electronica de potencia ii

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ELECTRONICA DE POTENCIA IIUniversidadFrancisco de Paula SantanderFacultad de IngenierasIngeniera ElectrnicaIngeniera ElectromecnicaUNIDAD VCONVERTIDORES CD/CD2La mayora de sistemas electrnicos, deequiposdeelectrnicadeconsumoeindustriales, requieren de fuentesreguladas de bajo voltaje y bajapotencia por ejemplo 12V-20W,alimentadas por voltajes dedistribucin(120,208,230V)Lasolucina este requerimento, fuhasta la decada de los ochenta, el usode un transformador con ncleo deacero al silicio, con un bobinadosecundario con derivacin intermedia,para reducir el voltaje dedistribucin(230 V) a 24/12V,unrectificador de onda completa(2 dodos)un filtro con capacitor electroltico,uncircuito integrado regulador lneal(contransistores) y un capacitor detantalio(fig 5.01a).Esta solucin espesada y voluminosa, por eltransformador, e ineficiente por eltransistor5.1 FUENTES5.1 FUENTES5.1 FUENTES5.1 FUENTES DC LINEALES VS FUENTES CONMUTADAS DC LINEALES VS FUENTES CONMUTADAS DC LINEALES VS FUENTES CONMUTADAS DC LINEALES VS FUENTES CONMUTADASCONVERTIDORES DC/DC DE ALTA FRECUENCIA DECONVERTIDORES DC/DC DE ALTA FRECUENCIA DECONVERTIDORES DC/DC DE ALTA FRECUENCIA DECONVERTIDORES DC/DC DE ALTA FRECUENCIA DE CONMUTACION CONMUTACION CONMUTACION CONMUTACIONa)Fuentelneal(6)Para resolver estos aspectos negativos,se desarrollaron las fuentesconmutadas(fig5.01b).S e rectifica elvoltaje y se filtra(capacitor electroltico),para alimentar un mosfet que conmutaaaltafrecuencia(decenasdeKhz), enserie con un transformador de altafrecuencia( ncleo de ferrita , liviano ypequeo) .Se rectifica en el secundarioyseusaunfiltropequeopor laaltafrecuenciaFig 5.01 Fuentes DC lnealesyconmutadasb)Fuente conmutada(6)INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA II.UNIDAD V. UFPS3.Los convertidores DC/DC seutilizan en las fuentesconmutadas de alta frecuencia(convertidores aislados) y paraalimentar motores DC(convertidoRes no aislados)La fig. 5.02 muestra undiagrama de bloques delconvertidor. El voltaje alterno serectifica, ysereduceel rizadomedianteunfiltrocapacitivo, elcual tambin reduce laimpedancia interna de la fuente,o se utiliza una batera. Laentrada al convertidor es unvoltaje DC no regulado. Elconvertidor regula (controla) elvoltajeylotransformaal niveldeseado.Se estudiarn en rgimenpermanente, y en condicionesideales(se ignoran las prdidas ,se asume nula la impedancia dela fuente, y el efecto de los filtroses ideal), los siguientesconvertidores no aislados1.Convertidor reductor (buck )2.Convertidor elevador(boost)3.Convertidor buck-boost4.Convertidor tipo puenteEl convertidor reductor y el elevador se clasifican como convertidores directos y el buck / boostindirecto5.2 INTRODUCCION5.2 INTRODUCCION5.2 INTRODUCCION5.2 INTRODUCCION A LOS CONVERTIDORES DC/DC CONMUTADOSA LOS CONVERTIDORES DC/DC CONMUTADOSA LOS CONVERTIDORES DC/DC CONMUTADOSA LOS CONVERTIDORES DC/DC CONMUTADOS Fig 5.02 Diagrama de bloques de unconvertidor DC/DC conmutado(3)4INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA II.UNIDAD V. UFPS.En la topologa del circuito de lafig5.03a,se asume que elvoltaje de entrada(V1) esconstante, perolacorriente(i1)posee rizo, debido a laconmutacindeS1.Demaneraanloga, se asume que lacorriente de salida esconstante(i2=I2), peroel voltajede salida(v2) si posee rizo.Paraque la corriente de entrada y elvoltaje de salida no tengan rizo,sedebeninsertar filtrospasa-bajo en la entrada(C) y la salida(L)del circuito.El flujo de energa puede ser encualquier direccin :de 1 a 2 oviceversa , dependiendo decmo se controlen losinterruptores.La figura 5.03a) es idntica a la5.03b),(celda cannica) con ladiferencia que se sustituyen losinterruptores S1yS2, poruninterruptor deunpoloydobletiro. Las 2 posibles maneras,como se interconectan los 3terminales de la celda cannica,dan origen a las dos topologasbsicas de los convertidoresDC/DC:directa e indirecta5.35.35.35.3 CELDA CANONICA DE CONMUTACION(1 CELDA CANONICA DE CONMUTACION(1 CELDA CANONICA DE CONMUTACION(1 CELDA CANONICA DE CONMUTACION(1)Fig 5.03 Topologa mas elementalDel convertidor dc/dca)Topologa ms simple del convertidorDC/DC y el filtro pasa bajo(1)b)Celda cannica de conmutacin(1)5INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA II.UNIDAD V. UFPS.S en la celda cannica , se conectael terminal B, comnal puertodeentrada y al de salida, se obtiene loqueseconocecomoel convertidordirecto(fig5.04a) ,yaqueexisteuncamino para la corriente DC entre elpuerto de entrada y el de salida .Se asume para el interruptorserie(Sxy) una relacin de trabajo enrgimen permanente(D), y el flujo deenerga de 1 a 2La forma de onda del voltaje delinterruptor paralelo (Sxz) se muestraen la figura 5.04b), y la corriente delinterruptor serie se muestra en la fig5.04c). AplicandolaleydeKirchoffde voltajes en valores medios, en lasalida se obtiene:La aplicacin de Kirchoff decorrientes al nodo A , permiteobtener5.45.45.45.4 CONVERTIDOR DC/DC DIRECTO REDUCTOR CONVERTIDOR DC/DC DIRECTO REDUCTOR CONVERTIDOR DC/DC DIRECTO REDUCTOR CONVERTIDOR DC/DC DIRECTO REDUCTOR5.4.15.4.15.4.15.4.1 MODO DE CONDUCCION CONTINUO (1) MODO DE CONDUCCION CONTINUO (1) MODO DE CONDUCCION CONTINUO (1) MODO DE CONDUCCION CONTINUO (1)Fig 5.04Convertidordirectoa)Circuito(1)c)Forma de onda de iy(1)b)Forma de onda de vxz(1)) 02 . 5 (2V1DVxzV2V2V y 0LV2VLV Vxz= >= = < >= < + > >=< < >6INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA II.UNIDAD V. UFPS.Para implementar los interruptoresdel convertidor directo, condispositivos semiconductores, depotencia se siguen los siguientespasos:1.Se determinan delcircuito(fig 5.04a) Losgrficosv-t paraSyxySxz.Los resultados para Sxz semuestran en la figura 5.05c) y eldeSyx en la figura 5.05b)2.De los grficos anteriores sedetermina el grfico v-i ,de cadainterruptor.El interruptor Syx debe tenercapacidadparatransportarcorrientepositiva(de y hacia x) y soportarvoltaje positivo(Vyx >0).Elcuadrantedetrabajodel semiconductor enelgrfico v-ies elI. El interruptor Sxzdebe tener capacidad paratransportar corriente negativa(de z ax) y capacidad para soportar voltajepositivo(Vxz >0)3.Se comparan los requerimientos delos interruptores con lascaractersticas ideales de lossemiconductores(Tabla 1.01) y seseleccionan los que se adecuen .El resultadodelacomparacinsemuestra en la fig 5.05a). Syxcorresponde a un BJT npn o unMOSFET canal n, y Sxz correspondea un diodo con polarizacin inversa5.4.2 5.4.2 5.4.2 5.4.2IMPLEMENTACION DE INTERRUPTORES(1) IMPLEMENTACION DE INTERRUPTORES(1) IMPLEMENTACION DE INTERRUPTORES(1) IMPLEMENTACION DE INTERRUPTORES(1)Fig 5.05 Implementacin de interruptoresa)Circuito(1)b)Formas de onda de Sxyc)Formas de onda de Sxz7INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA II.UNIDAD V. UFPS.Se asume para el interruptorserie(Sxy) una relacin de trabajo enregimen permanente(D) y elflujo deenerga de 2 a 1La forma de onda del voltaje delinterruptor paralelo(Sxz) semuestraen la figura 5.06b) y la corriente delinterruptor serie se muestra en la fig5.06c)Aplicando la ley de Kirchoff devoltajes en valores medios en lasalida se obtiene.La aplicacin de Kirchoff decorrientes al nodo A ,recordando queelvalor promedio de la corriente enun capacitor es 0, permite obtener5.55.55.55.5 CONVERTIDOR DC/DC DIRECTO ELEVADOR(1) CONVERTIDOR DC/DC DIRECTO ELEVADOR(1) CONVERTIDOR DC/DC DIRECTO ELEVADOR(1) CONVERTIDOR DC/DC DIRECTO ELEVADOR(1)5.5.15.5.15.5.15.5.1 MODO DE CONDUCCION CONTINUOMODO DE CONDUCCION CONTINUOMODO DE CONDUCCION CONTINUOMODO DE CONDUCCION CONTINUO Fig 5.06Convertidorelevadora)Circuito/1)c)Forma de onda de iy(1)b)Forma de onda de vxz(1)) 05 . 5 (2V1DVxzV2V2V y 0LV2VLV Vxz= >= = < >= < + > >=< 0). El cuadrantedetrabajodel semiconductor enelgrfico v-i es el IV. El interruptor Sxzdebe tener capacidad paratransportar corrientepositiva(dexaz) y capacidad para soportar voltajepositivo (Vxz >0)3.Se comparan los requerimientos delos interruptores con lascaractersticas ideales de lossemiconductores( Tabla 1.01) ) y seseleccionan los que se adecuen .El resultadodelacomparacinsemuestra en la fig 5.07a). Sxzcorresponde a un BJT npn o unMOSFETcanal n ySyx correspondea un diodo con polarizacin inversa.5.5.2 5.5.2 5.5.2 5.5.2IMPLEMENTACION DE INTERRUPTORES.CONV. ELEVADOR IMPLEMENTACION DE INTERRUPTORES.CONV. ELEVADOR IMPLEMENTACION DE INTERRUPTORES.CONV. ELEVADOR IMPLEMENTACION DE INTERRUPTORES.CONV. ELEVADORFig 5.07 Implementacin de interruptoresa)Circuito(1)b)Forma de onda de Sxy(1)c)Formas de onda de Sxz(1)9INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA II.UNIDAD V. UFPS.5.65.65.65.6 MODELO CIRCUITALDEL CONVERTIDOR DIRECTO MODELO CIRCUITALDEL CONVERTIDOR DIRECTO MODELO CIRCUITALDEL CONVERTIDOR DIRECTO MODELO CIRCUITALDEL CONVERTIDOR DIRECTOPARARIZADO DE VOLTAJE Y CORRIENTE(1) PARARIZADO DE VOLTAJE Y CORRIENTE(1) PARARIZADO DE VOLTAJE Y CORRIENTE(1) PARARIZADO DE VOLTAJE Y CORRIENTE(1)Fig 5.08 Modelos circuitalespara los rizados de voltaje ycorriente del convertidor directoa)Modelo para rizado decorriente(1)b)Modelo para rizado deVoltaje(1)1Zz' iy' i I i2 2= =En el circuito del convertidordirecto(fig.5.04a), las corrientes yvoltajes se consideran formadas poruna componente continua (valormedio) ms una componente alterna.Se considera ideal el efecto deL(circuito abierto) ,para impedir el pasode las componentes alternas , por loque:La conmutacin del interruptor Sxy ,que originalascorrientes alternas,semodela por una fuente de corrienteylafuente por suimpedanciainterna (fig5.08 a)En el modelo circuital para el rizado devoltaje en elpuerto 2, la conmutacindel interruptor Sxz , que origina losvoltajesalternos, semodelapor unafuente de voltaje .Se consideraideal el efecto del capacitor a altafrecuencia( cortocircuito) y por ello lascomponentes alternas de voltaje, noaparecen en el puerto 1. modelala carga del puerto 2 (fig. 5.08 b)) 07 . 5 ( xz' vxzvxzvz' izizi ;y' iyiyi+ > = =< + > =0,para cualquier t),ocurre cuandolacomponentepicoderizadodelacorriente delacarga(i2=IL),esmspequeaqueel valor mediode lacorriente ,y la ec 5.02 regula laoperacin del convertidorS el valormediodelacorrienteesmenor al valor pico de rizado, lacorriente desaparece durante unaparte del ciclo(modo discontinuo).Elvalor de la inductancia ,que hacecambiar el modo de operacin decontinuo a dscontinuo, se denominainductancia crtica(Lc).La corriente esnula al terminar el perodo(fig 5.10b)5.6.25.6.25.6.25.6.2 INDUCTANCIA CRITICAINDUCTANCIA CRITICAINDUCTANCIA CRITICAINDUCTANCIA CRITICA Fig 5.10.Lmite deoperacin continua del convertidor directoa)Circuito(1)b)Formas de onda de iL y vL(3)) 09 . 5 ( ) D 1 (2i 2T1DVcL)2V1V (2i 2DTcL2i )2V1V (cL 2DT)Li) 2V1V (cL 2ont2p , LiLi> =< = < = =>= = < >= < >= < > >=< < >1 2V V 14INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA II.UNIDAD V. UFPS.Para implementar los interruptoresdel convertidor indirecto, condispositivos semiconductores depotencia, se siguen los siguientespasos:1.Se determinan del circuito(fig5.13a), los grficos v-t para Syx y Sxz.Los resultados para Sxz se muestranen la figura 5.13c), y el de Syx en lafigura 5.13b).2.De los grficos anteriores, sedetermina el grfico v-i de cadainterruptor.El interruptor Syx debe tenercapacidad, para transportar corrientepositiva (de y hacia x) y soportarvoltajepositivo(Vyx >0).El cuadrantedetrabajodel semiconductor, enelgrficov-i esel I. El interruptorSxzdebe tener capacidad, paratransportar corriente negativa(de z ax) y capacidad para soportar voltajepositivo (Vxz >0)3.Se comparan los requerimientos delos interruptores, con lascaractersticas ideales de lossemiconductores(tabla 1.01), y seseleccionan los que se adecuen .El resultadodelacomparacinsemuestra en la fig 5.13a). Sxzcorresponde a un diodo conpolarizacin inversa, y Syxcorrespondeauntransistor mosfetcanal n5 55 5. .. .8 88 8. .. .2 22 2 IMPLEMENTACION IMPLEMENTACION IMPLEMENTACION IMPLEMENTACION DE DE DE DE INTERRUPTORES( INTERRUPTORES( INTERRUPTORES( INTERRUPTORES(1 11 1) )) )Fig 5.13 Implementacin de interruptoresa)Circuito(1)b)Forma de onda de Sxy(1)c)Formas de onda de Sxz(1)15INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA II.UNIDAD V. UFPS.5.8.35.8.35.8.35.8.3 MODELO CIRCUITAL PARAMODELO CIRCUITAL PARAMODELO CIRCUITAL PARAMODELO CIRCUITAL PARARIZADORIZADORIZADORIZADO DE VOLTAJE Y CORRIENTE(1) DE VOLTAJE Y CORRIENTE(1) DE VOLTAJE Y CORRIENTE(1) DE VOLTAJE Y CORRIENTE(1)Fig 5.14 Modelos circuitales paralos rizados de voltaje y corrientedel convertidor indirectoa)Modelo para rizado decorriente(1)b)Modelo para rizado deVoltaje(1)) 15 . 5 ( xz' vxzvxzvz' iziziy' iyiyi+ > = = =