Convertidores Continua/ Continua: Topologías básicas

Presentación del tema: "Convertidores Continua/ Continua: Topologías básicas"— Transcripción de la presentación:

1 Convertidores Continua/ Continua: Topologías básicas
Universidad de Oviedo Área de Tecnología Electrónica Convertidores Continua/ Continua: Topologías básicas Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

2 ¿Qué es un convertidor CC/CC?
+ Convertidor CC/CC Fuente primaria de tensión continua Carga (sistema electrónico) Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

3 Convertidores en los sistemas de alimentación
Convertidores CA/CC Con alto contenido de armónicos de baja frecuencia. Con bajo contenido de armónicos de baja frecuencia. Convertidores CC/CC Convertidores conmutados. Convertidores lineales Convertidores CC/CA Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

4 Convertidores CC/CC basados en reguladores lineales (I)
Idea básica Carga Realimentación Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

5 Convertidores CC/CC basados en reguladores lineales (II)
Realización física Carga Realimentación Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

6 Convertidores CC/CC basados en reguladores lineales (III)
Cálculo del rendimiento VT Ig + - IR IR  Ig = (VO·IR) / (Vg·Ig)   VO / Vg + Vg VO - El rendimiento depende de la tensión de entrada. El convertidor sólo puede reducir la tensión de entrada. Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

7 Sistemas basados en reguladores lineales
Red CA Carga1 +5V Carga2 +15V Carga3 -15V Transformador de baja frecuencia Rectificadores Reguladores Lineales Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

8 Sistema de alimentación basado en reguladores lineales
Pocos componentes. Robustos Sin generación de EMI Pesados y voluminosos Bajo rendimiento Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

9 Convertidores CC/CC conmutados (I)
Idea básica Vg Carga PWM VO + - t Regulador conmutado Carga Regulador lineal Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

10 Convertidores CC/CC conmutados (II)
Filtrando la tensión sobre la carga Filtro pasa-bajos Vg VO + - VF + VO PWM Vg - VO Vg t VF Vg t VO Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

11 Convertidores CC/CC conmutados (III) ¿Se puede usar un filtro “C”?
Vg VO + - VF Vg t VO Filtro pasa-bajos + - Vg t VO NO se puede Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

12 Convertidores CC/CC conmutados (IV)
¿Se puede usar un filtro “LC” sin más? Filtro pasa-bajos Vg VO + - VF VO + - iL Vg NO se puede porque interrumpe bruscamente la corriente en la bobina Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

13 Convertidores CC/CC conmutados (V)
El primer convertidor básico: El convertidor REDUCTOR (Buck) Filtro pasa-bajos Vg VO + - VF Vg VO + - VF VF Vg t VO este diodo soluciona los problemas Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

14 Análisis del convertidor reductor (Buck) (I)
Hipótesis del análisis: La tensión de salida no varía en un ciclo de conmutación. La corriente en la bobina no llega a valer nunca cero (modo continuo de conducción). T d·T t iS iD iL Mando iS= iL Vg VO + - iS iL iD Vg VO Durante d·T iD= iL VO - + Durante (1-d)·T Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

15 Análisis del convertidor reductor (II)
¿Cómo calcular la relación entre variables eléctricas? Para ello, vamos a recordar dos propiedades de las bobinas y de los condensadores en circuitos que estén en régimen permanente: La tensión media en una bobina es nula. La corriente media en un condensador es nula. + - Circuito en régimen permanente vL = 0 iC = 0 En caso contrario, crecería indefinidamente la corriente en la bobina y la tensión en el condensador (incompatible con el régimen permanente). Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

16 Análisis del convertidor reductor (III)
Frecuentemente, cuando se opera en “modo continuo de conducción”, la forma de onda de tensión en la bobina es rectangular  “suma de productos voltios·segundos = 0” T d·T t iL Mando vL - + + - Circuito en régimen permanente vL = 0 iL Áreas iguales Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

17 Análisis del convertidor reductor (IV)
+ - vL = 0 Vg IO VO iL iC = 0 R T d·T t iL Mando vL - + Vg- VO IO - VO Aplicación del balance “suma de productos voltios·segundos = 0” (Vg- VO)·d·T - VO·(1-d)·T = 0 VO = d·Vg Corriente media nula por el condensador iL = IO = VO/R Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

18 Análisis del convertidor reductor (V)
VO + - Vg IO R iS iL iD vS vD Tensiones máximas vS max = vD max = Vg T d·T t iS iD Aplicación del balance de potencias iS = IO·VO/Vg iS = IO·d Corriente media por el diodo iD = iL - iS iD = IO·(1-d) Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

19 Análisis del convertidor reductor (VI)
Otra forma de razonar (I): + - vL = 0 Vg VO R vD vD Vg t T d·T vD = d·Vg vD = vL + VO  vD = vL + VO = VO Luego: VO = d·Vg Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

20 Análisis del convertidor reductor (VII)
Otra forma de razonar (II): Vg VO + - R IO ig 1 : d VO = Vg·d IO = ig/d Transformador ideal de continua Esta forma de razonar es válida para cualquier convertidor no disipativo (combiando la relación de transformación). Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

21 ¿Es posible encontrar un convertidor que eleve tensión? (I)
Partimos del convertidor reductor: Vg VO Controlado por el mando Incontrolado Vg R VO Convertidor reductor Vg VO d 1-d Flujo de potencia Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

22 ¿Es posible encontrar un convertidor que eleve tensión? (II)
Vg VO d 1-d Flujo de potencia Vg  VO Flujo de potencia VO  Vg d  1-d 1-d  d Cambiamos las V Reductor Otro convertidor Vg d Este interruptor tiene que ser el controlado por el mando. Si no fuera así, habría un corto circuito permanente Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

23 ¿Es posible encontrar un convertidor que eleve tensión? (III)
VO Flujo de potencia Vg 1-d d Flujo de potencia Vg VO d 1-d Cambiamos la forma de dibujar el circuito Vg VO Convertidor ELEVADOR (Boost) Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

24 El convertidor reductor frente al elevador
Vg VO Elevador vD + - vS Vg VO Reductor vD + - vS Vg  VO VO  Vg d  1-d 1-d  d VO<Vg  VO>Vg Modificaciones VO = Vg/(1-d) VO = Vg·d Siempre VO<Vg Siempre VO>Vg vS max = vD max = Vg vS max = vD max = VO Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

25 Análisis del conv. elevador (Boost)
(En modo continuo de conducción) iL iD iS Vg VO IO iL= iS Vg T d·T t iS iD iL Mando R Durante d·T iL= iD Vg VO + - Durante (1-d)·T Balance voltios·segundos Vg·d·T+(Vg-VO)·(1-d)·T = 0 VO = Vg/(1-d) Balance de potencias iL = IO·VO/Vg iS = iL·d iD = iL·(1-d) Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

26 El cortocircuito y la sobrecarga en el convertidor elevador
Vg R Este camino de circulación de corriente no puede interrumpirse actuando sobre el transistor. El convertidor no se puede proteger de esta forma. Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

27 ¿Es posible encontrar un convertidor que pueda reducir y elevar? (I)
Reductor Elevador Vo + - Vi Vg VO/Vg = (VO/Vi )·(Vi/Vg ) = d/(1-d) 1-d d Vg VO Vg VO Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

28 ¿Es posible encontrar un convertidor que pueda reducir y elevar? (II)
Vg A B Durante d·T 1-d d Vg VO A B Durante (1-d)·T VO - + A B ¿Es posible agrupar interruptores? Basta invertir el terminal común (masa) en el subcircuito de (1-d)T Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

29 ¿Es posible encontrar un convertidor que pueda reducir y elevar? (III)
Vg A B Durante d·T 1-d d Vg VO A B VO - + A B Durante (1-d)·T Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

30 El convertidor reductor-elevador (buck-boost) (I)
+ - vD VO + - Vg R vS vL 1-d d Vg VO Balance voltios·segundos Vg·d·T - VO·(1-d)·T = 0 VO = Vg·d/(1-d) Tensiones máximas vS max = vD max = Vg+VO= Vg/(1-d) Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

31 El convertidor reductor-elevador (II)
VO + - Vg IO R iL iD iS T d·T t iS iD iL Mando Corriente media por el diodo iD = IO = VO/R Balance de potencias iS = IO·VO/Vg iS = IO·d/(1-d) Corriente media por la bobina iL = iD + iS iL = IO/(1-d) Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

32 Otra forma de generar los convertidores básicos
Reductor Reductor-elevador Elevador TB1 TB2 TC1 TC2 d 1-d TS1 TD1 TL1 TS1 TD1 TL1 TS1 TD1 TL1 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

33 Comparando reductor y reductor-elevador
1A (medios) S D L 100W vS max = vD max = 100V iS=1A iD=1A iL=2A VAS = 100VA VAD = 100VA Reductor-elevador 50V 2A 100V 1A (medios) S D L 100W vS max = vD max = 150V iS=1A iD=2A iL=3A VAS = 150VA VAD = 200VA Las solicitaciones eléctricas en el reductor-elevador son mayores Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

34 Comparando elevador y reductor-elevador
4A (medios) S D L 100W vS max =vD max = 50V iS=2A iD=2A iL=4A VAS = 100VA VAD = 100VA Reductor-elevador 50V 2A 25V 4A (medios) S D L 100W vS max = vD max = 75V iS=4A iD=2A iL=6A VAS = 300VA VAD = 150VA Las solicitaciones eléctricas en el reductor-elevador son mayores Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

35 El modo de conducción en los tres convertidores básicos (I)
(sólo una bobina y un diodo) Convertidor con 1 bobina y 1 diodo IO iL R VO + - Vg T d·T t iL Mando El valor medio de iL depende de IO: iL = IO/(1-d) (elevador y reductor-elevador) iL = IO (reductor) Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

36 El modo de conducción en los tres convertidores básicos (II)
iL Al variar IO varía el valor medio de iL Al variar IO no varían las pendientes de iL (dependen de Vg y de VO) t R2 > R1 Todos los casos corresponden al llamado “modo continuo de conducción” (mcc), en el que es válido todo lo estudiado iL t Rcrit > R2 iL Este es el caso crítico t Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

37 El modo de conducción en los tres convertidores básicos (III)
iL Rcrit R3 > Rcrit ¿Qué pasa si R > Rcrit ? Sigue el modo continuo Modo discontinuo Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

38 Comparación de la tensión de salida en ambos modos de conducción
R < Rcrit Recuérdese: Al variar IO varía el valor medio de iL iL t Con parte negativa (modo continuo a baja carga), la tensión de salida sería la calculada en modo continuo. Cuando estamos en discontinuo no existe la parte negativa, lo que causa que la corriente media en la bobina crezca y por tanto lo haga la corriente y la tensión de salida. iL t R = Rcrit R > Rcrit iL iL t Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

39 Nos acercamos a las condiciones críticas (y por tanto al modo discontinuo) si:
iL Bajamos el valor de las bobinas (aumentan las pendientes) Bajamos el valor de la frecuencia (aumentan los tiempos en los que la corriente está subiendo o bajando) Aumentamos el valor de la resistencia de carga (disminuye el valor medio de la corriente por la bobina) Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

40 Modo discontinuo de conducción
iL Mando vL T d·T d’·T + - iD Existen 3 estados distintos: Conduce el transistor (d·T) Conduce el diodo (d’·T) No conduce ninguno (1-d-d’)·T Ejemplo VO Vg (d·T) (1-d-d’)·T (d’·T) Vg VO Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

41 Relación de transformación en modo discontinuo (en el reductor-elevador)
iL t vL T d·T d’·T + - iD VO Vg iLmax VO Vg (d·T) Vg = L·iLmax/(d·T) VO = L·iLmax/(d’·T) iD = iLmax·d’/2 iD = VO/R VO Vg (d’·T) Relación de transformación M=VO/ Vg : M =d/(k)1/2 , siendo: k =2·L / (R·T) Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

42 Frontera entre modos de conducción (en el reductor-elevador)
Relación de transformación en discontinuo, M: M = d / (k)1/2 , siendo: k = 2·L / (R·T) Relación de transformación en continuo, N: N = d / (1-d) En la frontera: M = N, R = Rcrit , k = kcrit kcrit = (1-d)2 Modo continuo: k > kcrit Modo discontinuo: k < kcrit t iL Rcrit Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

43 Extensión a otros convertidores
N = d 2 M = 4·k d2 kcrit = (1-d) kcrit max = 1 d k N = 1-d kcrit = (1-d)2 4·d2 1 kcrit = d(1-d)2 kcrit max = 4/27 Reductor Reductor-elevador Elevador Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

44 Incorporación de aislamiento galvánico al convertidor reductor (I)
Lm No vale porque el transformador no se desmagnetiza Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

45 Incorporación de aislamiento galvánico al convertidor reductor (II)
Lm D2 D1 No vale porque el transformador se desmagnetiza instantaneamente (sobretensión infinita) Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

46 Incorporación de aislamiento galvánico al convertidor reductor (III)
Lm Dipolo de tensión constante Esta es la solución Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

47 Circuito en régimen permanente
Operación en régimen permanente de un elemento magnético con dos devanados Ley de faraday: Circuito en régimen permanente n1 : n2 v1 v2 + - vi = ni · d/dt = B - A = (vi/ni)·dt B A En régimen permanente: ()en un periodo= 0 Luego: (vi /ni) = 0 Si se excita el elemento magnético con ondas cuadradas: “suma de productos (voltios/espiras)·segundos = 0” Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

48 Operación en régimen permanente de un elemento magnético con varios devanados: ejemplo
 t vi/ni T d1·T d2·T + - V1/n1 max V2/n2 V1 V2 n2 n1 “Suma de productos (voltios/espiras)·segundos = 0” (V1/n1)·d1·T - (V2/n2)·d2·T = 0  d2 = d1·n2·V1/(n1·V2) Para asegurar la desmagnetización: d2 < 1 - d1 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

49 El convertidor directo (forward) (I)
Desmagnetización basada en la tensión de entrada V1 = V2 = Vg n1 Teniendo en cuenta: d’ = d·n2/n d’ < 1 - d obtenemos: d < n1/(n1 + n2)  dmax = n1/(n1 + n2) Vg n2 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

50 El convertidor directo (II)
VO n2:n3 n1 + - vD2 vS vD1 Vg Vg·n3/n1 VO + - Durante d·T dmax = n1/(n1 + n2) VO - + Durante (1-d)·T vS max = Vg+Vg·n1/n2 = Vg/(1-dmax) vD1 max = Vg·n3/n1 VO = d·Vg·n3/n1 (en modo continuo) vD2 max = Vg·n3/n2 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

51 El convertidor directo (III)
iD2·n3/n1 T d·T t Mando iL iO d’·T iD3 iD2 iD1 iS iD2 VO Vg n2:n3 n1 iS iL iD1 iD3 iO iD2 = IO·d iD1 = IO·(1-d) im = Vg·T·d2/(2·Lm) (ref. al primario) iS = IO·d·n3/n1 + im iD3 = im Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

52 Comparando reductor y directo Mayor VS max en el directo
1A (medios) S D L 100W vS max=vD max=100V iS=1A iD=1A iL=2A VAS=100VA VAD=100VA Directo 50V 2A 100V 1A (medios) S D1 L 100W 1 : 1:1 D2 D3 vS max=200V iS=1A iD1= iD2=1A vD1 max= vD2 max= 100V iL=2A VAS = 200VA VAD = 100VA Mayor VS max en el directo Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

53 Variación de Vg + - Baja Vg + + - - Alta Vg max Vg/n1 Vg/n2 max max
vi/ni + - Vg/n1 max Vg/n2 Baja Vg vD2 VO n2:n3 n1 + - vS vD1 Vg  t vi/ni + - Vg/n1 max Vg/n’2 Mejores tensiones máximas  t vi/ni + - Vg/n1 max Vg/n2 Alta Vg Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

54 ¿Existen otras formas de desmagnetizar el transformador?
VC Vg  t vi/ni + - Vg/n1 max VC/n1 Enclavamiento RCD (RCD clamp) Lm Ld Vg Mal rendimiento Integración de parásitos Útil para rect. sinc. autoexc. Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

55 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo
Otras formas de desmagnetizar el transformador: Desmagnetización resonante (Resonant reset) vT + - Vg vT t + - Lm Ld Vg Pequeña variación de Vg Integración de parásitos Útil para rect. sinc. autoexc. Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

56 Otras formas de desmagnetizar el transformador: Enclavamiento activo
(Active clamp) VC Vg  t vi/ni + - Vg/n1 VC/n1 VC = Vg·d/(1-d) Lm Ld Vg Dos transistores Integración de parásitos Útil para rect. sinc. autoexc. Flujo sin nivel de continua Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

57 Otras formas de desmagn. el transf
Otras formas de desmagn. el transf.: Convertidor directo con dos transistores Vg n1 : n2 S1 D4 D3 D1 D2 S2 VO  t vi/ni + - Vg/n1 max dmax = 0.5 VO = d·Vg·n2/n1 (en modo continuo) vS1 max = vS2 max = Vg vD1 max = vD2 max = Vg vD3 max = vD4 max = Vg·n2/n1 Dos transistores Bajas tensiones en los semiconductores Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

58 Es muy sencillo incorporar aislamiento galvánico
Incorporación de aislamiento galvánico al convertidor reductor-elevador (I) Es muy sencillo incorporar aislamiento galvánico Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

59 Incorporación de aislamiento galvánico al convertidor reductor-elevador (II)
La bobina y el transformador pueden integrarse en un único dispositivo magnético. Dicho dispositivo magnético se calcula como una bobina, no como un transformado. Debe almacenar energía. Normalmente tiene entrehierro Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

60 El convertidor de retroceso o convertidor indirecto (flyback)
“Suma de productos (voltios/espiras)·segundos = 0” d·T·Vg/n1 - (1-d)·T·VO/n2 = 0 VO = Vg·(n2/n1)·d/(1-d) VO + - vS Vg vD n1 n2 Máximas tensiones vS max = Vg+VO·n1/n2 = Vg/(1-d) vD max = Vg·n2/n1 + VO= Vg·(n2/n1)·/(1-d) Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

61 Comparando retroceso y reductor-elevador
1A (medios) S D L 100W vS max = vD max = 150V iS=1A iD=2A iL=3A VAS = 150VA VAD = 200VA 50V 2A 100V 1A (medios) S D 100W Retroceso 1:1 vS max = vD max = 150V iS=1A iD=2A VAS = 150VA VAD = 200VA Las solicitaciones eléctricas son iguales Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

62 Otra forma del convertidor de retroceso: Convertidor de retroceso con dos transistores
Vg n1 : n2 S1 D3 D1 D2 S2 VO Dos transistores Relación de transformación acotada Bajas tensiones en los semiconductores VO = Vg·(n2/n1)·d/(1-d) (en m.c.) dmax = 0.5 vS1 max = vS2 max = Vg vD1 max = vD2 max = Vg vD3 max = Vg·(n2/n1)·/(1-d) Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

63 Incorporación de aislamiento galvánico al convertidor elevador
No es posible incorporar aislamiento galvánico con un único transistor Con varios transistores  puentes alimentados en corriente Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

64 ¿Cómo son las corrientes por los puertos de entrada y salida de un convertidor?
Puerto de entrada Puerto de salida i2 i1 1 : N t Situación ideal Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

65 Corriente de entrada en cada convertidor
Reductor-elevador Elevador Reductor ruidoso no ruidoso Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

66 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo
Filtrando la corriente de entrada Reductor Elevador Reductor-elevador Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

67 ¿Existen convertidores con ambas corrientes “poco ruidosas”?
Puerto de entrada Puerto de salida Convertidor CC/CC Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

68 Convertidor elevador-reductor (I)
Vo + - Vi Vg vD T d·T t vD Mando Vi VO/Vg = (VO/Vi )·(Vi/Vg ) = d/(1-d) Elevador d 1-d Vi + - Vg vD Modificamos la posición relativa del condensador y el diodo Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

69 La tensión vD en ambos casos es igual, salvo por el signo
Convertidor elevador-reductor (II) d Reductor Vo + - Vi 1-d vD T d·T t vD Mando Vi Elevador d 1-d Vi + - Vg vD T d·T t vD Mando -Vi La tensión vD en ambos casos es igual, salvo por el signo Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

70 Convertidor elevador-reductor (III):
El convertidor de ´Cuk Vi Elevador d 1-d + - Vg vD Reductor VO T d·T t vD Mando -Vi Balance “voltios-segundos” en la bobina del elevador (lo mismo que en un elevador normal): Vi = Vg/(1-d) La tensión de salida es la media de la tensión en el diodo: VO= d·Vi VO = Vg·d/(1-d) Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

71 El convertidor de ´Cuk Vi + - Vg VO vD vS ig iO Vi = Vg/(1-d) VO = Vg·d/(1-d) Vi = Vg + VO Teniendo en cuenta que las corrientes medias por los condensadores son cero: iS = ig iD = iO vS max = vD max = Vi = Vg/(1-d) Los esfuerzos eléctricos son los mismos que en el convertidor reductor-elevador Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

72 El convertidor de ´Cuk en modo discontinuo (I)
Vi = Vg + VO d·T (1-d-d’)·T d’·T Vi Vg VO iL2 iL1 t di/dt = Vg/L1 di/dt = Vg/L2 di/dt = VO/L1 di/dt = VO/L2 iL2 iL1 iL1 + iL2 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

73 El convertidor de ´Cuk en modo discontinuo (II)
iL1 + iL2 Llamando: 1/Leq = 1/L1 + 1/L2 queda: Vg/L1 + Vg/L2 = Vg/Leq VO/L1 + VO/L2 = VO/Leq di/dt = Vg/L1 + Vg/L2 di/dt = VO/L1 + VO/L2 t Esta es la misma situación que teníamos en el convertidor reductor-elevador  la fórmula es la misma, usando Leq como inductancia: d M = k k = 2·Leq / (R·T) kcrit = (1-d)2 kcrit max = 1 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

74 Una propiedad interesante del convertidor de ´Cuk
vL1 + - d·T Vg VO Vg + VO vL2 L1 L2 Para ambos modos: Las mismas tensiones en L1 y L2 vL1 = vL2 = Vg d’·T Vg VO vL2 - + vL1 Vg + VO L1 L2 vL1 = vL2 = -VO (1-d-d’)·T Vg VO vL1 + - vL2 Vg + VO L1 L2 vL1 = vL2 = 0 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

75 Acoplamiento de dos bobinas (I)
vL1 + - L1 vL2 L2 n2 Bobinas sin acoplar n1 vL1 + - vL2 L2 L1 n2 M Bobinas acopladas Circuito equivalente n1 : n2 vL1 + - vL2 Ld1 Lm n1 vL2· n2 vLm Ld2 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

76 Acoplamiento de dos bobinas (II)
n1 : n2 + - vL2 Lm n1 vL2· n2 vLmO Ld2 vL1 Ld1 n1 vLmO = vL2 · n2 Lm Lm+Ld2 + - vL1 Ld1 Ld2·Lm Ld2 + Lm Lsal = Thèvenin Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

77 Acoplamiento de dos bobinas (III)
vLmO = vL2 · n2 Lm Lm+Ld2 + - vL1 Ld1 Ld2·Lm Ld2 + Lm Lsal = iL1 Aplicamos la Ley de Faraday: vL1 - vLmO = (Ld1 + Lsal)· diL1 dt Si vL1 = vLmO  diL1 dt = 0 iL1 = cte. (sin rizado) Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

78 Acoplamiento de dos bobinas cuando vL1 = vL2
iL1 n1 vLmO = vL1 · n2 Lm Lm+Ld2 + - vL1 Ld1 Ld2·Lm Ld2 + Lm Lsal = El rizado de iL1 se anula si vL1 = vLmO  n1 = n2·(1 + Ld2/Lm) n1 : n2 Ld1 Lm Ld2 iL1 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

79 Razonando de otro modo iL1 iL2
vL1 + - vL2 L2 L1 n2 M iL1 iL2 vL1 = L1·diL1/dt + M·diL2/dt vL2 = M·diL1/dt + L2·diL2/dt Si vL2 = vL1 y M = L2 (L1-M)·diL1/dt = 0 (L1-M) diL1/dt = 0 (no hay rizado en iL1) Si vL2 = vL1 y M = L1 (L2-M)·diL2/dt = 0 (L2-M) diL2/dt = 0 (no hay rizado en iL2) Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

80 Relaciones entre L1, L2 y M por un lado y Ld1, Ld2, Lm, n1 y n2 por otro (I)
vL1 = L1·diL1/dt + M·diL2/dt vL2 = M·diL1/dt + L2·diL2/dt n1 vL1 + - vL2 L2 L1 n2 M iL1 iL2 [vL1]iL1=0 = M·diL2/dt [vL1]iL2=0 = L1·diL1/dt [vL2]iL1=0 = L2·diL2/dt n1 : n2 Ld1 Lm Ld2 vL1 + - vL2 iL1 iL2 iL2·n2/n1 [vL1]iL1=0 = (Lm·n2/n1)·diL2/dt [vL1]iL2=0 = (Ld1+Lm)·diL1/dt [vL2]iL1=0 = (Ld2+Lm)·(n2/n1)2·diL2/dt Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

81 Relaciones entre L1, L2 y M por un lado y Ld1, Ld2, Lm, n1 y n2 por otro (II)
M = Lm·n2/n1 L1 = Ld1 + Lm L2 = (Ld2 + Lm)·(n2/n1)2 Condiciones de anulación de rizado: En L1: M = L2  n1 = n2·(1 + Ld2/Lm) En L2: M = L1  n2 = n1·(1 + Ld1/Lm) Importante: ambas son realizables por separado Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

82 Anulación del rizado en la entrada de un convertidor de ´Cuk
iL1 iL2 L2 L1 n2 n1 t iL1 iL2 L1 n1 L2 n2 M = L2 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

83 Anulación de cualquiera de los rizados
Magnetismo integrado t iL1 iL2 L1 n1 L2 n2 M = L2 t iL2 iL1 L1 n1 L2 n2 M = L1 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

84 Vamos a buscar otros convertidores con 4 elementos reactivos (I)
Elevador d 1-d Vg vD + - Reductor VO Vi = Vg/(1-d) ´Cuk Vg VO Vi = Vg/(1-d) Configuración LDC de un reductor VO Vi = Vg/(1-d) Fuente + transistor Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

85 Vamos a buscar otros convertidores con 4 elementos reactivos (II)
Configuración LDC de un reductor VO Vi = Vg/(1-d) Fuente + transistor ¿Podemos usar otra configuración LDC de salida? Configuración LDC de un reductor-elevador VO Vi (¿?) Fuente + transistor Procedente de un ´Cuk Va a dar origen a un nuevo convertidor Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

86 Vamos a buscar otros convertidores con 4 elementos reactivos (III)
Vi (¿?) VO Vi (¿?) Vg Convertidor SEPIC L1 L2 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

87 Subcircuitos en el convertidor SEPIC
VO Vg Vi L1 L2 L1 L2 VO Vg Vi L1 L2 VO Vg Vi Dura: d·T Dura: (1-d)·T en modo continuo d’·T en modo discontinuo L1 L2 VO Vg Vi Dura: (1-d-d’)·T (sólo en modo discontinuo) Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

88 Tensiones en el convertidor SEPIC
VO - + Vg vL1 vS vL2 vD Vi L1 L2 vS max = vD max = Vg+VO= Vg/(1-d) Tensiones máximas: Aplicamos el balance “voltios·segundos” a ambas bobinas: Vg·d·T + (Vg - Vi - VO) ·(1-d)·T = 0 Vi·d·T - VO·(1-d)·T = 0 Vi = Vg VO = Vg·d/(1-d)  Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

89 Corrientes en el convertidor SEPIC
VO Vg IO R iL2 iD iL1 iS L1 L2 C2 C1 Balance de potencias: iL1 = IO·VO/Vg iL1 = IO·d/(1-d) iD = IO = VO/R “Corriente media por el condensador C1 = 0”: iL2 = iD  iL2 = IO iS = iL1  iS = IO·d/(1-d) “Corriente media por el condensador C2 = 0”: Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

90 Comparando el reductor-elevador y el SEPIC
VO Vg L1 L2 Vi = Vg VO Vi = Vg L2 VO Vg L2 A efectos de tensiones máximas y corrientes medias por los semiconductores, ambos son iguales Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

91 El SEPIC en modo discontinuo (I)
(1-d-d’)·T Vg VO iL1 iL2 L1 L2 d’·T d·T t di/dt = Vg/L1 di/dt = Vg/L2 di/dt = VO/L1 di/dt = VO/L2 iL2 iL1 iL1 + iL2 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

92 El SEPIC en modo discontinuo (II)
iL1 + iL2 Llamando: 1/Leq = 1/L1 + 1/L2 queda: Vg/L1 + Vg/L2 = Vg/Leq VO/L1 + VO/L2 = VO/Leq di/dt = Vg/L1 + Vg/L2 di/dt = VO/L1 + VO/L2 t Esta es la misma situación que teníamos en el convertidor reductor-elevador  la fórmula es la misma, usando Leq como inductancia: d M = k k = 2·Leq / (R·T) kcrit = (1-d)2 kcrit max = 1 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

93 Tensiones en las bobinas del SEPIC
d·T vL1 + - Vg VO L1 L2 vL2 Para ambos modos de conducción son iguales vL1 = vL2 = Vg d’·T Vg VO vL1 + - L1 L2 vL2 vL1 = vL2 = -VO (1-d-d’)·T Vg VO vL1 + - vL2 L1 L2 vL1 = vL2 = 0 Integración magnética Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

94 Anulación del rizado de entrada en el SEPIC
iL1 iL2 L2 L1 n2 n1 iL1 iL2 L1 n1 L2 n2 t M = L2 Integración magnética Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

95 Simetrías en los convertidores descritos (I)
Vg VO d 1-d Flujo de potencia Reductor Flujo de potencia Vg VO 1-d d Elevador Vg  VO VO  Vg d  1-d 1-d  d Modificaciones Reductor-elevador d 1-d Flujo de potencia Vg VO Reductor-elevador Flujo de potencia d 1-d Vg VO Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

96 Simetrías en los convertidores descritos (II)
´Cuk Flujo de potencia d 1-d Vg VO Vg+VO Flujo de potencia d 1-d Vg VO ´Cuk VO +Vg Flujo de potencia d 1-d Vg VO Nuevo convertidor SEPIC Flujo de potencia d 1-d Vg VO Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

97 El convertidor zeta o SEPIC inverso
Vg VO Vg  VO VO  Vg d  1-d 1-d  d Modificaciones SEPIC  zeta Vg VO VO = Vg·d/(1-d)  Vg = VO·(1-d)/d Despejando, queda: VO = Vg·d/(1-d) (lo mismo que en el SEPIC) Todos los valores máximos de tensión y medios de corriente quedan igual que en el SEPIC, ´Cuk y reductor-elevador. Admite integración magnética Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

98 Convertidores reversibles
Flujo de potencia Red.-elev. / Red.-elev. V1 V2 Flujo de potencia Reductor / elevador V1 V2< V1 Flujo de potencia SEPIC / zeta V1 V2 Flujo de potencia ´Cuk / ´Cuk V1 V2 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

99 Introducción de aislamiento galvánico en el convertidor de ´Cuk (I)
Convertidor sin aislamiento galvánico Dividimos el condensador en dos partes Conectamos el punto medio de los condensadores a una inductancia Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

100 Introducción de aislamiento galvánico en el convertidor de ´Cuk (II)
En la posición de la bobina se puede poner un transformador Estructura final Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

101 El convertidor de ´Cuk con aislamiento (I)
n3 : n4 Vg VO VC1 VC2 L1 L2 T1 Balance “(voltios/espiras)·segundos” L1: Vg·d·T + (Vg - VC1 + VC2·n3/n4 )·(1-d)·T = 0 L2: (VC2 + VC1·n4/n3 - VO ) ·d·T - VO·(1-d)·T = 0 T1: (VC1/n3) ·d·T - (VC2/n4) ·(1-d)·T = 0 VO = Vg·(n4/n3)·d/(1-d) VC1 = Vg VC2 = VO Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

102 El convertidor de ´Cuk con aislamiento (II)
n3 : n4 Vg VO L1 L2 T1 L3 L4 iD iS iO iL1 Máximas tensiones: vS max = Vg + VO·n3/n4 = Vg/(1-d) vD max = Vg·n4/n3 + VO= Vg·(n4/n3)·/(1-d) Corrientes medias: iS = iL1 = iO·(n4/n3)·d/(1-d) iD = iL2 = iO Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

103 El convertidor de ´Cuk con aislamiento (III)
n3 : n4 Vg VO L1 L2 T1 L3 L4 vL1 + - vL4 vL2 vL3 d·T vL1 = vL3 = Vg vL2 = vL4 = Vg·n4/n3 d’·T vL1 = vL3 = -VO·n3/n vL2 = vL4 = -VO Sólo en m.d. (1-d-d’)·T vL1 = vL2 = vL3 = vL4 = 0 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

104 El convertidor de ´Cuk con aislamiento (IV)
Se puede hacer integración magnética y anular los rizados de entrada y salida n3 : n4 Vg VO L1 L2 T1 L3 L4 vL1 + - vL4 vL2 vL3 M1 = L3 M2 = L4 i1 i2 t i1 t i2 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

105 El convertidor SEPIC con aislamiento (I)
Vg VO L1 L2 Vg VO L1 L2 L3 n2 : n3 Es muy sencillo incorporar aislamiento galvánico Todas las solicitaciones eléctricas son como en el convertidor de retroceso Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

106 El convertidor SEPIC con aislamiento (II)
n2 : n3 Vg VO L1 L2 L3 M1 = L2 i1 t i1 Se puede hacer integración magnética y anular el rizado de entrada Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

107 El convertidor zeta con aislamiento
Vg VO Sin aislamiento L1 Vg VO M = L2 i1 L1 L2 n1 : n2 Vg VO n1 : n2 L1 L3 L2 t i1 Con aislamiento Sin integración magnética Con aislamiento Con integración magnética Todas las solicitaciones eléctricas como en el SEPIC, ´Cuk y red.-elev. Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

108 Inversores clásicos con transistores (alimentados desde fuente de tensión)
VO Vg S2 S1 “Push-pull” VO Vg S2 S1 Medio puente S2 S1 Vg S3 S4 VO Puente completo Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

109 Obtención de convertidores CC/CC desde los inversores clásicos (Ejemplo)
Conv. CC/CC “push-pull” Rect. con transf. con toma media Inversor “push-pull” Rect. en puente Conv. CC/CC “push-pull” Rect. con dos bobinas Conv. CC/CC “push-pull” Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

110 El convertidor “push-pull” o simétrico (I)
Convertidor directo Convertidor directo B B H B B H Convertidor “push-pull” o simétrico Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

111 ¿Qué pasa cuando no conducen ninguno de los dos transistores?
El convertidor “push-pull” o simétrico (II) S2 S1 n1 : n2 n1 n2 Vg VO L Circuito equivalente cuando conduce S1: Vg·n2/n1 L VO Circuito equivalente cuando conduce S2: Vg·n2/n1 L VO ¿Qué pasa cuando no conducen ninguno de los dos transistores? Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

112 El convertidor “push-pull” o simétrico (III)
VO iL D1 D2 iL1 iL2 Conducen ambos diodos  la tensión en el transformador es cero Las corrientes iL1 y iL1 deben ser tales que: iL1 + iL2 = iL iL1 - iL2 = iLm (sec. trans.) Circuito equivalente cuando no conducen ni S1 ni S2: VO L Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

113 Tensiones en el convertidor “push-pull”
vS2 T d·T Mando vS1 vD1 vD2 vD 2·Vg Vg·n2/n1 2·Vg·n2/n1 S1 S2 S2 n1 n2 Vg VO L vD + - S1 vD1 vD2 vS1 vS2 D1 dmax = 0.5 D2 La tensión vD es la misma que en un conv.directo con un ciclo de trabajo 2·d  VO = 2·d·Vg·n2/n1 (en modo continuo) vsmax = 2·Vg vD1max = vD2max = 2·Vg·n2/n1 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

114 Corrientes en el convertidor “push-pull”
iL Mando iS2 iD1 iS1 T d·T iD2 S1 S2 S2 S1 n1 : n2 n1 n2 Vg VO L iS1 iL D1 D2 iD1 iD2 iS2 iO dmax = 0.5 Corrientes medias: iS1 = iS2 = iO·d·(n2/n1) iD1 = iD2 = iO/2 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

115 Un problema presentado por el convertidor “push-pull”
Vg VO iS1 iS2 B B H En control “modo tensión” puede llegar a saturarse el transformador por asimetrías en la duración de los tiempos de conducción de los transistores Se usa “modo corriente” Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

116 El convertidor en medio puente (“half bridge”)
vS2 T d·T Mando vS1 vD1 vD2 vD Vg Vg·0.5·n2/n1 Vg·n2/n1 S1 S2 S2 n1 n2 Vg L vD + - S1 vD1 vD2 vS1 vS2 D1 D2 Vg/2 VO dmax = 0.5 La tensión vD es la mitad que en el caso del “push-pull”  VO = d·Vg·n2/n1 (en modo continuo) vsmax = Vg vD1max = vD2max = Vg·n2/n1 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

117 Corrientes en el convertidor en medio puente
iL Mando iS2 iD1 iS1 T d·T iD2 S1 S2 iD1 iL S2 n1 n2 Vg L iO S1 iD2 iS1 iS2 D1 D2 VO Vg/2 dmax = 0.5 Corrientes medias: iS1 = iS2 = iO·d·(n2/n1) iD1 = iD2 = iO/2 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

118 El convertidor en puente completo (“full bridge”)
vS2, vS3 t Mando vS1, vS4 Vg T d·T vD1 vD2 vD Vg·n2/n1 2·Vg·n2/n1 S1, S4 S2, S3 VO S3 n1 n2 Vg L vD + - S4 vD1 vD2 vS4 vS3 D1 D2 S1 S2 dmax = 0.5 La tensión vD es como en el caso del “push-pull”  VO = 2·d·Vg·n2/n1 (en modo continuo) vsmax = Vg vD1max = vD2max = 2·Vg·n2/n1 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

119 Corrientes en el convertidor en puente completo
iL Mando iS2, iS3 iD1 iS1, iS4 T d·T iD2 S2, S3 S1, S4 iD1 iL iO iD2 iS4 VO S3 n1 n2 Vg L S4 D1 D2 S1 S2 iS3 dmax = 0.5 Corrientes medias: iS3 = iS4 = iO·d·(n2/n1) iD1 = iD2 = iO/2 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

120 Problemas de saturación en el transformador del convertidor en puente completo
En control “modo tensión” puede llegar a saturarse el transformador por asimetrías en la duración de los tiempos de conducción de los transistores Soluciones: Colocar un condensador en serie CS Usar “modo corriente” S2 S1 CS Vg VO S3 S4 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

121 Comparación entre “push-pull” y puentes
Vg vS iS + - PO vSmax = 2·Vg iS = PO/(2·Vg) Mayores solicitaciones de tensión  apto para baja tensión de entrada vSmax = Vg iS = PO/Vg Mayores solicitaciones de corriente  apto para alta tensión de entrada vSmax = Vg iS = PO/(2·Vg) Menores solicitaciones eléctricas  apto para alta potencia Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

122 Convertidores CC/CC derivados de inversores alimentados desde fuente de corriente
Inversor en puente completo Inversor “Push-pull” Convertidor CC/CC “Push-pull” alimentado en corriente Convertidor CC/CC en puente alimentado en corriente Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

123 Convertidor “Push-pull” alimentado en corriente (I)
Mando de S1 Mando de S2 vS2 T d·T vS1 vD1 2·VO 2·VO·n1/n2 VO vD2 n1 n2 Vg VO S2 S1 + - vD1 vD2 vS2 dmin = 0.5 Vg + - VO·n1/n2 Conducen S1 y S2 No conduce S1 No conduce S2 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

124 Convertidor “Push-pull” alimentado en corriente (II)
Vg Conducen S1 y S2 + - VO·n1/n2 No conduce S1 No conduce S2 dura t1 dura t2 dura t1 dura t2 d·T (1-d)·T Aplicando el balance “voltios·segundos”  VO = Vg·(n2/n1)/2(1-d) (en modo continuo) Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

125 Corrientes en el “push-pull” alimentado en corriente
d·T t iD1 iS2 iS1 iL Mando de S1 Mando de S2 iD2 iL iO n1 n2 Vg S2 S1 iD1 iD2 iS2 dmin = 0.5 iS1 iS1 = iS2 = iO·(n2/n1)/4(1-d) iD1 = iD2 = iO/2 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

126 Convertidores alimentados en tensión vs. alimentados en corriente
VO = Vg·d Vg VO Reductor Vg  VO n1  n2 n2  n1 VO  Vg d  1-d 1-d  d Modificaciones VO = Vg/(1-d) Vg VO Elevador “Push-pull” alimentado en tensión VO = 2·d·Vg·n2/n1 Vg VO n1 n2 “Push-pull” alimentado en corriente VO = Vg·(n2/n1)/2(1-d) Vg VO n1 n2 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

127 Problema en el apagado del convertidor “push-pull” alimentado en corriente
iL Hay que garantizar que el flujo en la bobina no pasa a valer cero cuando dejan de conducir S1 y S2 al apagar el convertidor iL Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

128 Otro conexionado para desmagnetizar la bobina de entrada
Desmagnetización hacia la entrada Desmagnetización hacia la salida Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

129 El puente completo alimentado en corriente
Desmagnetización hacia la entrada Se comporta como un “push-pull” alimentado en corriente en todo salvo en la tensión máxima en el transistor (que es Vg) Desmagnetización hacia la salida Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

130 Rectificador en puente en la salida
“Push-pull” alimentado en corriente Puente completo alimentado en corriente Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo