Convertidores CC/CC directos CC/CC directos CC/CC como un procesado de potencia, haciendo analoga...

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  • Convertidores CC/CC directos

    Captulo 4

    Convertidores CC/CC directos

    4.1 Introduccin

    Los convertidores CC/CC son ampliamente utilizados en fuentes de alimentacin continuas conmutadas (generalmente con un transformador de aislamiento) y en aplicaciones de accionamiento de motores. En esta clase solamente sern considerados los convertidores sin aislamiento (ms precisamente los convertidores reductor y elevador), ya que el aislamiento elctrico es una modificacin adicional.

    Como se muestra en la Figura 4.1, habitualmente la entrada de estos convertidores es una tensin continua no regulada, la cual se obtiene rectificando la tensin de lnea y, por eso, esta fluctuar a los cambios en la magnitud de la tensin.

    Rectificadorno controlado Filtro

    ConvertidorCC/CC

    CargaCCregulada

    CCno regulada

    CCno regulada

    Tensinde Red

    CAMonofsico

    oTrifsico

    vcontrol

    Figura 4.1. Convertidor continua-continua (CC/CC)

    Podemos definir los convertidores CC/CC como siendo circuitos que transforman una tensin continua (por lo general no regulada) en otra tambin continua y regulada. Otra definicin ms generalizada fue dada en [1] y se refiere a la conversin

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    CC/CC como un procesado de potencia, haciendo analoga con el procesado de seal, bastante conocido en Ingeniera Electrnica. En el procesado de potencia, tanto la seal de entrada como de salida son potencia. La potencia en la entrada puede ser suministrada por una fuente de tensin o corriente y la potencia en la salida puede ser entregada como corriente o tensin. En la figura 4.1 tambin se puede ver que es necesario una seal que controle ese proceso. El circuito de procesado de potencia y la seal de control caracterizan el funcionamiento del convertidor.

    Existen innmeros circuitos que pueden realizar una conversin CC/CC. Son conocidos varios mtodos de sntesis de circuitos y todos llevan a un conjunto de convertidores construidos con el menor nmero de componentes posible. Tenemos seis convertidores que pueden considerarse como bsicos, o sea, la mayora de los convertidores tienen dos interruptores, con un interruptor activo (el transistor) y un interruptor pasivo (el diodo). Esos convertidores son: Buck, Boost, Buck-Boost, Ck, Sepic y Zeta, que se muestran en la Figura 4.2.

    +

    -

    +

    -

    Vo

    +

    -

    +

    -

    +

    -

    +

    -

    Buck Boost

    Buck-Boost Ck

    SEPIC ZETA

    viVo

    vo

    Vo

    Vi

    Vo

    VoVi

    Vi

    ViVi

    Vi

    Figura 4.2. Circuito de convertidores con dos interruptores (un transistor y un diodo) Habitualmente el interruptor activo (transistor) para este tipo de convertidores es un BJT, MOSFET o IGBT de potencia. En la Figura 4.2 se muestran los convertidores

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    CC/CC utilizando MOSFET de potencia.

    El transistor funciona siempre en la regin de corte (sin conducir corriente) o en la regin ohmica para el MOSFET (transistor conduciendo con mnima tensin) y de saturacin para el BJT. Controlando la tensin de puerta (MOSFET) o la corriente de base (transistor bipolar), podemos mantener el transistor conduciendo el tiempo que sea necesario.

    Slo tenemos control sobre el transistor, pues la conduccin del diodo depende del funcionamiento del circuito. As, para que tengamos un convertidor que mantenga la tensin de salida constante, es necesario un circuito externo que genere una seal de control al transistor del convertidor. Ese circuito de control debe generar todas las informaciones necesarias, como son: frecuencia de conmutacin, tensin de referencia estabilizada y circuito de compensacin en frecuencia.

    Control de los convertidores CC-CC

    Los convertidores CC/CC conmutados utilizan uno o ms interruptores para transformas un nivel continuo en otro. En un convertidor CC/CC con un nivel de tensin de entrada, el valor medio de la tensin de salida se ajusta controlando la duracin del estado abierto (OFF) o cerrado (ON) del interruptor. Para ilustrar el concepto de conversin empleando el modo de conmutacin, considere el convertidor CC/CC bsico de la Figura 4.3(a). El valor medio VA de la tensin de salida vA en la Figura 4.3(b) depende del tiempo de conduccin y no conduccin del transistor (Ton y Toff).

    Vi

    +

    -R vA

    +

    -

    (a)

    t

    vA

    Vi VATon Toff

    TS0

    (b)

    Figura 4.3. Conversin continua-continua (CC/CC) en modo conmutado

    En este mtodo, llamado modulacin por ancho de pulso (Pulse-With Modulation - PWM), se varia la relacin de conduccin (duty-ratio) del interruptor D, que se define como siendo la relacin entre el tiempo que el interruptor permanece cerrado (ON)

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    respecto al perodo de conmutacin. Los dos parmetros que determinan la forma de onda de la figura 4.3(b) son la relacin de conduccin D (que se acaba de mencionar) y la frecuencia de conmutacin fS. Estos parmetros se definen en (1) y (2), respectivamente.

    S

    on

    TT

    D = (1)

    SS T

    1f = (2)

    En realidad los convertidores continua-continua (CC/CC) tienen el principio de funcionamiento de la Figura 4.4 y adems presentan un filtro pasa bajos para obtener el valor medio de la tensin rectangular (Figura 4.3(b)). En la Figura 4.4 aparece el modelo de una estructura sencilla de un convertidor CC/CC alimentado por tensin (sin aislamiento).

    vi vA

    1

    2+

    -

    + +

    -

    VOfiltropaso-bajo-

    Figura 4.4. Diagrama de bloques de un convertidor CC/CC

    La tensin de entrada vi se supone continua - es decir, unidireccional -, pero no tiene por qu ser una tensin regulada; en general tendr un rizado no nulo. El conmutador de dos posiciones funciona a una frecuencia suficientemente mayor que la correspondiente al rizado de vi. Por lo tanto, la forma de onda vA es como la que aparece en la Figura 4.5.

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    t0

    1 2 1 2 1 2 1

    vi

    vA

    ToffTon Ton Toff Ton ToffTS TS TS

    VO

    Figura 4.5. Forma de onda a la entrada del filtro paso-bajo de un convertidor CC/CC En la Figura 4.5 se indica, adems, un cronograma de los estados del conmutador (interruptor).

    Como se ha comentado, el filtro paso-bajo (de potencia) que aparece en la etapa de salida sirve para obtener el valor medio de la forma de onda de vA a la salida, eliminando tanto la componente fundamental, como todos los armnicos de su desarrollo en serie de Fourier.

    Trabajando con este mtodo (PWM), habitualmente, la frecuencia de conmutacin es constante y la seal que controla el transistor (estado abierto o cerrado), se genera comparando una tensin de control vcontrol con una forma de onda repetitiva triangular como se muestra en las Figuras 4.6(a) y 4.6(b).

    En el PWM conmutado a frecuencia constante, la seal de control, que controla el estado (abierto o cerrado) del interruptor, se genera comparando una tensin de control vcontrol con una forma de onda repetitiva triangular como se muestra en las Figuras 4.6(a) y 4.6(b). La seal de la tensin de control generalmente se obtiene amplificando el error, o la diferencia entre la tensin de salida (medida) con el valor de tensin deseado.

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    t

    TS

    toffton

    0

    (b)

    vcontrol(Error amplificado)

    Vtmx

    vt = Tensin triangular

    Seal de controlal Transistor

    On

    Off

    On

    Offvcontrol < vt

    vcontrol > vt

    Frecuencia de conmutacin, fS =1TS

    Comparador

    Forma de ondaTriangular

    VO (medida)

    ReferenciaVO (deseado) +

    -Amplificador

    Seal decontrol alTransistor

    (a)

    vcontrol

    Figura 4.6. Modulacin por ancho de pulso (PWM): (a) diagrama de bloques, (b) seales del

    comparador. La forma de onda de la tensin triangular (diente de sierra) tiene un valor de pico (Vtmx) constante y su frecuencia es la que establece la frecuencia de conmutacin. Esta frecuencia se mantiene constante en un control PWM y suele estar en el rango de los kilo hertz hasta algunos cientos de kilo hertz.

    De la comparacin entre la tensin triangular y la seal amplificada del error vcontrol, - que varia muy lentamente en el tiempo, comparado con la frecuencia de conmutacin - la seal resultante presenta una forma de onda rectangular y es la que controla el transistor. Cuando vcontrol > vt, el transistor de potencia se cierra (On) y en caso contrario el transistor se abre (Off).

    La relacin de conduccin D (duty-ratio) se puede expresar en trminos de vcontrol y el valor de pico de la forma de onda triangular Vtmx como sigue:

    mxS

    on

    VtTTD controlv== (3)

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    Por otro lado, si la frecuencia es variable, el modo de control ya no es PWM, por tanto, siendo el perodo de conduccin del transistor Ton y el perodo de no conduccin (corte) Toff, podemos tener tres tipos de control:

    Ton constante y Toff variable Ton variable y Toff constante Ton variable y Toff variable

    Los convertidores controlados por una de las tres maneras descritas arriba, son difciles de proyectar pues normalmente tienen caractersticas particulares de cada circuito, pero en realidad son muy utilizados, pues llevan a simpli