resumen potencia

CONVERTIDORES DC-DCCONVERTIDOR BUCK - BOOST

Un convertidor BUCK_BOOST suministra un voltaje de salida que puedeser menor o mayor que el voltaje de entrada, de allí su nombre; lapolaridad del voltaje de salida es opuesta a la polaridad del voltaje deentrada. A este circuito se denomina también “Regulador Inversor”.

Circuito Conceptual Básico

Ing. A Alfaro, UTN QI 2014

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CONVERTIDORES DC-DCCONVERTIDOR BUCK-BOOST

Operación conceptual


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Operación conceptualFormas de onda


Interruptor Cerrado

La tensión en la bobina es

por lo que ,

Como Vs, y L son constantes, podemos decir que :

Calculamos ∆iL con el interruptor cerrado


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Interruptor Abierto

Cuando el interruptor está abierto, la corriente en la bobina no puedevariar instantáneamente, por lo que el diodo estará polarizado endirecta y pasará corriente por la resistencia y el condensador. Latensión en la bobina es

por lo que ,

Como Vo y L son constantes, podemos decir que :


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Cálculos par el Ciclo de Trabajo (Duty Cycle):

En la operación en régimen permanente es necesario que la corriente de labobina sea la misma al final y al principio de cada ciclo de conmutación, por loque la variación neta de la corriente de la bobina en un periodo será cero. Paraello se debe cumplir

Observe que la tensión de salida tiene polaridad opuesta al voltaje deentrada y que además sólo depende de la entrada y del ciclo de trabajoD.


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La magnitud de salida del convertidor reductor-elevador puede ser menor omayor que la de la fuente, en función del ciclo de trabajo del interruptor. Si D> 0,5 la salida será mayor que la entrada, y si D < 0,5 la salida será menorque la entrada. Por tanto, este circuito combina las características de losconvertidores reductor y elevador. Sin embargo, la inversión de la polaridaden la salida puede ser una desventaja para algunas aplicaciones ( masadelante veremos una solución ).


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Vo = - Vs D/ (1-D)

f (D) = D/ (1-D)

Vo = - Vs f(D)

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Si D < 0,5 , Vo será ≤ Vs

Operación como Buck

Si D > 0,5 , Vo será > Vs

Operación como Boost



Cálculos para el Inductor L:

La energía se almacena en la bobina cuando el interruptor estácerrado y se entrega a la carga cuando está abierto. El voltaje deentrada nunca aparece directamente en la carga, por tanto, elconvertidor reductor-elevador también se denomina convertidorindirecto.

La potencia absorbida por la carga debe ser igual a la entregada por la fuente,

La corriente media de la fuente se relaciona con la corriente media en la bobina del siguiente modo

con lo que ,


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10LDTV

RDDViII

LDTV

RDDViII

LDTVicomo

SSLLL

SSLLL

SL

2)1(2

2)1(2

22,

2min

2max

Entonces la variación de corriente se expresa ,



Para que el análisis anterior sea válido, es necesario verificar que existeuna corriente permanente en la bobina, de modo que el valor mínimo de lacorriente en la bobina debe ser positivo para tener una corrientepermanente. Entonces existirá una inductancia L mínima que garanticeque la corriente mínima Imin = cero ( no puede ser negativa)

L min, la inductancia mínimanecesaria para Operación enModo Continuo

Las frecuencias típicas de conmutación varían en el rango comprendido entre20 kHz y 50 kHz, aunque también se utilizan frecuencias de cientos de Khz.

= 0 VsD/R(1-D2) = VsDT/2L


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El calculo de L tomando en consideración el Rizado de corriente el inductor,se puede hacer de la siguiente manera:



Cálculos para Irms en Inductor L:

El valor de la corriente Irms en L, será:

22

12

L

LLrmsIII

fIDVLcalculamos

LDTVicomo

rrienterizadodecoIir

L

S

SL

L

L

)3.0(

22,

%30,


Cálculos para el Capacitor C:

Para el análisis anterior hemos supuesto que el condensador es muygrande para que la tensión de salida fuese constante. En la práctica noserá posible mantener perfectamente constante la tensión de salida conuna capacidad finita. La variación periódica de la tensión de salida, orizado, se calcula a partir de la relación entre la tensión y la corriente delcondensador. La corriente en el condensador esta dada por :


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También es útil expresar el rizado como una fracción de la tensión de salida:


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Cálculos para el Capacitor C:

Otro aspecto a considerar es el efecto de la resistencia parásita interna delcapacitor (ESR) sobre el Rizado en el capacitor que también será el queaparece en el voltaje de salida Vo;

El capacitor debe soportar una corriente rms,

RCfD

VVo

o

o

o

o

o

VfDI

VRfDVC

)21

( Lo

o

ID

IVESR

DDII oCrms

1

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El transistor para la conmutación de potencia puede ser un MOSFET, IGBT, JFET o un BJT. Sin embargo los MOSFET de potencia han ganado mucho terreno dadas sus características de conmutación.

Para todas las aplicaciones practicas vamos a utilizar el transistor como eldispositivo ideal de conmutación.El transistor que se elija como conmutador en un convertidor CD-CDBuck Boost, debe permitir tiempos rápidos de conmutación y debesoportar picos de voltaje producidos por el inductor L. Debe además serfácil de controlar en su compuerta.El dimensionado del conmutador de potencia se determina también por lacorriente de carga y la caída de voltaje en terminales.

CONVERTIDORES DC-DCCONVERTIDOR BUCK BOOST

Selección del Dispositivo de Conmutación:

active

ohmic

i D

v DSBV DSS

V GS1

GS2V

GS3V

GS4V

GS5V

[v - V = v ]GS GS(th) DS

V GS(th)V <GS

ONONDSrmsDC tRIP )(2

)(


Como hemos supuesto que el dispositivo conmutador no tiene perdidas, y quela bobina y el capacitor son ideales, podemos decir que la potencia deentrada al convertidor es igual a la potencia de salida. En tal caso laeficiencia de convertidor seria 100%.

En la realidad esto no es así; ya que hay 2 tipos de perdidas de potencia:1) Perdidas por conducción de corriente continua ( Principalmente

resultan de las caídas de voltaje en el transistor Q1, el diodo CR1 y laresistencia (DCR) interna de L. ). Estas perdidas son las mayoritarias y portanto las que consideraremos para efectos de este curso.

2) Perdidas por conmutación AC ( provocadas por los tiempos derecuperación de Q1 y del diodo D1, así como de las perdidas en L ante AC)


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Cálculos para los consumos de potencia:

CONVERTIDORES DC-DCCONVERTIDOR BUCK BOOST


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Perdidas en el convertidor

Cuando un MOSFET es usado como dispositivo conmutador, las perdidasdurante la conducción DC serán igual a :

,donde RDS(ON) es la resistencia interna del MOSFET cuando esta en saturación.

Las perdidas en el diodo D1 serán:

, donde VD es la caída de voltaje en el diodo cuando conduce.

Las perdidas en el inductor L, serán igual a:

, donde Rcu=RDCR es la resistencia interna del arrollado de la bobina.



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Calculos para la eficiencia

Considerando las perdidas por conducción DC únicamente, la eficiencia del convertidor será

%100arg

arg

dcac

ac

PPP

Por lo tanto estas perdidas se puede expresar como:

InductorDiodoDQDDC PPPP )()1(

CONVERTIDORES DC-DCCONVERTIDOR BUCK-BOOST EJEMPLO 4-6

Diseñe un convertidor reductor-elevador que entregue una carga de 75 W a50 V utilizando una fuente de 40 V. El rizado de salida no deberá sersuperior al 1%. Especifique el ciclo de trabajo, la frecuencia deconmutación, el tamaño de la bobina y el tamaño de condensador.


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CONVERTIDORES DC-DCCONVERTIDOR CUK

“Convertidor de Cuk” fue desarrollado por el profesor Slobodan Cuk delCalifornia Institute of Technology. La principal diferencia entre esteconvertidor y los circuitos clásicos radica en la utilización de uncondensador en lugar de una inductancia para el almacenamiento deenergía durante una parte del ciclo y su posterior entrega a la cargadurante el resto del mismo. Un convertidor CUK suministra un voltaje desalida que puede ser menor o mayor que el voltaje de entrada, y lapolaridad del voltaje de salida es opuesta a la polaridad del voltaje deentrada. La configuración básica del Convertidor de Cuk se deriva de laoperación en serie de las configuraciones básicas tipo boost y buck.

Circuito conceptual básico


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Al contrario de lo que sucedía en las anteriores topologías de convertidores, dondela transferencia de energía estaba asociada a la bobina, la transferencia de energíapara el convertidor CUK dependerá del condensador C1.


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La tensión media en C1 se calcula aplicando la ley de Kirchhoff para lastensiones en el bucle exterior. La tensión media en las bobinas es nulacuando el circuito funciona en régimen permanente, por lo que


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sc VVABIERTO

1oc VVCERRADO

1

osc VVV 1


Interruptor CerradoCuando el interruptor está cerrado durante DT, el diodo está cortado y lacorriente en el condensador C1 es


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Cuando el interruptor está abierto, las corrientes en L1 y L2 fuerzan aldiodo a entrar en conducción. La corriente en el condensador C1 es por loque ,

Interruptor Abierto


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Operación en régimen permanente

En régimen permanente, la corriente media en los condensadores es cero.Teniendo en cuenta que el interruptor estará activado un tiempo DT ydesactivado un tiempo (1 - D)T, obtenemos

Como la potencia entregada por la fuente debe ser igual a la potenciaabsorbida por la carga,


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Observe que la tensión de salida tiene polaridad opuesta al voltaje deentrada y que además sólo depende de la entrada y del ciclo de trabajoD.

Se obtiene la siguiente relación entre la tensión de salida y la tensión de entrada,



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Vo = - Vs D/ (1-D)

M (D) = (Vo / Vs )

M (D) = - D/ (1-D)

La magnitud de salida del convertidor reductor-elevador puede ser menor omayor que la de la fuente, en función del ciclo de trabajo del interruptor. Si D> 0,5 la salida será mayor que la entrada, y si D < 0,5 la salida será menorque la entrada. Por tanto, este circuito combina las características de losconvertidores reductor y elevador. Sin embargo, la inversión de la polaridaden la salida puede ser una desventaja para algunas aplicaciones.


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Nota: durante ambossubintervalos de tiempo, lacorriente iC2 en el capacitor C2es igual a la diferencia decorriente en el inductor I2 y lacorriente en la carga V2/R.

I2=iC2+IR

I2=iC2+IR

iC2= I2- IR

iC2= I2- IR


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Para que el análisis anterior sea válido, es necesario verificar queexiste una corriente permanente en las bobinas, de modo que el valormínimo de la corriente en cada bobina debe ser positivo para teneruna corriente permanente. Entonces existirá una inductancia L1 y L2mínima que garantice que la corriente mínima Imin = cero ( no puede sernegativa)

IL1min= IL1 - ∆iL1/2 IL2min= IL2 - ∆iL2/2

0 = IL1 - ∆iL1/2 0 = IL2 - ∆iL2/2


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Observe que los componentes a la salida (L2, C2 y R) están configurados dela misma manera que el convertidor reductor (BUCK) y que la corriente enla bobina presenta la misma forma que en el convertidor reductor. Portanto, el rizado o variación de la tensión de salida es la misma y esta dadapor :

Se puede estimar el rizado en Cl calculando la variación de vc1 , en elintervalo en el que está abierto el reductor y las corrientes iL1 e ic1 soniguales. Suponiendo que la corriente en L1 es constante y su valor es I L1


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CONVERTIDORES DC-DCCONVERTIDOR CUK EJEMPLO 4-7

Diseñe un convertidor CUK que presente una entrada de 25 V , y una salidade - 30 V. La carga es de 60 W. Especifique el ciclo de trabajo, la frecuencia deconmutación, los valores de las bobinas y los valores de los condensadores.La variación máxima de la corriente en las bobinas debe ser un 40 % de lascorrientes medias. El rizado en Cl debe ser menor que un 5 % , y el rizado dela tensión de salida debe ser menor que el 1%. La frecuencia de conmutaciónes 100 KHz.


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CONVERTIDORES DC-DCCONVERTIDOR CUK EJEMPLO 4-7


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COMPARACION ENTRE CONVERTIDORES DC-DC


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resumen potencia

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