9 Convertidores DC-DC

68
CONVERTIDORES DE ENERGÍA ELÉCTRICA DC-DC

description

convertidor cd-cd

Transcript of 9 Convertidores DC-DC

Page 1: 9 Convertidores DC-DC

CONVERTIDORESDE ENERGÍA ELÉCTRICA

DC-DC

Page 2: 9 Convertidores DC-DC

2

Objetivo

Exponer los aspectos generales de los convertidores de energía DC-DC.

El alumno aprenderá las características de las principales configuraciones de los convertidores DC-DC así como los principios generales para su diseño.

Al finalizar este curso el alumno deberá ser capaz de identificar el tipo de convertidor que una solución necesita e implementar una solución de conversión de energía acorde a la problemática a solucionar.

Page 3: 9 Convertidores DC-DC

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación● Para alimentar un sistema electrónico complejo suelen ser necesarias varias tensiones de alimentación: +5, +12, -12 etc.

● Para conseguir suministrar estas tensiones siempre hay múltiples opciones y en cada caso será necesario estudiar cuál es la mejor

● Hay varias opciones básicas:

● Convertidores independientes

● Conexión de varias etapas en cascada

● Uso de convertidores multi-salida

Introducción

Page 4: 9 Convertidores DC-DC

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación● Por otra parte es necesario tomar en cuenta cómo distribuir la energía por el sistema. Existen dos posibilidades:

● Hay varias opciones básicas:

● Alimentación concentrada: existe un único punto de conversión de la energía eléctrica al formato final que necesitan las cargas

● Alimentación distribuida: La conversión de la energía eléctrica al formato final que necesita cada carga se realiza junto a cada una de ellas.

Introducción

Page 5: 9 Convertidores DC-DC

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación● Conexión de varias etapas en cascada: Es un esquema de alimentación sencillo donde se necesiten de varias tensiones de alimentación. Este esquema permite mejorar características específicas de cada salida de alimentación.

Introducción

● Si DC/DC 1 es el convertidor principal, DC/DC 2 es un “pos-regulador” (caso habitual en sistemas multi-salida). Puede ser incluso un regulador lineal

● Si DC/DC 2 es el convertidor principal, DC/DC 1 es un “pre-regulador” (caso habitual en conversiones “difíciles”)

● Al tratarse de dos convertidores completos e independientes, es prioridad minimizar su complejidad (uno de ellos puede carecer de aislamiento galvánico)

DC/DC 1

DC/DC 2

Vout 1Vout 2

Vin

Page 6: 9 Convertidores DC-DC

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación● Conexión de varias etapas en cascada:

● Ejemplo1: Alimentación para sistemas de potencia por encima de 500 - 700 W con corrección de factor de potencia.

Introducción

● AC/DC 1 es un Elevador con CFP, Sin aislamiento, de Tensión universal y buen rendimiento

● DC/DC 2 Convertidor con aislamiento con circuito de control independiente, Tensión de entrada casi fija y de buen rendimiento

AC/DC 1

DC/DC 2

Vin

400 VdcVout

Page 7: 9 Convertidores DC-DC

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación● Conexión de varias etapas en cascada:

● Ejemplo2: El Sistema digital requiere dos tensiones de DC 5 V y 3,3 V. La tensión de entrada es de 48 V (Central telefónica)

Introducción

● DC/DC 1: Convertidor directo con enclavamiento activo y rectificación síncrona autoexcitada, deberá proporcionar aislamiento y una buena dinámica y excelente rendimiento.

● DC/DC 2 Reductor síncrono de buen rendimiento (tensión de salida cercana a la de entrada) con una buena dinámica

AC/DC 1

DC/DC 2

48Vdc

5 Vdc3.3 Vdc

Page 8: 9 Convertidores DC-DC

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación● Convertidores multi-salida : Es una opción muy utilizada, habitualmente sólo se ocupa la salida principal. A este tipo de regulación se le llama regulación cruzada

Introducción

n1:1

n2:1

V2

V1 V 1=V g

n1

·D

1−D

El ciclo de trabajo D se modula para que V1 esté regulada:

La salida auxiliar ve la misma tensión en el primario que la principal. Por tanto:

V 2=V g

n2

·D

1−D=V 1·

n1

n2

Control

Page 9: 9 Convertidores DC-DC

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación● Alimentación central vs. Alimentación distribuida : En sistemas complejos integrados por múltiples subsistemas, es necesario determinar el esquema de alimentación óptimo.

● Ejemplo: supongamos una serie de equipos que necesitan una tensión de 24 V.

Introducción

● Una Alimentación Concentrada integra un único convertidor con 24 V de salida la cual maneja la suma de las potencias de todos los sub-sistemas.

AC/DC 1

Sist. 1Vin

Sist. 2

Sist. N

Bus de 24 Vdc

Page 10: 9 Convertidores DC-DC

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación● Alimentación central vs. Alimentación distribuida

Introducción

AC/DC 1

Sist. 1Vin

Sist. 2

Sist. N

Bus de 24 Vdc

Características:

● El convertidor maneja toda la potencia

● El bus debe estar diseñado para exhibir pocas pérdidas y poca componente inductiva

● Si cae el convertidor, caerá el sistema completo

Page 11: 9 Convertidores DC-DC

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación● Fuente de alimentación de una PC : Los ordenadores necesitan varias tensiones internas para funcionar.

● La potencia máxima especificada oscila entre 200 y 450 W, dependiendo de la potencia de la propia PC.

Introducción

Especificación ATX 200 W

Tensión Tolerancia en la tensión

Corriente máxima

+5 V 5% 16 A

-5 V 5% 0,5 A

+12 V 5% 6 A

-12 V 5% 0,3 A

+3,3 V 4% 14 A

+5 VSB 5% 0,8 A

• Se suele implementar con convertidores multisalida y posreguladores.

• La tensión +5V de «standby» se genera en un convertidor distinto. Es la tensión que usa el sistema cuando el PC está “dormido”

Page 12: 9 Convertidores DC-DC

Introducción

12 V

5 V

3,3 V

Filtro EMI

-15 VReg.

Lineal

-12 V Reg. Lineal

-5 VRectificador + filtro LC (para cumplir con la

EN 61000-3-2)

Fuente independiente para +5 VSB

5 VSB

Si la regulación cruzada no es suficiente, se puede utilizar un reductor como pos-regulador

Fuente de una PC

Page 13: 9 Convertidores DC-DC

Reguladores lineales● La idea básica de un regulador lineal es la de controlar la tensión en una carga de manera que ese valor permanezca constante

Convertidores DC/DC

Carga

Realimentación

Page 14: 9 Convertidores DC-DC

Carga

Realimentación

Reguladores lineales● En la realidad se emplea un circuito de semiconductor para limitar la potencia entregada a la carga.

Convertidores DC/DC

Page 15: 9 Convertidores DC-DC

Reguladores lineales● El cálculo determina que tan eficiente es el sistema en términos de la relación de energía entregada vs. la energía total consumida.

● El rendimiento depende de la tensión de entrada.

● El convertidor sólo puede reducir la tensión de entrada.

Convertidores DC/DC

Vg VO

+

+ -

-

Ig IR Ig

= (VO·IR) / (Vg·Ig)

VO / Vg

IR

Page 16: 9 Convertidores DC-DC

Reguladores lineales

Convertidores DC/DC

RedAC

Carga1

+5V

Carga2

+15V

Carga3

-15V

Transformador de baja frecuencia Rectificadores Reguladores Lineales

Page 17: 9 Convertidores DC-DC

Reguladores lineales● Pros

● Pocos componentes.

● Sistemas Robustos

● Sin generación de EMI

● Contras

● Pesados y voluminosos

● Bajo rendimiento

Convertidores DC/DC

Page 18: 9 Convertidores DC-DC

Convertidores DC/DC Conmutados ● Principio básico : El objetivo es controlar la cantidad de energía que se entrega a la carga a través de la conmutación encendido/apagado del voltaje de entrada

Convertidores DC/DC

Carga

Regulador lineal

Vg

Carga

PWMVO

+

-

VO

Vg

t

Regulador conmutado

Page 19: 9 Convertidores DC-DC

Convertidores DC/DC Conmutados ● Al tener un regulador conmutado, se requiere Filtrar la tensión aplicada a la carga para obtener un voltaje promedio (V

o)

Convertidores DC/DC

Vg

PWM VO

+

-VO

Vg

tVFVg

t

VO

Filtro

pasa-

bajosVg

VO

+

-VF

+

-

Page 20: 9 Convertidores DC-DC

Convertidores DC/DC Conmutados ● La primera opción es filtrar mediante un Capacitor

Convertidores DC/DC

VFVg

t

VO

Filtro

pasa-

bajosVg

VO

+

-

VF

+

-Vg

VO

+

-

Page 21: 9 Convertidores DC-DC

Convertidores DC/DC Conmutados ● La primera opción es filtrar mediante un Capacitor

Convertidores DC/DC

VFVg

t

VO

Filtro

pasa-

bajosVg VO

+

-

VF

+

-Vg

VO

+

-

Vg

t

VO

NO produce los NO produce los resultados deseadosresultados deseados

Page 22: 9 Convertidores DC-DC

Convertidores DC/DC Conmutados ● La segunda opción es filtrar mediante un Circuito LCCircuito LC

El esquema El esquema NO es convenienteNO es conveniente debido a que la corriente se debido a que la corriente se interrumpe bruscamente durante la conmutación.interrumpe bruscamente durante la conmutación.

Convertidores DC/DC

Vg

VO

+

-

iL

Filtro

pasa-

bajosVg

VO

+

-

VF

+

-

Page 23: 9 Convertidores DC-DC

Convertidores DC/DC Conmutados ● La tercera opción es incluir un diodo en el Circuito LCCircuito LC

Resultado : el convertidor Resultado : el convertidor REDUCTOR «BUCK»REDUCTOR «BUCK»

Convertidores DC/DC

Este diodo soluciona los problemas

Filtro

pasa-

bajosVg

VO

+

-

VF

+

- Vg VF

+

-

VFVg

t

VO

VO

+

-

Page 24: 9 Convertidores DC-DC

Análisis del convertidor Reductor «Buck»

Convertidores DC/DC

Td·T

t

t

t

t

iS

iD

iL

Control

iSiL

iDVg

VO

iD= iLVO

-

+

iS= iL

Vg VO

+

-

Durante d·T

Durante (1-d)·T

• La tensión de salida Vo

no varía en un ciclo de conmutación.

• La corriente en la bobina no llega a valer nunca cero (modo continuo de conducción).

Page 25: 9 Convertidores DC-DC

Análisis del convertidor Reductor «Buck» ● ¿Cómo calcular la relación entre variables eléctricas?¿Cómo calcular la relación entre variables eléctricas?

Primero necesitamos recordar de las bobinas y condensadores en Primero necesitamos recordar de las bobinas y condensadores en régimen permanente (estado estable):régimen permanente (estado estable):

● La tensión promedio en una bobina es cero.La tensión promedio en una bobina es cero.

● La corriente promedio en un condensador es nula. La corriente promedio en un condensador es nula.

Convertidores DC/DC

En caso contrario, crecería indefinidamente la corrientela corriente en la bobina y la tensiónla tensión en el condensador (incompatible con el régimen permanente).

+

-Circuito en

régimen

permanente

vL = 0

iC = 0

Page 26: 9 Convertidores DC-DC

Análisis del convertidor Reductor «Buck» ● Frecuentemente, cuando se opera en “modo continuo de Frecuentemente, cuando se opera en “modo continuo de conducción”, la forma de conducción”, la forma de onda de tensiónonda de tensión en la bobina es en la bobina es rectangular « suma de productos voltios·segundos = 0 »rectangular « suma de productos voltios·segundos = 0 »

Convertidores DC/DC

Circuito en régimen

permanente

Td·T

t

t

iL

Control

vL

t-

+

Áreas iguales

+

-vL = 0

iL

Page 27: 9 Convertidores DC-DC

Análisis del convertidor Reductor «Buck» ● Balance “suma de productos voltios·segundos = 0”Balance “suma de productos voltios·segundos = 0”

● Corriente media nula por el condensador Corriente media nula por el condensador

Convertidores DC/DC

Td·T

t

t

iL

Control

vL

t-

+Vg- VO

IO

- VO

+ -vL = 0

Vg

IO VO

+

-

iL

iC = 0 R

(Vg- VO)·d·T - VO·(1-d)·T = 0 VO = d·Vg

iL = IO = VO/R

Page 28: 9 Convertidores DC-DC

Análisis del convertidor Reductor «Buck»

Ciclo de operación:

● Tensiones máximas

● Aplicación del Balance de PotenciasAplicación del Balance de Potencias

● Corriente media nula por el condensador Corriente media nula por el condensador

Convertidores DC/DC

VS max = VD max = Vg

iD = iL - iS iD = IO·(1-d)

Td·T

t

t

iS

iD

iS

iD

Vg

IO

R

iS

iL

iD

+ -vS

vD

+

-

iS = IO·VO/Vg iS = IO·d

VO

+

-

Page 29: 9 Convertidores DC-DC

Análisis del convertidor Reductor «Buck»

Ciclo de operación:

● Tensiones de entrada

● Por lo tanto:Por lo tanto:

Convertidores DC/DC

VD = d·Vg

VO = d·Vg

VD = VL + VO VD = vL + VO = VO

+ -vL = 0

VgRvD

+

-

vDVg

t

vD

Td·T

VO

+

-

Page 30: 9 Convertidores DC-DC

Análisis del convertidor Reductor «Buck»

Ciclo de operación:

● Equivalencia con un transformador ideal de DC

● La equivalencia anterior es válida para cualquier convertidor no La equivalencia anterior es válida para cualquier convertidor no disipativo (cambiando la relación de transformación).disipativo (cambiando la relación de transformación).

Convertidores DC/DC

IO = ig / d

VO = d·Vg

VgVO

+

-

R

IOig

1 : d

Page 31: 9 Convertidores DC-DC

Convertidor de Elevación de Tensión ● El reto ahora es encontrar un esquema que permita elevar la tensión de salida.

Convertidores DC/DC

Vg

VO

Controlado por el interruptor

No Controlado

VgR VO

Convertidor reductor

VgVO

d1-d

Flujo de Potencia

Page 32: 9 Convertidores DC-DC

Convertidor de Elevación de Tensión ● Este esquema de doble convertidor tiene que ser coordinado por un controlador, de lo contrario, habría un corto circuito permanente.

Convertidores DC/DC

VgVO

d

1-d

Flujo de Potencia Vg VO VO Vg

d 1-d

1-d d

Vgd

1er Reductor

Cambiamos las V

Flujo de Potencia

Otro convertidor

Page 33: 9 Convertidores DC-DC

Convertidor de Elevación de Tensión ● Re-dibujando el esquema anterior:

Convertidores DC/DC

Flujo de Potencia Flujo de Potencia

VO

Vg

1-d

dVg

VOd

1-d

Vg VO

Convertidor ELEVADOR (Boost)

Page 34: 9 Convertidores DC-DC

Convertidor ELEVADOR «Boost»● Operación del convertidor «Boost» en comparación con el «Buck»

Convertidores DC/DC

vS max = vD max = Vg vS max = vD max = VO

VO = Vg·d VO = Vg/(1-d)

Vg VO

VO Vg

d 1-d1-d d

VO<Vg VO>Vg

Modificaciones

Vg

VO

Reductor

vD

+

-

+ -vS

VgVO

Elevador

vD +-

+

-vS

Siempre VO<Vg Siempre VO>Vg

Page 35: 9 Convertidores DC-DC

Convertidor ELEVADOR «Boost»● Análisis de Operación

● Balance voltios·segundos

● Balance de potencias

Convertidores DC/DC

Durante d·T

iL= iD

Vg VO

+

-

Durante (1-d)·T

iL iD

iSVg

VO

iL= iS

Vg

Vg·d·T+(Vg-VO)·(1-d)·T = 0

VO = Vg/(1-d)

R

IO

Td·T

t

t

t

t

iS

iD

iL

Control

iL

iS

iD

iL = IO·VO/Vg iS = iL·d iD = iL·(1-d)

Page 36: 9 Convertidores DC-DC

Convertidor ELEVADOR «Boost»● Protecciones en la configuración «Boost»:

● De corto circuito y de sobre-corriente.

La ruta marcada de circulación de corriente no puede interrumpirse conmutando el transistor. El convertidor NO se puede proteger de esta forma.

Convertidores DC/DC

VgR

Page 37: 9 Convertidores DC-DC

Convertidor Reductor – Elevador (?)● Lo deseable ahora sería combinar ambos esquemas de conversión.

Convertidores DC/DC

dd

1-d

1-d

Reductor Elevador

Vo

+

-Vi

+

-Vg

VO/Vg = (VO/Vi )·(Vi/Vg ) = d/(1-d)

1-d

d

d

1-d

VgVO

Vg

VO

Page 38: 9 Convertidores DC-DC

Convertidor Reductor – Elevador (?)● Lo deseable ahora sería combinar ambos esquemas de conversión.

Convertidores DC/DC

1-d

d

d

1-d

Vg

VO

A BDurante

d·T

Durante(1-d)·T

Vg

A B

VO-

+

A B

¿Es posible agrupar interruptores?Bastaría con invertir la terminal común (gnd) en la etapa de (1-d)T

Page 39: 9 Convertidores DC-DC

Convertidor Reductor – Elevador (?)● Lo deseable ahora sería combinar ambos esquemas de conversión.

Convertidores DC/DC

Duranted·T

Durante(1-d)·TVO

-

+

AB

Vg

1-dd

Vg

VO

A

B

A B

Page 40: 9 Convertidores DC-DC

Convertidor Reductor-Elevador «buck-boost»

Convertidores DC/DC

1-dd

Vg

VO

+ -vD

Vg·d·T - VO·(1-d)·T = 0 VO = Vg·d/(1-d)

• Balance voltios·segundos

vS max = vD max = Vg+VO= Vg/(1-d)• Tensiones máximas

VO

+

-

Vg R

+ -vS

vL

+

-

Page 41: 9 Convertidores DC-DC

Convertidor Reductor-Elevador «buck-boost»

Convertidores DC/DC

VO

+

-

Vg

IO

RiL

iDiS

• Balance de potenciasiS = IO·VO/Vg iS = IO·d/(1-d)

• Corriente media por el diodo

iD = IO = VO/R

• Corriente media por la bobinaiL = iD + iS iL = IO/(1-d) T

d·Tt

t

t

t

iS

iD

iL

Control

iL

iS

iD

Page 42: 9 Convertidores DC-DC

Formas alternativas: Convertidores básicos

Convertidores DC/DC

TB1

TB2

TC1

TC2

d1-d

TS1 TD1

TL1

TS1

TD1

TL1

TS1

TD1TL1

Reductor

Reductor-elevador

Elevador

Page 43: 9 Convertidores DC-DC

Comparación: reductor y reductor-elevador

Convertidores DC/DC

Reductor «Buck»

50V100V

2A1A (promedio)

S D

L

100W

vS max = vD max = 100V

iS=1A iD=1A iL=2A

VAS = 100VA VAD = 100VA

Reductor-elevador «Buck-Boost»

50V

2A

100V

1A (promedio)

S

D

L100W

vS max = vD max = 150V

iS=1A iD=2A iL=3A

VAS = 150VA VAD = 300VA

Los requerimientos eléctricos en el reductor-elevador son mayores

Page 44: 9 Convertidores DC-DC

Comparación: reductor y reductor-elevador

Convertidores DC/DC

Los requerimientos eléctricos en el reductor-elevador son mayores

50V25V

2A4A (promedio)

SDL

100W

vS max =vD max = 50V

iS=2A iD=2A iL=4A

VAS = 100VA VAD = 100VA

50V

2A

25V

4A (promedio)

S

D

L100W

vS max = vD max = 75V

iS=4A iD=2A iL=6A

VAS = 300VA VAD = 150VA

Elevador «Boost»

Reductor-elevador «Buck-Boost»

Page 45: 9 Convertidores DC-DC

Modo de conducción en los 3 convertidores

● Sólo una bobina y un diodo

Convertidores DC/DC

Convertidor

con 1 bobina

y 1 diodo

IO

iL

RVO

+

-Vg

Td·T

t

t

iL

Control

iL

El valor medio de iL depende de IO:

iL = IO/(1-d) (elevador y reductor-elevador)

iL = IO (reductor)

Page 46: 9 Convertidores DC-DC

Modo de conducción en los 3 convertidores

Convertidores DC/DC

• Al variar IO varía el valor medio de iL

• Al variar IO no varían las pendientes de iL (dependen de Vg y de VO) t

t

iL iL

iL iL

iL iLt

R1

Rcrit > R2

R2 > R1 Todos los casos corresponden al llamado “modo continuo de conducción” (mcc), en el que es válido todo lo antes estudiado

Este es el caso crítico

Page 47: 9 Convertidores DC-DC

Modo de conducción en los 3 convertidores

Convertidores DC/DC

t

t

iLiL

Rcrit

t

R3 > Rcrit iLiL

iL iL

R3 > Rcrit

Sigue el modo continuo

Modo discontinuo

● ¿Qué pasa si R > Rcrit ?

Page 48: 9 Convertidores DC-DC

Salida acorde a los modos de conducción

Convertidores DC/DC

Recuérde: Al variar IO varía el valor medio de iL

t

iL iL

iL iLt

R = Rcrit

R < Rcrit

iL iLt

R > Rcrit

● Con parte negativa (modo continuo a baja carga), la tensión de salida sería la calculada en modo continuo.

● Cuando estamos en discontinuo no existe la parte negativa, lo que causa que la corriente media en la bobina crezca y por tanto lo haga la corriente y la tensión de salida.

Page 49: 9 Convertidores DC-DC

Salida acorde a los modos de conducción

Convertidores DC/DC

Nos acercamos a las condiciones Nos acercamos a las condiciones críticas (y por tanto al modo críticas (y por tanto al modo discontinuo) si: discontinuo) si:

● Bajamos el valor de las bobinas (aumentan las pendientes)

● Bajamos el valor de la frecuencia (aumentan los tiempos en los que la corriente está subiendo o bajando)

● Aumentamos el valor de la resistencia de carga (disminuye el valor medio de la corriente por la bobina)t

t

iL

t

iL

iL

Page 50: 9 Convertidores DC-DC

Modo discontinuo de conducción

Convertidores DC/DC

Existen 3 estados distintos:

• Conduce el transistor (d·T)

• Conduce el diodo (d’·T)

• No conduce ninguno (1-d-d’)·T

tiL

Control

t

iL

vL

T

d·Tt

d’·T

+

-

iD

t

iDEjemplo

VOVg

VOVg

VgVO

VOVg

(d·T) (1-d-d’)·T(d’·T)

VO

Vg

Page 51: 9 Convertidores DC-DC

Modo discontinuo de conducción ● Relación de transformación en modo discontinuo (en el reductor-elevador)

Convertidores DC/DC

VOVg

(d·T)

VOVg

(d’·T)

Vg = L·iLmax/(d·T)iL

t

iL

vL

T

d·Tt

d’·T

+

-

iD

t

iD

VO

Vg

iLmax

iLmax

Relación de transformación M=VO/ Vg :

M =d/(k)1/2 , siendo: k =2·L / (R·T)

VO = L·iLmax/(d’·T)

iD = iLmax·d’/2

iD = VO/R

Page 52: 9 Convertidores DC-DC

Frontera entre modos de conducción

Para el reductor-elevador «Buck-Boost»

Convertidores DC/DC

● Relación de transformación en discontinuo, M:

M = d / (k)1/2 , siendo: k = 2·L / (R·T)

● Relación de transformación en continuo, N:

N = d / (1-d)

● En la frontera: M = N, R = Rcrit , k = kcrit

kcrit = (1-d)2

● Modo continuo: k > kcrit

t

iLiL

Rcrit

• Modo discontinuo: k < kcrit

Page 53: 9 Convertidores DC-DC

Frontera entre modos de conducción

Extensión a otros convertidores

Convertidores DC/DC

N = d

2M =

1 + 1 + 4·k

d2

kcrit = (1-d)

kcrit max = 1

dM =

k

dN =

1-d

kcrit = (1-d)2

kcrit max = 1

2M =

1 + 1 + 4·d2

k

1N =

1-d

kcrit = d(1-d)2

kcrit max = 4/27

Elevador «Boost»Reductor «Buck» Reductor-Elevador«Buck-Boost»

Page 54: 9 Convertidores DC-DC

Incorporación de aislamiento galvánico

Convertidor reductor «Buck»

Convertidores DC/DC

No es válido porque el transformador no se des-magnetiza

Lm

Page 55: 9 Convertidores DC-DC

Incorporación de aislamiento galvánico

Convertidor reductor «Buck»

Convertidores DC/DC

No es valido porque el transformador se des-magnetiza instantáneamente (sobretensión infinita)

Lm

D2

D1

Page 56: 9 Convertidores DC-DC

Incorporación de aislamiento galvánico

Convertidor reductor «Buck»

Convertidores DC/DC

Esta es la solución

Lm

Dipolo de tensión constante

Page 57: 9 Convertidores DC-DC

Elemento magnético con dos devanados

Convertidores DC/DC

Circuito en régimen

permanente

n1 : n2

v1 v2

+

-

+

-

(vi /ni) = 0

vi = ni · d/dt

= B - A = (vi/ni)·dtB

A

Ley de faraday:

En régimen permanente:

()en un periodo= 0Por lo tanto :

Si se excita el elemento magnético con ondas cuadradas:

“suma de productos (voltios/no. de espiras)·segundos = 0”

Page 58: 9 Convertidores DC-DC

Elemento magnético con dos devanados● Ejemplo:

Convertidores DC/DC

“Suma de productos (voltios/no. de espiras)·segundos = 0”

(V1/n1)·d1·T - (V2/n2)·d2·T = 0 d2 = d1·n2·V1/(n1·V2)

tvi/ni

T

d1·Tt

d2·T

+

-

V1/n1

max

V2/n2

Para asegurar la desmagnetización: d2 < 1 - d1

V1

V2

n2

n1

Page 59: 9 Convertidores DC-DC

Convertidor directo «forward»

Convertidores DC/DC

Vg n2

n1

Desmagnetización basada en la tensión de entrada

V1 = V2 = Vg

Teniendo en cuenta:

d’ = d·n2/n1 d’ < 1 - d

obtenemos:

d < n1/(n1 + n2) dmax = n1/(n1 + n2)

V1

V2

n2

n1

Page 60: 9 Convertidores DC-DC

Convertidor directo «forward»

Convertidores DC/DC

VO

n2:n3

n1

+

- vD2

vS

+

-

vD1

+

-Vg

vS max = Vg+Vg·n1/n2 = Vg/(1-dmax)

vD1 max = Vg·n3/n1

vD2 max = Vg·n3/n2

dmax = n1/(n1 + n2)

Vg·n3/n1 VO

+

-

Durante d·T

VO-

+

Durante (1-d)·TVO = d·Vg·n3/n1 (en modo continuo)

Page 61: 9 Convertidores DC-DC

Convertidor directo «forward»

Convertidores DC/DC

iD2·n3/n1

Td·T

tMando

t

iL iO

d’·T

iD3

iD2

iD1

iS

t

t

t

t

iD2 = IO·d iD1 = IO·(1-d)

im = Vg·T·d2/(2·Lm) (ref. al primario)

iS = IO·d·n3/n1 + im iD3 = im

iD2

VOVg n2:n3

n1

iS

iL

iD1

iD3 iO

Page 62: 9 Convertidores DC-DC

Comparando reductor y directo

Convertidores DC/DC

Reductor

50V100V

2A1A (promedio)

S D

L

100W

vS max=vD max=100V

iS=1A iD=1A iL=2A

VAS=100VA VAD=100VA

VAS = 200VA VAD = 100VA Mayor VS max en el directo

Directo

50V

2A

100V

1A (promedio)

SD1

L

100W1 : 1:1

D2D3

vS max=200V

iS=1A iD1= iD2=1A

vD1 max= vD2 max= 100V

iL=2A

Page 63: 9 Convertidores DC-DC

Variación de Vg

Convertidores DC/DC

vD2

VO

n2:n3

n1

+

-

vS

+

-

vD1

+

-Vg

t

vi/ni

t+

-

Vg/n1

max

Vg/n2Alta Vg

t

vi/ni

t+-

Vg/n1

max

Vg/n2Baja Vg

t

vi/ni

t+-

Vg/n1

max

Vg/n’2Mejores tensiones máximas

Page 64: 9 Convertidores DC-DC

Formas de desmagnetizar el transformador● Enclavamiento RCD «RCD clamp»

Convertidores DC/DC

t

vi/ni

t+-

Vg/n1

max

VC/n1

VC

Vg

Lm

LdVg

x Mal rendimiento

√ Integración de parásitos

√ Útil para rect. sinc. autoexc.

Page 65: 9 Convertidores DC-DC

Formas de desmagnetizar el transformador● Desmagnetización resonante «Resonant reset»

Convertidores DC/DC

x Pequeña variación de Vg

√ Integración de parásitos

√ Útil para rect. sinc. autoexc.

vT

t+

-

Lm

LdVg

vT

+

-Vg

Page 66: 9 Convertidores DC-DC

Formas de desmagnetizar el transformador● Enclavamiento activo «Active clamp»

Convertidores DC/DC

x Dos transistores

√ Integración de parásitos

√ Flujo sin nivel de continua

√ Útil para rect. sinc. autoexc.

VC = Vg·d/(1-d)

VC

Vg

Lm

LdVg

t

vi/ni

t+-

Vg/n1

VC/n1

Page 67: 9 Convertidores DC-DC

Formas de desmagnetizar el transformador● Convertidor directo con dos transistores

Convertidores DC/DC

x Dos transistores

√ Bajas tensiones en

los semiconductores

t

vi/ni

t+

-

Vg/n1

max

Vg/n1

Vg

n1 : n2

S1D4

D3

D1

D2

S2

VO

dmax = 0,5

VO = d·Vg·n2/n1 (en modo continuo)

vS1 max = vS2 max = Vg

vD1 max = vD2 max = Vg

vD3 max = vD4 max = Vg·n2/n1

Page 68: 9 Convertidores DC-DC