Convertidor buck-boost Electrónica de potencia

El convertidor reductor-elevador o también conocido como buck-boost suministra un voltaje de salida que puede ser mayor o menor al de la entrada, asi mismo la polaridad del voltaje de salida es inversa a la del voltaje de entrada.

Convertidor Reductor-Elevador (Buck-Boost) Reductor: Vout < Vin Elevador: Vout > Vin ELEVADOR V in V out V1 V1 REDUCTOR V 1 = V in ·D 1 1  D1  D V out  V 1  inoutout D1  DD1  D V VV V ¿Es posible elevar y reducir con un convertidor? Posible solución: conectar un reductor y un elevador en cascada

D 1 D1 D  V out  V in La tensión de salida con este sistema es: Si D < 0.5 la tensión de salida es menor que la de entada. Si D > 0.5 la tensión de salida es mayor que la de entrada. El convertidor tiene el doble de componentes que los convertidores en los que se basa ¿Es posible obtener el mismo resultado sin aumentar el número de componentes? Inconveniente

El condensador intermedio lo podemos eliminar y unir las dos bobinas Mismo ciclo de trabajo para los dos convertidores Los dos interruptores se manejan simultáneamente Int. Cerrados Int. Abiertos V in V out V in V out L V= VV= V in V L = -V out V in V out V L ILIL T DT -V out V in M1M1 M1M1 M2M2 M2M2 M1M1 M2M2

Durante D, la bobina queda en paralelo con la entrada Durante (1-D), la bobina queda en paralelo con la salida D 1 D1 D V out  V in  V in ·D = V out (1-D) V in Por tanto, para conseguir el mismo comportamiento debemos encontrar un circuito que maneje la bobina de una forma similar: S 1 S 2 Cerrando S 1 ponemos la bobina en paralelo con la entrada Cerrando S 2 la ponemos en paralelo con la salida. Para desmagnetizar bobina debemos invertir la tensión de salida - V out + S1S2S1S2

Un transistor Un diodo Una bobina Un condensador Integración de los dos convertidores en uno sólo La tensión de salida puede ser mayor o menor que la de entrada. La tensión de salida está invertida respecto a la tensión de entrada. Convertidor Reductor-Elevador V in - V out + Es necesario invertir la tensión de salida

Relación de transformación en MCC 2 estados de funcionamiento en MCC Carga de la bobina Descarga de la bobina V in - V out + Interruptor cerrado Interruptor abierto 1 2 V out V in M1M1 M1M1 - +

Formas de onda en MCC Durante D·T Durante (1-D)·T La tensión media en la bobina debe ser nula: VLVL ILIL T DT -V out V in V in ·D = V out ·(1-D) D inout 1  D1  D V VV V La tensión de salida está invertida respecto a la de entrada V in V out V L =V in I L V in V out V L =-V out ILIL

VLVL ILIL T DT I Lp La corriente de pico es: El valor medio de la corriente I D es la corriente de salida: Por tanto: La corriente está en el límite entre MCC y MCD Dado un valor de I out, ¿Qué valor de L consigue obtener esta corriente? Límite entre MCC y MCD 1 I Lp  V in  D  T L -V out V in 1 2L 2 1 Lp _ IoutIout 1  D T1  D T  V in  D  (1  D)   i D  I I out IDID Se cumple: D 1  D1  D V out  V in  outout LIM 2  I2  I L Vout  T  1  D2L Vout  T  1  D2

Operación en MCD V L ILIL V in T DT -V out 2T2T Hay 3 estados de funcionamiento Durante D·T Durante  2 ·T Durante (1-D-  2)·T T DT I out IDID V in V out ILIL VLVL +-+- V in V out I L +-VL+-VL V in V out +-VL+-VL +-+- i L =0

Cálculo de la relación de transformación En general, cuando un convertidor se descarga pasa a operar en MCD VLVL ILIL T DT V in -V out I Lp 2  T T En MCD se cumple: La corriente de pico es: La corriente media de salida es: R L es la carga de salida L out R I  V out L Lpin I  1  V  D  T 2outLp 2 I 1 I I 1 I  T DT I out IDID Tensión media en L nula: V in  D  V out   2 2L2L RL TRL T V in D  V out

El ciclo de trabajo depende de la carga cuando el convertidor opera en MCD Operación en MCD MCC MCD V in = 6 V V in = 12 V V in = 24 V V out = 12 V L = 5  H f = 100 kHz 46 Corriente (A) D El peor caso se da en condiciones de tensión de entrada máxima Peor caso: Vmax 2L2L VR TVR T Lin D  V out El ciclo de trabajo necesario para obtener una cierta tensión de salida depende de la carga R L y del valor de L R L : Carga del convertidor

Operación en MCD Corriente de salida (A) D V in = 12 V V out = 12 V L = 10  H L = 5  H L = 2.5  H 2L2L RLTRLT V in D  V out Si L es grande, el convertidor trabajará en MCC hasta cargas bajas Si L es pequeña, el convertidor trabajará casi todo el tiempo en MCD En MCD, D también depende del valor de L

Cálculo del condensador -V out V in CargaCarga Descarga VLVL IDID VCVC C out  Q Q VV VV T DT El rizado pico-pico en el condensador será: Formas de onda Conocido el valor de L y tomando como dato  V out podemos calcular C I out C outoutoutout  V   Q  1  I  D  T En régimen permanente: Carga = Descarga En este caso resulta más fácil basarse en la descarga (área amarilla): out  I D  T I D  T 1V1V C C  QQ

Esfuerzos en los semiconductores Convertidor Reductor-Elevador en MCC V in V out VMVM VDVD V Mmax = V in +V out V Dmax = V in +V out ILIL T DT VMVM VDVD IMIM I D I Lp I out V in +V out

Esfuerzos en los semiconductores Convertidor Reductor-Elevador en MCD V in V out VMVM VDVD V Mmax = V in +V out V Dmax = V in +V out VMVM VDVD ILIL T DT I Lp I out 2T2T V in V out IMIM IDID I Lp V in +V out

El convertidor REDUCTOR-ELEVADOR V out >V in > V out D Depende de la carga Valores de L bajos Corrientes elevadas V Mmax = V in V Dmax = V in D Independiente de la carga Valores de L altos Corrientes pequeñas V Mmax = V in V Dmax = V in Tensión de salida invertida 2 modos de funcionamiento iLiL iLiL MCC MCD V in - V out + 2L R L T D  V out V in D1  DD1  D V out  V in 