Aportaciones al Diseño de Fuentes de Alta Tensión Pulsadas

Abstract

Las fuentes de alta tensión pulsadas producen campos eléctricos de alta intensidad, los cuales son ampliamente utilizados en aplicaciones de biotecnología, esto debido al efecto que se ha logrado a nivel de la membrana celular. Este efecto ha dado lugar a nuevos metódos para tratamiento de cáncer, terapia génica, suministro de medicamentos e inactivación de microorganismos. Para este último caso, se ha demostrado alta eficiencia en tratamiento de alimentos líquidos. La eficiencia alcanzada tiene relación con diferentes parámetros del pulso entregado por la fuente. Entre los parámetros del pulso más importantes que influyen en el proceso se encuentran: la amplitud (intensidad de campo eléctrico), ancho y forma del pulso (rectangular). En el proceso de diseño y construcción se han encontrado limitaciones relacionadas con las características de los dispositivos de conmutación, ya que se requieren valores de tensión elevados (mayores a 2 kV) con anchos de pulso muy cortos (desde 1 µs), por otra parte se busca formas de onda rectangulares con anchos controlables y con mínima dependencia sobre el valor de la carga. Teniendo en cuenta lo mencionado, en esta investigación se pretende diseñar y construir una fuente de alta tensión pulsada con alto grado de controlabilidad del ancho, amplitud y forma del pulso de salida utilizando MOSFETs como dispositivos de conmutación. Para llevar a cabo este propósito, el trabajo se divide en tres etapas: En la primera se diseña y construye cada una de las partes que constituyen la fuente pulsada proponiendo un método de configuración de MOSFETs que permite incrementar los valores de tensión y corriente de operación de estos dispositivos sin limitar sus ventajas en velocidad de conmutación. En la segunda se realiza un análisis general del desempeño del diseño y una comparación con otros diseños por medio de simulación. En esta etapa se realizan variaciones de algunos parámetros del circuito buscando una forma de pulso menos dependiente de la carga. Finalmente, en la tercera etapa se realizan las pruebas del prototipo experimental, se analizan los efectos de algunos parámetros del circuito sobre la forma del pulso y se seleccionan los valores ideales de funcionamiento

Abstract : High voltage pulsed power supplies generate pulsed electric fields, which are widely used in biotechnology applications because its effect on the cell membrane. This has led to new approaches to cancer treatment, gene therapy, drug delivery and microorganisms inactivation, additionally, it has proved high efficiency in bacterial inactivation in liquid foods. However, in design and build process limitations related to features of switching devices have been found. This is due to high voltages values (greater than 2 kV) and pulse widths very short (1 μs) are required. Moreover rectangular pulse shapes with controllable widths and minimal dependence on the load are wanted. This research is intended to design and build a high voltage pulsed power supply with a high controllability of width, amplitude and output pulse shape using MOSFETs as switching devices. To accomplish this purpose, the work is divided into three stages: In the first, each of the constituent parts of the pulsed power supply are designed and built. A MOSFETs configuration method is proposed which increase their voltage and current operating, without limiting its advantages in switching speed. Second stage is an analysis of the design’s overall performance and a comparison with other designs by simulation. In this step are performed variations of some parameters of the circuit searching for a pulse shape less dependent on the load resistance. Finally, in the third step, experimental prototype testing are performed, effects of some parameters of circuit on the pulse shape are studied and ideals values for appropriate work are selected