Mc f-005

Conversión CC/CC

Tema 5

Tema 5. Conversión CC‐CC http://gsep.uc3m.es

SITUACIÓN DENTRO DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA

CONVERTIDORES
CC/CC

RECTIFICADORES INVERSORES

REGULADORES
DE ALTERNA


FUENTES DE ALIMENTACIÓN

PARÁMETROS TÍPICOS:
Regulación de carga Vo

Δ Vo ΔVo
Vo
Io
Regulación de línea Vo

Δ Vo ΔVo
Vo
Vin

Regulación de cruce en convertidores multisalida: Cómo varía la tensión
de salida cuando se modifica el nivel de carga de otra salida diferente

Rizado


FUENTES DE ALIMENTACIÓN LINEAL

Regulador

+

Carga
Red
-

Transformador Rectificador Filtro
-

+ Vref

R LINEALES:
E E
Ventajas: Inconvenientes:
VO RL
Robustas Pesadas
Diseño Simple
l Voluminosas
l

Circuito Equivalente Pocos componentes Bajo Rendimiento
Mejor Fiabilidad Evacuación de calor
Carga Mínima=0
C Mí i 0

Ámbito de Utilización: Potencias pequeñas y tensiones de entrada y salida muy próximas



Ejemplos:
1. Las primeras fuentes utilizaban un Zener.
I
R
R
Trafo + 10v -
15v i
Red + 15v 5v RL RL 5v ΔV
rectificador
V
PS V ·i V ΔI
η= = o = o
Pe Ve ·i Ve

2. Mejorando el circuito
2 M j d l i it
Iz +
15v R VBE
IB≈0
RL
+

Vz
-
- -

Inconveniente del circuito:
Vz afectada por la entrada, no por la salida.
Si se varía la entrada, varía la polarización del Zener y por lo tanto la salida.



3.
3 Nos aproximamos al regulador
Vs

R1

+ Vref ⎡
RL V ref = V s R2 R1 ⎤
- Vs = V 1+ ⎥
⎢
ref ⎢ ⎥
15v R2 R1 + R 2 ⎢
⎣ R2⎥⎦

Vref

• Ventajas
Conseguimos mas libertad ya que con cualquier Vref puedo conseguir otra Vs, puesto que depende de
otros parámetros.
La mayor parte de la corriente de entrada circula por el transistor de potencia.
Por el A.O. Circula la IB del transistor.



4. Regulador

78XX

RL Vs
VR

Vs es fija en función del integrado que pongamos.
Si utilizamos un integrado de una familia di ti t a l 78XX t d
tili i t d d f ili distinta la 78XX, tendremos que emplear resistencias externas
l i t i t
para fijar la Vs.
•Ejemplo

LM317
+
I R1
1,25v
VR RL Vs
-

IR2 R2 IR1



Con este tipo de fuentes podemos conseguir un “Cargador de Baterías”.
• Cargador de Baterías

R’

LM317
R

Ve 1,5v

- Para que la carga de las baterías sea correctas necesitamos los siguientes datos. Ejemplo:

100mA 300mA
Datos 7h ó 2h


FUENTES DE ALIMENTACIÓN CONMUTADAS.

VENTAJAS E INCONVENIENTES REGULADORES LINEALES.
Regulador

+ R

Red Carga
VO RL
-

Transformador Rectificador Filtro
-
Circuito Equivalente

+ Vref
Ventajas: Inconvenientes: Ie Io
Vin Vout
Robustas. Elementos puramente +
Diseño Simple. disipativos.
Vo Ro
Pocos componentes. Voluminosas. Ve
-
Mejor Fiabilidad. Alto coste.
Carga Mínima=0. Pesadas. Io ≈ Ie Po ≠ Pe

Útiles para bajas potencias. Bajo Rendimiento. Vo·Io Vo
η= ≈
Ve·Ie Ve
Ámbito de Utilización: Potencias pequeñas y tensiones de entrada y salida muy próximas
El rendimiento depende del cociente entre tensiones.
La potencia está limitada.
NECESARIO REGULADOR DE RENDIMIENTO MÁS ELEVADO Y QUE PUEDA
APLICARSE A UN RANGO DE POTENCIA MAYOR.


FUENTES DE ALIMENTACIÓN CONMUTADA

• CLASIFICACIÓN DE LAS FUENTES CONMUTADAS
En f
E función de:
ió d
1. Del número de transistores
2. De la presencia del transformador
3. De la forma de gobierno del interruptor
V F variable
• fs=cte. PWM
• fs variable.
fs=variable Ton fijo.
fijo Ton fijo vario Toff
Toff fijo vario Ton
Toff fijo. Ton Toff t
T
d= Ton
Lo más utilizado es Ton fijo
T

4. Forma de onda.
• Onda cuadrada PWM
•Q
Quasiresonantes ZCS
i t
• Multiresonantes ZVS
• Resonanres
5. Otros


FUENTES DE ALIMENTACIÓN CONMUTADA

• TOPOLOGÍAS MÁS USUALES DE FAC

Sin transformador: Con transformador:
• Buck. • Forward.
• Boost. * Bobina desmagnetizada.
* RCD.
• Buck-Boost.
* Enclavamiento activo.
• Cuk.
• Flyback.
• Sepic.
* Con un solo transformador.
* Balanceo.
*B l
Balanceo con enclavamiento activo.
l

• Push-pull.

• Half Brigde.
• Full Brigde.


CONVERTIDOR REDUCTOR.

OPERACIÓN EN MODO DE CONDUCCIÓN I0
IS
CONTINUO (MCC).
0
S t
is vL
+ - VDS Vin+VF
vgs + ton
ve vo
0
iD - t
T Vin
S cerrado: Ton
is vF + vL - iL
vDiodo
+ - 0
+ TRANSFERENCIA
t
ve DIRECTA DE iDiodo I0
vo
ENERGÍA.
- 0
t
S abierto: Toff VL Vin - V0
vL t
+ - 0
- V0
+
LIBRE
vo CIRCULACIÓN IL I0 ΔI
iD -
0 t


CONDICIONES DE RÉGIMEN PERMANENTE (I).
+ vL - iC

Elementos que almacenan energía:

Pe vE
Convertidor conmutado Po Bobina: La tensión media en la bobina es nula. vL = 0
en régimen permanente
Condensador: La corriente media en el condensador es nula
nula. iC = 0

Régimen permanente: vL = 0 i C = cte Régimen transitorio:
IL IL
I1 = I2
I1 I2
0 t 0 t
La corriente en la bobina empieza
VL
y termina en el mismo punto.
0
A A≠B
B t
VL
0
A vL = 0 A=B
IL crece
B t
Áreas iguales:
“IGUALDAD VOLTIOS POR SEGUNDO”



CONDICIONES DE RÉGIMEN PERMANENTE (III).
Bobina
Régimen permanente: v L = 0 i L = cte Régimen transitorio:
iL iL
I1 = I2
I1 I2
0 t 0 t
La corriente en la bobina empieza
vL
y termina en el mismo punto.
0
A A≠B
vL B t
0
A vL = 0 A=B
B t IL crece
Áreas iguales:
“IGUALDAD VOLTIOS POR SEGUNDO”

Condensador
vC

• Si A ≠ B vC crece o decrece Régimen t
Ré i transitorio.
it i
0 t
• Si A = B iC = 0 v C = cte
ic
A
0 B t


CONVERTIDOR REDUCTOR

CONDICIONES DE RÉGIMEN PERMANENTE (IV).

Potencia de entrada = Potencia de salida
salida.
IO
+
Convertidor CC-CC
Pe Regulado VO Po
η=1 -

• Convertidores conmutados NO DISIPATIVOS. PE = PO

La tensión y la corriente de salida están cambiando,
• Si PE ≠ PO
ya que internamente la potencia ni se almacena ni se consume.

Resumen condiciones de régimen permanente.

vL = 0
iC = 0
PE = PO



FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA (I).

Igualdad voltios por segundo. vL = 0
S
is vL IO
+ - VE - VO
vL
vgs iC +
A ( VE − VO ) ⋅ D = (1 − D ) ⋅ VO
ve vo 0

iD -
B
VO VO = VE ⋅ D
D·T (1-D)· T

T

VO La corriente media en la
iC = 0 iL = I O = bobina es igual a la
IO corriente en la carga

IL iL

0 t
IC
A
0 B t



FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA (II).
Balance de potencias.

PE = VE ⋅ iS VO
PE = PO VE ⋅ iS = VO ⋅ I O iS = I O ⋅ iS = I O ⋅ D
VE
PO = VO ⋅ I O

SISTEMA EQUIVALENTE AL CONVERTIDOR REDUCTOR
iS = I E IO
IE IO
1:D
Pe vE CC-CC Po

vE vO

VO = VE ⋅ D
1
IO = IE ⋅ Transformador ideal de C.C.
D
iS = I E



OPERACIÓN EN MODO DE CONDUCCIÓN IS ΔI
DISCONTINUO (MCD). I0
S vL
0
is + - VDS t
+ Vin
vgs ton
Vin-V0
ve vo
t
iD - 0
T Ve - V0
S cerrado: Ton VL
is vF
+ - + vL - iL
0
+ TRANSFERENCIA
t
DIRECTA DE - V0
ve vo
ENERGÍA.
IL ΔI
- I0
0 t
S abierto: Toff
vL VDiodo
+ - Ve-VDS
+ + V
vo vo 0 0
t
iD - - IDiodo ΔI
I0
LIBRE CIRCULACIÓN TIEMPO MUERTO 0 t


FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA (I).

Condiciones de régimen permanente:
Ve - V0
VL vL = 0 ( Ve − VO ) ⋅ d = VO ⋅ d ′ (1)
0
t VO
- V0 iC = 0 iL = I O = (2)
IL ΔI IO
I0 t
0 PE = PO VE ⋅ iS = VO ⋅ I O (3)

Desarrollando las condiciones de régimen permanente:
2
1 VO
(1) Y (2) ⋅ I pk ⋅ d ⋅ Ve =
2 RO RO ⋅T 2
⋅ d ⋅ ( VO − Ve ) ⋅ Ve = VO
2
(4)
1 2
VO 2⋅L
(3) ⋅ I pk ⋅ d ⋅ Ve =
2 RO 1
Parámetro adimensional de carga.
K



FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA (II).

Parámetro di
P á t adimensional d carga:
i l de
Inductancia.
2⋅L
K=
RO ⋅T 1
T=
fc Frecuencia de conmutación.
Carga.

Mucha influencia en el modo de conducción.
Adimensional permite sacar conclusiones:
• Para m chos con ertidores
muchos convertidores.
• Independientes de la potencia que manejen, la inductancia concreta y la frecuencia de conmutación.
Tiene la misma expresión para:
• Reductor
Reductor.
• Elevador.
•Reductor-Elevador.
•Y sus derivados.
Y



CONDICIONES DE LA FRONTERA MCC-MCD (I)

IL MCC

I0 ΔIL
1
MCC ⋅ ΔI L < iL = I O (1)
0 t 2
FRONTERA MCC-MCD
IL 1
IO FRONTERA ⋅ ΔI L = I O
0 t 2

1
MCD MCD ⋅ ΔI L > I O
IL
ΔIL 2
I0 t
0



¿ POR QUÉ SE PRODUCE EL MCD ? (I)
En condiciones fijas de: VIN y VO nos acercamos a MCD cuando IL se acerca a cero, lo que ocurre si:

A) Bajamos el valor de la bobina (aumentan las pendientes y, por tanto el rizado ΔI )

ΔI VL V0
IL 2⋅I0
= ΔI = 2 I 0 = (1 - D) T
Δt L L crítica
I0
(1 - D) V0
L crítica =
2 I0 fs
t

B) Bajamos el valor de la frecuencia (aumentan los intervalos en los que la corriente está subiendo
o bajando)
IL
2⋅I0 V0
ΔI = 2 I 0 = (1 - D) Tc
I0 L

(1 - D) V0
T1 t f crítica =
T2 2 L I0
Tc = 1 / fcrítica



¿ POR QUÉ SE PRODUCE EL MCD ? (II)

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

IL Vin - V0
V0
L -
L
I0

I0
I0,crítica
Caso crítico
t

V0
ΔI = 2 I 0, crítica = (1 - D) T
L
V0 2 L fs
R crítica = =
I 0, crítica (1 - D)



CÁLCULO DEL CONDENSADOR DE SALIDA.

Absorbe energía el C.
Cede energía el C. En el condensador, la carga se relaciona según:
condensador
iL

IO=iL ΔI Q = C⋅V

Q = ∫ i ( t ) ⋅ dt
Carga C Descarga C

1 T ΔI
Q = i⋅t = ⋅ ⋅
ΔVpp
2 2 2
ΔI
Δv =
Resistencia Serie Equivalente (ESR). 8⋅C⋅f

ESR Influye sobre el rizado de salida.
ESR
RO
C
Δ VO = Δ I L ⋅ ESR


CONVERTIDOR ELEVADOR

MODO DE CONDUCCIÓN CONTINUO (MCC). vgs
D·T (1-D)·T

iL
T
+ v - + iD iC +
L t
vL
vgs Ve
S vo
ve
iS TON TOFF
i0 -
- t
Ve-V0
iL

S cerrado: TON
iL t
vS
+ v - + iC + V0
L

vgs vo
ve t
iS iS
i0 -
-

S abierto: TOFF t
vD
v0
+ v - iD iC +
L
t
ve vo iD
i0 -

t


FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA.
Igualdad voltios por segundo. vL = 0
vL
Ve
Ve ⋅ D = (V0 − Ve )·(1 − D )
A
B 1 1
Ve-V0 t V0 = Ve ⋅ ⇒M=
D·T (1-D)·T
1−D 1−D

iC = 0 iD = I0 iL
iL NOTA: el cálculo del valor medio de la corriente por el
diodo es equivalente a calcular el de:
iD I0
t iL
iD
iC iL
iD (1-D) D

t iD = iL ·(1 − D ) = I0

1
Pe = P0 Ve ·iL = V0 ·I0 iL = ·I0
1−D



DISEÑO DE C Y RIZADO DE V0 : V0

vgs
D·T
DT
iO IO

t iC
iD

A iO=IO
B
t
iC iC = iD − IO
iC = iD − iD
A iC = 0 IO = iC
B
t
vO(AC)
t
1 1 2 1
Δv O = ⋅ Δ Q = ∫ iC ( t ) ⋅ dt = ⋅ IO ⋅ D ⋅ T
ΔVO C C t1 C

1
Δv O = ⋅ IO ⋅ D ⋅ T
C


OPERACIÓN EN MODO DE CONDUCCIÓN vgs
DISCONTINUO (MCD).
iL T
+ vL - + + vD - IO + D·T D1·T t
vL
vs vo VE
ve S
iS
iC -
- t
VE-V0
S cerrado: TON
d iL
iL Ipk
+ vL - I +
t
O
vo vS
ve V0
i VE
i -
S
C
t
S abierto: TOFF iS

+ vL - iD IO + IO +
t
vo vo vD
ve v0 v0
iC VO-VE
V
- -
t
iD

Ipk

TRANSFERENCIA DIRECTA DE ENERGIA TIEMPO MUERTO t

TOPOLOGÍA ELEVADORA (Boost)

MODO DE CONDUCCIÓN DISCONTINUO.
IL ID I0 vA TON TOFF TON TOFF V0+VD
+ L + Vsat
D1 IC
IS
RL t
Ve
C0 V0 vL
Ve

- - t
Ve-V0
iL
Sustituyendo (5) en (4): t
V02 iS
Pe = Ps ⇒ Ve ·ie = (1) Ip
R
⎛ TON + t ' ⎞ Ve ·TON ⎛
2
⎜ V(6) ⎞⎟
1 ie = ⋅⎜
⎜1 + e ⎟
ie = i L = ⋅ i p ⋅ ⎜
⎜ T ⎟
⎟ (2) 2·L ·T ⎜ Ve − V0 ⎟
⎟
t
2 ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ iD
V
i p = e ⋅ TON (3) Sustituyendo (6) en (1) y operando:
L t
1 Ve ⎛ TON + t ' ⎞ d2 iC
Ip
ie = ⋅ ⋅ TON ⋅ ⎜⎜ T ⎟
⎟ (4) 1 ± 1 + 4·
2 L ⎝ ⎠ V0 K t
=
Ve 2 v0
t’
(∆V0)pp
Balance Voltios x Segundo. Usaremos signo positivo
(V0)dc
(5)
Ve porque se trata de un
Ve ·TON = (Ve − V0 )·t ' ⇒ t ' = ·TON convertidor con topología
t
Ve − V0
elevadora.

TOPOLOGÍA REDUCTORA-ELEVADORA (Buck-Boost)

ESQUEMA Y CRITERIO DE SIGNOS.
Ie ID I0
+ S IL +
D1 IC

RL
C0 V0
Ve L

- -

TON TOFF
Ie Ie D1
S
+ D1 ID + + ID +
S
IC
IL - -
RL V0 C0 + RL V0
C0 +
Ve L Ve L
I0 IL I0
- - - -

Carga de L. Descarga de L.
Descarga de C
C. Carga de C.



MODO DE CONDUCCIÓN CONTINUO. vL Ve
Ie ID I0
+ S I +
D1 IC -V0
L t
C0 RL
Ve L V0 iL iLmax iLmed

- -
t
iD ID=I0
Cálculo corriente máxima en la bobina.
ID = I0 ⇒ IL d ·TOFF = I0 ·T
Lmed

I0 ·T I t
iC
ILmed = = 0
TOFF 1 − d I0 1 V
IL max = + · 0 ·TOFF IC=0
Δ IL 1− d 2 L
IL max = ILmed + t
2
V0
Δ IL = ·TOFF
L NOTA: se comprueba que el valor del ciclo de trabajo
p q j
Balance Voltios x Segundo. determina el funcionamiento del convertidor.

Ve ·TON = V0 ·TOFF d=0.5 d=0.7 d=0.2
V0 0 .5 V0 0 .7 V0 0 .2
= =1 = = 2 .33 = = 0 .25
Ve 1 − 0 .5 Ve 1 − 0 .7 Ve 1 − 0 .2
V0 d
= V0 = Ve V0 = 2 .33·Ve ⇒ V0 > Ve V0 = 0 .25 ·Ve ⇒ V0 < Ve
Ve 1 − d


MODO DE CONDUCCIÓN DISCONTINUO.

Ie ID I0
vL Ve
+ S I +
D1 IC
L

RL -V0 t
C0 V0
Ve L
iL
iLmax
- -

t
iD
iLmax

t
2 iC
V V 2 2
1 T Ve
Pe = Ps ⇒ Ve ·i e = 0 0
= Ve · · 0N
·
R R 2 T L
1 T
I e = · ON ·I max 1 T V
t
2 T I e = · ON · e ·TON
Ve 2 T L V0 d
I max = ·TON =
L Ve K



FRONTERA MODO DE CONDUCCIÓN CONTINUO Y DISCONTINUO.

MCC
V0 d
=
Ve 1 − d d d K > Kcrit → MCC
⇒ K crit = (1 − d )
2
= K = Kcrit → Frontera MCC-MCD
MCC MCD
V0 d 1− d K
MCD = K < Kcrit → MCD
Ve K

CÁLCULO DEL CONDENSADOR.

Δ Q = ∫ i C ( t )·dt = I 0 ·TON I 0 ·TON A partir de las especificaciones del rizado se determina la
Δ Vpp = capacidad necesaria.
Δ Q = C·Δ Vpp C


TOPOLOGÍA FLYBACK

FUNCIONAMIENTO GENERAL TOPOLOGÍA FLYBACK (I)
1:n
-
ie + CONVERTIDOR REDUCTOR-ELEVADOR
C RL
+
Ve - AISLAMIENTO GALVÁNICO

s
-
ie + +
C RL
+ -
Ve -
TON:
Primario Se aplica Ve s
Secundario 4Diodo no permite circular
ie
corriente en este sentido.
iLm
4C suministra toda la corriente a la -
+ +
carga.
carga Lm C RL
- + -
Ve

s
I e = I Lm


TOPOLOGÍA FLYBACK

OPERACIÓN EN MODO DE CONDUCCIÓN Vdisp
CONTINUO (MCC).
1:n t
- VLm
ie +
C RL
+ t
Ve -
iLm=0
s

t
ie

Balance Voltios x Segundo
t
iD
V0 V0 d
V e ⋅ ton = ⋅ toff = n⋅
n Ve 1− d
t

iC
n=1 Función de transferencia de un IC = ID − IO
Reductor-Elevador, pero sin invertir
la salida. t


TOPOLOGÍA FLYBACK

OPERACIÓN EN MODO DE CONDUCCIÓN Vdisp
DISCONTINUO (MCD).
t
1:n iLm
-
ie +
C RL
+ t

Ve - iLm=0 Ve

s
t
VO/n
ie

Balance de Potencia
t
2 iD
V0
P0 = Pe = V e ⋅ Ie
R

1 ton V0 d t
Ie = ⋅ ⋅ Δi =
2 T 1 ton V e
Ve K iC
Ie = ⋅ ⋅ ⋅ ton IC = ID − IO
Ve 2 T L
Δi = ⋅ ton
L t


TOPOLOGÍA FLYBACK

LÍMITE ENTRE MCC Y MCD (KCRÍTICA)

VO d VO d
MCC = n⋅ MCD =
Ve 1− d Ve K

2
d d ⎛1− d ⎞
n⋅ = K crítica =⎜ ⎟
1− d K ⎝ n ⎠

Determinar modo de
conducción

Analizar la única bobina del circuito:
Inductancia magnetizante (Lm)


CONVERTIDOR FORWARD

FUNCIONAMIENTO GENERAL TOPOLOGÍA FORWARD (I)
D2 L
1:n
+ + CONVERTIDOR REDUCTOR
VDm
C RL
Lm D3
- - AISLAMIENTO GALVÁNICO
Ve

D1
s

TON: TOFF:
n·Ve L VO D2
ie
1:n 1:n
iLm + +
VDm VDm iLm
C i C RL
Ve RL
Lm Lm D3 L
- D3
- Ve
Ve
V

D1
D1 Corriente de la
Secundario permite
s s magnetizante busca
circulación de corriente.
camino alternativo
alternativo.


CONVERTIDOR FORWARD

OPERACIÓN EN MODO DE CONDUCCIÓN CONTINUO (MCC).
D2 L
1:n
+ + Vdisp
VDm
C RL
Lm D3
- -
Ve t
iLm

D1
s t

iL
Balance Voltios x Segundo
Lm t
vLm Ve
VDm d
Ve ⋅ t ON = VDm ⋅ t OFF =
Ve 1− d
VDm t
Para poder desmagnetizar el trafo se debe cumplir:
vL nV
n·Ve-VS
Ve ⋅ t ON ≤ VDm ⋅ t OFF
L
VS t
VO
(n ⋅ Ve − V ) ⋅ t ON = VO ⋅ t OFF = n⋅d
O
Ve

CONVERTIDOR FORWARD

TOPOLOGÍAS FORWARD SEGÚN EL TIPO DE FUENTE DESMAGNETIZANTE.
Forward RCD. L
D2
1:n
1 RD Disipa energía extra que llega a CD

Lm RL CD Almacena energía hasta que su
C
CD RD tensión llega a cumplir:
D3
2
Ve
V v CD
PR =
RD
D1
Energía desmagnetización disipada
s

Forward clásico.
nD D2 L
1:n
TOFF Corriente desmagnetizante reflejada por el
secundario. v
Lm C RL VD = e

D3 nD
Ve Nº vueltas secundario
desmagnetizador.
D1 nP=nD d≤50%
s
Energía desmagnetización devuelta a la fuente.


TROCEADORES (Choppers)

Ámbito de utilización: control de motores de CC.
aPotencias más grandes ⇒ Interruptores más grandes.
Generalmente tiristores con apagado forzado.
p g

Aplicación típica de los choppers.
Vdisp
A B

Ve M t
VM ve
VM
VM = Ve ⋅ d
t

T1
R A B
A B
C T2
M
L A B

D L
E


Mc f-005

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

La actualidad más candente

La actualidad más candente (20)

Similar a Mc f-005

Similar a Mc f-005 (20)

Más de MIGUELMUN

Más de MIGUELMUN (6)

Último

Último (20)

Mc f-005