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Convertidores Continua/ Continua: Topologías básicas

Convertidores Continua/ Continua: Topologías básicas. Universidad de Oviedo. Área de Tecnología Electrónica. Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo. Fuente primaria de tensión continua. Convertidor CC/CC. +. Carga. (sistema electrónico). ¿Qué es un convertidor CC/CC?.

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Convertidores Continua/ Continua: Topologías básicas

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Presentation Transcript

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

  2. Fuente primaria de tensión continua Convertidor CC/CC + Carga (sistema electrónico) ¿Qué es un convertidor CC/CC? 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. Realimentación Carga Convertidores CC/CC basados en reguladores lineales (I) Idea básica Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

  5. Realimentación Carga Convertidores CC/CC basados en reguladores lineales (II) Realización física 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. Carga1 +5V Red CA Carga2 +15V Carga3 -15V Sistemas basados en reguladores lineales 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. + VO PWM Vg - Carga Regulador conmutado VO Vg t Convertidores CC/CC conmutados (I) Idea básica Carga Regulador lineal Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

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

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

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

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

  14. Mando t iL iS= iL + t iL - Vg iS iS VO t VO iD iD Vg t + iD= iL d·T - VO T 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). Durante d·T Durante (1-d)·T Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

  15. + Circuito en régimen permanente vL = 0 - iC = 0 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. 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. Mando t Circuito en régimen permanente iL + iL t vL = 0 - vL + t - d·T T 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” Áreas iguales Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

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

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

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

  20. IO ig + VO = Vg·d VO R Vg - IO = ig/d 1 : d Análisis del convertidor reductor(VII) Otra forma de razonar (II): 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. Controlado por el mando VO R Vg VO Convertidor reductor Vg Incontrolado d VO 1-d Vg Flujo de potencia ¿Es posible encontrar un convertidor que eleve tensión? (I) Partimos del convertidor reductor: Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

  22. d d 1-d VO 1-d Vg 1-d d VOVg VgVO Flujo de potencia Flujo de potencia Vg d ¿Es posible encontrar un convertidor que eleve tensión? (II) Cambiamos las V Reductor Otro convertidor 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. 1-d 1-d Vg VO d VO Vg d Flujo de potencia Flujo de potencia Vg VO ¿Es posible encontrar un convertidor que eleve tensión? (III) Cambiamos la forma de dibujar el circuito Convertidor ELEVADOR (Boost) Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

  24. vD vS - + + - + + VO VO Vg vD Vg vS - - Reductor Elevador Modificaciones d 1-d 1-d d VOVg VgVO VO<VgVO>Vg El convertidor reductor frente al elevador 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. iL iD iL= iS Mando Vg t VO iS iL Vg iL t iL= iD iS iS + t - Vg VO iD iD Durante (1-d)·T t iL = IO·VO/Vg iS = iL·d d·T T iD = iL·(1-d) Análisis del conv. elevador (Boost) (En modo continuo de conducción) IO R Durante d·T • Balance voltios·segundos Vg·d·T+(Vg-VO)·(1-d)·T = 0 VO = Vg/(1-d) • Balance de potencias Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

  26. R Vg El cortocircuito y la sobrecarga en el convertidor elevador 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. + + 1-d d Vi Vg Vo d 1-d - - Reductor Elevador d 1-d Vg VO VO d Vg 1-d ¿Es posible encontrar un convertidor que pueda reducir y elevar? (I) VO/Vg = (VO/Vi )·(Vi/Vg ) = d/(1-d) Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

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

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

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

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

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

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

  36. iL iL iL iL iL iL El modo de conducción en los tres convertidores básicos (II) R1 • 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 t Rcrit > R2 Este es el caso crítico t Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

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

  38. iL iL R = Rcrit iL iL t iL Comparación de la tensión de salida en ambos modos de conducción R< Rcrit Recuérdese: Al variar IO varía el valor medio de 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. R > Rcrit iL t Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

  39. iL t iL t iL t Nos acercamos a las condiciones críticas (y por tanto al modo discontinuo) si: • 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. Mando t iL iL t iD iD t vL VO Vg + - t d·T d’·T VO VO Vg T Vg Vg VO (d’·T) (1-d-d’)·T (d·T) Modo discontinuo de conducción • Existen 3 estados distintos: • Conduce el transistor (d·T) • Conduce el diodo (d’·T) • No conduce ninguno (1-d-d’)·T Ejemplo Vg VO Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

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

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

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

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

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

  47. Circuito en régimen permanente B = B - A = (vi/ni)·dt A + + v1 v2 - - n1 : n2 (vi /ni)= 0 Operación en régimen permanente de un elemento magnético con dos devanados Ley de faraday: vi = ni · d/dt En régimen permanente: ()en un periodo= 0 Luego: 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. max  n1 V1 t vi/ni V1/n1 + n2 - t V2 V2/n2 d1·T d2·T T Operación en régimen permanente de un elemento magnético con varios devanados:ejemplo “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. n1 V1 n2 V2 El convertidor directo (forward) (I) Desmagnetización basada en la tensión de entrada V1 = V2 = Vg n1 Teniendo en cuenta: d’ = d·n2/n1 d’ < 1 - d obtenemos: d < n1/(n1 + n2)  dmax = n1/(n1 + n2) Vg n2 Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

  50. vD2 + - + n1 VO vD1 - + Vg + n2:n3 - Vg·n3/n1 vS VO - Durante d·T + VO - Durante (1-d)·T El convertidor directo (II) dmax = n1/(n1 + n2) 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

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