ELECTRONICA INDUSTRIAL Capítulo 4: Convertidores...

ELECTRONICA INDUSTRIALCapítulo 4: Convertidores DC-DC

-

Marcelo A. PérezSegundo semestre 2016

Electrónica Industrial/Convertidores DC-DC 2

Principio de funcionamiento Diagrama conceptual

Convertir una señal continua de amplitud fija en otra continua de amplitud ajustable y controlada

Son generalmente de conmutación forzada Se emplean IGBT, MOSFET y Diodos Se usan principalmente en aplicaciones de baja potencia (fuentes para electrónica,

cargadores de batería, control de motores DC, sistemas fotovoltaicos) También existen convertidores DC-DC con aislación galvánica

Introducción


Convertidor Buck (reductor)

Circuito de potencia

Estados de conducción Circuitos equivalentes:

T encendidoT encendido T apagadoT apagado

V d

L

D C RL

S

+

V o

-

V o

+

CIRCUIT OF BUCK CONVERTER

CIRCUIT WHEN SWITCH IS CLOSED

CIRCUIT WHEN SWITCH IS OPENED

V o

+

-

-

i L

V d D RL

S

V d D RL

S

+ -v L

+ v L -

i L

V d

L

D C RL

S

+

V o

-

V o

+




V o

+

-

-

i L

V d D RL

S

V d D RL

S

+ -v L

+ v L -

iL

V d

L

D C RL

S

+

V o

-

V o

+




V o

+

-

-

i L

V d D RL

S

V d D RL

S

+ -v L

+ v L -

i L


Convertidor Buck (reductor) Principio de funcionamiento (S cerrado)

Tensión en el inductor

Qué pasa con la corriente?

La corriente en el inductor crece Que pasa con el ripple?

V d V D

+ v L -

C RL

+

-

V o

V d V o

V o

closedopened

closedopened

t

D T Tt

i L m in

i L m a x

I L

v L

i L

i L

+

-

S

V d

L

D C RL

S

+

V o

-

V o

+




V o

+

-

-

i L

V d D RL

S

V d D RL

S

+ -v L

+ v L -

iL

( )

( ) TDL

Vi

L

V

TD

i

t

i

d t

d iL

V

d t

d id t

d iLVv

D TL

VVi

L

VV

D T

i

t

i

d t

d i

i

iL

VV

d t

d id t

d iLVVv

oo p e n e dL

oLLL

oL

LoL

odc lo se dL

odLLL

L

L

odL

LodL

)1(

)1(

opened,switch For

Figure From

linearly. increased

must hereforeconstant.T

positive a is of Derivative

:(on) closed isswitch When the

-×÷øö

çèæ -=DÞ

-=

-D

=DD

=\

-=Þ

=-=

×÷øö

çèæ -

=DÞ

-=

D=

DD

=

-=Þ

=-=

( )

( ) TDL

Vi

L

V

TD

i

t

i

d t

d iL

V

d t

d id t

d iLVv

D TL

VVi

L

VV

D T

i

t

i

d t

d i

i

iL

VV

d t

d id t

d iLVVv

oo p e n e dL

oLLL

oL

LoL

odc lo se dL

odLLL

L

L

odL

LodL

)1(

)1(

opened,switch For

Figure From

linearly. increased




-×÷øö

çèæ -=DÞ

-=

-D

=DD

=\

-=Þ

=-=

×÷øö

çèæ -

=DÞ

-=

D=

DD

=

-=Þ

=-=

ON

odL VVv

dtvL

i

dt

diLv

LL

LL

1



Principio de funcionamiento (S abierto) Tensión en el inductor

Repitiendo el análisis:

La corriente decrece

V d

L

D C RL

S

+

V o

-

V o

+




V o

+

-

-

i L

V d D RL

S

V d D RL

S

+ -v L

+ v L -

iL

( )

( ) TDL

Vi

L

V

TD

i

t

i

d t

d iL

V

d t

d id t

d iLVv

D TL

VVi

L

VV

D T

i

t

i

d t

d i

i

iL

VV

d t

d id t

d iLVVv

oo p e n e dL

oLLL

oL

LoL

odc lo se dL

odLLL

L

L

odL

LodL

)1(

)1(

opened,switch For

Figure From

linearly. increased




-×÷øö

çèæ -=DÞ

-=

-D

=DD

=\

-=Þ

=-=

×÷øö

çèæ -

=DÞ

-=

D=

DD

=

-=Þ

=-=

V d V D

+ v L -

C RL

+

-

V o

V d V o

V o

closedopened

closedopened

t

D T Tt

i L m in

i L m a x

I L

v L

i L

i L

+

-

S

OFF

oL Vv



Principio de funcionamiento Que debería pasar en estado estacionario?

Que la corriente al inicio de cada ciclo tenga el mismo valor

iL Unstable current

Decaying current

Steady-state current

t

t

t

iL

iL



Principio de funcionamiento Relación tensión de entrada y salida

Gráficamente

( ) ( )

do

so

sod

o p e n e dLc lo se dL

L

L

D VV

TDL

VD T

L

VV

ii

i

i

=Þ

=-×÷øö

çèæ --×÷

øö

çèæ -

=D+D

0)1(

0

:i.e zero, is period oneover of

change theisThat cycle.next theof begining

at the same theis cycle switching of end

at the that requiresoperation state-Steady

1D

Vo

Vd



Ripple

Diseño del Inductor



Diseño del inductor

Diseño para bajo rango de operación



Diseño del condensador Carga del condensador



Diseño de componentes activos


Relación corriente y ripple Ejemplo en el convertidor buck

Forma de onda de la corriente

Corriente media

Corriente máxima

minmax

min

max

L

:ripplecurrent Inductor

2

)1(1

2

:current Minimum

2

)1(1

)1(2

1

2

:current Maximum

Rin current Average currentinductor Average

IIi

L f

D

RV

iII

L f

D

RV

TDL

V

R

ViII

R

VII

L

oL

L

o

ooLL

oRL

-=D

÷ø

öçè

æ --=

D-=

÷ø

öçè

æ -+=

÷øö

çèæ -+=

D+=

==Þ

=

minmax

min

max

L


2

)1(1

2

:current Minimum

2

)1(1

)1(2

1

2

:current Maximum


IIi

L f

D

RV

iII

L f

D

RV

TDL

V

R

ViII

R

VII

L

oL

L

o

ooLL

oRL

-=D

÷ø

öçè

æ --=

D-=

÷ø

öçè

æ -+=

÷øö

çèæ -+=

D+=

==Þ

=

minmax

min

max

L


2

)1(1

2

:current Minimum

2

)1(1

)1(2

1

2

:current Maximum


IIi

L f

D

RV

iII

L f

D

RV

TDL

V

R

ViII

R

VII

L

oL

L

o

ooLL

oRL

-=D

÷ø

öçè

æ --=

D-=

÷ø

öçè

æ -+=

÷øö

çèæ -+=

D+=

==Þ

=

minmax

min

max

L


2

)1(1

2

:current Minimum

2

)1(1

)1(2

1

2

:current Maximum


IIi

L f

D

RV

iII

L f

D

RV

TDL

V

R

ViII

R

VII

L

oL

L

o

ooLL

oRL

-=D

÷ø

öçè

æ --=

D-=

÷ø

öçè

æ -+=

÷øö

çèæ -+=

D+=

==Þ

=

Corriente mínima

Ripple en el inductor

IL

Imax

Imin

iL

iL

t


Modo de conducción continua

Ejemplo en el convertidor buck Forma de onda de la corriente en el límite de modo de conducción continua

(CCM)

La corriente mínima es

Para que no llegue a modo discontinuo Imin > 0

min

min

min

min

be bchosen is Normally

operation. of mode continous ensure

current toinductor minimum theis This

2

)1(

02

)1(1

,0 operation, continuousFor

2

)1(1

2

analysis, previous From

LL

Rf

DLL

L f

D

RV

I

L f

D

RV

iII

o

oL

L

>>

×-

=³Þ

³÷ø

öçè

æ --

³

÷ø

öçè

æ --=

D-=

minmax

min

max

L


2

)1(1

2

:current Minimum

2

)1(1

)1(2

1

2

:current Maximum


IIi

L f

D

RV

iII

L f

D

RV

TDL

V

R

ViII

R

VII

L

oL

L

o

ooLL

oRL

-=D

÷ø

öçè

æ --=

D-=

÷ø

öçè

æ -+=

÷øö

çèæ -+=

D+=

==Þ

=

El modo de modo de conducción discontinua es usado en algunas ocaciones para reducir pérdidas de conmutación, dado que se conmuta con corriente cero.

Usualmente se prefiere modo de conducción continuo por tener menos ripple

El modo de modo de conducción discontinua es usado en algunas ocaciones para reducir pérdidas de conmutación, dado que se conmuta con corriente cero.

Usualmente se prefiere modo de conducción continuo por tener menos ripple

iL

Imax

Imint

0


Modo de conducción discontinua

Región de operación


Convertidor Boost (elevador)




V d

L D

C

RL

S

V d

L D

CRL

S

V d

LD

C RLS

+ v L -

+

V o

-

+ v L -

V o

+

CIRCUIT OF BOOST CONVERTER



V o

+

-

-

i L

V d

L D

C

RL

S

V d

L D

CRL

S

V d

LD

C RLS

+ v L -

+

V o

-

+ v L -

V o

+




V o

+

-

-

i L

V d

L D

C

RL

S

V d

L D

CRL

S

V d

LD

C RLS

+ v L -

+

V o

-

+ v L -

V o

+




V o

+

-

-

i L


DT T

iL

vLCLOSED

t

t

Vd

Vd Vo

iL


Principio de funcionamiento Transistor encendido

V d

L D

C

RL

S

V d

L D

CRL

S

V d

LD

C RLS

+ v L -

+

V o

-

+ v L -

V o

+




V o

+

-

-

iL

ON

L

DTVi

L

V

dt

diDT

i

t

i

dt

diL

V

dt

didt

diL

Vv

dclosedL

dL

LLL

dL

L

dL


DT T

iL

vLCLOSED

t

t

Vd

Vd Vo

iL


Principio de funcionamiento Transistor apagado

V d

L D

C

RL

S

V d

L D

CRL

S

V d

LD

C RLS

+ v L -

+

V o

-

+ v L -

V o

+




V o

+

-

-

i L

OFF

vL =Vd -Vo = LdiL

dt

Þ diL

dt= Vd -Vo

L

diL

dt= DiL

Dt= DiL

(1-D)T

Þ DiL( )opened=

Vd -Vo( )(1-DT )

L



Principio de funcionamiento Ejercicio:

Solución

Ejercicio en clase: - Encuentre la relación entre la

tensión de entrada y salida en en función de D

Ejercicio en clase: - Encuentre la relación entre la

tensión de entrada y salida en en función de D

D

VV

L

TDVV

L

DTV

ii

do

odd

openedLclosedL

1

0)1(

0


Convertidor Buck-Boost




V d L

D

C RL

S

RL

+

V o

-

V o

+

CIRCUIT OF BUCK-BOOST CONVERTER



V o

+

-

-

i LV d v L

+

-

i LV d v L

+

-

D

DS

S

V d L

D

C RL

S

RL

+

V o

-

V o

+




V o

+

-

-

i LV d v L

+

-

i LV d v L

+

-

D

DS

S

V d L

D

C RL

S

RL

+

V o

-

V o

+




V o

+

-

-

i LV d v L

+

-

i LV d v L

+

-

D

DS

S


DT T

Imin

Imax

ic

iD

iL

Vd

vL

Q

VdVo

Io=Vo / R

Imax

Imin


Principio de funcionamiento Transistor encendido

L

TDVi

L

V

TD

i

t

iL

V

d t

d id t

d iLVv

L

D TVi

L

V

D T

i

t

iL

V

d t

d id t

d iLV dv

oo p e n e dL

oLL

oL

LoL

dc lo se dL

dLL

dL

LL

)1()(

)1(

openedSwitch

)(

closedSwitch

-=DÞ

=-D

=DD

=Þ

==

=DÞ

=D

=DD

=Þ

==

V d L

D

C RL

S

RL

+

V o

-

V o

+




V o

+

-

-

i LV d v L

+

-

i LV d v L

+

-

D

DS

S

ON


DT T

Imin

Imax

ic

iD

iL

Vd

vL

Q

VdVo

Io=Vo / R

Imax

Imin


Principio de funcionamiento Transistor apagado

L

TDVi

L

V

TD

i

t

iL

V

d t

d id t

d iLVv

L

D TVi

L

V

D T

i

t

iL

V

d t

d id t

d iLV dv

oo p e n e dL

oLL

oL

LoL

dc lo se dL

dLL

dL

LL

)1()(

)1(

openedSwitch

)(

closedSwitch

-=DÞ

=-D

=DD

=Þ

==

=DÞ

=D

=DD

=Þ

==

V d L

D

C RL

S

RL

+

V o

-

V o

+




V o

+

-

-

i LV d v L

+

-

i LV d v L

+

-

D

DS

S

OFF



Principio de funcionamiento Relación tensión de entrada y salida

Por lo tanto la tensión de salida es

Note que la tensión de salida es siempre negativa (inverso a la entrada) Para D > 0.5 funciona como elevador Para D < 0.5 funciona como reductor La energía se almacena en el inductor mientras el interruptor está cerrado y se

transfiere a la carga cuando está abierto

÷øö

çèæ-

-=Þ

=-

+Þ

=D+D

DD

V

L

TDV

L

D TV

s

od

o p e n e diLc lo se diL

1V

:tageOutput vol

0)1(

0

:operation stateSteady

o

)()(

Vo = -Vd

D

1-D


Otros Convertidores DC-DC

Convertidor Cuk


Convertidor Puente H


Se llama también puente H Funciona en 4 cuadrantes Los transistores T1 y T2 (T3 y T4) funcionan de manera complementaria Tiene 4 estados de conmutación

vd

id

V

vd

id

T1

T2

R L

T3

T4

+


VB

vd

id

T3

T4

R L

D1

D2

iT1

iD2

T1

T2

D3

D4

+

iT4

iD3


Cuadrantes de operación Cuadrante 1

–

Formas de onda

I

id

vd

t

V

-V

v iddB

B




Formas de onda

id

vd

IIVB

vd

id

T3

T4

R L

D1

D2

iT1

iD2

T1

T2

D3

D4

+

iT4

iD3

+

0

VB

-VB

vd

id

t




Formas de onda

id

vd

IIIVB

vd

id

T3

T4

R L

D1

D2

iT1

iD2

T1

T2

D3

D4

+

iT4

iD3

0

VB

-VB

vd id

t




Formas de onda

VB

vd

id

T3

T4

R L

D1

D2

iT1

iD2

T1

T2

D3

D4

+

iT4

iD3

+

id

vd

IV

0

VB

-VB

id

vd

t


Fuentes lineales Diagrama simplificado:

Fuentes lineales


Fuentes lineales

Fuentes lineales


Fuentes lineales Eficiencia de una fuente lineal:

- La tensión mínima de la fuente tiene que ser mayor que la tensión de salida

Vd min = V0 + V

- La eficiencia depende también de las variaciones de la tensión de entrada. Por ejemplo

Vac: 5%, 10%, 15%

Fuentes lineales


Fuentes lineales Tamaño de una fuente lineal:

- Transformador grande

- Disipador grande

Usualmente DP va entre:

Ejemplo: Fuente lineal de 300[W] con DP de 0.25 tiene un volumen de:

Densidad de potencia (DP) baja

30.2 0.3[ / ]W in®

33001200[ ]

0.25Vol in= = 10[ ] 10[ ] 12[ ]in in in´ ´

325.4[ ] 25.4[ ] 30.5[ ] 1549.4[cm ]cm cm cm´ ´ =

Fuentes lineales


Diagrama básico de una fuente de conmutación

Fuentes conmutadas


Fuente con múltiples salidas: Diagrama básico de una fuente de conmutación

Fuentes conmutadas


Transformador con dos devanados y su circuito equivalente: Transformadores para fuentes de conmutación

P = 0.00050 · Bmax · f · Ae · Ab · J

Potencia en un transformador de ferrita:

P: Potencia [W]Ae: Area del núcleo [cm2]Ab: Area de la ventanaBmax: Inducción máxima

[Gauss] f: Frecuencia [Hz]J: Densidad de corriente

Fuentes conmutadas


Núcleo comercial E 42/20 Transformadores para fuentes de conmutación

Vol= 4.22 x 4.22 x 3.72 = 65cm3

Núcleo ferrita para trafos Núcleo ferrita para suprimir EMI/EMC

Fuentes conmutadas


Núcleo comercial E 42/20 Transformadores para fuentes de conmutación

Fuentes conmutadas


Circuito de potencia y estados de conducción: El convertidor Flyback

transistor apagado transistor encendido

Convertidor Flyback


Intervalo 1 (on): El convertidor Flyback: Formas de onda

Cuando el transistor conduce se cumple:

Discretizando para intervalo pequeño t:

Considerando un instante

Reemplazando (3) y (4) en (2):

De (5) se obtiene:

1 1 (1) d

dv V N

dt

F= = ×

1 (2)dV Nt

DFÞ = ×

DONt t<

( ) ( )0 (3)

(4)

t

t t

DF = F -F

D =

( ) ( )1

0 (5)d

tV N

t

F -FÞ = ×

(6) 01

tN

Vt d ONtt 0

Convertidor Flyback


Intervalo 2 (off): El convertidor Flyback: Formas de onda

Considerando un instante

Reemplazando (8) y (9) en (2):

De (10) se obtiene:

Además se cumple la relación:

Y como v2=-v0, reemplazando (12) en (11)

( )ON

ˆ (8)

- (9)

t

t t t

DF = F -F

D =

( )( )1 1

ˆ (10)

ON

tv N

t t

F -F=

-

( ) ( )1

1

ˆ (11)ON

vt t t

NF = F+ -

1 1

2 2

(12)v N

v N=

( ) ( )0

2

ˆ (13)ON

Vt t t

NF = F - -

OFFONSON ttTtt

OFFONSON ttTtt

Convertidor Flyback


Intervalo 2 (off) continuación: El convertidor Flyback: Formas de onda

El valor de se obtiene de (6) evaluando t=ton

Además, en est. estacionario se cumple que:

Reemplazando (15) en (14) se obtiene:

Finalmente, despejando se logra:

Si se define el ciclo de trabajo Dp=ton/Ts

F̂

( ) ( ) ( )0S

1 2

0 T (14)dS ON ON

V VT t t

N NF = F + × - -

( ) ( )0 (15)STF = F

( )0

1 2

(16)dON S ON

V Vt T t

N N× = -

0 2

1

(17)ON

d S ON

V tN

V N T t= ×

-

20

1

(18)1

pd

p

DNV V

N D

æ ö= × ç ÷ç ÷-è ø

Convertidor Flyback


El convertidor Flyback: Formas de onda

Convertidor Flyback


Control de la fuente flyback Control PWM del ciclo de trabajo

Fuentes de baja tensión (Cargador de celulares, PDA, reproductores mp3)

Fuentes para televisores y monitores CRT.

Fuentes para lámparas de Xenon, flash, láser, etc.

Drivers para semiconductores de potencia.

Fuentes económicas de múltiples salidas (fuentes de PC 300W).

AplicacionesSi hay aislación en el circuito de potencia, debe haber aislamiento en la realimentación o control.

Convertidor Flyback


Una fuente de conmutación Flyback real:

Convertidor Flyback


El convertidor Forward ideal:

Convertidor forward ideal

Intervalo 1 (on):

D1 conduce y D2 se bloquea

Por lo tanto la corriente iL crece

ONtt 0

01

2 VVN

Nv dL

Intervalo 2 (off):

D1 se bloquea y la corriente iL sigue

circulando por D2

Por lo tanto la corriente iL decrece

SON Ttt

0VvL

Dado que , al integrar entre 0 y Ts se cumple dt

diLv L

L

SSL

L

T

L

Ti

i

L dtvL

di00

1

01

0 001

2

ONSONdLSL tTVtVV

N

N

LiTi

Convertidor Forward


El convertidor Forward ideal:

Convertidor forward ideal

Considerando que

Despejando:

Como ton/Ts = Dp:

0 SLL Tii

0 001

2ONSONd tTVtVV

N

N

S

ON

d T

t

N

N

V

V

1

20

0 2

1p

d

V ND

V N=

Por lo tanto controlando el ciclo de trabajo Dp se puede controlar la tensión de salida.

Esto se implementa simplemente mediante una PWM.

En este caso ideal no se está considerando la corriente de magnetización del trafo real.

Lo anterior hace que el sistema no opere apropiadamente.

Es necesario agregar un devanado adicional para desmagnetizar.

Convertidor Forward


El convertidor Forward real Se agrega devanado de desmagnetización:

Circuito básico

Circuito con modelo de transformador más completo

Considerando ahora la rama de magnetización:

Convertidor Forward


El convertidor Forward real Principio de operación:

Circuito con modelo de transformador más completo

Durante:ONtt 0

mONON tttt

dVv 1

Durante:

v1 = -N1

N3

Vd

El trafo se desmagnetiza a través de D3

Convertidor Forward


Control del convertidor forward Control de corriente por histéresis:

Principio de operación: Si hay aislación en el circuito de potencia, debe haber aislamiento en la realimentación o control.

Control Forward


El convertidor Forward: fuente comercial

Aislación óptica mediante optocoplador

Convertidor Forward


Fuente de conmutación Push-Pull

Intervalo 1, T1 (T2) on:

D1 (D2) conduce y D2 (D1) se bloquea

Por lo tanto la corriente iL crece.

ONtt 0

01

2 VVN

Nv dL

Intervalo 2 (ambos transistores off):

voi es nulo, ambos diodos conducen la mitad de iL

Calculando la integral entre 0 y Ts/2

T1 y T2 se emplean alternadamente cada uno durante Ts/2

ONON ttt

LDDL iiiVv 21

210 ,

DN

N

V

V

d 1

20 2

Convertidor Push-Pull


Fuente de conmutación Push-Pull Aplicación: - circuitos para accionar semiconductores de potencia (Drivers)

- Adquisición y procesamiento de datos

- Instrumentación industrial

Convertidor Push-Pull


Fuente de conmutación semipuente

Intervalo 1, T1 (T2) on:



ONtt 0

2 0

1

2 VV

N

Nv d

L




T1 y T2 se emplean alternadamente cada uno durante Ts/2

ONON ttt

LDDL iiiVv 21

210 ,

DN

N

V

V

d 1

20

Convertidor Semipuente


Fuente de conmutación puente

Intervalo 1, T1 y T2 (T3 y T4) on:



ONtt 0

01

2 VVN

Nv dL




(T1 , T2) y (T3, T4) se emplean alternada-

mente cada un par durante Ts/2

ONON ttt

LDDL iiiVv 21

210 ,

DN

N

V

V

d 1

20 2

PuentePuenteS

N

N

N

N

1

2

1

2 2

Convertidor Puente


Control del Push-Pull, semipuente y puente

Lógica de control:

Control Fuente Conmutada


Comparación fuente switching / fuente lineal

Fuentes de un mismo fabricante

Fuente Lineal F5-25 Switching SPL130-1005

Voltaje y corriente de salida 5[V], 25[A] 5[V], 26[A]

Peso 7,7[Kg] 1[Kg]

Densidad de potencia 0.2 0.5 W/in3 2 10 W/in3

Pérdidas 75[Watts] < 5[Watts]

Eficiencia 40%–55% 60%–95%

Rango voltaje entrada ±10% ±20%

Tipos de fuentes conmutadas

Electrónica Industrial/Convertidores DC-DC

58

ELECTRONICA INDUSTRIAL Capítulo 4: Convertidores...

Documents

Transcript of ELECTRONICA INDUSTRIAL Capítulo 4: Convertidores...