Convetidores Dc-dc

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FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA INFORME FINAL Fuentes Conmutadas Fabio Andrés Jiménez Báez 2052795, Oscar Ricardo Rodríguez 2051527, Sergio Andrés Amado Gómez 2050668, Grupo A2 Presentado a: Ing. Nelfor Castelblanco RESUMEN: Mediante este documento, mostramos las generalidades sobre las fuentes conmutadas, conceptos básicos, descripción de su topología, principio de funcionamiento y análisis del modelo matemático de cada una, ventajas y desventajas de cada tipo de topología y aplicaciones. I. INTRODUCCIÓN Los convertidores DC-DC son circuitos electrónicos de potencia que convierten una tensión continua en otro nivel de tensión continua y, normalmente, proporcionan una salida regulada. Los convertidores de potencia DC-DC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, incluyendo fuentes de alimentación para computadores personales, equipos de oficina, alimentación de sistemas de navegación, equipos portátiles, y equipos de telecomunicaciones, así como las unidades de motores CD. La entrada de un convertidor DC-DC es una tensión continua no regulada Vg. El convertidor produce una salida regulada de voltaje V, con una magnitud (y posiblemente en la polaridad) que difiere de la Vg. Por ejemplo, en una línea de alimentación, el voltaje 120 V o 240 V es necesario rectificarlo para las aplicaciones anteriormente mencionadas, produciendo una tensión continua de aproximadamente 170 V o 340 V, respectivamente. Un convertidor DC-DC luego reduce la tensión a la regulada de 5 V o 3,3 V requerida por los circuitos de un procesador. Obtener una alta eficiencia siempre es un parámetro requerido ya que el enfriamiento de convertidores ineficientes de potencia es difícil y caro. El convertidor DC-DC ideal muestra 100% de eficiencia, en la práctica, estos presentan una eficiencia de 70% a 95% típicamente. Esto se logra utilizándose en modo conmutado, o troceador, donde los elementos de sus topologías poseen elementos que disipan muy poca energía. La modulación del ancho de pulso (PWM) permite el control y la regulación de la tensión de salida total. Este enfoque también se emplea en aplicaciones que impliquen alterna corriente alterna, incluidos los convertidores de potencia DC-AC de alta eficiencia (inversores y amplificadores de potencia. 1 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Los circuitos descritos en este trabajo se clasifican como convertidores DC-DC en modo conmutado o convertidores DC-DC conmutados, que también se denominan fuentes de alimentación conmutadas. Este artículo presenta una panorámica de las más importantes topologías de los convertidores DC-DC. Las topologías del convertidor DC-DC pueden ser divididas en dos partes principales, en función de si tienen o no un aislamiento galvánico entre el suministro de la fuente y la salida del circuito Las topologías de los convertidores DC-DC pueden ser divididas en dos partes principales, de a cuerdo a si tienen o no aislamiento galvánico entre el suministro la alimentación y la salida del circuito. A) Reguladores conmutados sin aislamiento De acuerdo con la posición del interruptor y el rectificador, podemos obtener diferentes tipos de convertidores de tensión: A.1) Regulador reductor “Buck” A.2) Regulador elevador “Boost” A.3) Regulador reductor-elevador “Buck - Boost” B) Convertidores con aislamiento Los convertidores con aislamiento se pueden clasificar de acuerdo a su cambio de dirección en la curva del ciclo de histéresis B vs. H. Un convertidor con aislamiento es asimétrico si el punto de operación magnético del transformador permanece en el mismo cuadrante. Cualquier otro convertidor, por supuesto, es simétrico. Tenemos entonces: B.1) Convertidor Asimétrico B.2) Regulador off line forward B.3) Convertidor simétrico: Este tipo de convertidor siempre utiliza un número par de interruptores. También se aprovecha mejor el circuito magnético del transformador que en los convertidores asimétricos. Por lo tanto, es de menor tamaño y su peso puede ser alcanzado. Las tres estructuras más comúnmente utilizadas son los siguientes: B.3.1) PUSH / PULL B.3.2) Medio puente con condensadores B.3.3) PUENTE COMPLETO 2 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Un convertidor conmutado básico: Una alternativa más eficiente a un regulador lineal es el convertidor conmutado. En un convertidor conmutado, el transistor funciona como un interruptor electrónico, al estar completamente activado o completamente desactivado (saturación o corte para un transistor bipolar BJT). Este circuito también se denomina troceador de continua (DC chopper). Si suponemos que el interruptor de la figura es ideal a la entrada cuando el interruptor está cerrado y es cero cuando está abierto. La apertura y cierre periódicos del interruptor producen la salida de pulsos mostrada. La media o componente de continua de la salida es: La componente continua de la salida se controla ajustando el ciclo de trabajo D, que es la fracción del periodo en la que el interruptor está cerrado: Siendo “f” la frecuencia de conmutación en hercios. En este circuito, la componente continua de la salida será menor o igual a la entrada. La potencia absorbida por el interruptor ideal es cero. Cuando el interruptor está abierto, no pasa corriente por él; cuando el interruptor está cerrado, no cae tensión en el mismo. Por tanto, la carga absorbe toda la potencia y la eficiencia de energía es del 100%. En un interruptor real se producirán pérdidas, porque la tensión del interruptor no será cero cuando conduzca y el interruptor deberá pasar por la región lineal al pasar de un estado a otro. 3 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Ahora se detallarán algunas variaciones comunes de estos circuitos utilizadas en muchos diseños de fuente de alimentación de continua. A) REGULADORES CONMUTADOS SIN AISLAMIENTO De acuerdo a la posición del conmutador y del rectificador se pueden hacer varios tipos de convertidores. A-1. Regulador reductor (BUCK) Esta topología es la más básica para un convertidor DC-DC, como podemos observar en la figura A.1.1 este está compuesto por un modulo de switcheo y un filtro pasa bajos. Fig. A.1.1 Regulador Reductor “Buck” 4 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA El voltaje en la carga Vs (t) es igual a Vg cuando el interruptor está en la posición 1, y es igual a cero cuando el interruptor está en la posición 2.La posición del interruptor se varía periódicamente, de modo que Vs (t) muestra una forma de onda rectangular con "Ts" y período de ciclo de trabajo D. El ciclo de trabajo es igual a la fracción de tiempo que el interruptor se conecta en la posición 1, y por lo tanto, 0< D <1. La frecuencia de conmutación fs es igual a 1/Ts. En la práctica, el interruptor de SPDT se construye utilizando dispositivos semiconductores tales como diodos, MOSFET de potencia, IGBT, BJT, o tiristores. Las frecuencias típicas de conmutación se encuentran en el rango de 1 kHz a 1 MHz, dependiendo de la velocidad de los dispositivos semiconductores. Fig. A.1.2 Circuito típico para un convertidor “Buck” Formas de onda de la corriente de entrada y la tensión en la carga 5 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Observamos en la figura que la corriente It aumenta de una manera aproximadamente lineal para ese intervalo de tiempo debido a que el inductor no permite cambios bruscos. También observamos que durante el tiempo que el interruptor T está abierto la corriente circula por el diodo Id forma un circuito RLC paralelo donde la corriente en la carga cae mientras que si el interruptor está cerrado esta corriente es creciente. El dispositivo es conmutado a una frecuencia f = 1 / T con un ciclo de conducción
= Ton / T. La tensión de salida también puede expresarse como: Vout = Vin.
El voltaje en el inductor puede ser espresado como: Y la corriente en el condensador como: Cuando el convertidor opera en estado estacionario, el valor medio, o el componente de corriente continua, el voltaje en la bobina VL (t) debe ser igual a cero. De esta manera obtenemos la ecuación: Del mismo modo, la aplicación del principio de equilibrio de carga en el condensador obtenemos: Y combinando estas ecuaciones podemos resolver las incógnitas V e IL 6 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Grafico de la relación entre la tensión de salida y la de entrada para distintos valores de resistencia en el inductor y resistencia de carga. La eficiencia resultante para esta topología seria: Eficiencia para en función del ciclo de trabajo. 7 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA B-2. Regulador elevador (Boost) El convertidor Boost es un convertidor elevador, en el sentido de que su tensión de salida nunca puede ser menor que la de entrada. La ventaja de esta arquitectura de convertidor es la posibilidad de aumentar la tensión de salida respecto a la de entrada en un factor de hasta aproximadamente 10 sin necesidad de transformador, la utilización de un inductor siempre es mas económica que el uso de un transformador. Esta topología presenta la diferencia de que el inductor está ubicado antes del interruptor de conmutación. El análisis de las formas de onda es similar a la topología anterior. En condiciones de operación, la energía es transmitida desde el inductor a la carga, y después se almacena en el condensador. Por esta razón, la salida del condensador se destaca mucho más que en el convertidor Buck. Fig. B.2.1 El principio básico de un convertidor elevador consta de dos estados distintos: • • • En el estado encendido, el interruptor está cerrado, lo que resulta en un aumento de la corriente del inductor; En el Off-estado, el interruptor está abierto y el camino de la corriente en el inductor se restringe a través del diodo D, el condensador C y la carga de R. Esto se traduce en la transferencia de la energía acumulada durante el estado de encendido en el condensador. La corriente de entrada actual es la misma que la corriente del inductor como puede verse en la figura .Así que no es discontinua como en el convertidor BUCK y los requisitos en el filtro de entrada son menores en comparación con los de un convertidor BUCK. 8 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Formas de onda De acuerdo con la ley de Faraday, la tensión en bornes del inductor durante un periodo completo será cero. Esto significa que los Voltios-segundos aplicados = Voltios segundos entregados. De esta manera obtenemos la función de transferencia en régimen estacionario como: 9 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Para la condición de régimen estacionario: Teniendo en cuenta una variación especifica par la tensión de entrada: Teniendo en cuenta las perdidas en el circuito real se define: Vf = caída de tensión en la conducción del diodo. VL = caída de tensión en la resistencia RL de la bobina. Vsat= Caída de tensión del transistor en saturación. Obtenemos entonces: 10 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Realizando el balance de voltios segundos en el inductor e igualando a cero obtenemos: Combinando tenemos: las ecuaciones anteriores Característica del convertidor 11 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA B-3. Convertidor Reductor-elevador “Buck- Boost”. El convertidor Buck Boost es un dispositivo utilizado para la inversión de la tensión de salida respecto a la de entrada. Su tensión de salida puede ser tanto elevadora como reductora dependiendo del ciclo de trabajo, la topología de este convertidor es la siguiente: Fig B.3.1 Regulador “Buck-Boost” 12 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Formas de onda características convertidor Buck Boost Este convertidor puede ser obtenido a partir de la conexión en cascada de un convertidor Buck seguido de un convertidor Boost. Al igual que los convertidores anteriores, dependiendo de la continuidad en la corriente en el inductor durante un periodo de funcionamiento podemos estar trabajando en modo continuo o discontinuo. Para hacer el análisis del modelo matemático podemos decir que la función de transferencia para este convertidor es: 13 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Ahora si tenemos en cuenta los componentes reales de estos convertidores y considerando una variación específica para la tensión de entrada, tenemos: B.1) Convertidores asimétricos: B.1.1) Regulador Off-line flyback La energía se almacena en la inductancia del primario (Lp) del transformador, durante el tiempo en el que el interruptor está encendido, y transferido al secundario, cuando está apagado el interruptor. Si n = Np / Ns es la razón de transformación del transformador se tiene:      Los reguladores Off-line Flyback se utilizan principalmente para una potencia de salida que va desde 30W hasta 250W. La topología (Flyback) es dedicado a múltiples salidas de bajo costo SMPS ya que no hay inductor de filtro en la salida. a) interruptor simple versus doble interruptor flyback: En el flyback sencillo una sobretensión pico se aplica a través del interruptor de alimentación que se en cada conmutación. El valor máximo de esta 14 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA sobretensión depende del tiempo de conmutación, la capacitancia del circuito, y la inductancia de dispersión primaria al secundario del transformador. Por lo tanto, un único interruptor flyback casi siempre requiere un circuito snubber el cual limitará esta tensión de pico el cual se muestra a continuación. Fig. B.1.1 Interruptor sencillo aislado Flyback 15 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA En un interruptor doble flyback, la fuga inductiva del transformador de potencia es mucho menos crítica. Los dos diodos de desmagnetización (D1 y D2) proporcionan una sola forma en la que no son disipativos de manera sistemática la tensión se afianza a través de los interruptores en la entrada de de voltaje DC. Esta recuperación de energía del sistema nos permite trabajar a altas frecuencias de conmutación y con una mejor eficiencia que con la estructura con un solo interruptor. Sin embargo, la estructura con doble interruptor requiere la conducción de un lado de alta del interruptor. Este interruptor doble Flyback es también conocido como flyback asimétrico de medio puente. Fig. B.2.2 Interruptor doble aislado Flyback 16 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA b) discontinuo versus modo discontinuo: El convertidor flyback tiene dos modalidades operativas dependiendo de si la inductancia primaria del transformador es completamente desmagnetizante o no. Modo discontinuo: VENTAJAS cero perdidas alimentación para DESVENTAJAS el interruptor de Corrientes de alto pico en los rectificadores y en los interruptores Buena línea transitoria / respuesta de carga Largo rizado de salida: Cout (Disc) (Cont.) 2Cout Circuito de realimentación (de un solo polo) fácil de estabilizar Tiempo de recuperación del rectificador no es crítico: corriente es cero mucho antes de invertir el voltaje aplicado. Fig. b.2.3 Formas de onda discontinuas del modo Flyback 17 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Modo Continuo: Ventajas Desventajas Pico de corriente del rectificador y el interruptor Tiempo de recuperación de las pérdidas del es la mitad del valor de modo discontinuo rectificador Bajo rizado de salida: Cout (Cont.) (Disc) 0.5Cout circuito de realimentación difícil estabilizar (2 polos y correcto plano medio cero) Fig. b.2.3 Formas de onda continuas del modo Flyback 18 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA B.2) Reguladores off line forward: El convertidor forward transfiere directamente la energía a partir de la fuente de entrada a la carga durante el tiempo de encendido, la energía rueda libre a través del inductor de salida D2, como un chopper .  Vout   Un regulador Forward puede realizarse con una estructura de un solo interruptor o con una estructura de interruptor doble, de acuerdo a la forma en la energía de desmagnetización almacenada en la inductancia del primario del transformador. Convertidores forward son de uso general para potencia de salida de 250W en interruptores sencillos y arriba de un 1 KW en la estructura de doble interruptor. Interruptor sencillo vs doble interruptor Forward: Con interruptor sencillo la energía de desmagnetización almacenada en la inductancia primaria es restaurada a la fuente entrada por un devanado de desmagnetización. Más comúnmente, el primario y el devanado de desmagnetización tienen el mismo número de vueltas. Así que apagado, el interruptor de alimentación tiene que resistir el doble de la tensión de entrada durante el tiempo de desmagnetización y, luego, la tensión de entrada. La desmagnetización y el devanado primario deben de estar bien acoplados para reducir la tensión de pico más que el teórico 2 Vin. Se produce cierres a través del interruptor de la fuente. 19 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Fig b.2.4 Interruptor sencillo aislado Forward 20 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA En el interruptor “Doble interruptor Forward” también llamado Forward asimétrico de medio puente, la energía magnetizante almacenada en la inductancia del primario se vuelve automáticamente al condensador plano por los dos diodos de desmagnetización D1 y D2. Los dos interruptores y los diodos de desmagnetización tienen que soportar cada uno por sí mismo el voltaje de entrada Vin. Como para el Flyback de doble interruptor, el medio puente asimétrico necesita una puerta flotante para manejar el lado alto interruptor. 21 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Fig.b.2.5 Convertidor asimétrico Forward de medio puente 22 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA B.3) convertidores Simétricos: B.3.1) Convertidor Push-Pull (o en contrafase) Es un convertidor DC-DC que proporciona aislamiento por medio de un transformador. La inductancia magnetizante del transformador no es un parámetro de diseño. Una amplitud de pulso modulado (PWM) del convertidor de potencia es mostrada en la figura b.3.1. Los interruptores T1 y T2 operan con un cambio en la fase de T = 2 con el mismo ciclo de trabajo D, sin embargo, dicha relación debe ser menor que 0,5. Cuando el interruptor T1 está encendido, el diodo D1 conduce y el diodo D2 está apagado; los estados de los diodos se invierten al estar el interruptor T2 encendido. Cuando los dos interruptores controlables están apagados, los diodos están encendidos y comparten por igual la corriente del inductor filtrada. La función de transferencia de tensión del convertidor DC push-pull es: Mv =  Donde n=Np/Ns; siendo D el ciclo de trabajo de cada interruptor. En el análisis anterior se ha supuesto que la corriente en la bobina es permanente.    El valor límite del inductor con filtro es: Lb=  23 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA    El capacitor con filtro puede ser obtenido: Cmin= → El rizado de salida del convertidor push-pull es:  !" ² $    %&² En el análisis anterior se ha despreciado la inductancia desmagnetizante del transformador. Al conmutar T1 y T2 se producen pulsos de polaridad opuesta en los devanados primarios y secundarios del transformador. Los diodos del secundario rectifican la forma de inda de pulsos y producen una forma de onda Vx a la entrada del filtro pasa bajo, como se muestra en la fig.B.3.1. Los interruptores T1 y T2 son alternadamente encendidos durante un tiempo “ton”. El circuito secundario opera al doble de la frecuencia de conmutación. Un tiempo muerto “td” entre el final de la conducción de uno de los interruptores y el tiempo de encendido de el otro interruptor es requerido en este orden para evitar la conducción simultanea de ambos interruptores. Vout = 2  '( Además, la red de amortiguador en convertidores simétricos debe ser diseñada con cuidado, ya que ellos inter-reaccionan. Los interruptores son de fácil conducción ya que ellos están ambos referidos a tierra, sin embargo ellos deben soportar dos veces el voltaje de suministro de entrada. Los problemas de simetría de flujo inherentes pueden ser corregidos con un modo de corriente PWM en el circuito de control. 24 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA 25 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Figura b.3.1. Convertidor Push-pull B.3.2) convertidor Half-Bridge (medio puente) con condensadores La figura B.3.2 muestra el convertidor de medio puente de DC-DC. La operación del convertidor de medio puente de PWM es similar a él del convertidor push-pull. En comparación con éste convertidor, el interruptor primario del transformador es simplificado a cargo de dos fuentes de voltaje compartidas con condensadores de entrada. El convertidor de medio puente DC tiene como función de transferencia de voltaje: 26 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA  Mv = ) =  ; Donde: D ≤ 0.5.    El valor límite del inductor con filtro es: Lb=     El capacitor con filtro puede ser obtenido: Cmin=  !" ² Esta topología puede ser usada para una capacidad de poder de salida hasta 500W. Así como para el convertidor push-pull, los interruptoresT1 y T2 son conectados alternadamente durante un tiempo “ton”. Los condensadores en serie a través del suministro se fijan en un punto medio de modo que los interruptores soporten sólo una entrada de voltaje a la vez Vin. Sin embargo, esta topología requiere la conducción de un alto lado del interruptor. Cuando usamos interruptores bipolares, el tiempo de almacenaje del transistor debería tener tolerancias mínimas para evitar el desequilibrio en el nivel de flujo de operaciones. El “tiempo muerto” (td) entre dos interruptores consecutivos de conducción es absolutamente necesario para evitar el cortocircuito en la rama del puente. La forma de onda de la tensión rectificada en el secundario Vx es la misma que en el convertidor pushpull y en puente completo, pero la amplitud se reduce a la mitad. La relación entre la tensión d entrada y la tensión de salida del convertidor de medio puente es:  . Vout= ; siendo D el ciclo de trabajo de cada interruptor. La tensión en bornes de cada uno de los interruptores abiertos del convertidor en medio puente es Vs. 27 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA 28 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Figura B.3.2.Convertidor de Medio Puente 29 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA B.3.3) Convertidor Full-Bridge (Puente completo) Comparando el PWM DC-DC del convertidor de puente completo de la figura B.3.3.con el convertidor de medio puente, se puede notar que los condensadores de entrada han sido sustituidos por dos interruptores controlables que son manejados en pares. Cuando T1 y T3 son conectados, el voltaje Vs de la fuente es aplicado al interruptor primario del transformador y el diodo D1conduce. Con T2 y T4 encendidos, aparece un voltaje -Vs a través del primario del transformador y el diodo D2 conduce. Con todos los interruptores controlables apagados, ambos diodos conducen de la misma manera como en los convertidor es de medio puente y push-pull. La función de transferencia del convertidor DC de puente completo es: Mv =  ) =  ; dónde D ≤ 0.5.    El valor límite del inductor con filtro es: Lb=     El capacitor con filtro puede ser obtenido: Cmin=  !" ² Los diodos D1 y D2 del secundario del transformador rectifican la forma de onda para producir la tensión Vx, que se muestra en la fig. b.3.3. Esta tensión Vx es idéntica a la tensión Vx del convertidor push-pull. Por tanto, la salida del convertidor de puente completo se analiza de la misma manera que la correspondiente al convertidor push-pull. Obteniendo:  . Vout = Siendo D el ciclo de trabajo de cada par de interruptores. Obsérvese que la tensión máxima en un interruptor abierto en el convertidor de puente completo es Vs, en lugar de 2vs como sucedía en los convertidores push-pull. Es importante que la tensión en bornes de un interruptor abierto sea pequeña cuando la tensión de entrada es alta, lo que representa una ventaja del convertidor de puente completo. 30 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA 31 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Figura b.3.3. Convertidor de Puente completo Cabe destacar que la topología de puente completo es una topología muy versátil. Con algoritmos de control diferentes, es muy popular en la conversión DC-AC (la onda cuadrada y PWM de inversores monofásicos), y también es usado en las unidades de DC de cuatro cuadrantes. A causa del número de componentes, el convertidor de puente completo es para aplicaciones de alto poder, en rangos desde 500 hasta 2000W. A veces, los transformadores de potencia son conectados en paralelo para proporcionar un voltaje de salida más alto. Los pares de interruptores T1 y T3, T2 y T4 están alternadamente conduciendo. El puente completo proporciona dos veces el voltaje de salida que circuito de medio puente con las mismas posiciones de interruptor. Sin embargo, esta topología requiere 4 interruptores y diodos de sujeción. 32 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Aplicaciones convertidores de DC-DC Dentro de las aplicaciones de un convertidor Step-down encontramos que muchas de ellas están en alto rendimiento de sistemas de accionamiento de DC, por ejemplo, tracción eléctrica, vehículos eléctricos, y maquinaria. Los motores DC con su devanado inductivo y la inercia mecánica actúan como filtros dando como resultado una alta calidad en la corriente de armadura. La tensión media de salida de un convertidor step-down es función lineal con respecto al ciclo de trabajo del interruptor. Los convertidores Step-up son usados primordialmente en radares y encendido de sistemas. Los choppers de DC pueden ser modificados para operar en el segundo cuadrantes y cuarto cuadrante. Los choppers que operan en el segundo cuadrante pueden ser una parte de sistemas de alimentación de corriente de tracción autónomos éstos contienen paquetes de batería y tales fuentes reanudables de DC como matrices fotovoltaicas, células de combustible, o turbinas de viento. Los choppers que actúan en el cuarto cuadrante son aplicados en las unidades en el que se desean el frenado regenerativo de los motores de corriente continua, por ejemplo, sistemas de transporte con paradas frecuentes. El DC choppers con salidas inductivas sirven como entradas a inversores conducidos por corriente. La adición de filtrar componentes reactivos a choppers de DC causa PWM dc-dc en convertidores. Los convertidores dc-dc pueden ser vistos como transformadores DC que entregan a la carga un voltaje dc o corriente en un nivel diferente que la fuente de entrada. Esta transformación dc es realizada por medios de conmutación electrónico, no por el medio electromagnético como en transformadores convencionales. Los voltajes de salida en el rango de convertidores dc-dc de un voltio para VLSI circuitos especiales a decenas de kilo volts en lámparas rayos X. Los voltajes de salida más comunes son: 3.3 V para microprocesadores modernos; 5 y 12 V para la lógica de circuitos; 48 V para equipo de telecomunicación; y 270 V para DC bus principal sobre aeroplanos. Voltajes de entrada típicos incluyen 48 V, 170 V (el valor máximo de una línea rms de 120 v), y 270 V. La selección de una topología de convertidores dc-dc es determinada no sólo por voltajes input=output, que además pueden ser ajustados con la proporción de vueltas en convertidores aislados, pero también por niveles de poder, voltaje y las corrientes de interruptores de semiconductores, y la utilización de componentes magnéticos. La cuenta de parte baja del convertidor flyback es popular en usos de bajo poder (hasta 200W). Sus carencias principales son el gran tamaño del núcleo del transformador flyback y el alto voltaje del interruptor de semiconductor. El convertidor Forward es también un convertidor de un solo interruptor. Porque el tamaño de su núcleo tiene exigencias más pequeñas, es popular en aplicaciones de media y baja tensión - (hasta unos varios cientos de vatios). Las desventajas del convertidor Forward son la necesidad de desimantar el devanado, y una alta tensión sobre el interruptor de semiconductor. El convertidor push-pull también es usado en niveles de poder medio. Debido a la excitación bidireccional, el tamaño de transformador es pequeño. Una ventaja del convertidor push-pull es también una posibilidad de referir el manejo en los terminales de ambos interruptores a tierra, que enormemente simplifica el control del circuito. Una desventaja del convertidor push-pull es una saturación en el núcleo en el caso de asimetría. El convertidor de medio puente tiene un rango similar de usos como el convertidor push-pull. No hay ningún peligro de saturación del transformador en el 33 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA convertidor de medio puente. Éste requiere, sin embargo, dos condensadores de entrada adicionales para deslizarse en la mitad la entrada de la fuente de DC. El convertidor de puente completo es usado en el alto poder (de vario kilovatios) y niveles de voltaje. La tensión de voltaje sobre interruptores de poder es limitada con el valor de fuente de voltaje de entrada. Una desventaja del convertidor de puente completo es su alto número de dispositivos semiconductores. Los convertidores dc-dc son los componentes básicos de sistemas de alimentación de corriente de tracción distribuidos en los cuales un voltaje común DC es convertido a otros voltajes según las exigencias de cargas particulares. Tales sistemas de distribución de dc son comunes en estaciones espaciales, barcos y aeroplanos, así como con el equipo de telecomunicación y el ordenador. A la expectativa que la comunicación moderna portátil inalámbrica y sistemas de tratamiento de señal usarán voltajes de suministro variables para reducir al mínimo el consumo de electricidad y ampliar la duración de la pila. Los convertidores de voltaje de salida baja en estos usos utilizan el arreglo de rectificación sincrónico. Otra área principal de usos de convertidor dc-dc es relacionada con la utilidad de la red ac. Para cargas críticas, si los suspensos de red de utilidad, se haya tras una fuente de reserva de energía, por ejemplo, un paquete de batería. Esta necesidad de la entrega de poder continua dio lugar a varios tipos de suministros de energía sin interrupciones (UPSs). Así los convertidores dc-dc son usados en UPSs para ajustar el nivel de un voltaje de red rectificado a él de la fuente de reserva. Como durante la operación normal los flujos de energía de la red a la fuente de reserva y durante la emergencia condicionan la fuente de reserva debe suministrar la carga, los convertidores bidireccionales dc-dc a menudo son usados en esto. Además los convertidores dc-dc también son usados en cargadores de baterías dedicados. Cargas electrónicas, sobre todo aquellas con rectificadores frontales, contamine las redes ac introduciendo armónicos impares. Así los convertidores dc-dc son usados como etapas intermedias, justo después de un rectificador y antes del suministro de carga del convertidor dc-dc, para dar forma a la corriente alterna de entrada actual para mejorar el factor de potencia y reducir el contenido armónico. El convertidor elevador es especialmente popular en dicha corrección del factor de potencia (PFC) como aplicación. Otra utilidad en lo relacionado con la red de convertidores dc-dc está en interfaces entre redes de ac y fuentes de energía renovable dc como pilas de combustible y generadores fotovoltaicos. En convertidores aislados dc-dc, múltiples salidas son posibles con devanados adicionales secundarias de transformadores. Sólo una salida es regulada con un bucle de realimentación, pero otras salidas dependen de la proporción de la regulación y sus cargas. Una salida múltiple del convertidor dc-dc es una solución conveniente en usos donde hay una necesidad de un voltaje de salida estrechamente regulado y de uno o varios otros niveles de voltaje de salida no críticos. 34 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA CONCLUSIONES • Muchos cambios tecnológicos significativos del diseño de fuentes de alimentación de energía han causado en cuestiones de perdida-costo por watt un mejor rendimiento. En teoría, es posible diseñar cualquier fuente de alimentación para cualquier aplicación, en función de cuanto esté dispuesto el diseñador a gastar en componentes y circuitos de control. Pero, en la práctica, algunos circuitos son más adecuados que otros para determinadas aplicaciones. • Observamos en el convertidor Buck Boost que la resistencia de la bobina limita la tensión de salida que se puede obtener. • Si en régimen de funcionamiento en el convertidor Buck Boost aumentamos la carga, IL disminuirá permaneciendo el rizado constante y la tensión de salida, con lo cual llegara un momento en el que la corriente sea IL=0 durante algún instante del intervalo Ts. A esta condición se le conoce como funcionamiento en modo discontinuo. • En el convertidor Boost encontramos que la resistencia del bobinado limita la máxima tensión de salida que se puede obtener; así para obtener una tensión de salida de 5 veces la de entrada necesitamos un inductor cuya resistencia sea menor del 1% de la resistencia de carga. El problema reside en que la reducción de la resistencia del bobinado implicara un conductor de mayor tamaño y mayor costo. • El convertidor Push-pull también se utiliza en las aplicaciones con niveles de potencia medios. Las ventajas de este convertidor son que los circuitos de excitación de los transistores presentan un punto común y que el núcleo del transformador es relativamente pequeño (porque el núcleo se excita ambos sentidos). Las desventajas que presenta el circuito son la gran tensión a la que se ven sometidos los transistores y los posibles problemas de saturación del núcleo producidos por un desequilibrio de la corriente continua en los circuitos no ideales. • El convertidor en medio puente también se utiliza en las aplicaciones de niveles de potencia medios y presenta algunas de las mismas ventajas del convertidor push-pull. La tensión máxima en los interruptores está limitada a Vs. • El convertidor en puente completo es el circuito que se suele emplear en las aplicaciones con niveles de potencia altos (500 a 1500W). La tensión máxima a la que se ven sometidos los transistores será Vs. Las desventajas que presenta este convertidor son la necesidad de incluir transistores adicionales y la presencia de circuitos de excitación flotantes. 35 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA • El voltaje de salida y la corriente siempre van a depender de la aplicación de la carga. • Este trabajo proporciona una descripción de las topologías más comúnmente usadas y cataloga los rasgos más importantes para cada una de ellas. 36 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA BIBLIOGRAFIA • SISTEMAS ELECTRONICOS DE ALIMENTACION, I.T.T (S.E), Universitat de Valencia. • TOPOLOGIES FOR SWITCHED MODE POWER SUPPLIES by L. Wuidart, ST Micro electronics, 1999. (http://www.st.com) • POWER ELECTRONICSHANDBOOK EDITOR-IN-CHIEF MUHAMMAD H. RASHID • Electrónica de potencia, Daniel W. Hart. 37 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto”