Convertidor Reductor-Elevador (Buck-Boost)

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1 Convertidor Reductor-Elevador (Buck-Boost)

2 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.

3 Vin V1 Vout Convertidor Reductor-Elevador (Buck-Boost)
Reductor: Vout < Vin Elevador: Vout > Vin ¿Es posible elevar y reducir con un convertidor? Posible solución: conectar un reductor y un elevador en cascada Vin V1 Vout REDUCTOR ELEVADOR V1 = Vin·D

4 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. Inconveniente 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?

5 Vin Vout VL VL = Vin Vin Vout Vin -Vout IL VL = -Vout T Vin DT Vout
El condensador intermedio lo podemos eliminar y unir las dos bobinas. Vin M1 Vout M2 Mismo ciclo de trabajo para los dos convertidores Los dos interruptores se manejan simultáneamente Int. Cerrados VL VL = Vin Vin M1 Vin Vout M2 -Vout IL Int. Abiertos VL = -Vout M1 Vin M2 T Vout DT

6 - + Vin Vout Durante D, la bobina queda en paralelo con la entrada
Durante (1-D), la bobina queda en paralelo con la salida Vin·D = Vout(1-D) Por tanto, para conseguir el mismo comportamiento debemos encontrar un circuito que maneje la bobina de una forma similar: S1 S2 Cerrando S1 ponemos la bobina en paralelo con la entrada Cerrando S2 la ponemos en paralelo con la salida. Para desmagnetizar bobina debemos invertir la tensión de salida - S1 S2 Vin Vout +

7 - + Vin Vout Un transistor Un diodo Una bobina Un condensador
Convertidor Reductor-Elevador - Vin Vout + Integración de los dos convertidores en uno sólo Es necesario invertir la tensión de salida 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.

8 - + - + Vin Vout 1 Vin Vout 2 Vin Vout
Relación de transformación en MCC - Vin Vout + 2 estados de funcionamiento en MCC M1 1 Vin Carga de la bobina Interruptor cerrado Vout 2 - Vin M1 Interruptor abierto Vout Descarga de la bobina +

9 Vout Vin Vin Vout VL=Vin Vin IL -Vout VL=-Vout IL Vin·D = Vout·(1-D)
Formas de onda en MCC Durante D·T VL=Vin VL Vin Vin Vout IL -Vout Durante (1-D)·T IL VL=-Vout Vin Vout DT T IL La tensión media en la bobina debe ser nula: Vin·D = Vout·(1-D) La tensión de salida está invertida respecto a la de entrada

10 Vin -Vout ID Iout Límite entre MCC y MCD
La corriente está en el límite entre MCC y MCD Dado un valor de Iout, ¿Qué valor de L consigue obtener esta corriente? VL La corriente de pico es: Vin El valor medio de la corriente ID es la corriente de salida: -Vout IL ILp Se cumple: ID Iout Por tanto: DT T

11 + - Vout Vin + - Vin Vout + - + - Vin Vout IL IL ID Iout
Operación en MCD Hay 3 estados de funcionamiento Durante D·T IL + - VL Vin Vout Vin VL DT -Vout 2T T Durante 2·T IL IL + - Vin VL Vout Durante (1-D- 2)·T ID + - + - Iout Vin VL Vout iL=0 DT T

12 ID Iout Cálculo de la relación de transformación
En general, cuando un convertidor se descarga pasa a operar en MCD En MCD se cumple: VL Tensión media en L nula: Vin La corriente de pico es: -Vout IL ILp La corriente media de salida es: DT 2T T ID Iout DT T RL es la carga de salida

13 D Vin = 6 V Vin = 12 V Vin = 24 V Operación en MCD
El ciclo de trabajo necesario para obtener una cierta tensión de salida depende de la carga RL y del valor de L El peor caso se da en condiciones de tensión de entrada máxima D 1 Vout = 12 V MCC L = 5 H MCD Vin = 6 V f = 100 kHz Vin = 12 V 0.5 Vin = 24 V Peor caso: Vmax 2 4 6 8 10 Corriente (A) El ciclo de trabajo depende de la carga cuando el convertidor opera en MCD RL: Carga del convertidor

14 D L = 10 H L = 5 H L = 2.5 H Operación en MCD
En MCD, D también depende del valor de L 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 D 0.6 Vin = 12 V Vout = 12 V 0.4 L = 10 H L = 5 H 0.2 L = 2.5 H 2 4 6 8 10 Corriente de salida (A)

15 Iout Vout Cálculo del condensador Formas de onda VL
El rizado pico-pico en el condensador será: Vin DT T -Vout ID En régimen permanente: Carga = Descarga En este caso resulta más fácil basarse en la descarga (área amarilla): Q Iout VC Vout Descarga Carga Conocido el valor de L y tomando como dato Vout podemos calcular C

16 Vin Vout IL ILp VM VD VM IM ILp VD ILp ID Iout DT T
Esfuerzos en los semiconductores Convertidor Reductor-Elevador en MCC IL ILp VM VD VM Vin+Vout Vin Vout IM ILp VD Vin+Vout ILp ID Iout VMmax = Vin+Vout VDmax = Vin+Vout DT T

17 Vin Vout IL ILp VM VD VM Vin IM ILp VD ID ILp Iout DT 2T T
Esfuerzos en los semiconductores Convertidor Reductor-Elevador en MCD IL ILp VM VD VM Vin+Vout Vin Vout Vin IM ILp VD Vin+Vout Vout ID ILp VMmax = Vin+Vout VDmax = Vin+Vout Iout DT 2T T

18 - + iL Vout>Vin > Vout Vin Vout RESUMEN
El convertidor REDUCTOR-ELEVADOR - Vout>Vin > Vout Vin Vout + Tensión de salida invertida 2 modos de funcionamiento iL MCC MCD RESUMEN D Independiente de la carga Valores de L altos Corrientes pequeñas VMmax = Vin VDmax = Vin D Depende de la carga Valores de L bajos Corrientes elevadas VMmax = Vin VDmax = Vin Cálculo de bobina y condensador Aplicaciones

19 Reductor-Elevador Reductor Elevador VMOSFET Vin Vout Vin+Vout IPMOS
COMPARACIÓN DE TOPOLOGÍAS La elección de una topología u otra va mucho más allá de una simple cuestión de magnitudes de tensión de entrada y de tensión de salida. Los convertidores tienen comportamientos reales distintos: unos son más robustos, otros tienen mejor rendimiento, son más sencillos de construir, etc. Reductor-Elevador Reductor Elevador VMOSFET Vin Vout Vin+Vout IPMOS I0 I0/(1-D) I0/(1-D) VDIODO Vin Vout Vin+Vout IPDIODO I0 I0/(1-D) I0/(1-D) El rizado de corriente se ha supuesto nulo.

20 Ejemplo de comparación:
Especificaciones: Vin = 48 V Pmax = 100 W V0 = 2% Vout = 12 V L = 50 H VMOSFET VDIODO IPico iL C Reductor 48 V 48 V 10.1 A 3.6 A 9.4 F Reductor-Elevador 60 V 60 V 12.2 A 7.7 A 277 F Especificaciones: Vin = 12 V Pmax = 100 W V0 = 2% Vout = 48 V L = 50 H VMOSFET VDIODO IPico iL C Elevador 48 V 48 V 9.2 A 1.8 A 16.2 F Reductor-Elevador 60 V 60 V 11.4 A 1.9 A 17.3 F

21 Fuente : Universidad de Oviedo

22 Lecturas Four Switch Buck-Boost Converter for Photovoltaic DC-DC power applications

23 APLICACIONES APLICACION1 APLICACION2