CONVERTIDORES DC – DC

FUNDAMENTOS BASICOS

CONTENIDO

• INTRODUCCION.• CONVERTIDOR BASICO.• CONVERTIDOR REDUCTOR.• CONVERTIDOR ELEVADOR.

INTRODUCCION

• Los convertidores DC/DC son llamados también CHOPPERs o Circuitos TROCEADORES.• Son sistemas que transforman la corriente continua de voltaje

constante en corriente continua de voltaje variable y de la misma frecuencia. • En el límite donde la potencia entregada a la carga sea máxima o nula

se obtienen los interruptores estáticos de continua.• Se puede considerar que un convertidor DC/DC es el equivalente en

DC de un transformador de AC, con una relación de vueltas que varía de manera continua.

APLICACIONES

• Las aplicaciones de los convertidores recaen fundamentalmente sobre dos campos: • Fuentes de alimentación conmutadas. Son fuentes de alimentación en las

que el regulador en vez de ser lineal es conmutado, consiguiéndose un importante aumento del rendimiento y una buena respuesta dinámica.

• Alimentación de motores de corriente continua, cuya regulación requiere tensiones continuas variables. Las potencias utilizadas en este caso son considerables. • Ejemplos: Automóviles eléctricos, tranvías, grúas marinas, montacargas, elevadores de

minas.• Se pueden usar en el frenado regenerativo de motores de DC para regresar la

energía a la fuente, y esa propiedad permite ahorrar energía en los sistemas de transporte que frenados frecuentes.

CONVERTIDOR CONMUTADO BASICO• Se considerará el circuito que se recoge en la siguiente figura,

conformado exclusivamente por un interruptor y una carga resistiva pura.• El interruptor se abre y se cierra siguiendo una señal de periodo “T”

denominada periodo de convertidor.• El tiempo durante el cual el interruptor está cerrado, y por tanto la

carga se encuentra conectada a la fuente primaria de energía, se denominará tiempo de conducción, “TON ”.• Por otro lado el tiempo que el interruptor permanece abierto,

dejando aislada la carga, se llamará tiempo de bloqueo, “TOFF”.

CONVERTIDOR CONMUTADO BASICO

a) Convertidor DC – DC básico Conmutado.b) Equivalente para conmutaciónc) Voltaje de Salida.

TON

Voltaje medio en la carga.

Ciclo de trabajo.

CONVERTIDOR CONMUTADO BASICO

La figura muestra los distinto valores medios del voltaje de salida v0(t) para valores distinto del ciclo de trabajo, D.

CONTROL DEL CONVERTIDOR DC – DC

METODO DE CONTROL MEDIANTE LA TECNICADE MODULACION DE ANCHO DE PULSO, PWM.

DIAGRAMA DE LAS FORMAS DE ONDA DEL CIRCUITO DE CONTROL (GRAFICO SUPERIOR)Y FORMA DE ONDA DEL VOLTAJE DE SALIDA.

TIPOS DE CONVERTIDORES

• En algunas aplicaciones puede ser suficiente controlar la componente de continua de una salida de pulsos.• En otras es importante, mas bien, producir una salida que sea

continua pura, o por lo menos que se aproxime.• Una forma de hacer esto, es mediante el filtrado de la señal pulsante.• Para lograr esto, se agrega al convertidor básico, una red L – C, que se

comporta como un filtro pasa – bajo.• En base a estos elementos, su disposición y combinando con los

interruptores, se obtienes distintos tipos de convertidores DC – DC.

TIPOS DE CONVERTIDORES

• TOPOLOGIAS DE CONVERTIDORES DC – DC QUE UTILIZAN UN SOLO INTERRUPTOR:

Convertidor Reductor (Buck). Convertidor Elevador (Boost). Convertidor Reductor – Elevador (Buck – Boost). Convertidor de Cúk.

• CONVERTIDORES MAS COMPLEJOS: Convertidor Puente. Convertidor con aislamiento Galvánico.

Convertidor Flyback.Convertidor Forward.Convertidor Puente.

CONVERTIDOR REDUCTOR O BUCK• Se denomina así, ya que su voltaje de salida es menor al voltaje de

alimentación.• Para realizar el análisis de este convertidor, se establecerán algunas

condiciones y suposiciones (válidas también para el Elevador):Funcionamiento en régimen permanente.Los dispositivos semiconductores serán considerados como interruptores ideales.Las pérdidas en los elementos inductivos y capacitivos serán despreciadas. La alimentación continua se supondrá contante en el tiempo.La etapa de salida del convertidor estará compuesta por un filtro paso bajo y la

carga (R). Cuando la carga es un motor DC, será necesario hacer otro tipo de modelado, (Tensión DC en serie con las L y R del devanado del motor).

CONVERTIDOR REDUCTOR O BUCK• Entre otras propiedades de este tipo de convertidores tenemos:

La corriente en la bobina es periódica. El voltaje medio en la bobina es cero.La corriente media en el condensador es cero.La potencia entregada por la fuente es igual a la suministrada a la carga.La corriente en la bobina es permanente (siempre es positiva).El valor del condensador es muy grande, para asegurar que el voltaje de

salida se mantenga constante a un valor Vo.

CONVERTIDOR REDUCTOR O BUCK• ESQUEMA ELECTRICO DEL CONVERTIDOR REDUCTOR

AL CONMUTADOR BASICO SE AGREGA UN FILTRO L – C PARA ELIMINAR LOS ARMONICOSDE LA ONDA PULSANTE (IZQUIERDA).

CONVERTIDOR REDUCTOR O BUCK• DIVIDIMOS EL ANALISIS EN DOS PARTES:• PRIMERA PARTE: LLAVE CERRADA (CONDUCCION)

CONVERTIDOR REDUCTOR O BUCK

VARIACION DE LA CORRIENTE POR LA BOBINA CUANDO LA LLAVE ESTA CERRADA.

FORMAS DE ONDA EN EL INTERVALO DE UN CICLO DE TRABAJO:a) Voltaje en el Inductor.b) Corriente en el Inductor.c) Corriente en el Condensador.

CONVERTIDOR REDUCTOR O BUCK• SEGUNDA PARTE: LLAVE ABIERTA (BLOQUEO).

Variación de la corriente

Corriente neta en la bobina en un ciclo

CONVERTIDOR REDUCTOR O BUCK

ALGUNAS ECUACIONES IMPORTANTES:

La corriente media por el inductordebe ser igual a la de la carga R.

Cálculo de las corrientes Máxima y Mínimapor la bobina.

Condición para asegurarla corriente continua por la bobina.

Cálculo de L en función de la variaciónpico a pico de la corrientepor la bobina.

CONVERTIDOR REDUCTOR O BUCK

a) Corriente por el capacitor.b) Voltaje de rizado en el capacitor.

Variación del voltaje de rizado en la carga.

Cálculo del valor de la Capacitancia para un determinado porcentajede rizado en la carga.

Relación de Potencias suponiendoLlaves y dispositivos ideales.

CONVERTIDOR REDUCTOR O BUCK

EJEMPLO: Suponiendo que los componentes son ideales, calcular: a) el voltaje de salida, b) las corrientes máxima y mínima en la bobina y c) el rizado del voltaje de salida.

DATOS:a)

b)

c)

CONVERTIDOR ELEVADOR - BOOST

a) ANALISIS CON LA LLAVE CERRADA.

b) ANALISIS CON LA LLAVE ABIERTA:

CONVERTIDOR ELEVADOR - BOOST

a) Voltaje en la bobina.b) Variación de la corriente por la bobina.c) Corriente por el diodo.d) Corriente por el condensador.

Condición corrientemedia por la bobina en un ciclo igual a cero.

Voltaje en la carga.

Potencia en la carga.

Asumiendo circuitosin pérdidas, potenciade entrada y salida iguales.

CONVERTIDOR ELEVADOR - BOOST

Valor de la inductancia de la bobina.

Valores máximos y mínimos de lacorriente por la bobina.

Condición para asegurar continuidad de la corriente porla bobina.

Valor de L en función de una determinadavariación de la corriente por la bobina.

CONVERTIDOR ELEVADOR - BOOST

Corriente por el capacitor.

A partir del gráfico de la corriente por el capacitor:

Cantidad de carga acumulada en el Capacitor durante la llave cerrada.

Variación del voltaje en la carga.

Valor de la capacitancia para un Determinado valor de rizado.