1. INTRODUCCION

En muchas aplicaciones industriales se requiere convertir un voltaje fijo de una fuente de DC, en un voltaje variable de suministro de DC. Un conversor DC/DC o simplemente conversor de DC, convierte en forma directa, una magnitud fija a otra DC variable. Un conversor de DC puede ser considerado el equivalente, en DC, de un transformador de AC, con una relación de vueltas que varía en forma continua. Al igual que un transformador, un conversor de DC se puede usar para subir o bajar el voltaje de una fuente. Los conversores de DC se usan para el control de motores de tracción de automóviles eléctricos. Adicionalmente, tienen aplicación en el frenado regenerativo de motores de DC así como para regresar la energía a la fuente. Los conversores de DC se usan en los reguladores de voltaje de DC y fuentes de corriente.

El esquema general del conversor DC/DC se presenta en la figura 1.1, está formado por elementos de conmutación y elementos que almacenan energía, como los inductores y los capacitores.

Los conversores están entre una fuente primaria y una carga, generalmente resistiva. Como fuentes de entrada, se encuentran las baterías electrolíticas, las pilas de combustible, los paneles solares, los generadores eólicos y la red eléctrica rectificada. Las cargas serán de voltaje continuo, citando como aplicaciones desde la alimentación de tarjetas microprocesadoras y DSPs (Procesador Digital de Señal), que se encuentran en equipos informáticos y de telecomunicaciones, hasta buses de alimentación en sistemas embarcados (satélites de comunicación, automóviles, aviones).Para mejorar los requerimientos de la respuesta, en la mayoría de los casos, es necesario implementar un lazo de control, el cual actúa directamente sobre el elemento conmutador, modificando su tiempo de conducción; logrando así el transitorio y consiguiendo una mayor estabilidad frente a perturbaciones.

2. PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE BAJADA

Con las figura 5.1ª se puede explicar el principio de operación. Cuando el interruptor SW, llamado interruptor periódico, se cierra durante un tiempo t 1 , aparece el voltaje de entrada V s a través de

la carga. Si el interruptor permanece abierto durante un tiempo t 2 el voltaje a través de la carga es cero. Las formas de onda del voltaje de salida y la corriente de carga también se ven en la figura 5.1b. el interruptor de este convertidor se puede implementar usando.

1) Un transistor de unión bipolar de potencia (BJT),2) Un transistor de efecto de campo de metal oxido semiconductor, de potencia (MOSFET),3) Un tiristor de disparo en compuerta (GTO),o;4) Un transistor bipolar de compuerta aislada (IGBT).

Los dispositivos prácticos tienen una caída finita de voltaje que va de 0.5 a 2V, y para simplificar no tendremos en cuenta las caída de voltaje de esos dispositivos semiconductores de potencia.

El voltaje promedio de salida se define con:

Y la corriente promedio de la carca es I a=V a

R=k V s /R , donde:

T es el periodo de conmutación;k= T 1/T es el ciclo de trabajo del interruptor;f Es la frecuencia de conmutación.

El valor rms del voltaje de salida se determina con;

Suponiendo que el convertidor no tiene perdida, la potencia de su entrada es igual que la de su salid, y es;

La resistencia efectiva se entrada, vista desde la fuente es;

Que indica el convertidor hace que la resistencia de entrada R I sea una variable igual a R/k. la variación de la resistencia normalizada de entrada en función del ciclo de trabajo se ve en la figura5.4c. Se debe notar que el interruptor de la figura5.1 se podría implementar con BJT, un MOSFET, un IGBT o un GTO.

En ciclo de trabajo de k se puede variar desde 0 a1, variando t 1 , T o f . En consecuencia, el voltaje

de salida V 0 se puede variar de 0 a V, controlando k, y el flujo de potencia se puede controlar.

1. operación a frecuencia constante : la frecuencia del convertidor o de conmutación, f (o el periodo de conmutación t) se mantiene constante, y se varía el tiempo t 1de encendido.el ancho del pulso se hace variar, y esta clase de control se conoce como control de modulacion por ancho de pulso (PWM, de pulse width modulation).

2. operación a frecuencia variable: la frecuencia de conmutación o de conmutación f se hace variable. Se mantiene constante ya sea el tiempo de encendido t 1 o el tiempo de

apagado t 2. A esto se le llama modulación por frecuencia. Se debe variar la frecuencia en un amplio margen para obtener todo el intervalo de voltajes de salida. Este tipo de control generaría armónica a frecuencia impredecible y seria difícil el diseño de su filtro.

Puntos clave de tema 2:

un interruptor periódico de baja, o convertido de cd que funciona como una carga de

resistencia variable, puede producir un voltaje de salida de 0 a V s. aunque un convertidor de cd puede funcionar a una frecuencia fija o con frecuencia

variable, suele operar a frecuencia fija con ciclos de trabajo variable. El voltaje de salida contiene armónicas, y se necesita un filtro de cd para alisar las

ondulaciones

2.1GENERACIÓN DEL CICLO TRABAJO.

El ciclo de trabajo k se puede generar comparando una señal de referenciavr de cd, con una de

señal portadora en diente de sierra vcr. Esto se ve en la figura 5.2, donde V, es el valor pico de vr

y V cr es el valor vcr. La señal de referencia vr, se caracteriza por;

Que debe ser igual a la señal portadora vcr= vcr=kT esto es,

Que determina el ciclo de trabajo k como

En la que M es llamada índice de modulación. Al variar la señal de la portadora vcr desde 0 hasta vct se puede variar el ciclo de trabajo desde 0 hasta 1.

El algoritmo para generar la señal de disparo para la compuerta es el siguiente:

Generar una forma de onda triangular de periodo T como señal de referencia

vr y una señal portadora vcr. Comparar esta señal con un comparador para generar la diferencia vc - vcr y

entonces un limitador preciso para obtener un pulso de onda cuadrad para la compuerta, de ancho kT, que debe aplicar al dispositivo de conmutación a través del circuito aislador.

Toda variación en vcr es lineal respecto al ciclo de trabajo k.

3. Convertidor de bajada con carga RL

En la figura5.3 se ve un convertidor con una carga RL. El funcionamiento del convertidor se puede dividir en dos modos. Durante el modo 1, el convertidor esta encendido y la corriente pasa del suministro a la carga. Durante el modo 2, el convertido esta apagado y la corriente de carga continua pasando por un diodo de marcha libre Dm. Los circuitos equivalentes para eso modos se ven en la figura 5.4ª. Las formas de onda de la corriente se carga u del voltaje de salida se ven en la figura 5.4b, bajo la hipótesis que la corriente de carga aumento en forma lineal. Sin embargo, la corriente que pasa por la carga RL, sube o cae de forma exponencial, con una constante de tiempo, la constante de tiempo de carga t=L/R en general es mucho mayor que el periodo de conmutación T. así, la aproximación lineal es valida para muchas condiciones en el circuito y se pueden obtener ecuaciones simplificadas dentro de exactitudes razonables.

La corriente de carga para el modo 1 se puede determinar con,

Que, con la corriente inicial i1 ( t=0 )=I 1 , se obtiene la corriente de carga como,

Este modo es valido para 0≤ t ≤ t1(kT );al final se este modo, la corriente de carga es

La corriente de carga para el modo 2 se puede determinar con,

Con una corriente inicial i2 ( t=0 )=I 2, y redefinido el origen del tiempo (es decir t=0)al inicio del modo 2

Este modo es valido para 0≤ t ≤ t2 [(1−k )T ]. Al final de este modo, la corriente de carga es,

Al final del modo 2, el convertidor se enciende de nuevo en el siguiente ciclo, después del tiempo

T=1f=t1+t 2

Bajo condiciones de estado estable I 1=I3.LA corriente de rizo de carga de pico, se puede

determinar con la ecuación (5.11) a (5.14). de las ecuaciones (5.11) y (5.12), I 2 es,

De las ecuaciones (5.13) y (5.14) se despeja I 3:

Despejando a I 1 e I 2 se obtiene

En donde z=TR/L es la relación del periodo de conmutación y la constante de tiempo de la carga

La corriente de rizo de pico a pico es,

Que despues de simplificar viene a ser

La condicion de maxima variacion es

Y da como resultado e−kz−e−(1−k ) z=0, es decir –k=-(1-k), es decir, que k=0.5. la corriente maxima de rizo maximo de pico a pico (en k=0.5) es

cuando

4 fL≫R , tanhθ≈θ y la corriente de rizo maximo se puede aproximar con

Las ecuaciones 5.11 y 5.12 solo son validas para un paso continuo de corriente. Cuando el timepo de apagado es frande, en especial con baja frecuencia y bajo voltaje de salida,la coriente en la

carga puede ser discontinua.esa corriente seria continua si LR

≫T ,OLf≫R . En ese caso de

corriente discontinua la carga,L1=0 y la ecuacion 5.11 se transfoma en

y la ecuacion 5.13 es valida para 0≤ t ≤ t2 de modo que i2 (t=i2 )=I 3=I 1=0 , cOn lo que

ya que t-kT, se obtiene

y despues de sustituir I 2 en la oenultima ecuacion se obtiene

condiciones para corriente:I 1≥0, la ecuacion 5.17 da

con la que obtiene el valor de la relacion de fuerza electromotriz (fem) x=E/V 3 de la carga:

PUNTOS CLAVE TEMA 3

Una carga inductiva puede hacer que la corriente de carga sea continua. Sin embargo, el valor critico de la inductancia para que la corriente sea continua esta influido por la

relación de fem en la carga. La corriente de rizo pico a pico en la carga se vuelve máximo cuando k=0.5.

4. PRINCIPIO DE LA OPERACIÓN DE SUBIDA

Un convertidor se puede usar para aumentar un voltaje de cd, y en la figura5.6ª se ve un arreglo para operación de subida. Cuando se cierra el interruptor SW durante el tiempo t 1, la corriente por

el inductor L, aumenta y almacena energía. Si se abre el interruptor durante un tiempot 2, la

energía almacenada en el interruptor se transfiere a la carga pasando por el diodo D1, y la corriente por el inductor se ve en la figura 5.6b.

Cuando el convertidor se enciende, el voltaje a través del inductor es

Que da como resultado la corriente de rizo pico a pico en el inductor

El voltaje promedio de salida es

Si se conecta un capacitor CL, grande a través de la carga, como se indica con líneas interrumpidas

en la figura5.6ª, el voltaje de salida es continuo y u0 se vuelve a valor promedio V 0.

Se puede ver en la ecuación 5.27 que el voltaje a través de la carga se puede aumentar variando el ciclo de trabajo k, y el voltaje mínimo de salida es V, cuando k=0. Si embargo, el convertido no se puede conmuta continuamente de tal modo que k=. Para valores de k que tienden a la unidad, el voltaje de salida se vuelve muy grande, y muy sensible a los cambios de k, como se ve en la figurara 5.6c.

Este principio se puede aplicar para transferir energía de una o otra fuente de voltaje como se ve en la figura5.7ª. Los circuitos equivalentes de los modos de operación están en la figura5.7 b, y las formas de onda de la corriente en la figurar5.7c. la corriente por el inductor en el modo 12 es

Y se expresa como

En donde I 1, es la corriente inicial para modo 1. Durante este modo, la corriente debe aumenta la condición necesaria es

La corriente para el modo 2 se determina con

Y es resuelta como

En donde I 2 es la corriente inicial para modo 2. Para un sistema estable, la corriente debe bajar, y la condición es que

Si esta condición no se satisface, la corriente, por el inductor, continúa aumentando y se presenta una situación inestable. En consecuencia, las condiciones para la transferencia controlable de potencia son

Esta ecuación indica que el voltaje de suministro V 1, debe ser menor que el voltaje E, para permitir la transferencia de potencia de una fuente fija(o variable) a un voltaje fijo de cd. En el frenado eléctrico de los motores de cd, cuando estos funciona como generadores de cd, el voltaje entre terminales baja a medida que la velocidad de la maquina baja. El convertidor permite la transferencia de potencia a una fuente fija de cd o a un reóstato.

Cuando el convertidor se cierra, la energía pasa de la fuente V, al inductor L. si entonces el convertidor se apaga, pasa una cantidad de energía almacenada en el inductor, hacia la botonera E.

Sin la acción de interrupción periódica, V s debe ser mayor que E, para que se trasfiera potenciaV 1 a E.

PUNTOS CLAVE TEMA 4

Un convertidor de cd de subida puede producir un voltaje de salida mayor que el de entrada. La corriente de entrada se puede transferir a una fuente de mayor voltaje que el voltaje de entrada.

5. CONVERTIDOR DE SUBIDA CON UNA CARGA RESISTIVA

En la figura 5.8 a, se muestra un convertidor de subida con una carga resistiva. Cuando se cierra el interruptor s1, la corriente aumenta a través de L y el interruptor. El circuito equivalente durante el modo 1 se ve en la figura 5.8b y la corriente se describe con

Que, si la corriente inicial I 1, da como resultado

Valida para 0≤ t ≤ kT al final de modo1, cuando t=kT

Cuando se abre el interruptor s1 la corriente del inductor pasa por la cara RL,

La corriente equivalente se ve en la figura 5.8c, y la corriente en el modo 2 se describe con

Valida para 0≤ t ≤(1−k )T , al final del modo 2, cuando t=(1-k)T,

Donde z=TR/L. de las ecuaciones 5.32 y 534 se despejan I 1 Y I 2, y se obtiene

La corriente de rizo se determina con

Esta ecuación son validas para E≤V , si E≥V , y se abre el interruptor del convertidor S1, el inductor transfiere su energía almacenada a través de R hacia la fuente, y la corriente por el inductor es discontinua.

PUNTOS CLAVE TEMA 5

Con una carga resistiva, la corriente y el voltaje de carga son pulsantes. Se requiere un filtro de salida para suavizar el voltaje de salida.

6. Parámetros de funcionamiento

Los dispositivos semiconductores de potencia requieren un tiempo mínimo para encender y apagar. En consecuencia, el ciclo de trabajo k solo se puede controla entre el Valor mínimo kmin y

el valor máximo kmax limitando así el voltaje mínimo y máximo de salida. También es limitada la frecuencia de conmutación del convertidor. Se puede ver en la ecuación 5.22 que la corriente de rizo por la carga depende, en proporción inversa de la frecuencia de conmutación f . La frecuencia deberá ser la mayor posible para reducir la corriente de rizo en la carga, y para minimizar el tamaño de cualquier inductor adicional en serie, en el circuito de la carga.

Los parámetros de funcionamiento de los convertidores de subida y de bajada son los siguientes:

Corriente de riZo del inductor, ∆ I L.

Frecuencia máxima de conmutación, f max. Condición para corriente continua o discontinua para el inductor, Valor mínimo del inductor para mantener una corriente continua en el, Contenido de rizo del voltaje y la corriente de salida, THD, Contenido de rizo de la corriente de entrada, THD.

7. CLASIFICACIÓN DE LOS CONVERTIDORES

8. REGULADORES DE MODO DE CONMUTACIÓN

9. COMPARACION DE LOS REGULADORES