΣΔ-ZCMV). Además, esta estrategia de modulación propuesta puede utilizarse, en aplicaciones de motores, como estrategia para tolerancia a fallos de una fase abierta. Con esta estrategia, los fasores de corriente vuelven a su posición original. La principal ventaja del algoritmo de modulación propuesto es su fácil implementación. Mientras que otras estrategias de modulación de tolerancia a fallos utilizan complejas ecuaciones de ciclo de trabajo y diferentes conjuntos de vectores para seleccionar el vector de tensión adecuado, el uso de moduladores sigma-delta en la estrategia de modulación de tolerancia a fallos propuesta hace mas simple esta elección.Una nueva perspectiva del modelado y control de microrredes eléctricas y convertidores de potencia
http://hdl.handle.net/2117/402163
Una nueva perspectiva del modelado y control de microrredes eléctricas y convertidores de potencia
Alfaro Aragón, Carlos Arturo
(English) This doctoral thesis focuses on the modeling and control of electrical microgrids and triphasic converters. The starting points of this research work are based on previous work on modeling electrical microgrids working in isolated mode, and on the theoretical basis of control based on the slope method, widely studied in electrical microgrids. In addition, this work is based
on previous work on predictive control applied to three-phase converters, and on the theoretical bases of this type of control widely used in Power Electronics. The main contribution of this doctoral thesis is the deduction of a large-signal mathematical
model that describes the dynamics of the active and reactive powers that flow through converters connected in the microgrid.
This proposal will make it possible to obtain new control techniques for three-phase converters connected in microgrids, such
as model-based predictive control, for example. It should be noted that the use of this model can be used as a tool to deduce
the global stability of the microgrid. The systems treated in this thesis are a three-phase rectifier with a unity power factor and
a three-phase microgrid composed of five three-phase inverters.; (Español) Esta tesis doctoral se enfoca en el modelado y control de microrredes el éctricas y convertidores trifásicos. Los puntos de partida de este trabajo de investigación se basan en trabajos previos de modelado de microrredes el éctricas trabajando en
modo aislado, y en la base teórica del control basado en el método de la pendiente, ampliamente estudiado en microrredes eléctricas. Además, este trabajo tiene como base trabajos previos de control predictivo aplicado a convertidores trifásicos, y
en las bases teóricas de este tipo de control ampliamente utilizado en la Electrónica de Potencia. La principal aportación de esta tesis doctoral es la deducción de un modelo matemático en gran señal que describe las dinámicas de las potencias
activa y reactiva que fluyen a través convertidores conectados en la microrred. Esta propuesta permitirá obtener nuevas técnicas de control de convertidores trifásicos conectados en microrredes, como, por ejemplo, control predictivo basado en
modelo. Cabe destacar que el uso de este modelo puede ser utilizado como herramienta para la deducci ón de la estabilidad global de la microrred. Los sistemas tratados en esta tesis son un rectificador trifásico con factor de potencia
unitario y una microrred trifásica compuesta por cinco inversores trifásicos.
Tesi en modalitat de compendi de publicacions, amb continguts retallats per drets de l'editor
2024-02-19T08:56:41ZAlfaro Aragón, Carlos Arturo(English) This doctoral thesis focuses on the modeling and control of electrical microgrids and triphasic converters. The starting points of this research work are based on previous work on modeling electrical microgrids working in isolated mode, and on the theoretical basis of control based on the slope method, widely studied in electrical microgrids. In addition, this work is based
on previous work on predictive control applied to three-phase converters, and on the theoretical bases of this type of control widely used in Power Electronics. The main contribution of this doctoral thesis is the deduction of a large-signal mathematical
model that describes the dynamics of the active and reactive powers that flow through converters connected in the microgrid.
This proposal will make it possible to obtain new control techniques for three-phase converters connected in microgrids, such
as model-based predictive control, for example. It should be noted that the use of this model can be used as a tool to deduce
the global stability of the microgrid. The systems treated in this thesis are a three-phase rectifier with a unity power factor and
a three-phase microgrid composed of five three-phase inverters.
(Español) Esta tesis doctoral se enfoca en el modelado y control de microrredes el éctricas y convertidores trifásicos. Los puntos de partida de este trabajo de investigación se basan en trabajos previos de modelado de microrredes el éctricas trabajando en
modo aislado, y en la base teórica del control basado en el método de la pendiente, ampliamente estudiado en microrredes eléctricas. Además, este trabajo tiene como base trabajos previos de control predictivo aplicado a convertidores trifásicos, y
en las bases teóricas de este tipo de control ampliamente utilizado en la Electrónica de Potencia. La principal aportación de esta tesis doctoral es la deducción de un modelo matemático en gran señal que describe las dinámicas de las potencias
activa y reactiva que fluyen a través convertidores conectados en la microrred. Esta propuesta permitirá obtener nuevas técnicas de control de convertidores trifásicos conectados en microrredes, como, por ejemplo, control predictivo basado en
modelo. Cabe destacar que el uso de este modelo puede ser utilizado como herramienta para la deducci ón de la estabilidad global de la microrred. Los sistemas tratados en esta tesis son un rectificador trifásico con factor de potencia
unitario y una microrred trifásica compuesta por cinco inversores trifásicos.Intelligent secondary control for energy management in a micro-grid by using multi-agent system
http://hdl.handle.net/2117/402147
Intelligent secondary control for energy management in a micro-grid by using multi-agent system
Selseleh Jonban, Mansour
(English) Nowadays, distributed energy resources are widely used to supply demand in micro grids especially in green buildings. These resources are usually connected by using power electronic converters, which act as actuators, to the system and make it possible to inject desired active and reactive power, as determined by smart controllers. The overall performance of a converter in such system depends on the stability and robustness of the control techniques. This thesis presents two bottomup smart control approaches to manage energy in DC microgrids (MG) that split the demand among several generators. Firstly, an energy management system (EMS) based on multi-agent system (MAS) controllers is developed to manage energy, control the '.<lltage and create balance between supply and demand in the system with the aim of supporting the reliability charactenstic. In the proposed approach, a reconfigured hierarchical algorithm is implemented to control interaction of agents, where a CAN bus is used to provide communication among them. This framework has the ability to control system, even if a failure appears into decision unit
The second research approach presents an energy management system based on multi-agent system under the supervision of a smart contract with a bottom-up approach for a grid connected DC micro-grid that is equipped with solar photovoltaic panels (PV), wind turbine (WT) and micro-turbine (MT) and energy storage (BES). In the presented approach, each unit controls and manages through a distributed decision structure. The BES agent is managed by an intelligent structure based on a reinforcement learning model. Since charging and discharging the battery is a stepwise process, in this research, a Markov decision process is trained by using a Q-learning algorithm. The rest of the agents are controlled and managed by heuristic algorithms. To create interaction and coordination among agents, a tendering process is used wherein each agent under its supervised control structure presents its offer to the tendered item at each time period The tendering organization allocates the requested power through first price sealed-bid algorithm between bidders to optimize energy cost in the MG.
The two proposed approaches present online intelligent systems that can guarantee fault-tolerance, stability and reliability in the MG especially in green houses and smart cities, respectively.
Various scientific papers have been published or are currently under review that can validate the achieved objectives and guarantee the quality of the thesis.; (Español) Hoy en día, los recursos energéticos distribuidos se utilizan ampliamente para satisfacer la demanda en microrredes, especialmente en edificios ecológicos. Estos recursos suelen conectarse mediante convertidores electrónicos de potencia, que actuan como actuadores, al sistema, y permiten inyectar la potencia activa y reactiva deseada, según lo determinen los controladores inteligentes. La operación y el rendimiento general de un convertidor en dicho sistema depende de la estabilidad y robustez de las técnicas de control. Esta tesis presenta dos enfoques de control inteligente de abajo hacia arriba para gestionar la energía en microrredes de CC que dividen la demanda entre varios generadores. En primer lugar, se desarrolla un sistema de gestión de energla (EMS) basado en controladores de sistema multiagente (MAS) para gestionar la energía, controlar el voltaje y crear un equilibrio entre la oferta y la demanda en el sistema con el objetivo de respaldar la característica de confiabilidad. En el enfoque propuesto, se implementa un algoritmo jerárquico reconfigurado para controlar la interacción de los agentes, donde se utiliza un bus CAN para establecer la comunicación entre ellos. Este marco de operación tiene la capacidad de controlar el sistema, incluso si aparece una falla en la unidad de decisión.
El segundo enfoque de inwstigación presenta un sistema de gestión de energía basado en un sistema multiagente bajo la supervisión de un contrato inteligente con un enfoque de abajo hacia arriba para una microrred de CC conectada a la red que está equipada con paneles solares fotovoltaicos (PV), turbina eólica ( WT) y micro-turbina (MT) y almacenamiento de energía (BES). En el enfoque presentado, cada unidad controla y gestiona su operación a través de una estructura de decisión distribuida. El agente BES esta gestionado por una estructura inteligente basada en un modelo de aprendizaje por refuerzo. Dado que cargar y descargar la batería es un proceso gradual, en esta inwstigación se entrena un proceso de decisión de Markov mediante el uso de un algoritrno Q-leaming. El resto de agentes son controlados y gestionados por algoritrnos heurísticos. Para crear interacción y coordinación entre los agentes, se utiliza un proceso de licitación en el que cada agente bajo la estructura de control supervisado presenta su oferta al artículo licitado en cada período de tiempo. La organización licitadora asigna la potencia solicitada a través del algoritmo de oferta en sobre cerrado de primer precio entre los licitadores para optimizar el costo de la energía en la microrred.
Los dos enfoques propuestos presentan sistemas inteligentes en Iínea que pueden garantizar tolerancia a fallas, estabilidad y confiabilidad en la microrred, especialmente para edificios sostenibles y ciudades inteligentes, respectivamente.
Se han publicado o se encuentran en proceso de revisión diversos trabajos cientlficos que demuestran y validan los obietivos alcanzados v garantizan la calidad de la tesis.
2024-02-19T08:54:09ZSelseleh Jonban, Mansour(English) Nowadays, distributed energy resources are widely used to supply demand in micro grids especially in green buildings. These resources are usually connected by using power electronic converters, which act as actuators, to the system and make it possible to inject desired active and reactive power, as determined by smart controllers. The overall performance of a converter in such system depends on the stability and robustness of the control techniques. This thesis presents two bottomup smart control approaches to manage energy in DC microgrids (MG) that split the demand among several generators. Firstly, an energy management system (EMS) based on multi-agent system (MAS) controllers is developed to manage energy, control the '.<lltage and create balance between supply and demand in the system with the aim of supporting the reliability charactenstic. In the proposed approach, a reconfigured hierarchical algorithm is implemented to control interaction of agents, where a CAN bus is used to provide communication among them. This framework has the ability to control system, even if a failure appears into decision unit
The second research approach presents an energy management system based on multi-agent system under the supervision of a smart contract with a bottom-up approach for a grid connected DC micro-grid that is equipped with solar photovoltaic panels (PV), wind turbine (WT) and micro-turbine (MT) and energy storage (BES). In the presented approach, each unit controls and manages through a distributed decision structure. The BES agent is managed by an intelligent structure based on a reinforcement learning model. Since charging and discharging the battery is a stepwise process, in this research, a Markov decision process is trained by using a Q-learning algorithm. The rest of the agents are controlled and managed by heuristic algorithms. To create interaction and coordination among agents, a tendering process is used wherein each agent under its supervised control structure presents its offer to the tendered item at each time period The tendering organization allocates the requested power through first price sealed-bid algorithm between bidders to optimize energy cost in the MG.
The two proposed approaches present online intelligent systems that can guarantee fault-tolerance, stability and reliability in the MG especially in green houses and smart cities, respectively.
Various scientific papers have been published or are currently under review that can validate the achieved objectives and guarantee the quality of the thesis.
(Español) Hoy en día, los recursos energéticos distribuidos se utilizan ampliamente para satisfacer la demanda en microrredes, especialmente en edificios ecológicos. Estos recursos suelen conectarse mediante convertidores electrónicos de potencia, que actuan como actuadores, al sistema, y permiten inyectar la potencia activa y reactiva deseada, según lo determinen los controladores inteligentes. La operación y el rendimiento general de un convertidor en dicho sistema depende de la estabilidad y robustez de las técnicas de control. Esta tesis presenta dos enfoques de control inteligente de abajo hacia arriba para gestionar la energía en microrredes de CC que dividen la demanda entre varios generadores. En primer lugar, se desarrolla un sistema de gestión de energla (EMS) basado en controladores de sistema multiagente (MAS) para gestionar la energía, controlar el voltaje y crear un equilibrio entre la oferta y la demanda en el sistema con el objetivo de respaldar la característica de confiabilidad. En el enfoque propuesto, se implementa un algoritmo jerárquico reconfigurado para controlar la interacción de los agentes, donde se utiliza un bus CAN para establecer la comunicación entre ellos. Este marco de operación tiene la capacidad de controlar el sistema, incluso si aparece una falla en la unidad de decisión.
El segundo enfoque de inwstigación presenta un sistema de gestión de energía basado en un sistema multiagente bajo la supervisión de un contrato inteligente con un enfoque de abajo hacia arriba para una microrred de CC conectada a la red que está equipada con paneles solares fotovoltaicos (PV), turbina eólica ( WT) y micro-turbina (MT) y almacenamiento de energía (BES). En el enfoque presentado, cada unidad controla y gestiona su operación a través de una estructura de decisión distribuida. El agente BES esta gestionado por una estructura inteligente basada en un modelo de aprendizaje por refuerzo. Dado que cargar y descargar la batería es un proceso gradual, en esta inwstigación se entrena un proceso de decisión de Markov mediante el uso de un algoritrno Q-leaming. El resto de agentes son controlados y gestionados por algoritrnos heurísticos. Para crear interacción y coordinación entre los agentes, se utiliza un proceso de licitación en el que cada agente bajo la estructura de control supervisado presenta su oferta al artículo licitado en cada período de tiempo. La organización licitadora asigna la potencia solicitada a través del algoritmo de oferta en sobre cerrado de primer precio entre los licitadores para optimizar el costo de la energía en la microrred.
Los dos enfoques propuestos presentan sistemas inteligentes en Iínea que pueden garantizar tolerancia a fallas, estabilidad y confiabilidad en la microrred, especialmente para edificios sostenibles y ciudades inteligentes, respectivamente.
Se han publicado o se encuentran en proceso de revisión diversos trabajos cientlficos que demuestran y validan los obietivos alcanzados v garantizan la calidad de la tesis.Contactos selectivos de portadores basados en óxidos metálicos de transición para células solares de kesterita
http://hdl.handle.net/2117/400809
Contactos selectivos de portadores basados en óxidos metálicos de transición para células solares de kesterita
Almache Hernández, Rosa Estefanía
(English) In recent years, there has been an increasing need to find an environmentally friendly and low-pollution alternative for electricity production through solar energy absorption. Since 1950, photovoltaic researchers have been working to find a low-cost photovoltaic technology to allow access for more people around the world. Although silicon cells dominate the photovoltaic market, the search for new materials that allow the production of solar cells with new functionalities continues to be very active. Among these new functionalities, we can highlight the manufacture of flexible, semi-transparent or with controllable energy gap solar cells. These new functionalities would allow the manufacture of solar cells compatible with building facades or compatible with the production of
tandem cells.
Thin-film solar cells, such as kesterite, emerge as an alternative to traditional silicon technologies, in order to reduce manufacturing and material costs, and to allow compatibility with emerging technologies such as tandem and bifacial solar cells, as well as their application or integration into building facades. In addition, kesterite solar cells have a theoretical limit of 33%, which is higher than
that calculated for silicon solar cells. The main advantage of this PV technology is that it uses abundant materials on the earth's surface. However, the convectional way to implement the electron selective contact is uses cadmium sulfide layers, whose main compound (cadmium) is recognized as toxic and carcinogenic.
The objective of this thesis is to implement charge-selective layers (electrons and holes) using transition metal oxides for kesterite solar cells. The experience of the MNT-UPC group in the application of these materials in charge selective layers in silicon technologies and the experience of IREC in the growth and manufacturing of kesterite solar cells are allies for the development of this research. The possibility of including V2Ox films deposited by ALD technique as a hole transport layers are studied. This material opens the door to the production of semi-transparent solar cells, reaching a solar cell with photovoltaic efficiency about 4%.
Regarding electron selective contacts, multiple Cd-free alternatives are presented in this work. Concretely, ALD stacks of Al2O3/TiO2 and ZnO(i)/AZO has been studied as potential ETLs. The application of polymer-based dipoles (PEI/Glycine) is also explored. These dipoles allow to improve the selectivity of the aforementioned ETLs increasing the efficiency of the manufactured
solar cells. As a result of this research work, CZTSe bifacial and cadmium free solar cells have been fabricated using transparent contacts based on ZnO as an electron transport layer (ETL) and V2Ox as a hole transport layer (HTL). The efficiency achieved for these solar cells is approximately 3.5%.; (Español) En los últimos años, ha aumentado la necesidad de encontrar una alternativa respetuosa con el medio ambiente y de baja contaminación para la producción de energía eléctrica mediante la absorción de la luz solar. Desde 1950, los investigadores en el ámbito fotovoltaico han estado trabajando en encontrar una tecnología fotovoltaica de bajo costo que permita un mayor acceso de la población mundial a la energía fotovoltaica. A pesar de que las células de silicio cristalino dominan el mercado fotovoltaico, la búsqueda de nuevos materiales que permitan la fabricación de células solares con nuevas funcionalidades continua muy activa.
Entre estas nuevas funcionalidades podemos destacar la fabricación de células solares flexibles, semitransparentes o con una energía del gap controlable. Dichas nuevas funcionalidades permitirían fabricar células solares compatibles con las fachadas de los
edificios, o compatibles con la fabricación de células tándem. Las células solares de capa fina basadas en kesterita, surgen como una alternativa a las tecnologías tradicionales de silicio, con el fin de reducir el costo de fabricación y materiales, y permitir su compatibilidad con tecnologías emergentes como las células solares tándem, bifaciales y su aplicación o integración en fachadas de edificios. Además las células solares de kesterita tienen un límite teórico de eficiencia de conversión fotovoltaica del 33%, que es superior al calculado para células solares de silicio. Esta tecnología tiene como principal ventaja el utilizar materiales abundantes en
la superficie terrestre y su proceso de fabricación es relativamente sencillo. No obstante, la forma convencional de realizar el contacto selectivo de electrones en células de Kesterita es mediante capas de sulfuro de cadmio, cuyo compuesto principal (el cadmio) es reconocido como tóxico y cancerígeno.
El objetivo de esta tesis es implementar capas selectoras de cargas (electrones y huecos) a partir del uso de óxidos metálicos de transición para células solares de kesterita. La experiencia del grupo MNT-UPC en la aplicación de estos materiales en capas selectivas de cargas en tecnologías de silicio y la experiencia del IREC en el crecimiento y fabricación de células solares de kesterita son aliados para el desarrollo de esta investigación. Se analiza la posibilidad de incluir al V2Ox depositado por ALD como capa transportadora de huecos. La utilización de un contacto trasero transparente basado en este material abre la puerta a la fabricación de células solares semitransparentes, obteniéndose una célula solar de aproximadamente el 4%.
En cuanto a la capa selectora de electrones, se han analizado diferentes alternativas libres de Cd. Concretamente, se han estudiado combinaciones (stacks) de Al2O3/TiO2 y de ZnO(i)/AZO, todas ellas depositadas por ALD. También se ha explorado la
aplicación de dipolos basados en polímeros (PEI/Glicina) para la mejora de la selectividad de los comentados ETLs, mejorando las prestaciones de las células solares fabricadas. Como resultado de esta investigación se han fabricado células solares bifaciales de CZTSe libres de cadmio que utilizan contactos transparentes basados en ZnO como capa de transporte de electrones (ETL) y V2Ox como capa de transporte de huecos (HTL). Estas nuevas células han logrado alcanzar una eficiencia de aproximadamente el 3.5%.
2024-02-01T19:31:15ZAlmache Hernández, Rosa Estefanía(English) In recent years, there has been an increasing need to find an environmentally friendly and low-pollution alternative for electricity production through solar energy absorption. Since 1950, photovoltaic researchers have been working to find a low-cost photovoltaic technology to allow access for more people around the world. Although silicon cells dominate the photovoltaic market, the search for new materials that allow the production of solar cells with new functionalities continues to be very active. Among these new functionalities, we can highlight the manufacture of flexible, semi-transparent or with controllable energy gap solar cells. These new functionalities would allow the manufacture of solar cells compatible with building facades or compatible with the production of
tandem cells.
Thin-film solar cells, such as kesterite, emerge as an alternative to traditional silicon technologies, in order to reduce manufacturing and material costs, and to allow compatibility with emerging technologies such as tandem and bifacial solar cells, as well as their application or integration into building facades. In addition, kesterite solar cells have a theoretical limit of 33%, which is higher than
that calculated for silicon solar cells. The main advantage of this PV technology is that it uses abundant materials on the earth's surface. However, the convectional way to implement the electron selective contact is uses cadmium sulfide layers, whose main compound (cadmium) is recognized as toxic and carcinogenic.
The objective of this thesis is to implement charge-selective layers (electrons and holes) using transition metal oxides for kesterite solar cells. The experience of the MNT-UPC group in the application of these materials in charge selective layers in silicon technologies and the experience of IREC in the growth and manufacturing of kesterite solar cells are allies for the development of this research. The possibility of including V2Ox films deposited by ALD technique as a hole transport layers are studied. This material opens the door to the production of semi-transparent solar cells, reaching a solar cell with photovoltaic efficiency about 4%.
Regarding electron selective contacts, multiple Cd-free alternatives are presented in this work. Concretely, ALD stacks of Al2O3/TiO2 and ZnO(i)/AZO has been studied as potential ETLs. The application of polymer-based dipoles (PEI/Glycine) is also explored. These dipoles allow to improve the selectivity of the aforementioned ETLs increasing the efficiency of the manufactured
solar cells. As a result of this research work, CZTSe bifacial and cadmium free solar cells have been fabricated using transparent contacts based on ZnO as an electron transport layer (ETL) and V2Ox as a hole transport layer (HTL). The efficiency achieved for these solar cells is approximately 3.5%.
(Español) En los últimos años, ha aumentado la necesidad de encontrar una alternativa respetuosa con el medio ambiente y de baja contaminación para la producción de energía eléctrica mediante la absorción de la luz solar. Desde 1950, los investigadores en el ámbito fotovoltaico han estado trabajando en encontrar una tecnología fotovoltaica de bajo costo que permita un mayor acceso de la población mundial a la energía fotovoltaica. A pesar de que las células de silicio cristalino dominan el mercado fotovoltaico, la búsqueda de nuevos materiales que permitan la fabricación de células solares con nuevas funcionalidades continua muy activa.
Entre estas nuevas funcionalidades podemos destacar la fabricación de células solares flexibles, semitransparentes o con una energía del gap controlable. Dichas nuevas funcionalidades permitirían fabricar células solares compatibles con las fachadas de los
edificios, o compatibles con la fabricación de células tándem. Las células solares de capa fina basadas en kesterita, surgen como una alternativa a las tecnologías tradicionales de silicio, con el fin de reducir el costo de fabricación y materiales, y permitir su compatibilidad con tecnologías emergentes como las células solares tándem, bifaciales y su aplicación o integración en fachadas de edificios. Además las células solares de kesterita tienen un límite teórico de eficiencia de conversión fotovoltaica del 33%, que es superior al calculado para células solares de silicio. Esta tecnología tiene como principal ventaja el utilizar materiales abundantes en
la superficie terrestre y su proceso de fabricación es relativamente sencillo. No obstante, la forma convencional de realizar el contacto selectivo de electrones en células de Kesterita es mediante capas de sulfuro de cadmio, cuyo compuesto principal (el cadmio) es reconocido como tóxico y cancerígeno.
El objetivo de esta tesis es implementar capas selectoras de cargas (electrones y huecos) a partir del uso de óxidos metálicos de transición para células solares de kesterita. La experiencia del grupo MNT-UPC en la aplicación de estos materiales en capas selectivas de cargas en tecnologías de silicio y la experiencia del IREC en el crecimiento y fabricación de células solares de kesterita son aliados para el desarrollo de esta investigación. Se analiza la posibilidad de incluir al V2Ox depositado por ALD como capa transportadora de huecos. La utilización de un contacto trasero transparente basado en este material abre la puerta a la fabricación de células solares semitransparentes, obteniéndose una célula solar de aproximadamente el 4%.
En cuanto a la capa selectora de electrones, se han analizado diferentes alternativas libres de Cd. Concretamente, se han estudiado combinaciones (stacks) de Al2O3/TiO2 y de ZnO(i)/AZO, todas ellas depositadas por ALD. También se ha explorado la
aplicación de dipolos basados en polímeros (PEI/Glicina) para la mejora de la selectividad de los comentados ETLs, mejorando las prestaciones de las células solares fabricadas. Como resultado de esta investigación se han fabricado células solares bifaciales de CZTSe libres de cadmio que utilizan contactos transparentes basados en ZnO como capa de transporte de electrones (ETL) y V2Ox como capa de transporte de huecos (HTL). Estas nuevas células han logrado alcanzar una eficiencia de aproximadamente el 3.5%.Energy management in collaborative power electronics-based microgrid integrated with renewable energies
http://hdl.handle.net/2117/399823
Energy management in collaborative power electronics-based microgrid integrated with renewable energies
Salehi, Navid
(English) This thesis is introduced the research performed on microgrid applications, especially in cooperative operating mode. The research is conducted considering two main challenging aspects of microgrid operation over the last years. The reliable and optimum operation of microgrids is surveyed by focusing on: energy management systems, specifically in collaborative microgrid
operation and robust power electronics interfaces.
This thesis presents a comprehensive review of optimization methods for individual and community microgrids. In addition, different control strategies applied in microgrid systems are studied. The potential pros and cons of various control strategies are analyzed, and the background studies bring brilliant and smart solutions for optimal control in a networked microgrid.
A supervised and unsupervised learning clustering is developed in order to control a networked microgrid consisting of industrial, commercial, and residential microgrids. The clustering algorithms are performed based on the maximum load demand and operating reserve of the microgrid. Furthermore, a component size procedure for dispatchable units in a networked microgrid is
presented. The proposed algorithm evaluates the component size considering the operating reserve of microgrids. To diminish the adverse effect of component size reduction on microgrids’ reliability, the proposed reduced factor is modified by the peak load and correlation of load profile.
Optimal operation, new topology, and new control methods for various power electronics interfaces for microgrid applications are presented in the following. The optimal operation of the LLC resonant converter is investigated considering the load variation and switching frequency. Then, a modified cascaded high step-up Z-source DC-DC converter with high voltage gain and low voltage
stress is proposed. Eventually, a novel control method for a single-phase Z-source inverter is presented. A feed-forward neural network predicts the forced response of the generalized predictive control to enhance the transient performance of the inverter.; (Català) En aquesta tesi es presenta la recerca realitzada en aplicacions de microxarxes, especialment en mode de funcionament cooperatiu. La investigació es porta a terme considerant dos aspectes de l'operació de les microxarxes que han estat fonamentals durant els últims anys. El funcionament fiable i òptim de les microxarxes s'estudia centrant-se en els sistemes de gestió d'energia, específicament en el funcionament col·laboratiu de microxarxes i en les interfícies d'electrònica de potència robustes.
Aquesta tesi presenta una revisió exhaustiva dels mètodes d'optimització per a microxarxes individuals i comunitàries. A més, s'estudien diferents estratègies de control aplicades en sistemes de microxarxes. S'analitzen els avantatges i els inconvenients potencials de diverses estratègies de control i els estudis de fons aporten noves solucions per a un control òptim en una microxarxa connectada a la xarxa de distribució.
Es desenvolupa una estratègia d’agrupació basada en aprenentatge supervisat i no supervisat per controlar una microxarxa connectada a xarxa i formada per microxarxes industrials, comercials i residencials. Aquestes agrupacions es realitzen en funció de la demanda de càrrega màxima i de la reserva operativa de la microxarxa. A més, es presenta un procediment de dimensionament dels elements per a unitats distribuïbles en una microxarxa connectada a la xarxa. L'algorisme proposat avalua el dimensionat de l’element tenint en compte la reserva operativa de les microxarxes. Per disminuir l'efecte advers de la reducció de la mida dels elements sobre la fiabilitat de les microxarxes, el factor de reducció proposat es modifica atenent a la càrrega màxima i a la correlació del perfil de càrrega.
A continuació es presenten un funcionament òptim, una nova topologia i uns nous mètodes de control de diverses interfícies d'electrònica de potència per a la seva aplicació en microxarxes. El funcionament òptim del convertidor ressonant LLC s'investiga tenint en compte la variació de càrrega i la freqüència de commutació. A continuació, es proposa un convertidor DC-DC de font Z en cascada modificat d'alt guany en tensió i baixa tensió d’estres en els interruptors. Finalment, es presenta un nou mètode de control per a un inversor de font Z monofàsica. Una xarxa neuronal feed-forward prediu la resposta forçada del control predictiu generalitzat per millorar el rendiment transitori de l'inversor.
Tesi en modalitat de compendi de publicacions
2024-01-18T19:33:46ZSalehi, Navid(English) This thesis is introduced the research performed on microgrid applications, especially in cooperative operating mode. The research is conducted considering two main challenging aspects of microgrid operation over the last years. The reliable and optimum operation of microgrids is surveyed by focusing on: energy management systems, specifically in collaborative microgrid
operation and robust power electronics interfaces.
This thesis presents a comprehensive review of optimization methods for individual and community microgrids. In addition, different control strategies applied in microgrid systems are studied. The potential pros and cons of various control strategies are analyzed, and the background studies bring brilliant and smart solutions for optimal control in a networked microgrid.
A supervised and unsupervised learning clustering is developed in order to control a networked microgrid consisting of industrial, commercial, and residential microgrids. The clustering algorithms are performed based on the maximum load demand and operating reserve of the microgrid. Furthermore, a component size procedure for dispatchable units in a networked microgrid is
presented. The proposed algorithm evaluates the component size considering the operating reserve of microgrids. To diminish the adverse effect of component size reduction on microgrids’ reliability, the proposed reduced factor is modified by the peak load and correlation of load profile.
Optimal operation, new topology, and new control methods for various power electronics interfaces for microgrid applications are presented in the following. The optimal operation of the LLC resonant converter is investigated considering the load variation and switching frequency. Then, a modified cascaded high step-up Z-source DC-DC converter with high voltage gain and low voltage
stress is proposed. Eventually, a novel control method for a single-phase Z-source inverter is presented. A feed-forward neural network predicts the forced response of the generalized predictive control to enhance the transient performance of the inverter.
(Català) En aquesta tesi es presenta la recerca realitzada en aplicacions de microxarxes, especialment en mode de funcionament cooperatiu. La investigació es porta a terme considerant dos aspectes de l'operació de les microxarxes que han estat fonamentals durant els últims anys. El funcionament fiable i òptim de les microxarxes s'estudia centrant-se en els sistemes de gestió d'energia, específicament en el funcionament col·laboratiu de microxarxes i en les interfícies d'electrònica de potència robustes.
Aquesta tesi presenta una revisió exhaustiva dels mètodes d'optimització per a microxarxes individuals i comunitàries. A més, s'estudien diferents estratègies de control aplicades en sistemes de microxarxes. S'analitzen els avantatges i els inconvenients potencials de diverses estratègies de control i els estudis de fons aporten noves solucions per a un control òptim en una microxarxa connectada a la xarxa de distribució.
Es desenvolupa una estratègia d’agrupació basada en aprenentatge supervisat i no supervisat per controlar una microxarxa connectada a xarxa i formada per microxarxes industrials, comercials i residencials. Aquestes agrupacions es realitzen en funció de la demanda de càrrega màxima i de la reserva operativa de la microxarxa. A més, es presenta un procediment de dimensionament dels elements per a unitats distribuïbles en una microxarxa connectada a la xarxa. L'algorisme proposat avalua el dimensionat de l’element tenint en compte la reserva operativa de les microxarxes. Per disminuir l'efecte advers de la reducció de la mida dels elements sobre la fiabilitat de les microxarxes, el factor de reducció proposat es modifica atenent a la càrrega màxima i a la correlació del perfil de càrrega.
A continuació es presenten un funcionament òptim, una nova topologia i uns nous mètodes de control de diverses interfícies d'electrònica de potència per a la seva aplicació en microxarxes. El funcionament òptim del convertidor ressonant LLC s'investiga tenint en compte la variació de càrrega i la freqüència de commutació. A continuació, es proposa un convertidor DC-DC de font Z en cascada modificat d'alt guany en tensió i baixa tensió d’estres en els interruptors. Finalment, es presenta un nou mètode de control per a un inversor de font Z monofàsica. Una xarxa neuronal feed-forward prediu la resposta forçada del control predictiu generalitzat per millorar el rendiment transitori de l'inversor.Development of an active power filter based on wide-bandgap semiconductors
http://hdl.handle.net/2117/371629
Development of an active power filter based on wide-bandgap semiconductors
Lumbreras Carrasco, David
Electrical and electronic equipment needs sinusoidal currents and voltages to function properly. Equipment such as computers, household appliances, electric vehicle chargers, and LED lights can distort the grid and worsen grid quality. Distorted electrical grids can cause malfunctions, reduce service life, and decrease the performance of connected equipment. Industry commonly solves these problems using active power filters, which can minimise the harmonics of the grid, eliminate undesirable reactive power, and restore balance to unbalanced power grids.
This thesis deals with the design and implementation of an active power filter based on wide-bandgap semiconductors, which have properties that are superior to classical silicon devices. An active power filter’s design must take advantage of these benefits to build converters that are smaller, more efficient, and consume fewer resources. However, wide-bandgap semiconductors also present design challenges. Because the most commonly used active power filters in the industry are based on two-level voltage source converters, the research for this doctoral thesis focuses on this converter topology. Moreover, its main objective is to contribute new modulation techniques that are specially designed to work with wide-bandgap semiconductors. The proposed modulations consider different aspects, such as the computational cost of the algorithms, converter losses, and the electromagnetic distortion generated.
First, this thesis presents a hexagonal sigma-delta (H-S¿) modulation based on sigma-delta (S¿) modulation. The properties of this modulation are studied, and the technique is compared with other widely used modulations. The comparison considers efficiency, harmonic distortion, the electromagnetic compatibility of the converter, and the type of wideband semiconductor used. In addition, a fast algorithm is mathematically developed to simplify the presented modulation and reduce its computational cost.
Secondly, this thesis presents a family of sigma-delta modulations specially designed to improve electromagnetic compatibility: the reduced common-mode voltage sigma-delta (RCMV-S¿) modulations. These modulations avoid using the vectors that generate the maximum common-mode voltage, which significantly reduces the generated electromagnetic distortion without affecting the performance of the converter and its harmonic distortion.
Finally, the proposed modulations are applied in a wide-bandgap power converter working as an active filter. Thus, it is verified that the techniques presented in this thesis will obtain satisfactory results when implemented in commercial active power filters.; Els equips elèctrics i electrònics necessiten corrents i tensions sinusoïdals per funcionar correctament. Existeixen equips com els ordinadors, els electrodomèstics, els carregadors de vehicle elèctric o les llums LED, que poden distorsionar la xarxa i empitjorar la qualitat d'aquesta. Les xarxes elèctriques distorsionades poden causar el mal funcionament dels equips que s'hi connecten, reduir la seva vida útil i també empitjorar la seva eficiència. A la industria és habitual utilitzar filtres actius per a solucionar aquests
problemes. Els filtres actius permeten minimitzar els harmònics presents a la Δxarxa, eliminar la potència reactiva no desitjada i equilibrar xarxes elèctriques desequilibrades.
Aquesta tesi tracta sobre el disseny i la implementació d'un filtre actiu basat en
semiconductors de banda ampla. Aquests semiconductors presenten propietats superiors als clàssics dispositius de silici. El disseny d'un filtre actiu ha d'aprofitar aquests avantatges per a construir convertidors més petits, eficients i que consumeixin menys recursos. Tanmateix, els semiconductors de banda ampla també presenten problemes que el disseny ha de solucionar. Els filtres actius més utilitzats en la indústria són els basats en convertidors de font de tensió (voltatge source converters) amb dos nivells.
La recerca d'aquesta tesi doctoral està focalitzada en aquesta topologia de convertidor, i el seu principal objectiu és l’aportació de noves tècniques de modulació especialment dissenyades per treballar amb semiconductors de banda ampla. Les modulacions proposades tenen en compte diferents aspectes: el cost computacional dels algoritmes, les pèrdues del convertidor i la distorsió electromagnètica generada.
En primer lloc, es presenta una modulació sigma-delta hexagonal (H-__) que es basa en la modulació sigma-delta (ΣΔ). S'estudien les propietats d'aquesta modulació i la tècnica es compara amb altres modulacions àmpliament usades. La comparativa realitzada considera l’eficiència, la distorsió harmònica, la compatibilitat electromagnètica del convertidor i el tipus de semiconductor de banda ampla emprat. Addicionalment, es desenvolupa matemàticament un algoritme ràpid per simplificar la modulació presentada i reduir el seu cost computacional.
En segon lloc, es presenta una família de modulacions sigma-delta especialment dissenyades per millorar la compatibilitat electromagnètica: les modulacions sigmadelta amb tensió en mode comú reduïda (RCMV-ΣΔ ). Aquestes modulacions eviten fer servir els vectors que generen la màxima tensió en mode comú. D'aquesta manera es redueix significativament la distorsió electromagnètica generada sense afectar de forma notable al rendiment del convertidor ni a la seva distorsió harmònica.
Finalment, les modulacions proposades s'apliquen en un convertidor de potència, basat en semiconductors de banda ampla, que treballa com a filtre actiu. Això es verifica que les tècniques presentades en aquesta tesi poden ser implementades en filtres actius comercials obtenint resultats satisfactoris.
Pla de Doctorat Industrial, Generalitat de Catalynua
2022-08-04T18:55:11ZLumbreras Carrasco, DavidElectrical and electronic equipment needs sinusoidal currents and voltages to function properly. Equipment such as computers, household appliances, electric vehicle chargers, and LED lights can distort the grid and worsen grid quality. Distorted electrical grids can cause malfunctions, reduce service life, and decrease the performance of connected equipment. Industry commonly solves these problems using active power filters, which can minimise the harmonics of the grid, eliminate undesirable reactive power, and restore balance to unbalanced power grids.
This thesis deals with the design and implementation of an active power filter based on wide-bandgap semiconductors, which have properties that are superior to classical silicon devices. An active power filter’s design must take advantage of these benefits to build converters that are smaller, more efficient, and consume fewer resources. However, wide-bandgap semiconductors also present design challenges. Because the most commonly used active power filters in the industry are based on two-level voltage source converters, the research for this doctoral thesis focuses on this converter topology. Moreover, its main objective is to contribute new modulation techniques that are specially designed to work with wide-bandgap semiconductors. The proposed modulations consider different aspects, such as the computational cost of the algorithms, converter losses, and the electromagnetic distortion generated.
First, this thesis presents a hexagonal sigma-delta (H-S¿) modulation based on sigma-delta (S¿) modulation. The properties of this modulation are studied, and the technique is compared with other widely used modulations. The comparison considers efficiency, harmonic distortion, the electromagnetic compatibility of the converter, and the type of wideband semiconductor used. In addition, a fast algorithm is mathematically developed to simplify the presented modulation and reduce its computational cost.
Secondly, this thesis presents a family of sigma-delta modulations specially designed to improve electromagnetic compatibility: the reduced common-mode voltage sigma-delta (RCMV-S¿) modulations. These modulations avoid using the vectors that generate the maximum common-mode voltage, which significantly reduces the generated electromagnetic distortion without affecting the performance of the converter and its harmonic distortion.
Finally, the proposed modulations are applied in a wide-bandgap power converter working as an active filter. Thus, it is verified that the techniques presented in this thesis will obtain satisfactory results when implemented in commercial active power filters.
Els equips elèctrics i electrònics necessiten corrents i tensions sinusoïdals per funcionar correctament. Existeixen equips com els ordinadors, els electrodomèstics, els carregadors de vehicle elèctric o les llums LED, que poden distorsionar la xarxa i empitjorar la qualitat d'aquesta. Les xarxes elèctriques distorsionades poden causar el mal funcionament dels equips que s'hi connecten, reduir la seva vida útil i també empitjorar la seva eficiència. A la industria és habitual utilitzar filtres actius per a solucionar aquests
problemes. Els filtres actius permeten minimitzar els harmònics presents a la Δxarxa, eliminar la potència reactiva no desitjada i equilibrar xarxes elèctriques desequilibrades.
Aquesta tesi tracta sobre el disseny i la implementació d'un filtre actiu basat en
semiconductors de banda ampla. Aquests semiconductors presenten propietats superiors als clàssics dispositius de silici. El disseny d'un filtre actiu ha d'aprofitar aquests avantatges per a construir convertidors més petits, eficients i que consumeixin menys recursos. Tanmateix, els semiconductors de banda ampla també presenten problemes que el disseny ha de solucionar. Els filtres actius més utilitzats en la indústria són els basats en convertidors de font de tensió (voltatge source converters) amb dos nivells.
La recerca d'aquesta tesi doctoral està focalitzada en aquesta topologia de convertidor, i el seu principal objectiu és l’aportació de noves tècniques de modulació especialment dissenyades per treballar amb semiconductors de banda ampla. Les modulacions proposades tenen en compte diferents aspectes: el cost computacional dels algoritmes, les pèrdues del convertidor i la distorsió electromagnètica generada.
En primer lloc, es presenta una modulació sigma-delta hexagonal (H-__) que es basa en la modulació sigma-delta (ΣΔ). S'estudien les propietats d'aquesta modulació i la tècnica es compara amb altres modulacions àmpliament usades. La comparativa realitzada considera l’eficiència, la distorsió harmònica, la compatibilitat electromagnètica del convertidor i el tipus de semiconductor de banda ampla emprat. Addicionalment, es desenvolupa matemàticament un algoritme ràpid per simplificar la modulació presentada i reduir el seu cost computacional.
En segon lloc, es presenta una família de modulacions sigma-delta especialment dissenyades per millorar la compatibilitat electromagnètica: les modulacions sigmadelta amb tensió en mode comú reduïda (RCMV-ΣΔ ). Aquestes modulacions eviten fer servir els vectors que generen la màxima tensió en mode comú. D'aquesta manera es redueix significativament la distorsió electromagnètica generada sense afectar de forma notable al rendiment del convertidor ni a la seva distorsió harmònica.
Finalment, les modulacions proposades s'apliquen en un convertidor de potència, basat en semiconductors de banda ampla, que treballa com a filtre actiu. Això es verifica que les tècniques presentades en aquesta tesi poden ser implementades en filtres actius comercials obtenint resultats satisfactoris.Simulació 2D/3D de cèl.lules solars de silici de contactes posteriors
http://hdl.handle.net/2117/371623
Simulació 2D/3D de cèl.lules solars de silici de contactes posteriors
Carrió Díaz, David
In order to optimize photovoltaic conversion efficiency, various solar cell architectures based on monocrystalline silicon (c-Si) have emerged in the past. Solar cells with interdigitated back contacts IBC (Interdigitated Back-Contacted cell), by placing the contacts on the back, allow greater absorption of light, and improve the integration of the cells in the module. Throughout the thesis, various designs and types of c-Si IBC cells will be studied, some of them finally manufactured in the laboratory of the Micro and MNT Nanotechnologies of the UPC. After studying the state of the art in this type of structures in chapter 1 of the thesis, an introduction will be made to the physical models used in the simulation in chapter 2. In addition, the concept of unitary cell and minimum cell will introduced in order to reduce time and memory resources during simulations. Periodic repetition of the unit cell in the X and Y axes reproduces the total solar cell electrical behavior by current scaling. In chapter 3, IBC structures with back point contacts with constant unit cell are studied. This type of contact structure is suitable for the laser technology available to the MNT group for the manufacture of solar cells. In this case, by lasing dielectric layers containing aluminum and phosphorus, p+ and n+ contacts are achieved, respectively. The simulations will allow determining the optimal distance or pitch between contacts, as well as the efficiency potential that can be achieved through this concept, considering the recombination speed of the base contact. In chapter 4, alternatives of greater complexity are analyzed to mitigate the effect of poor passivation of the base contacts, either using point contacts or structures based on more conventional techniques based on doped regions in strips, for example. In this chapter, an important and novel geometric parameter is defined, such as the emitter coverage factor (FE). This parameter takes into account the weight of the emitter contacts/regions in the performance of the device, and it should be the higher as possible to mitigate the pernicious effect of having a base contact with poor passivation. In addition, various strategies will be discussed, either keeping the unit cell constant or increasing using either point contacts or using large doped regions (large emitter coverage strategy). Thanks to the concepts used in this chapter, the MNT group has been able to develop solar cells with laser point contacts in collaboration with the Laser Center of the Polytechnic University of Madrid (UPM) with efficiencies over 20 %. In chapter 5, the effect of the series resistance of the metallization grid and contacts is analyzed, as well as how to include it in the simulations. In chapter 6, simulations will allow dimensioning and studying the best geometry to apply to IBC solar cells with black silicon (b-Si) nanostructures on the front surface. Thanks to the simulations, photolithography masks have been designed for manufacturing of IBC b-Si solar cells, in collaboration with the Finnish University of Aalto, achieving efficiencies beyond 22 %, which are the highest achieved to date. by combining an IBC structure with front b-Si. Also, as a result of the simulations, photolithography masks have been designed for the manufacture of a black minimodule in collaboration with the Finnish company Valoe. Finally, in chapter 7, the potential offered by IBC solar cells for low and medium concentration applications is explored.; Amb la finalitat d’optimitzar l’eficiència de conversió fotovoltaica, diverses arquitectures
de cèl·lules solars basades en silici monocristal·lí (c-Si) han sorgit al llarg del temps. Les cèl·lules solars de contactes posteriors interdigitats IBC (Interdigitated Back-Contacted cell), en disposar els contactes a la part posterior, permeten una major absorció de llum, i milloren la integració de les cèl·lules al mòdul. Al llarg de la tesi s’estudiaran, mitjançant l’eina de simulació comercial de dispositius semiconductors 2D/3D Sentaurus Synopsis TCAD, diversos dissenys i tipologies de cèl·lules IBC de c-Si, alguna d’elles, fabricades finalment al laboratori del grup de Micro i Nanotecnologies MNT de la UPC.
Després d’estudiar l’estat de l’art en aquest tipus d’estructures al capítol 1 de la tesi, es farà una introducció als models físics utilitzats a la simulació al capítol 2. A més, s’introduirà el concepte de cèl·lula unitària i cèl·lula mínima de simulació amb la finalitat de reduir el temps i els recursos de memòria de les simulacions. La repetició periòdica de la cèl·lula unitària als eixos X i Y reprodueix la cèl·lula solar total mitjançant escalat de corrent.
Al capítol 3, s’estudien estructures IBC amb contactes puntuals posteriors amb cel·la
unitària constant. Aquest tipus d’estructura de contactes s’adequa a la tecnologia làser
de què disposa el grup MNT per a la fabricació de cèl·lules solars. En aquest cas, lasejant capes dielèctriques amb contingut d’alumini i de fòsfor s’aconsegueixen els contactes p+ i n+ respectivament. Les simulacions permetran determinar la distància òptima o pitch entre contactes, així com el potencial d’eficiència que es pot aconseguir mitjançant aquest concepte atenent a la velocitat de recombinació del contacte de base.
Al capítol 4, s’analitzen alternatives de mes complexitat per mitigar l’efecte d’una mala passivació dels contactes de base, ja sigui utilitzant contactes puntuals o bé estructures basades en tècniques mes convencionals fent servir regions dopates en tires, per exemple. En aquest capítol es defineix un paràmetre geomètric important i nou com és el factor de cobertura d’emissor (FE). Aquest paràmetre sospesa el pes dels contactes/regions d’emissor a les prestacions del dispositiu, interessant que sigui elevat, per a mitigar l’efecte perniciós de tenir un contacte de base amb mala passivació. A mes, es discutiran diverses estratègies, ja sigui o bé mantenint la cel·la unitària constant o be augmentant-la tant a contactes puntuals com utilitzant regions dopates extenses (large emitter coverage strategy).
Gracies als conceptes utilitzats en aquest capítol, el grup MNT ha pogut desenvolupar
cèl·lules solars amb contactes puntuals làser en col·laboració amb el centre làser de la
Universitat Politècnica de Madrid (UPM) amb rendiments superiors al 20 %.
Al capítol 5, s’analitza l’efecte de la resistència sèrie del grid de metal·lització i dels contactes, com incloure’l a les simulacions.
Al capítol 6, les simulacions permetran dimensionar i estudiar la millor geometria per aplicar-la a cèl·lules solars IBC amb nanotexturització black silicon (b-Si) a la superfície frontal. Gràcies a les simulacions, s’han dissenyat les màscares de fotolitografia per a la fabricació de cèl·lules solars IBC b-Si fruït d’una col·laboració amb la Universitat finlandesa d’Aalto, aconseguint-se rendiments per sobre del 22 %, que són els mes grans aconseguits fins la data combinant una estructura IBC amb b-Si frontal. També, fruït de les simulacions, s’han dissenyat les màscares de fotolitografia per fabricar un minimòdul black en col·laboració amb l’empresa finlandesa Valoe. Finalment, al capítol 7, s’explora el potencial que ofereixen les cèl·lules solars IBC per a aplicacions de baixa i mitjana concentració.; Con la finalidad de optimizar la eficiencia de conversión fotovoltaica diversas arquitecturas de células solares basadas en silicio monocristalino (c-Si) han surgido a lo largo del tiempo. Las células solares de contactos traseros interdigitados IBC (Interdigitated Back-Contacted cell), al disponer los contactos en la parte trasera, permiten una mayor absorción de luz, y mejoran la integración de las células en el módulo. A lo largo de la tesis se estudiarán, mediante la herramienta de simulación comercial de dispositivos semiconductores 2D/3D Sentaurus Synopsis TCAD, diversos diseños y tipologías de células IBC de c-Si, alguna de ellas, fabricadas finalmente en el laboratorio del grupo de Micro y Nanotecnologías MNT de la UPC. Después de estudiar el estado del arte en este tipo de estructuras en el capítulo 1 de la tesis, se hará una introducción a los modelos físicos utilizados en la simulación en el capítulo 2. Además, se introducirá el concepto de célula unitaria y célula mínima de simulación con la finalidad de reducir el tiempo y los recursos de memoria de las simulaciones. La repetición periódica de la célula unitaria en los ejes X y Y reproduce la célula solar total mediante escalado de corriente. En el capítulo 3, se estudian estructuras IBC con contactos puntuales traseros con celda unitaria constante. Este tipo de estructura de contactos se adecua a la tecnología láser que dispone el grupo MNT para la fabricación de células solares. En este caso, laseando capas dieléctricas con contenido de aluminio y de fosforo se consiguen los contactos p+y n+ respectivamente. Las simulaciones permitirán determinar la distancia óptima o pitch entre contactos, así como el potencial de eficiencia que se puede conseguir mediante este concepto atendiendo a la velocidad de recombinación del contacto de base. En el capítulo 4, se analizan alternativas de mayor de complejidad para mitigar el efecto
de una mala pasivación de los contactos de base, ya sea utilizando contactos puntuales o bien estructuras basadas en técnicas más convencionales usando regiones dopadas en tiras, por ejemplo. En este capítulo se define un parámetro geométrico importante y novedoso como es el factor de cobertura de emisor (FE). Este parámetro sopesa el peso de los contactos/regiones de emisor en las prestaciones del dispositivo interesando que sea elevado para mitigar el efecto pernicioso de tener un contacto de base con mala pasivación. Además, se discutirán varias estrategias, ya sea o bien manteniendo la celda unitaria constante o bien aumentando la misma tanto en contactos puntuales como utilizando regiones dopadas extensas (large emitter coverage strategy). Gracias a los conceptos utilizados en este capítulo el grupo MNT ha podido desarrollar células solares con contactos puntuales láser en colaboración con el centro laser de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) con rendimientos superiores al 20 %. En el capítulo 5, se
analiza el efecto de la resistencia serie del grid de metalización y de los contactos, y como incluirlo en las simulaciones. En el capítulo 6, las simulaciones permitirán dimensionar y estudiar la mejor geometría para aplicarla a células solares IBC con nanotexturización black silicon (b-Si) en la superficie frontal. Gracias a las simulaciones, se han diseñado las máscaras de fotolitografía para la fabricación de células solares IBC b-Si fruto de una colaboración con la Universidad finlandesa de Aalto, consiguiéndose rendimientos por encima del 22 %, que son los mayores conseguidos hasta la fecha combinando una estructura IBC con b-Si frontal. También, fruto de las simulaciones, se han diseñado las máscaras de fotolitografía para la fabricación de un minimódulo black en colaboración con la empresa finlandesa Valoe. Finalmente, en el capítulo 7, se explora el potencial que ofrecen las células solares IBC para aplicaciones de baja y media concentración.
2022-08-04T18:54:22ZCarrió Díaz, DavidIn order to optimize photovoltaic conversion efficiency, various solar cell architectures based on monocrystalline silicon (c-Si) have emerged in the past. Solar cells with interdigitated back contacts IBC (Interdigitated Back-Contacted cell), by placing the contacts on the back, allow greater absorption of light, and improve the integration of the cells in the module. Throughout the thesis, various designs and types of c-Si IBC cells will be studied, some of them finally manufactured in the laboratory of the Micro and MNT Nanotechnologies of the UPC. After studying the state of the art in this type of structures in chapter 1 of the thesis, an introduction will be made to the physical models used in the simulation in chapter 2. In addition, the concept of unitary cell and minimum cell will introduced in order to reduce time and memory resources during simulations. Periodic repetition of the unit cell in the X and Y axes reproduces the total solar cell electrical behavior by current scaling. In chapter 3, IBC structures with back point contacts with constant unit cell are studied. This type of contact structure is suitable for the laser technology available to the MNT group for the manufacture of solar cells. In this case, by lasing dielectric layers containing aluminum and phosphorus, p+ and n+ contacts are achieved, respectively. The simulations will allow determining the optimal distance or pitch between contacts, as well as the efficiency potential that can be achieved through this concept, considering the recombination speed of the base contact. In chapter 4, alternatives of greater complexity are analyzed to mitigate the effect of poor passivation of the base contacts, either using point contacts or structures based on more conventional techniques based on doped regions in strips, for example. In this chapter, an important and novel geometric parameter is defined, such as the emitter coverage factor (FE). This parameter takes into account the weight of the emitter contacts/regions in the performance of the device, and it should be the higher as possible to mitigate the pernicious effect of having a base contact with poor passivation. In addition, various strategies will be discussed, either keeping the unit cell constant or increasing using either point contacts or using large doped regions (large emitter coverage strategy). Thanks to the concepts used in this chapter, the MNT group has been able to develop solar cells with laser point contacts in collaboration with the Laser Center of the Polytechnic University of Madrid (UPM) with efficiencies over 20 %. In chapter 5, the effect of the series resistance of the metallization grid and contacts is analyzed, as well as how to include it in the simulations. In chapter 6, simulations will allow dimensioning and studying the best geometry to apply to IBC solar cells with black silicon (b-Si) nanostructures on the front surface. Thanks to the simulations, photolithography masks have been designed for manufacturing of IBC b-Si solar cells, in collaboration with the Finnish University of Aalto, achieving efficiencies beyond 22 %, which are the highest achieved to date. by combining an IBC structure with front b-Si. Also, as a result of the simulations, photolithography masks have been designed for the manufacture of a black minimodule in collaboration with the Finnish company Valoe. Finally, in chapter 7, the potential offered by IBC solar cells for low and medium concentration applications is explored.
Amb la finalitat d’optimitzar l’eficiència de conversió fotovoltaica, diverses arquitectures
de cèl·lules solars basades en silici monocristal·lí (c-Si) han sorgit al llarg del temps. Les cèl·lules solars de contactes posteriors interdigitats IBC (Interdigitated Back-Contacted cell), en disposar els contactes a la part posterior, permeten una major absorció de llum, i milloren la integració de les cèl·lules al mòdul. Al llarg de la tesi s’estudiaran, mitjançant l’eina de simulació comercial de dispositius semiconductors 2D/3D Sentaurus Synopsis TCAD, diversos dissenys i tipologies de cèl·lules IBC de c-Si, alguna d’elles, fabricades finalment al laboratori del grup de Micro i Nanotecnologies MNT de la UPC.
Després d’estudiar l’estat de l’art en aquest tipus d’estructures al capítol 1 de la tesi, es farà una introducció als models físics utilitzats a la simulació al capítol 2. A més, s’introduirà el concepte de cèl·lula unitària i cèl·lula mínima de simulació amb la finalitat de reduir el temps i els recursos de memòria de les simulacions. La repetició periòdica de la cèl·lula unitària als eixos X i Y reprodueix la cèl·lula solar total mitjançant escalat de corrent.
Al capítol 3, s’estudien estructures IBC amb contactes puntuals posteriors amb cel·la
unitària constant. Aquest tipus d’estructura de contactes s’adequa a la tecnologia làser
de què disposa el grup MNT per a la fabricació de cèl·lules solars. En aquest cas, lasejant capes dielèctriques amb contingut d’alumini i de fòsfor s’aconsegueixen els contactes p+ i n+ respectivament. Les simulacions permetran determinar la distància òptima o pitch entre contactes, així com el potencial d’eficiència que es pot aconseguir mitjançant aquest concepte atenent a la velocitat de recombinació del contacte de base.
Al capítol 4, s’analitzen alternatives de mes complexitat per mitigar l’efecte d’una mala passivació dels contactes de base, ja sigui utilitzant contactes puntuals o bé estructures basades en tècniques mes convencionals fent servir regions dopates en tires, per exemple. En aquest capítol es defineix un paràmetre geomètric important i nou com és el factor de cobertura d’emissor (FE). Aquest paràmetre sospesa el pes dels contactes/regions d’emissor a les prestacions del dispositiu, interessant que sigui elevat, per a mitigar l’efecte perniciós de tenir un contacte de base amb mala passivació. A mes, es discutiran diverses estratègies, ja sigui o bé mantenint la cel·la unitària constant o be augmentant-la tant a contactes puntuals com utilitzant regions dopates extenses (large emitter coverage strategy).
Gracies als conceptes utilitzats en aquest capítol, el grup MNT ha pogut desenvolupar
cèl·lules solars amb contactes puntuals làser en col·laboració amb el centre làser de la
Universitat Politècnica de Madrid (UPM) amb rendiments superiors al 20 %.
Al capítol 5, s’analitza l’efecte de la resistència sèrie del grid de metal·lització i dels contactes, com incloure’l a les simulacions.
Al capítol 6, les simulacions permetran dimensionar i estudiar la millor geometria per aplicar-la a cèl·lules solars IBC amb nanotexturització black silicon (b-Si) a la superfície frontal. Gràcies a les simulacions, s’han dissenyat les màscares de fotolitografia per a la fabricació de cèl·lules solars IBC b-Si fruït d’una col·laboració amb la Universitat finlandesa d’Aalto, aconseguint-se rendiments per sobre del 22 %, que són els mes grans aconseguits fins la data combinant una estructura IBC amb b-Si frontal. També, fruït de les simulacions, s’han dissenyat les màscares de fotolitografia per fabricar un minimòdul black en col·laboració amb l’empresa finlandesa Valoe. Finalment, al capítol 7, s’explora el potencial que ofereixen les cèl·lules solars IBC per a aplicacions de baixa i mitjana concentració.
Con la finalidad de optimizar la eficiencia de conversión fotovoltaica diversas arquitecturas de células solares basadas en silicio monocristalino (c-Si) han surgido a lo largo del tiempo. Las células solares de contactos traseros interdigitados IBC (Interdigitated Back-Contacted cell), al disponer los contactos en la parte trasera, permiten una mayor absorción de luz, y mejoran la integración de las células en el módulo. A lo largo de la tesis se estudiarán, mediante la herramienta de simulación comercial de dispositivos semiconductores 2D/3D Sentaurus Synopsis TCAD, diversos diseños y tipologías de células IBC de c-Si, alguna de ellas, fabricadas finalmente en el laboratorio del grupo de Micro y Nanotecnologías MNT de la UPC. Después de estudiar el estado del arte en este tipo de estructuras en el capítulo 1 de la tesis, se hará una introducción a los modelos físicos utilizados en la simulación en el capítulo 2. Además, se introducirá el concepto de célula unitaria y célula mínima de simulación con la finalidad de reducir el tiempo y los recursos de memoria de las simulaciones. La repetición periódica de la célula unitaria en los ejes X y Y reproduce la célula solar total mediante escalado de corriente. En el capítulo 3, se estudian estructuras IBC con contactos puntuales traseros con celda unitaria constante. Este tipo de estructura de contactos se adecua a la tecnología láser que dispone el grupo MNT para la fabricación de células solares. En este caso, laseando capas dieléctricas con contenido de aluminio y de fosforo se consiguen los contactos p+y n+ respectivamente. Las simulaciones permitirán determinar la distancia óptima o pitch entre contactos, así como el potencial de eficiencia que se puede conseguir mediante este concepto atendiendo a la velocidad de recombinación del contacto de base. En el capítulo 4, se analizan alternativas de mayor de complejidad para mitigar el efecto
de una mala pasivación de los contactos de base, ya sea utilizando contactos puntuales o bien estructuras basadas en técnicas más convencionales usando regiones dopadas en tiras, por ejemplo. En este capítulo se define un parámetro geométrico importante y novedoso como es el factor de cobertura de emisor (FE). Este parámetro sopesa el peso de los contactos/regiones de emisor en las prestaciones del dispositivo interesando que sea elevado para mitigar el efecto pernicioso de tener un contacto de base con mala pasivación. Además, se discutirán varias estrategias, ya sea o bien manteniendo la celda unitaria constante o bien aumentando la misma tanto en contactos puntuales como utilizando regiones dopadas extensas (large emitter coverage strategy). Gracias a los conceptos utilizados en este capítulo el grupo MNT ha podido desarrollar células solares con contactos puntuales láser en colaboración con el centro laser de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) con rendimientos superiores al 20 %. En el capítulo 5, se
analiza el efecto de la resistencia serie del grid de metalización y de los contactos, y como incluirlo en las simulaciones. En el capítulo 6, las simulaciones permitirán dimensionar y estudiar la mejor geometría para aplicarla a células solares IBC con nanotexturización black silicon (b-Si) en la superficie frontal. Gracias a las simulaciones, se han diseñado las máscaras de fotolitografía para la fabricación de células solares IBC b-Si fruto de una colaboración con la Universidad finlandesa de Aalto, consiguiéndose rendimientos por encima del 22 %, que son los mayores conseguidos hasta la fecha combinando una estructura IBC con b-Si frontal. También, fruto de las simulaciones, se han diseñado las máscaras de fotolitografía para la fabricación de un minimódulo black en colaboración con la empresa finlandesa Valoe. Finalmente, en el capítulo 7, se explora el potencial que ofrecen las células solares IBC para aplicaciones de baja y media concentración.