Presentación de PowerPoint - informacionclasesiupsm

Objetivos

- Estudio de las topologías de convertidores DC/DC- DC/AC mas utilizadas

- Topologías típicas

- Selección de dispositivos

- Aplicaciones convertidores DC/DC - DC/AC

Ing. Joel Figueroa http://informacionclasesiupsm.webnode.com.ve/

TOPOLOGIAS MAS USUALES

Convertidores DC/DC Convertidores DC/AC

- BUCK (REDUCTORA) - FORWARD (Bobina desmagnetizada, RCD, Enclavamiento activo)

- BOOST (AMPLIFICADORA) - HALF BRIGDE

- BUCK-BOOST - FULL BRIGDE

- CUK - PUSH-PULL

- SEPIC

- ZETA

- FLYBACK


UO

Ue CC/CC

UOU

e

Continua sin regular Continua regulada

Entrada Salida

12V

UE

US=5V

1A 1A7V

5

WPE 12112

WPS 515

42.012

5

E

S

P

P

Regulador Disipativo DC/DC

Ue

UO

U

Ue

U

UO

ton

toff

T

UOdc

ont

onODC

T

tUUdt

TU

0

1%100

Regulador Conmutado DC/DC

T

tD on

Ciclo de Trabajo



iL(t)

VL(t)

t1 T+t

1

T+t1

t1

VC

VC

IC

)()( 11 tTiti dt

tdiLtU L

)()(

1

1

1

1

0)(

)(

tT

t

tT

t

L dtL

tUtdiL

)()( 11 tTUtU CC dt

tdUCti C

C

)()(

1

1

1

1

0)(1

)(

tT

t

C

tT

t

C dttiC

tdU

Valor medio de la tensiónen una bobina

Valor medio de la corrienteen un condensador



Estudio de convertidores DC/DC:

- Los semiconductores son ideales, no hay caídas de tensión.

- Los elementos magnéticos son ideales, no existen perdidas en los mismos

- El rizado de la tensión de salida es despreciable.


Convertidor Reductor “Buck”

US

CO

D

Q

LO

iL(t)

UE

is(t)ie(t)

UL(t)

iD(t)

Convertidor DC/DC cuya tensión de salida es siempre inferior a la de entrada

UOCD

Q

L

iL(t)

UE

iO(t)iE(t)UL(t)

iD(t)

iE(t)

UOCD

Q

L

iL(t)

UE

iO(t)

UL(t)

iD(t)

Intervalo 0 < t < DT

Intervalo DT < t < (1-DT)

Trabajando en MCC (modo de conducción continuo)

El convertidor se diseña como sigue:

- Se elige el valor de D que viene impuesto por la

tensión de salida

- La inductancia se diseña para que este en MCC

en todo el régimen de trabajo.

- El valor del condensador se elige en función del

rizado de tensión máximo permitido sobre la carga


USCD

Q

L

iL(t)

UE

iO(t)iE(t)UL(t)

iD(t)

iE(t)

USCD

Q

L

iL(t)

UE

iO(t)

UL(t)

iD(t)

iL(t)

iE(t)

Vcontrol

ON OFF

T

iL(0)

iL(t)

iD(t)

UL(t)

UE-UO

-UO

DT 1-DT

iLmax(t)

iLmin(t)iL(T)



Intervalo DT < t < (1-D)T


S

L

S DTI

UUeL

Valor de la inductancia

- Se eligen en función del rizado de corriente por la bobina.

- Un parámetro de diseño puede ser que el rizado sea del 30% del valor de la Imed

por la carga.

- Que esté en MCC (Modo de conducción continua), en todo el régimen de carga.


Valor medio de la tensión de en la bobina nula a ciclo de trabajo

i1(t)

tL

UU SE

LI

DT (1-D)T

ES

SSE

DT T

DT

SSEL

DUU

DTUDTUUdtUT

dtUUT

V

0)1(11

0



2

)()0( DTiiI LL

Lmed

Valor medio de la corriente por la carga

OmedLL IDTitI 3.0)()(

Criterio de diseño: el rizado de corriente 30% del IOMED

L

S

OmedR

UI

L

SOmed

SEL

R

UIDT

L

UUtI 3.03.0)(

DT

I

UUL

L

SE

Criterio de diseño: que este en MCC todo el régimen de carga

iLmax(t) imediL(t)

2

maxiimed LIi max S

SL DT

L

UUeI

S

med

S DTI

UUeL

2

L

Smed

R

Ui

SL

S

S DTRU

UUeL

2

L

S

SE DTRU

UUL

3.0


2

1

22

1 LC

IT

CC

QU

C

L

U

TIC

8

Elección del condensador de Filtro:

Incremento de carga en el condensador

CUQ C

Siendo:

DTL

UUI SE

L

2

T

2

LI

UL

IL

UC

CV

Ue - U

S

- US



Convertidor Elevador “Boost”



Convertidor DC/DC cuya tensión de salida es siempresuperior a la de entrada

UE

iE(t) iO(t)

USQ

D

C

UE

iE(t) iO(t)

USQ

D

CiE(t)

UE

iE(t) iO(t)

US

Q

D

CiE(t)





UE

iE(t) iO(t)

USQ

D

CiE(t)

UE

iE(t) iO(t)

US

Q

D

CiE(t)

i L (t)

iE (t)

Vcontrol

ON OFF

T

i L (0)

iL (t)

iO (t)

UL(t)

UE

-UO

DT 1- DT

i Lmax (t)

iLmin(t)

i L ( t)

UE


0)1)(( DUUDU SEE

D

UU E

S

1

Valor medio de la tensión en la bobina nula a ciclo de trabajo

iD(t)

(1-D)Tt

iLmax

DTL

UI E

L maxSmed

L IDI

)1(2

max

L

SL

R

UD

I )1(

2

max

L

SE

R

UDDT

L

U )1(

2

El valor mínimo de la inductancia viene dado para:

TU

DDRUL

S

LE

2

)1(


Valor de la inductancia

- Se eligen en función del rizado de corriente por la bobina.

- Que esté en MCC (Modo de conducción continua), en todo el régimen de carga. El limite de MCC y MCD se cumple para el Idmed < ISmed


C

DTI

C

QU Smed

C

DTIQ Smed

Elección del condensador de Filtro:Incremento de carga en el condensador

CUQ C


-∆Q

∆Q

∆US

∆US

US

ICmed

ISmed

L

SC

CR

DTU

C

QU

LC

S

C RU

DTU

U

QC

El valor del condensador se puede calcular como:


Convertidor Elevador - Reductor “Buck - Boost”

UE

iE(t)

iS(t)

US

iL(t)

D

CL

Q

UE

iE(t)

iS(t)

US

iL(t)

D

CL

Q

iE(t)

UE

iE(t)

iS(t)

US

iL(t)

D

CL

Q

iE(t)



Convertidor DC/DC cuya tensión de salida puede ser inferior o superior a la de salida

La tensión de salida esta invertida con la entrada.


UE

iE(t)

iS(t)

US

iL(t)

D

CL

Q

iE(t)

UE

iE(t)

iS(t)

US

iL(t)

D

CL

Q

iE(t)



Intervalo DT < t < (1-DT)iL (t)

iE (t)

Vcontrol

ON OFF

T

iL (0)

iL (t)

iO (t)

UL (t)

UE

-US

DT 1- DT

iL (T)

i Lmax(t)

i Lmax(t)

iLmin(t)

iLmin(t)


Valor medio de la tensión en la bobina nula ciclo de trabajo


0)1( TDUDTU SE D

DUU ES

1

Valor de la inductancia y el condensador de filtro se calculan como sigue:

El valor mínimo de la inductancia viene dado para: estar en MCCT

U

DDRUL

S

LE

2

)1( T

DRL L

2

)1(2

SmedL ID

I )1(

2

maxEl criterio siempre es el mismo, que el valor medio por lacarga tiene que ser mayor o igual que la expresión del valormedio por el diodo que es la corriente de salida


-∆Q

∆Q

∆US

∆US

US

ICmed

ISmed

Para el cálculo del condensador de filtro tendremos en cuenta el incremento de carga en elextremos del condensador. Conocida la corriente de salida podremos calcular dicho valor


C

DTI

C

QU Smed

C

LC

S

C RU

DTU

U

QC

Despejando C de la expresión, obtenemos el valor del condensador a colocar


Convertidor Retroceso “flyback”

El convertidor de retroceso deriva del convertidorelevador reductor. Este convertidor presentaasilamiento entre la entrada y la salida.

La tensión de salida puede ser inferior o superior a latensión de salida.

Tiene un parámetro más de diseño que es la relaciónde transformación.

El cálculo del transformador se realiza de la mismaforma que el de una bobina.

N1 N2

UE

USC

D

Q

L1 L2

i e (t) i S (t)iD (t)i L1 (t)

R L

N1 N2

UE

U SC

D

Q

L1 L2

ie (t) i L1 (t) iD (t) i S (t)

R L

N1 N2

UE

USC

D

Q

L1 L2

i e (t) i L1 (t) iD (t) i S (t)

RL



iE (t)

Vcontrol

ON OFF

iS (t)

UL(t)

UE

DT 1- DT

2

1

N

NU S

tL

U E

1

tL

U S

2

UCE(t)SE U

N

NU

2

1

N1 N2

UE

U SC

D

Q

L1 L2

ie (t) i L1 (t) iD (t) i S (t)

R L

N1 N2

UE

USC

D

Q

L1 L2

i e (t) i L1 (t) iD (t) i S (t)

RL




El diseño comienza por elegir la relación detransformación en función de la tensión de salida unavez que se fija el ciclo de trabajo.La relación de transformación viene dada por laexpresión:

0)1(2

1 TDU

N

NDTU SE D

D

N

NUU EO

11

2

Para calcular la expresión de la inductancia L1tendremos en cuanta lo siguiente: iD(t)

(1-D)Tt

iLmax

El criterio siempre es el mismo, que el valor mediopor la carga tiene que ser mayor o igual que laexpresión del valor medio por el diodo que es lacorriente de salida, por lo que la expresión quedará:

DTL

U

N

NI

N

NI E

LL

1

max1max22

1

2

1

L

SE

R

UDDT

L

U

N

N1

2

1

2

1

1



Despejando L1 de la expresión anterior obtenemos el valor de la inductancia magnetizante delprimario.

TDDR

U

U

N

NL L

S

E 122

11


L

SC

CR

DTU

C

QU

El calculo del condensador de filtro se realiza de la misma forma que se calculo para el convertidor Buck – Boost.

-∆Q

∆Q

∆US

∆US

US

ICmed

ISmed

LC

S

C RU

DTU

U

QC

Despejando C de la expresión, obtenemos el valor del condensador a colocar


Convertidor Directo “Forward”

- Proviene del convertidor reductor

- Posee un transformador de tres devanados N1:N2 que proporcionan la transferencia de potencia hacia la salida del convertidor, y N1:N3 que facilitan la desmagnetización del transformador

- La relación N1:N2 se calcula de forma que en función de la relación de transformación del convertidor..

- La relación N1:N3 se utiliza para garantizar que el transformador se desmagnetiza en cada ciclo completo.

N1 N3 N2

UO

L

UE

Devanado desmagnetizador



0 < t <DT

N1 N3 N2

UO

L

UE

- Estudiamos el convertidor en MCC y O < t < DT

L

CN1 N3 N2

i2i1

UE

UOiL

- Circuito equivalente, tendremos en cuenta el circuito equivalente del transformador- Para el calculo de la corriente i1 hay que tener en cuenta la corriente magnetizante del transformador

N1 N2

LM1UE

IM1

i1 i`2 i2

L

VL

CUO

iL

Circuito equivalente del transformador N1:N2

211 ´)( iiti M

La corriente por elprimario es suma de lamagnetizante y lareflejada del secundarioN1:N2


La corriente por el primario es:

tL

Uiti

M

EMM

1

11 )0()(

0)0(1 Mi

)0(1

2)(́ 22 i

N

Nti

)()(´)( 121 tititi M

La corriente en la salida:

tL

UoUN

N

itiE

1

2

)0()( 22

(Magnetizante)

(Reflejada del secundario))

iM1(t)

Vcontrol

ON OFF

DT (1-D)T

i2(t)

tM1

E

L

U

tL

U-UN1

N2OE

i1(t)

UDS

i3(t)

EE UN1

N3U

EU

(1-D)T

∆tm

t1DT

i´2(t)+iM1(t)

(se hace cero cada ciclo)




Intervalo DT < t < T

N1N3

N2

L

UL

UO

UE

i3 iLUE

UL

UO

N3 N2

LM3

IM3

i1 i`2 L

CiL

- En el siguiente intervalo el transistor no conduce.- El transformador se debe desmagnetizar ya que en este ciclo no hay transferencia de potenciaprimario secundario.- La corriente por la salida se cierra a través del diodo situado en paralelo con la carga y fltro LC.

)()()(3

33 DTtL

UDTiti E

MM

La corriente magnetizante del devanado N3 será:

)0(1

3)( 31 MM i

N

Nti DT

L

UDTi

M

EM

1

1 )(

Circuito equivalente


i3(t)

(1-D)T

∆tm

t1DT


La condición de desmagnetización es que ∆tm<(1-D)T

0)( 13 tiM 0)()( 1

3

3 DTtL

UDTi E

M

tmDTt 1

TDU

LDTitm

E

MM )1()( 33 DT

L

U

N

Nti

M

EM

1

33

1)( TDL

L

DT

N

Ntm M

M

)1(3

13

1

D

D

N

N

1

1

313 NN 5.0D

Condición de diseño: Numero de espiras del primario y deldevanado desmagnetizador iguales obtenemos la condición delciclo de trabajo D

Condición de desmagnetización


La relación de transformación se obtiene a partir del valor medio de la tensión en la bobina :

0)1(1

2

TDL

UDT

L

UUN

N

OSE

DUN

NU EO

1

2

El valor de la tensión de salida es similar a la del convertidor reductor multiplicado por la

relación de transformación N1:N2


- Conocemos la relación de espiras N1:N2.

- La condición de diseño del trafo viene dado por el flujo máximo en el núcleo.

El flujo en el transformador viene dado por:

MM i

N

L

1

Φ(t)

DT

Φmaxsat max

DTL

U

N

LDTi

N

L

M

EMM

M

1

11max

1)(

1 DT

N

UE

1max



El calculo de la bobina para que este en MCC en todo el margen de potencia tendremos:

2

MAXL

II

IL (t)

DT

ILmax

ISmed

DTL

UUN

N

ISE

LMAX

1

2

S

LSE

U

DTRUUN

N

L2

1

2

min

2

T

2

LI

UL

IL

UC

CV

DTL

UUN

NSE

1

2

- US

2

1

22

1 LC

IT

CC

QU

C

L

U

TIC

8

Calculo del condensador y la bobina

CUQ C

Siendo: DTL

UUN

N

ISE

L

1

2


Convertidor en medio Puente (Half brigde)

UB/2

UB/2

UCE

U1 USUOR

C

L

D1

D4

D2

D3

ib1N1:N2

IL

T1 D1

D2

UB/2

LM

L

CRLUS

Cuando conduce el transistor aplica tensión al transformador y

los diodos del puente de salida funcionan como rectificador

0 < t < DT/2

iB1

iB2

UCE1

UCE2

US

iL

iM

U1

t1

dT/2

T/2

UBUB/2

UB/2

UB

UB/2

UO

T/2

DTL

UDTi

M

BM

22

)2/(

tL

UO

UB/2

-UB/2

tL

UU

N

NO

B 21

2

T


D1

D4

D2

D3

UB/2

UB/2

Etapa de entrada

Condensadores de tipo electrolíticoCapacidad elevada

T1

T2

LM

UB/2

RLC

L

US

Cuando los transistores no conducen la tensión

aplicada a la salida del transformador es 0 y por lo

tanto conducen todos los diodos debido a la corriente

almacenada en la bobina de salida.

Convertidor en medio Puente (Half brigde)

La tensión de salida será:

US

UB/2

UO

T/2dT/2

DU

N

NU B

O22

1

La bobina se calcula para que trabaje en MCC en todo el margen de potencia.

El cálculo del condensador se realiza como en el convertidor reductor.


Convertidor en Puente completo (Full - Brigde)

iB1

iB2

UCE1

UCE2

US

iL

iM

U1

t1

dT/2

T/2

UBUB/2

UB/2

UB

UO

T/2

DTL

U

M

B

2

tL

UO

UB

-UB

BUN

N

2

1

tL

UUN

NOB

1

2

T1 D1

D2

UB

LM

CRL

US UO

T2

T1

T2

LM

UB

RLC

L

US UO

UB

UCE

U1 USUOR

C

L

D1

D4

D2

D3

ib1 N1:N2

IL

T1

T2

T3

T4

UCE


UB

U1 USUOR

C

L

D1

D4

D2

D3

N2

IL

T1 T2UCEUCE

N1

N1

Convertidor en Push - Pull

T1 D1

D2

UB

LM

CRL

US UO

T2


Convertidor en Push - Pull

iB1

iB2

UCE1

UCE2

US

iL

iM

U1

t1

dT/2

T/2

UBUB/2

UB/2

UB

UO

T/2

DTL

U

M

B

2

tL

UO

UB

-UB

BUN

N

2

1

tL

UUN

NOB

1

2

UB

U1 USR

C

L

D1

D4

D2

D3

N2

IL

N1

N1

T1 T2

UO


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