NINGUN EQUIPO ELECTRONICO ES MEJOR QUE SU FUENTE DE ALIMENTACION Una vez definido el concepto de mi fuente de alimentación el diseño fue muy fácil NINGUN EQUIPO ELECTRONICO ES MEJOR QUE SU FUENTE DE ALIMENTACION LAS FUENTES DE ALIMENTACION DEL FUTURO DEBEN SER INVISIBLES SILENCIOSAS FRIAS BAJO COSTO

LA VISION MACRO

Cambiador de frecuencia 1 siglo de desarrollos Conversores DC-DC Conversores DC-AC Cambiador de frecuencia ENIAC 1943 Wilson, Power Electronics Evolution

– Popular Mechanics, March 1949 “Pienso que hay un mercado mundial para unos cinco computadores” Thomas J. Watson Jr, Presidente IBM (1943) ENIAC Construido por Penn's Moore School of Electrical Engineering en 6 meses, Costo $500,000 Peso: 27 T 17,468 tubos, 7,200 diodos, 1500 relevos, 70 mil resistencias, 10 mil condensadores 5 millones de uniones de soldadura 2.4m x 1m x 30m Fuente 150kW 5000 adiciones-substracciones por segundo Where a calculator like theENIAC today is equipped with18,000 vacuum tubes and weighs 30 tons, computers in the future may have only 1,000 vacuum tubes and perhaps weigh only half a ton.” – Popular Mechanics, March 1949

La construcción de la EdP Cimientos Aplicaciones domésticas Paredes Aplicaciones industriales Defensa, aeroespacio Comercial Tracción Techo Red de generación, transmisión y distribución. Thomas Lippo U de Wisconsin

Mercado de controladores de Motores en billones* de Euros * Billones europeos

Disponibilidad mundial de recursos energéticos Bose, U de Tenessee

Record de emisiones de CO2

Crecimiento de emisiones de CO²

Proyección de elevación del nivel del mar

Por qué es importante la EdP Alta eficiencia (98-99%) Medios para ahorrar energía Habilidad para reducir tamaño de soluciones energéticas. Crítica para el uso de las energías renovables Crítica para el uso de sistemas de almacenamiento de energía Areas claves Control de motores para bombas, ventiladores y compresores*. Control de velocidad de motores Iluminación Sistemas de transporte. * Representan 65% consumo electricidad Estados Unidos

Area Tecnológica Metas para el 2050 (ONU) Infraestructura Garantizar disponibilidad universal de agua potable, sistemas sanitarios, energía comercial y comunicaciones. Electrificación Lograr electrificación global, incluyendo servicios de electricidad de ~1000 KWH/persona/año Eficiencia energética Duplicar la eficiencia de la cadena energética, del 5 al 10% Decarbonización Triplicar la tasa de decarbonización, del 0.3% por año al 1% por año en el 2030 Uso de la tierra Incrementar la productividad de las cosechas en 2%/año y retornar al menos 1/4 de las tierras cultivadas a su estdo natural Uso agua Reducir el uso del agua en agricultura e industrial en 50% Transporte Electrificar el 50% del transporte mundial Ecología Industrial Reducir los desechos industriales a casi cero y minimizar la necesidad de nuevas fuentes de materias primas Educación Garantizar acceso universal a la educación y al entrenamiento técnico Weiners, Brad, Eight Technologies that will change the worlds, Business 2.0, June 2002 EPRI, Electric Power Research Institute, Electricity Technology Roadmap 1999

Tecnologías críticas para el desarrollo sostenible Catalizador tecnológico Refuerzo de la estructura de suministro de energía Habilitación redes de servicio Incremento de la productividad económica y prosperidad Resolución del conflicto energía/carbón Manejo desarrollo sostenido Generación distribuida  n  Electrónica de potencia · Tecnología basada en microprocesadores Tecnología de información en tiempo real Materiales avanzados Biotecnología Manejo ambiental n Fuerte influencia  Influencia menor pero aún significativa

Edison no se sorprendería

Generación y Transmisión Distorsión Calidad Distancia Pérdidas

Consumo de electricidad China kWH Indexmundi.com

Como compara con Colombia China construye dos centrales generadoras por semana (UK Foreign Office) Las pérdidas de transmisión y generación de la China son equivalentes a 5.6 veces la energía consumida en Colombia. Si China reduce sus pérdidas en 1.1% es equivalente a ahorrar toda la energía generada en Colombia en un año

Factor de Planta Consumo varía a lo largo del año y durante el día y la noche Para satisfacer la demanda se requiere capacidad de reserva. Factor de planta relaciona consumo promedio a consumo pico Fuente CPES

Precio histórico del kWh USA Fuente Mc Nernie, Universidad de Boston Durante 2003-2008 el precio de las fuentes de alimentación se ha reducido hasta en un 50%

Evolución de la red eléctrica Transmisión DC Almacenamiento Fuente ABB Renovables

Comparaciones de emisiones de polutantes

Beneficios de las energías alternas Impacto de tecnologías solares e incremento de instalaciones en Estados Unidos Fuente: Asociación fabricantes páneles solares USA Empleos creados por millón de dólares invertidos

Opciones de almacenamiento Fuente: Electric Power Research Institute

Manejo flexible de métodos de almacenamiento Sistema bidireccional de alta eficiencia Capacidad de manejo de pulsos de alta energía Capacidad ilimitada de carga y descarga

Pérdidas de Transmisión en DC

Expectativas próximos 15 años

Expectativas próximos 20 años Desarrollos en “nuevos” materiales capaces de operar a altas temperaturas con reducidas pérdidas de conmutación y alta conductividad térmica. Incremento en operación a alto voltaje, altas frecuencias Mejora en eficiencia y densidad de potencia Incremento en capacidad de corriente Incremento en el parámetro de costo beneficio Capacidad de inyectar potencia reactiva en líneas de transmisión Habilidad para controlar el flujo y transferencia de potencia. Incrementar capacidad de manejo de fallas de sistemas Reducir costo Incremento en confiabilidad y durabilidad

Desarrollo de interruptores Capacidad de conmutación Capacidad de interrumpir corriente Capacidad de limitar corriente Capacidad de bloquear voltaje

Por qué la red inteligente (smart grid) Muestra de consumo usuarios Indiana y escenarios de consumo de acuerdo a políticas de ahorro de energía Jackson, Texas A&M

Smart grid (red inteligente) Una red eléctrica que integra de manera inteligente las acciones de los usuarios conectados a ella, generadores, consumidores y los que hacen ambas funciones (www.smartgrids.eu). La red inteligente representa una evolución de l sistema eléctrico que incluye Nueva Interacción de transmisión y distribución con la integración de fuentes renovables de energía, incremento de confiabilidad y eficiencia de la red. Integración de nuevas tecnologías como la integración a gran escala de vehículos eléctricos Automatización y control de dispositivos en la cadena de valor desde producción hasta consumo

Configuración de una “nanored” Fuente CPES

Evolución de la “nano-red” Voltage corrector factor de potencia Comunicación inalámbrica Voltaje comunicación, PoE, carros eléctricos

Integración de diferentes redes inteligentes

Los detalles INTERMEDIO

TUTORIAL DC-DC D= demora R Vo= Vi.D R+Ri analogo RVEA Vo= Vi. Vpk VEA D= demora Vpk R Vo= Vi.D R+Ri analogo RVEA Vo= Vi. Vpk(R+Ri) Tiempo real Rampa proporcional al voltaje de entrada KFB KEA KMOD demora Rampa puede ser modificada por la corriente del inductor Digital analogo

control Vi Vo A B C D TOPOLOGIA FORMULA 1-D ON OFF REDUCTOR Vo=ViD ELEVADOR Vo=Vi/(1-D) - REDUCTOR - ELEVADOR Vo=-ViD/(1-D) -REDUCTOR -ELEVADOR Vo=ViD/(1-D)

OPCIONES FUENTES CONMUTADAS PARAMETRO IMPLEMENTACION RESULTADO TOPOLOGIA TREN DE POTENCIA BASICO DOS INTERRUPTORES , UN CONDENSADOR, UN INDUCTOR REDUCTOR ELEVADOR INVERSOR TREN DE POTENCIA EXPANDIDO INDUCTOR DOS DEVANADOS TRANSFORMADOR CON AISLAMIENTO CICLO ÚTIL DEFINIDO POR AMPLIFICADOR DE ERROR FUENTE CONTROLADA DC-DC MODULADO FUENTE CONTROLADA DC-AC Frecuencia de operación Incremento frecuencia Reducción frecuencia Reducción tamaño, costo Incremento eficiencia Reducción pérdidas TECNICA CONTROL ANALOGICA DIGITAL TECNICA MODELADO CIRCUITO PROMEDIO MODELO CONTINUO (TRANSFORMADA LAPLACE) CIRCUITO DIGITAL MODELO DISCRETO (TRANSFORMADA Z)

Respuesta dinámica conversor dc-dc

Ancho de banda y frequencia de conmutación amplificadores 3G

Control digital (CPES)

Demoras en control digital

Control digital permite novedosas alternativas de control

LA TAREA DEL EQUIPO DE DISEÑO (Visión puntual)

ARQUITECTURE DE POTENCIA DE UN PC PORTATIL 4 3 2 1 Para el caso Colombiano cada vatio consumido por el procesador requiere la generación de mas de 2W.

BLOQUE REQUERIMIENTO IMPLEMENTACION ADAPTADOR AC-DC Operación universal Corrección factor potencia Eficiencia Protección contra sobre-voltajes Uso seguro (usuario, riesgo incendio) EMC 90-260V AC, 50-60 Hz IEC61000 contenido harmónicos Energy star, Código de Conducta EU IEC61000 IEC61950, UL61950 MARCA CE CARGADOR/ BUS INTERMEDIO Energía bus intermedio Carga batería voltaje, corriente, temporizado, temperatura Protección NVDC (Intel) Requerimientos específicos fabricante REGULADOR PROCESADOR Suministro alimentación procesador Ajuste de voltajes Respuesta dinámica a variaciones de corriente 1000A/µs TODOS Costo mínimo Calentamiento mínimo (confiabilidad) Eficiencia máxima ROHAS Substancias prohibidas Cadmium, mercury, thallium, plomo Soldadura libre de plomo RECICLAJE Cada kg de equipo electrónico genera 5 kg de desechos EU directiva disposición equipo electrónico

Survey de conversores dc-dc (CPES)

Ley de EdP P*f = K K crece continuamente µA

Ley EdP (Powerex)

Ley EdP (IMEC)

Factor K Fuente: PSMA (Power supply Manufacturing Association) 3 categorías 1kW conversor de entrada con corrección de factor de potencia y aislamiento 100W “ladrillos” con aislamiento 200W “ladrillos” sin aislamiento

Resumen de las 3 categorías

Futuro de integración horizontal CPES

Factor K sistemas automotivos Fuente: NRAL (National renewable energy laboratory

MANEJO TERMICO AUTO HIBRIDO

Evolución de las fuentes de procesador Intel

Ley de Moore El número de transistores se duplica con cada nueva generación: half-pitch se reduce por un factor de √2 Las pérdidas son función del número de transistores, voltaje aplicado, capacidades y resistencias parásitas

Vision 2005 ITRS (International technology roadmap for semiconductors)

Ley Moore 2010 SOCs son mas sensitivos a precios

EVOLUCION DE LOS VOLTAJES

Procesos de señal mixta CMOS Reducción agresiva de tamaño Reducción agresiva de voltaje Analógico Reducción de tamaño agresiva Reducción de voltaje agresivo Pasivos con buena precisión Potencia Reducción de tamaño limitada Reducción de voltaje limitada Mejora desempeño de potencia

PMBUS structure for voltage control

VARIACIONES ESTADISTICAS VOLTAJE SALIDA 64

UN NUEVO PARADIGMA

Desarrollo tecnológico de portátiles Fuente Paradiso MIT Es una tecnología madura Mayoría bloques tecnológicos avanzan en escala exponencial Desarrollo de baterías es mucho mas lento

Un enfoque diferente Optimización dinámica de componentes para reducir consumo mediante ajustes e voltaje y velocidad de operación Diseño híbrido (señal mixta) análogo-digital. Circuitos de control inactivos la mayoría del tiempo, funcionalidad reducida a un mínimo Sistema despierta periódicamente. Utilizar fuentes “gratuitas” de energía. Generar estructuras que conviertan esta energía a forma eléctrica Diseñar circuitos de muy alta eficiencia que permitan almacenar la energía eléctrica.

Fuente Rincón-Mora Georgia Tech

Ejemplo de SIP para cosecha de energía Autocontenido, Autosostenido. Celda fotovoltaica (luz) Generador termoeléctrico (calor generada por la celda) Condensador variable (vibraciones) Condensador transicional para almacenar energía Micro batería Cargador Controlador de salida Potencia cosechada 115 µW Potencia sistema 100µW 5mW transmisión por 5ms 3.75mW recepción por 5ms Muestreo de 500 ms Fuente Rincón Mora Georgia Tech

Conclusión, siempre en movimiento “Después de cerca de 40 años tenemos idea de la forma de la casa hemos puesto los cimientos. Reforzar las paredes y poner el techo nos puede tomar otros 40 años. Al menos podemos soñar en el día en que podamos parar y admirar todo nuestro trabajo. Sin embargo, de momento es “trabajo en progreso”. T Lippo, Wisconsin University

Luis Huertas lhuertas@ti.com GRACIAS Luis Huertas lhuertas@ti.com