Domestic induction heating system with standard primary inductor for reduced-size and high distance cookware

In this work, a hybrid wireless power transfer system which combines induction heating (IH) and inductive power transfer (IPT) functionalities is proposed to improve the performance of a domestic induction heating application with small loads weakly coupled to distant inductors. Considering the basic single-inductor domestic IH application, the addition of a secondary inductor with series compensation capacitor directly attached to the small ferromagnetic cookware. This inductor allows to adapt the primary inductor to the load size, extending load distance while avoiding increased power losses and stress in electronic components. The extended distance can be used to implement the glassless induction concept, where the ceramic glass of typical cooktops is substituted by the kitchen surface itself. The design of the secondary coil is carried out by means of a combination of Finite Element simulations and electrical simulations. A design process including the housing of the resonant capacitors and the selection of the secondary winding number of turns and cabling is presented. As a result, a prototype is implemented and tested under working conditions up to 1500 W at several distances. Experimental results validate the electrical modelling and simulation. Moreover, thermal results confirm the feasibility of the proposal and validate the adopted strategies for the capacitor housing. IEE

Multi-electrode architecture modeling and optimization for homogeneous electroporation of large volumes of tissue

Electroporation is a phenomenon that consists of increasing the permeability of the cell membrane by means of high-intensity electric field application. Nowadays, its clinical application to cancer treatment is one of the most relevant branches within the many areas of electroporation. In this area, it is essential to apply homogeneous treatments to achieve complete removal of tumors and avoid relapse. It is necessary to apply an optimized transmembrane potential at each point of the tissue by means of a homogenous electric field application and appropriated electric field orientation. Nevertheless, biological tissues are composed of wide variety, heterogeneous and anisotropic structures and, consequently, predicting the applied electric field distribution is complex. Consequently, by applying the parallel-needle electrodes and single-output generators, homogeneous and predictable treatments are difficult to obtain, often requiring several repositioning/application processes that may leave untreated areas. This paper proposes the use of multi-electrode structure to apply a wide range of electric field vectors to enhance the homogeneity of the treatment. To achieve this aim, a new multi-electrode parallel-plate configuration is proposed to improve the treatment in combination with a multiple-output generator. One method for optimizing the electric field pattern application is studied, and simulation and experimental results are presented and discussed, proving the feasibility of the proposed approach

Real-time impedance monitoring during electroporation processes in vegetal tissue using a high-performance generator

Classical application of electroporation is carried out by using fixed protocols that do not clearly assure the complete ablation of the desired tissue. Nowadays, new methods that pursue the control of the treatment by studying the change in impedance during the applied pulses as a function of the electric field are being developed. These types of control seek to carry out the treatment in the fastest way, decreasing undesired effects and treatment time while ensuring the proper tumour ablation. The objective of this research is to determine the state of the treatment by continuously monitoring the impedance by using a novel versatile high-voltage generator and sensor system. To study the impedance dynamics in real time, the use of pulses of reduced voltage, below the threshold of reversible electroporation, is tested to characterise the state-of-the-treatment without interfering with it. With this purpose, a generator that provides both low voltage for sense tissue changes and high voltage for irreversible electroporation (IRE) was developed. In conclusion, the characterisation of the effects of electroporation in vegetal tissue, combined with the real-time monitoring of the state-of-the-treatment, will enable the provision of safer and more effective treatments

Acoustic noise analysis of multiplexed strategies in multi-output converters for induction cooktops

Recent developments in domestic induction heating seek to increase the cooking surface flexibility while maintaining cost-effective implementations. In order to do so, the interconnection of classical topologies or the optimized design of new ones is being prospected. This approach usually leads to a higher complexity in the power control strategies. Thus, multiplexed load power control is used due to its versatility with the different topologies. Despite the advantages of this technique, power variations over the different pots generate a change in the forces between those and the inductors that might generate acoustic noise. This paper analyses multiplexed load power control and its restrictions and presents a modulation strategy based on switching frequency and duty cycle variation that allows a soft-transient load activation and deactivation, reducing the generated acoustic noise

Design and Implementation of a Test-Bench for Efficiency Measurement of Domestic Induction Heating Appliances

The operation of a domestic induction cooktop is based on the wireless energy transfer from the inductor to the pot. In such systems, the induction efficiency is defined as the ratio between the power delivered to the pot and the consumed power from the supplying converter. The non-transferred power is dissipated in the inductor, raising its temperature. Most efficiency-measuring methods are based on measuring the effective power (pot) and the total power (converter output). While the converter output power is directly measurable, the measurement of the power dissipation in the pot is usually a cause of inaccuracy. In this work, an alternative method to measure the system’s efficiency is proposed and implemented. The method is based on a pot with a reversible base to which the inductor is attached. In the standard configuration, the inductor is placed below the pot in such a way that the delivered power is used to boil water, and the power losses are dissipated to the air. When the pot base is flipped, the inductor is immersed into the water. In this case the losses in the inductor also contribute to heating up and boiling the water. The induction efficiency is calculated from the boiling rates in both configurations. A commercial inductor was tested under real working conditions with consistent results

Sistema para el tratamiento de cáncer basado en electroporación irreversible

La electroporación es una técnica consistente en la exposición celular a campos eléctricos de alta intensidad, favoreciendo de este modo el aumento de la permeabilidad de sus membranas y permitiendo la circulación de iones y macromoléculas a través de esta. Este aumento de la permeabilidad está vinculado a la afectación de todo el contorno de la membrana celular. Hay dos tipos de electroporación. En una electroporación ligera una vez suspendido el campo eléctrico, los mecanismos de auto-reparación permiten restablecer los poros generados recobrándose así la permeabilidad selectiva que favorece la homeostasia de la célula. Si esto se produce podemos hablar de lo que se denomina electroporación reversible (EPR). En cambio, si la estimulación de la membrana ha sido suficiente puede provocarse una afectación no reversible, la cual recibe el nombre de electroporación irreversible (EPI). En condiciones muy extremas de poración, la célula no es capaz de recuperar el equilibrio y se desencadena la lisis celular, muerte natural. Si se persigue la muerte celular, el método de la electroporación irreversible es el más directo y seguro, aunque también una electroporación con niveles de tensión menores pero prolongada en el tiempo puede provocar alteraciones a nivel celular suficientes para provocar la muerte necrótica o apóptica de la célula. Las propiedades de la electroporación pueden usarse para producir muerte celular en tratamientos médicos. La principal ventaja que presenta la electroporación, aplicada a los procesos de muerte programada, respecto a otros métodos como el tratamiento por hipertermia, es que induce a la muerte celular sin producir calentamiento del tejido circundante, evitando así sus efectos adversos en el resto del tejido sano. El objetivo del presente trabajo es investigar el diseño de un sistema electrónico para la aplicación de tratamientos con niveles de tensión elevados (en torno a 15kV) que permitan verificar de manera experimental los rangos de aplicación de la electroporación sin que la barrera tecnológica de campo eléctrico, 2500V/cm, o mantenimiento del pulso, 100 µs, sean limitantes. Además de presentar un planteamiento general de la arquitectura del equipo, en este trabajo fin de máster se profundizará en el aspecto más desconocido: el diseño del acoplamiento electromagnético del pulso y la adaptación a una determinada carga. El tipo de señal requerida para el rango de la aplicación es de alta potencia y alta frecuencia. Para ello se propondrá una metodología de diseño basada en hipótesis del estado de la técnica, que se verificará finalmente a partir de la comparación de los valores teóricos y de los resultados numéricos extraídos de los ensayos realizados con el prototipo. El presente trabajo está enmarcado en una línea de colaboración de la Universidad de Zaragoza con un grupo multidisciplinar (formado por cirujanos, veterinarios e ingenieros) de otras Universidades y centros de investigación

Integración de control, medida y ensayos de un electroporador para tratamientos quirúrgicos

El presente trabajo está enmarcado en una línea de colaboración de la Universidad de Zaragoza con un grupo multidisciplinar (formado por cirujanos, veterinarios e ingenieros) de otras Universidades y centros de investigación. Se colaborará en la investigación del diseño de un sistema electrónico para la aplicación de tratamientos con niveles de tensión elevados (en torno a 15kV) que permitan verificar de manera experimental los rangos de aplicación de la electroporación sin que la barrera tecnológica de campo eléctrico, 2500V/cm, o mantenimiento del pulso, 100 μs, sean limitantes. La electroporación es una técnica que consistente en la exposición celular a campos eléctricos de alta intensidad, favoreciendo de este modo el aumento de la permeabilidad de sus membranas y permitiendo la circulación de iones y macromoléculas a través de esta. Este aumento de la permeabilidad está vinculado a la afectación de todo el contorno de la membrana celular. Hay dos tipos de electroporación, electroporación reversible (EPR) e irreversible (EPI). En la segunda, la afección en la membrada no es reversible y por tanto la célula no es capaz de recuperar el equilibrio y se desencadena la lisis celular, muerte natural. En la persecución de la muerte celular, la EPI es el método de electroporación más directo y sus propiedades pueden usarse en tratamientos médicos. La principal ventaja de la electroporación, es que induce la muerte celular sin producir calentamiento del tejido circundante, evitando así sus efectos adversos en el resto de tejido sano. Se tendrá como propósito 3 hitos principales. Se comenzará por el estudio y análisis del pulso de electroporación partiendo del modelo eléctrico generador-tejido, con el objetivo de cuantificar , para cada forma de onda de pulso, cuál es su ancho de banda efectivo. La siguiente meta a superar, será el diseño e implementación de una topología de acoplador/atenuador capaz de capturar la forma de onda procedente del tratamiento aplicado al tejido. Dicha topología, deberá conseguir baja distorsión de pulso, atenuación planteada y cumplir BW adecuado independientemente de la carga del osciloscopio o de las tolerancias de los parámetros. Por último, en este Trabajo Fin de Grado se desarrollará un proyecto software de control básico que permita al personal cualificado, el dominio de los parámetros de la forma de onda requerida, así como de su creación y aplicación en tiempo real. Como objetivo final se plantea, la verificación y puesta en marcha de los prototipos a desarrollar

PFC Rectifier for High Power Quality and High Efficiency Domestic Induction Heating Appliances

Domestic induction heating technology is present in most of buildings due to the advantages of induction cooktops such as fast heating, efficiency, safety, and cleanness. However, the latest trends in this technology have brought new challenges due to the control restrictions to fulfill EMC standards, and due to the required high power, efficiency, and power density, while keeping a cost-effective implementation. This paper proposes the use of a front-end PFC rectifier in order to address these challenges and get a high power quality and high efficiency solution. A review the state of the art of PFC rectifier is presented, and the main advantages of its application to domestic IH appliances are described

Diseño de inversor de potencia para sistema electrónica de tratamiento de cáncer mediante electroporación irreversible

El presente trabajo está enmarcado en una línea de colaboración de la Universidad de Zaragoza con un grupo multidisciplinar (formado por cirujanos, veterinarios e ingenieros) de otras Universidades y centros de investigación. Se colabora en la investigación del diseño de un sistema electrónico para tratamiento de cáncer mediante electroporación irreversible. El objetivo principal es verificar de manera experimental los rangos de aplicación de la electroporación y su viabilidad sin que la barrera tecnológica de pulso (10-100μs) y campo eléctrico (2500V/cm) sean limitantes. Es, por lo tanto, un proyecto de investigación donde se pretende acotar los límites de aplicación, la viabilidad, y los futuros pasos a seguir de una tecnología todavía no madura. La electroporación es una técnica consistente en la exposición celular a campos eléctricos de alta intensidad, favoreciendo de este modo el aumento de la permeabilidad de sus membranas y permitiendo la circulación de iones y macromoléculas a través de esta. Este aumento de la permeabilidad está vinculado a la afectación de todo el contorno de la membrana celular. En este proyecto se desarrolla la técnica de electroporación irreversible, la cual está caracterizada por la necesidad de aportar al tejido grandes tensiones y corrientes en pulsos estrechos. No es, por lo tanto, una técnica habitual. La principal ventaja de la electroporación irreversible como método de muerte celular programada es que induce la muerte celular sin producir calentamiento del tejido circundante, evitando así sus efectos adversos en el resto de tejido sano. Dentro de este contexto, en el presente trabajo de fin de carrera se presentará, en primer lugar, un planteamiento general de la arquitectura del equipo. Tras ello, la meta a superar será el diseño e implementación del Inversor de Potencia y de su sistema de control. Por último, se diseñará una placa de circuito impreso (PCB) que implemente de forma eficiente las funciones de control y seguridad del inversor. En conjunto, el sistema deberá cumplir las especificaciones necesarias, así como estar dotado de ciertos sistemas de seguridad y de una flexibilidad que permitan el estudio de posibles mejoras y añadidos en el futuro. Todo ello planteado como paso previo a un prototipo de sistema completo de electroporación. Como objetivo final se plantea la verificación y la puesta en marcha del hardware de control desarrollado

Normativa y ensayos aplicables a equipo electrónico para tratamiento de cáncer mediante electroporación

En este Trabajo de Fin de Grado se presenta el estudio de un sistema electrónico para tratamiento de cáncer mediante electroporación irreversible (IRE). El objetivo de ese estudio es asimilar el conjunto de normativas disponibles que se aplican al equipo electromédico y determinar qué condiciones tiene que cumplir y la manera de verificarlo. En la memoria se recopila inicialmente un estado del arte sobre la electroporación y una descripción de los sistemas electroporadores actualmente presentes en el mercado. Tras analizar el estado del arte, se pasa a describir las características y prestaciones del equipo estudiado. Dicho equipo fue desarrollado por el Grupo de investigación de Electrónica de Potencia y Microelectrónica (GEPM) de la Universidad de Zaragoza. El amplio estudio de la normativa permite recopilar una serie de requisitos que el equipo debe de cumplir para garantizar la seguridad para el paciente y el operador durante su uso en una operación quirúrgica. La normativa también señala una serie de ensayos destinados a verificar la conformidad del equipo en los requisitos previamente descritos. Esta memoria plantea una secuencia ordenada de ensayos de conformidad según lo expuesto en la normativa y proporciona instrucciones detalladas sobre cómo llevar a cabo dichos ensayos. Por otro lado, también se detalla la documentación a presentar si se desean superar los trámites legales para obtener la autorización para realizar investigaciones clínicas (ensayos en humanos). En concreto, se plantean una serie de pautas para desarrollar un plan de investigaciones clínicas basándose en la información disponible sobre ensayos clínicos similares de otros equipos para electroporación.<br /