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“2019, Año del Caudillo del Sur, Emiliano Zapata

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Propuestas de temas de doctorado No exceder de 3 páginas:

Título: Balastro electrónico para LED de alta intensidad luminosa, sin capacitores electroliticos y con

capacidad de atenuación.

Descripción:

La iluminación artificial representa un porcentaje importante del consumo de energía de los edificios

[1]–[4]. Se estima que este porcentaje se encuentra entre el 30 y el 45% [5]. En la actualidad los LED

de alta intensidad (LED-HB) han venido reemplazando a los sistemas de iluminación tradicionales de

tipo incandescente, fluorescente y de haluros metálicos, debido a sus características de alto brillo,

larga vida, eficiencia, bajo mantenimiento y bajo impacto ambiental [2], [6]–[10].

La iluminación con LED-HB presenta problemas de costos y confiabilidad [11]. La confiabilidad está

relacionada a la estructura del convertidor de potencia empleado para alimentar al LED-HB, dado que,

en general, se emplean capacitores electrolíticos para almacenamiento de energía (balance entre la

potencia de salida de CD y la potencia instantánea de entrada de CA) [2]. El problema con los

capacitores electrolíticos es su corta vida útil, de solo unos pocos de miles de horas (de 5000h a

10000h) [2], [3], [12], comparada con la vida útil de los LED-HB de 50000h a 100000h [6], [13].

Las lámparas con LED-HB se clasifican como sistemas clase C por la Comisión Internacional de

Electrotecnología (IEC, por las siglas en inglés de International Electrotechnical Commission) en su

norma IEC61000-2-3 [4], [6], [7]; adicionalmente, la agencia Energy Star establece un valor mínimo

de factor de potencia para lámparas LED-HB con potencias mayores a 5W, de 0.7 para uso residencial

y 0.9 para uso industrial [4], [14], [15].

La operación de los convertidores de potencia para alimentar a los LED-HB debe asegurar una

corriente de CD constante para asegurar un brillo constante [6], [9], [10], [13], se prefiere el control

de corriente sobre el de voltaje debido a que los LED-HB varían su caída de voltaje directo con el

tiempo de uso, temperatura ambiente y la operación en atenuación [9].

Para cumplir con las restricciones de factor de potencia en aplicaciones industriales, el convertidor de

potencia debe incluir funciones de corrección activa del factor de potencia (APFC, por las siglas en

inglés de Active Power Factor Corrector). Existen varios enfoques para incluir esta funcionalidad al

convertidor de potencia [2]; de manera tradicional, un enfoque de dos etapas en cascada incluye un

convertidor CA-CD APFC en serie con un convertidor CD-CD con salida de corriente [2]–[4], [13],

este tipo de estructura es muy utilizada en aplicaciones de media potencia [2]. Otros enfoques tratan

de compactar estas etapas en una sola estructura [6], [13], [16]. Un problema de las estructuras de una

sola etapa es la generación de parpadeo (flicker) en la iluminación con una frecuencia del doble de la

frecuencia de red, este parpadeo es ocasionado por el rizo de potencia que se genera con los ciclos de

carga y descarga del capacitor de almacenamiento de energía [7], [14]. Para reducir el riesgo de

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problemas de salud debidos al parpadeo, se recomiendan niveles menores al 0.08 * fparpadeo en

porcentaje del segundo armónico, i.e. 0.08 * 120 Hz = 9.6% 10%, en redes de 60 Hz [14].

El eliminar el capacitor de almacenamiento (capacitor electrolítico) permite incrementar la

confiabilidad del sistema de alimentación de los LED-HB y reducir el efecto de parpadeo. Algunos

de las alternativas reportadas en la literatura, con dos etapas, emplean convertidores Flyback en la

entrada para la implementación de APFC [6], [7] por sus características de proporcionar una

corrección de factor de potencia al operar en modo de conducción discontinuo o en frontera. En la

segunda etapa se presentan alternativas para mantener una operación estable en los LED-HB

eliminando el capacitor de almacenamiento entre las dos etapas. Dong [6] presenta un convertidor

Flyback con dos salidas, esta modificación permite implementar una operación de 1.5 etapas de

procesamiento de energía. Una de las salidas del convertidor Flyback alimenta directamente al arreglo

de LED-HB, mientras que la otra salida se conecta a un convertidor reductor. El esquema propuesto

fue probado en un prototipo en operación con voltaje de entrada universal, 90 a 265 Vac, obteniendo

niveles de componentes armónicos en la corriente de entrada por debajo de los establecidos en la

norma IEC61000-3-2 para sistemas clase C. La figura 1 muestra el diagrama esquemático de la

propuesta de [6].

Fig. 1. Convertidor de 1.5 etapas propuesto por [6].

En [4], los autores presentan un circuito basado en una estructura APFC de etapas elevador-reductor

en cascada, de tipo una entrada múltiples salidas (SIMO por sus siglas en inglés). Los inductores de

ambas etapas las acoplan magnéticamente formando una estructura Flyback, el que debe ser un

capacitor de almacenamiento, Cs, ve reducido su valor al aplicarse una estrategia de control activa al

arreglo; el sistema SIMO se optimiza al eliminar el uso de inductores individuales para cada salida

por un solo inductor común. La operación de Qdis y Qx (x=1, 2, .. , N) en forma multiplexada permite

realizar una transferencia de potencia desde el capacitor Cs. Los capacitores Cox son de valor pequeño

debido a que su función es filtrar los rizos de corriente a la frecuencia de conmutación. El control

requiere de un gran número de dispositivos digitales para la activación de las múltiples salidas, sin

embargo, esto permite incluir funciones de atenuación (dimming) al circuito. La operación APFC se

obtiene al operar la etapa de entrada en modo de conducción discontinuo. Los resultados

experimentales reportados para un prototipo de 16W, muestran factores de potencia mayores a 0.99

en un amplio rango de voltajes de entrada, con una eficiencia máxima del 88%.







Fig. 2. Convertidor propuesto en [4].

En relación con el objetivo de reducir el consumo de energía en edificios empleado en iluminación,

una estrategia adicional al uso de lámparas LED-HB es la implementación de sistemas de cosecha de

luz natural. Estos sistemas emplean sistemas de atenuación para limitar la energía proporcionada a las

lámparas, y requieren del empleo de fotosensores para implementar lazos cerrados de control [1], [5].

La atenuación en lámparas con LED-HB en términos generales afecta el factor de potencia de la

lámpara y al parpadeo [1]. Para reducir el problema de parpadeo en un sistema de atenuación con

control de lazo cerrado, el sensado debe ser analógico (con un ADC de alta velocidad en el caso de

controles digitales) para obtener ajustes en tiempos menores al período de parpadeo [5]. Algunas de

las alternativas reportadas en la literatura emplean convertidores reductores [10], [13], elevadores [9],

Flyback [16], y medio puente [8], entre otras.

En [13] se presenta un esquema de alimentación para LED basado en un convertidor reductor flotado

que ofrece funciones de APFC y operación con atenuador de control de fase externo, de una sola etapa

de potencia y sin capacitor electrolítico. El sistema puede operar con circuitos atenuadores de control

de fase convencionales. Al tener una estructura de convertidor reductor, la corrección del factor de

potencia (cuando no se opera en conjunto con un atenuador externo) recae en la etapa de control, la

cual está basada en la implementación de una banda de referencia sinusoidal para la conmutación del

convertidor. La etapa de control deriva de la entrada sinusoidal rectificada sin filtro dos señales

sinusoidales de amplitud constante para generar la banda de referencia sinusoidal (VSRH para el nivel

superior y VSRL para el nivel inferior de la banda) que se utilizan para activar y desactivar el MOSFET

MN al comparar el voltaje sensado VCS con los niveles instantáneos de VSRH (apagar) y VSRL

(encender). Como el convertidor puede ser utilizado con atenuadores de control de fase externos, el

control incluye un circuito para asegurar un consumo de corriente mínimo que asegure que el

atenuador permanezca operando hasta que el convertidor consuma su corriente de operación normal,

la figura 3 muestra el esquema del convertidor. En operación sin atenuador externo, el esquema

presenta un factor de potencia superior al 0.95 en un rango de voltaje de entrada universal.








Algunas alternativas de atenuación para aplicaciones LED-HB reportadas [4], [8], [9], alimentan

arreglos de ramas de LED en paralelo, las cuales requieren de regulación de corriente en cada rama.

En [9] se propone un convertidor elevador como una segunda etapa del esquema de alimentación de

una lámpara LED, la cual incluye varias ramas de LED en paralelo en la salida del convertidor. El

lazo de control propuesto es multivariable, se plante a una modificación al modulador PWM

tradicional al introducir una señal generada por un bloque llamado de retroalimentación negativa de

voltaje adaptativo, Vref,avfc, adicional al voltaje generado a la salida, Vfb, figura 4. La función de

atenuación es proporcionada por un lazo regulador de corriente PWM, el cual ajusta el punto de

operación de los MOSFET M1 y M2 al comparar el voltaje en las resistencias de sensado Rs1 y Rs2 con

un nivel de referencia, Vdim, el cual es un voltaje de tipo pulso, el resultado es un ajuste en la resistencia

en serie con los LED. El bloque de control adaptativo toma en consideración el valor esperado de la

caída de voltaje en el dren de los MOSFET M1 y M2 para establecer el valor de referencia Vcr,set. Este

nivel es comparado con el nivel de Vdr,min, el cuál es el menor de los niveles entre Vdr1 y Vdr2, esta

comparación permite ajustar el ciclo de trabajo del convertidor elevador en dependencia de la

operación de los LED. El esquema permite operación con variaciones de corriente entre las ramas de

menos de 0.1% en el rango de atenuación.

En lugar de emplear un regulador de corriente PWM como el implementado en [9], un esquema de

balaceo de corrientes empleando transformadores de modo diferencial se propone en [8] para

alimentar un conjunto de ramas de LED conectadas a un convertidor tipo puente H, figura 5. El

convertidor propuesto puede trabajar en aplicaciones de alta potencia luminosa. Se presenta un

prototipo de 20W operando a una frecuencia de conmutación de 200kHz y pruebas de funcionamiento

con atenuaciones del 20 y 50%. La operación de los transistores permite, en sus estados de apagado,

lazos de circulación de corriente que permiten la desmagnetización de los transformadores

diferenciales.








Fig. 5 Convertidor propuesto en [8].

Es claro que existen muchos estudios en la literatura que abordan las temáticas de APFC,

compactación de etapas, confiabilidad eliminando capacitores electrolíticos y operación con

atenuación luminosa para aplicaciones con LED-HB, sin embargo, es escaso el trabajo encontrado

para el desarrollo de una estructura de una sola etapa con APFC, sin capacitores electrolíticos y

función de atenuación luminosa, que pueda ser incorporado a un sistema de administración de energía,

que permita ahorros de energía adicionales al obtenido por el cambio de tecnología luminosa.

Objetivo:

General:

Desarrollar una topología de convertidor de potencia (‘driver’) adecuado para la implementación

de balastro electrónico para dispositivos LED de alta intensidad luminosa (‘HB-LED’) y sin

capacitores electrolíticos, que cumpla con la normatividad internacional referente a calidad de







energía eléctrica, y proporcione un ahorro de energía al ajustar la intensidad luminosa cuando

iluminación natural está presente en el área.

Específicos:

Desarrollar un convertidor de potencia para HB-LED sin capacitores electrolíticos.

Cumplir con la norma IEC 61000-3-2 para dispositivos clase C (equipo de iluminación).

Desarrollar un esquema que permita la operación tipo atenuador.

Desarrollar un esquema que permita fijar punto de atenuación de manera automática o manual.

Metas:

Publicar al menos dos artículos JCR.

Publicar al menos dos artículos en congresos internacionales de prestigio.

Someter a proceso de registro de propiedad intelectual (Patente o Modelo de Utilidad).

Referencias:

[1] L. T. Doulos, A. Tsangrassoulis, P. A. Kontaxis, A. Kontadakis, and F. V. Topalis, “Harvesting daylight with LED

or T5 fluorescent lamps? The role of dimming,” Energy Build., vol. 140, pp. 336–347, Apr. 2017.

[2] U. Ramanjaneya Reddy and B. L. Narasimharaju, “Single-stage electrolytic capacitor less non-inverting buck-boost

PFC based AC–DC ripple free LED driver,” IET Power Electron., vol. 10, no. 1, pp. 38–46, Jan. 2017.

[3] Z. Shan, X. Chen, S. Fan, J. Jatskevich, and C. K. Tse, “An Electrolytic Capacitor-Less AC-DC LED Driver with a

Low Power Processing Auxiliary Circuit and Ceramic Capacitors for Ripple Power Decoupling,” in 2018 IEEE

Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2018, pp. 5101–5108.

[4] H. Wu, S.-C. Wong, and C. K. Tse, “A More Efficient PFC Single-Coupled-Inductor Multiple-Output Electrolytic

Capacitor-Less LED Driver With Energy-Flow-Path Optimization,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 34, no. 9, pp.

9052–9066, Sep. 2019.

[5] Y. Gao, Y. Cheng, H. Zhang, and N. Zou, “Dynamic illuminance measurement and control used for smart lighting

with LED,” Measurement, vol. 139, pp. 380–386, Jun. 2019.

[6] H. Dong, X. Xie, L. Jiang, Z. Jin, and X. Zhao, “An Electrolytic Capacitor-Less High Power Factor LED Driver

Based on a ‘One-and-a-Half Stage’ Forward-Flyback Topology,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 33, no. 2, pp.

1572–1584, Feb. 2018.

[7] P. Fang, S. Webb, Y.-F. Liu, and P. C. Sen, “Single-Stage LED Driver Achieves Electrolytic Capacitor-Less and

Flicker-Free Operation With Unidirectional Current Compensator,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 34, no. 7, pp.

6760–6776, Jul. 2019.

[8] W.-Z. Jiang and K.-I. Hwu, “A dimmable LED driver based on H-bridge and differential-mode transformer,” in 2018

7th International Symposium on Next Generation Electronics (ISNE), 2018, no. Isne, pp. 1–3.

[9] Pang-Jung Liu, Shang-Ru Hsu, Che-Wei Chang, Chen-Yu Liao, and Lin-Hao Chien, “Dimmable white LED driver

with adaptive voltage feedback control,” in 2015 IEEE 2nd International Future Energy Electronics Conference

(IFEEC), 2015, no. 1, pp. 1–4.

[10] D. Park, Z. Liu, and H. Lee, “A 40 V 10 W 93%-Efficiency Current-Accuracy-Enhanced Dimmable LED Driver

With Adaptive Timing Difference Compensation for Solid-State Lighting Applications,” IEEE J. Solid-State

Circuits, vol. 49, no. 8, pp. 1848–1860, Aug. 2014.

[11] Guoxi Sun, J. G. Liu, Haibing Zhang, Dongming Wang, and Z. F. Fan, “A fully-integrated compact LED module







with inductor-less and capacitor-less LED driver,” in 2013 10th China International Forum on Solid State Lighting

(ChinaSSL), 2013, pp. 8–11.

[12] Z. Shan, X. Chen, J. Jatskevich, and C. K. Tse, “AC–DC LED Driver With an Additional Active Rectifier and a

Unidirectional Auxiliary Circuit for AC Power Ripple Isolation,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 34, no. 1, pp.

685–699, Jan. 2019.

[13] C. Shin et al., “Sine-Reference Band (SRB)-Controlled Average Current Technique for Phase-Cut Dimmable AC–

DC Buck LED Lighting Driver Without Electrolytic Capacitor,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 33, no. 8, pp.

6994–7009, Aug. 2018.

[14] P. Fang, B. Sheng, S. Webb, Y. Zhang, and Y.-F. Liu, “LED Driver Achieves Electrolytic Capacitor-Less and

Flicker-Free Operation With an Energy Buffer Unit,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 34, no. 7, pp. 6777–6793,

Jul. 2019.

[15] K.-S. Park, B.-J. Seo, K.-S. Kang, and E.-C. Nho, “An AC-DC Power Converter for Electrolytic Capacitor-less LED

Driver with High Luminous Efficacy,” in 2018 International Power Electronics Conference (IPEC-Niigata 2018 -

ECCE Asia), 2018, pp. 922–926.

[16] L. Jia, Y.-F. Liu, and D. Fang, “High power factor single stage flyback converter for dimmable LED driver,” in 2015

IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2015, pp. 3231–3238.

Vinculación:

No se tiene contemplado prospecto de vinculación

Financiamiento:

Se buscará financiamiento vía TecNM, y otras instancias.

Línea de Investigación:

Instrumentación y control en energías X

Sistemas mecatrónicos

Sistemas inteligentes en agroindustrias


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