FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIAINFORME FINAL Fuentes Conmutadas Fabio Andrés Jiménez Báez 2052795, Oscar Ricardo Rodríguez 2051527, Sergio Andrés Amado Gómez 2050668, Grupo A2 Presentado a: Ing. Nelfor Castelblanco RESUMEN: Mediante este documento, mostramos las generalidades sobre las fuentes conmutadas, conceptos básicos, descripción de su topología, principio de funcionamiento y análisis del modelo matemático de cada una, ventajas y desventajas de cada tipo de topología y aplicaciones. I. INTRODUCCIÓN Los convertidores DC-DC son circuitos electrónicos de potencia que convierten una tensión continua en otro nivel de tensión continua y, normalmente, proporcionan una salida regulada. Los convertidores de potencia DC-DC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, incluyendo fuentes de alimentación para computadores personales, equipos de oficina, alimentación de sistemas de navegación, equipos portátiles, y equipos de telecomunicaciones, así como las unidades de motores CD. La entrada de un convertidor DC-DC es una tensión continua no regulada Vg. El convertidor produce una salida regulada de voltaje V, con una magnitud (y posiblemente en la polaridad) que difiere de la Vg. Por ejemplo, en una línea de alimentación, el voltaje 120 V o 240 V es necesario rectificarlo para las aplicaciones anteriormente mencionadas, produciendo una tensión continua de aproximadamente 170 V o 340 V, respectivamente. Un convertidor DC-DC luego reduce la tensión a la regulada de 5 V o 3,3 V requerida por los circuitos de un procesador. Obtener una alta eficiencia siempre es un parámetro requerido ya que el enfriamiento de convertidores ineficientes de potencia es difícil y caro. El convertidor DC-DC ideal muestra 100% de eficiencia, en la práctica, estos presentan una eficiencia de 70% a 95% típicamente. Esto se logra utilizándose en modo conmutado, o troceador, donde los elementos de sus topologías poseen elementos que disipan muy poca energía. La modulación del ancho de pulso (PWM) permite el control y la regulación de la tensión de salida total. Este enfoque también se emplea en aplicaciones que impliquen alterna corriente alterna, incluidos los convertidores de potencia DC-AC de alta eficiencia (inversores y amplificadores de potencia. 1 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Los circuitos descritos en este trabajo se clasifican como convertidores DC-DC en modo conmutado o convertidores DC-DC conmutados, que también se denominan fuentes de alimentación conmutadas. Este artículo presenta una panorámica de las más importantes topologías de los convertidores DC-DC. Las topologías del convertidor DC-DC pueden ser divididas en dos partes principales, en función de si tienen o no un aislamiento galvánico entre el suministro de la fuente y la salida del circuito Las topologías de los convertidores DC-DC pueden ser divididas en dos partes principales, de a cuerdo a si tienen o no aislamiento galvánico entre el suministro la alimentación y la salida del circuito. A) Reguladores conmutados sin aislamiento De acuerdo con la posición del interruptor y el rectificador, podemos obtener diferentes tipos de convertidores de tensión: A.1) Regulador reductor “Buck” A.2) Regulador elevador “Boost” A.3) Regulador reductor-elevador “Buck - Boost” B) Convertidores con aislamiento Los convertidores con aislamiento se pueden clasificar de acuerdo a su cambio de dirección en la curva del ciclo de histéresis B vs. H. Un convertidor con aislamiento es asimétrico si el punto de operación magnético del transformador permanece en el mismo cuadrante. Cualquier otro convertidor, por supuesto, es simétrico. Tenemos entonces: B.1) Convertidor Asimétrico B.2) Regulador off line forward B.3) Convertidor simétrico: Este tipo de convertidor siempre utiliza un número par de interruptores. También se aprovecha mejor el circuito magnético del transformador que en los convertidores asimétricos. Por lo tanto, es de menor tamaño y su peso puede ser alcanzado. Las tres estructuras más comúnmente utilizadas son los siguientes: B.3.1) PUSH / PULL B.3.2) Medio puente con condensadores B.3.3) PUENTE COMPLETO 2 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Un convertidor conmutado básico: Una alternativa más eficiente a un regulador lineal es el convertidor conmutado. En un convertidor conmutado, el transistor funciona como un interruptor electrónico, al estar completamente activado o completamente desactivado (saturación o corte para un transistor bipolar BJT). Este circuito también se denomina troceador de continua (DC chopper). Si suponemos que el interruptor de la figura es ideal a la entrada cuando el interruptor está cerrado y es cero cuando está abierto. La apertura y cierre periódicos del interruptor producen la salida de pulsos mostrada. La media o componente de continua de la salida es: La componente continua de la salida se controla ajustando el ciclo de trabajo D, que es la fracción del periodo en la que el interruptor está cerrado: Siendo “f” la frecuencia de conmutación en hercios. En este circuito, la componente continua de la salida será menor o igual a la entrada. La potencia absorbida por el interruptor ideal es cero. Cuando el interruptor está abierto, no pasa corriente por él; cuando el interruptor está cerrado, no cae tensión en el mismo. Por tanto, la carga absorbe toda la potencia y la eficiencia de energía es del 100%. En un interruptor real se producirán pérdidas, porque la tensión del interruptor no será cero cuando conduzca y el interruptor deberá pasar por la región lineal al pasar de un estado a otro. 3 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” . A.1.1. como podemos observar en la figura A. Regulador reductor (BUCK) Esta topología es la más básica para un convertidor DC-DC.1 Regulador Reductor “Buck” 4 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. A) REGULADORES CONMUTADOS SIN AISLAMIENTO De acuerdo a la posición del conmutador y del rectificador se pueden hacer varios tipos de convertidores. Electrónica y Telecomunicaciones . Fig. A-1.1 este está compuesto por un modulo de switcheo y un filtro pasa bajos.FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Ahora se detallarán algunas variaciones comunes de estos circuitos utilizadas en muchos diseños de fuente de alimentación de continua. Las frecuencias típicas de conmutación se encuentran en el rango de 1 kHz a 1 MHz.1. La frecuencia de conmutación fs es igual a 1/Ts.E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” . Fig. 0< D <1.FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA El voltaje en la carga Vs (t) es igual a Vg cuando el interruptor está en la posición 1. o tiristores. dependiendo de la velocidad de los dispositivos semiconductores. A. IGBT.La posición del interruptor se varía periódicamente. BJT. Electrónica y Telecomunicaciones . y es igual a cero cuando el interruptor está en la posición 2.2 Circuito típico para un convertidor “Buck” Formas de onda de la corriente de entrada y la tensión en la carga 5 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. MOSFET de potencia. El ciclo de trabajo es igual a la fracción de tiempo que el interruptor se conecta en la posición 1. de modo que Vs (t) muestra una forma de onda rectangular con "Ts" y período de ciclo de trabajo D. y por lo tanto. En la práctica. el interruptor de SPDT se construye utilizando dispositivos semiconductores tales como diodos. el valor medio. De esta manera obtenemos la ecuación: Del mismo modo. el voltaje en la bobina VL (t) debe ser igual a cero. Electrónica y Telecomunicaciones . la aplicación del principio de equilibrio de carga en el condensador obtenemos: Y combinando estas ecuaciones podemos resolver las incógnitas V e IL 6 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica.FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Observamos en la figura que la corriente It aumenta de una manera aproximadamente lineal para ese intervalo de tiempo debido a que el inductor no permite cambios bruscos.E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” . También observamos que durante el tiempo que el interruptor T está abierto la corriente circula por el diodo Id forma un circuito RLC paralelo donde la corriente en la carga cae mientras que si el interruptor está cerrado esta corriente es creciente. La tensión de salida también puede expresarse como: Vout = Vin. o el componente de corriente continua. El voltaje en el inductor puede ser espresado como: Y la corriente en el condensador como: Cuando el convertidor opera en estado estacionario. El dispositivo es conmutado a una frecuencia f = 1 / T con un ciclo de conducción = Ton / T. E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” . La eficiencia resultante para esta topología seria: Eficiencia para en función del ciclo de trabajo.FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Grafico de la relación entre la tensión de salida y la de entrada para distintos valores de resistencia en el inductor y resistencia de carga. 7 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. Electrónica y Telecomunicaciones . Regulador elevador (Boost) El convertidor Boost es un convertidor elevador.2. la salida del condensador se destaca mucho más que en el convertidor Buck.E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” . en el sentido de que su tensión de salida nunca puede ser menor que la de entrada. B. Electrónica y Telecomunicaciones .Así que no es discontinua como en el convertidor BUCK y los requisitos en el filtro de entrada son menores en comparación con los de un convertidor BUCK.1 El principio básico de un convertidor elevador consta de dos estados distintos: • • • En el estado encendido. Esto se traduce en la transferencia de la energía acumulada durante el estado de encendido en el condensador. En condiciones de operación. La corriente de entrada actual es la misma que la corriente del inductor como puede verse en la figura .FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA B-2. Esta topología presenta la diferencia de que el inductor está ubicado antes del interruptor de conmutación. la energía es transmitida desde el inductor a la carga. En el Off-estado. La ventaja de esta arquitectura de convertidor es la posibilidad de aumentar la tensión de salida respecto a la de entrada en un factor de hasta aproximadamente 10 sin necesidad de transformador. Fig. Por esta razón. el interruptor está cerrado. lo que resulta en un aumento de la corriente del inductor. el condensador C y la carga de R. la utilización de un inductor siempre es mas económica que el uso de un transformador. El análisis de las formas de onda es similar a la topología anterior. el interruptor está abierto y el camino de la corriente en el inductor se restringe a través del diodo D. y después se almacena en el condensador. 8 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” . Electrónica y Telecomunicaciones . De esta manera obtenemos la función de transferencia en régimen estacionario como: 9 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. la tensión en bornes del inductor durante un periodo completo será cero. Esto significa que los Voltios-segundos aplicados = Voltios segundos entregados.FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Formas de onda De acuerdo con la ley de Faraday. FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Para la condición de régimen estacionario: Teniendo en cuenta una variación especifica par la tensión de entrada: Teniendo en cuenta las perdidas en el circuito real se define: Vf = caída de tensión en la conducción del diodo. Vsat= Caída de tensión del transistor en saturación. VL = caída de tensión en la resistencia RL de la bobina. Obtenemos entonces: 10 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica.E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” . Electrónica y Telecomunicaciones . E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” .FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Realizando el balance de voltios segundos en el inductor e igualando a cero obtenemos: Combinando tenemos: las ecuaciones anteriores Característica del convertidor 11 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. Electrónica y Telecomunicaciones . la topología de este convertidor es la siguiente: Fig B.1 Regulador “Buck-Boost” 12 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica.3. Su tensión de salida puede ser tanto elevadora como reductora dependiendo del ciclo de trabajo.Boost”. Electrónica y Telecomunicaciones . El convertidor Buck Boost es un dispositivo utilizado para la inversión de la tensión de salida respecto a la de entrada.E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” .FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA B-3. Convertidor Reductor-elevador “Buck. Electrónica y Telecomunicaciones .E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” . Al igual que los convertidores anteriores.FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Formas de onda características convertidor Buck Boost Este convertidor puede ser obtenido a partir de la conexión en cascada de un convertidor Buck seguido de un convertidor Boost. dependiendo de la continuidad en la corriente en el inductor durante un periodo de funcionamiento podemos estar trabajando en modo continuo o discontinuo. Para hacer el análisis del modelo matemático podemos decir que la función de transferencia para este convertidor es: 13 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. Si n = Np / Ns es la razón de transformación del transformador se tiene: Los reguladores Off-line Flyback se utilizan principalmente para una potencia de salida que va desde 30W hasta 250W. El valor máximo de esta 14 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. durante el tiempo en el que el interruptor está encendido.1) Convertidores asimétricos: B. La topología (Flyback) es dedicado a múltiples salidas de bajo costo SMPS ya que no hay inductor de filtro en la salida.1.E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” . cuando está apagado el interruptor. a) interruptor simple versus doble interruptor flyback: En el flyback sencillo una sobretensión pico se aplica a través del interruptor de alimentación que se en cada conmutación. y transferido al secundario. Electrónica y Telecomunicaciones . tenemos: B.1) Regulador Off-line flyback La energía se almacena en la inductancia del primario (Lp) del transformador.FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Ahora si tenemos en cuenta los componentes reales de estos convertidores y considerando una variación específica para la tensión de entrada. Electrónica y Telecomunicaciones .E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” .1 Interruptor sencillo aislado Flyback 15 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. Por lo tanto. y la inductancia de dispersión primaria al secundario del transformador. un único interruptor flyback casi siempre requiere un circuito snubber el cual limitará esta tensión de pico el cual se muestra a continuación. Fig.1. B.FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA sobretensión depende del tiempo de conmutación. la capacitancia del circuito. Los dos diodos de desmagnetización (D1 y D2) proporcionan una sola forma en la que no son disipativos de manera sistemática la tensión se afianza a través de los interruptores en la entrada de de voltaje DC.2 Interruptor doble aislado Flyback 16 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica.E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” . B. Este interruptor doble Flyback es también conocido como flyback asimétrico de medio puente. Electrónica y Telecomunicaciones .FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA En un interruptor doble flyback. Sin embargo. Fig. la fuga inductiva del transformador de potencia es mucho menos crítica.2. la estructura con doble interruptor requiere la conducción de un lado de alta del interruptor. Esta recuperación de energía del sistema nos permite trabajar a altas frecuencias de conmutación y con una mejor eficiencia que con la estructura con un solo interruptor. E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” . Modo discontinuo: VENTAJAS cero perdidas alimentación para el interruptor DESVENTAJAS de Corrientes de alto pico en los rectificadores y en los interruptores Largo rizado de salida: Cout (Disc) (Cont. Electrónica y Telecomunicaciones . b.3 Formas de onda discontinuas del modo Flyback 17 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica.FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA b) discontinuo versus modo discontinuo: El convertidor flyback tiene dos modalidades operativas dependiendo de si la inductancia primaria del transformador es completamente desmagnetizante o no.) 2Cout Buena línea transitoria / respuesta de carga Circuito de realimentación (de un solo polo) fácil de estabilizar Tiempo de recuperación del rectificador no es crítico: corriente es cero mucho antes de invertir el voltaje aplicado. Fig.2. b.E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” .) (Disc) 0. Electrónica y Telecomunicaciones .3 Formas de onda continuas del modo Flyback 18 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica.5Cout circuito de realimentación difícil estabilizar (2 polos y correcto plano medio cero) Fig.2.FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Modo Continuo: Ventajas Desventajas Pico de corriente del rectificador y el interruptor Tiempo de recuperación de las pérdidas del es la mitad del valor de modo discontinuo rectificador Bajo rizado de salida: Cout (Cont. la energía rueda libre a través del inductor de salida D2. Así que apagado.2) Reguladores off line forward: El convertidor forward transfiere directamente la energía a partir de la fuente de entrada a la carga durante el tiempo de encendido.FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA B. la tensión de entrada. 19 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. La desmagnetización y el devanado primario deben de estar bien acoplados para reducir la tensión de pico más que el teórico 2 Vin.E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” . el primario y el devanado de desmagnetización tienen el mismo número de vueltas. de acuerdo a la forma en la energía de desmagnetización almacenada en la inductancia del primario del transformador. Se produce cierres a través del interruptor de la fuente. como un chopper . Interruptor sencillo vs doble interruptor Forward: Con interruptor sencillo la energía de desmagnetización almacenada en la inductancia primaria es restaurada a la fuente entrada por un devanado de desmagnetización. el interruptor de alimentación tiene que resistir el doble de la tensión de entrada durante el tiempo de desmagnetización y. Convertidores forward son de uso general para potencia de salida de 250W en interruptores sencillos y arriba de un 1 KW en la estructura de doble interruptor. Electrónica y Telecomunicaciones . Vout Un regulador Forward puede realizarse con una estructura de un solo interruptor o con una estructura de interruptor doble. luego. Más comúnmente. E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” . Electrónica y Telecomunicaciones .4 Interruptor sencillo aislado Forward 20 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica.2.FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Fig b. el medio puente asimétrico necesita una puerta flotante para manejar el lado alto interruptor. 21 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. Como para el Flyback de doble interruptor.E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” .FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA En el interruptor “Doble interruptor Forward” también llamado Forward asimétrico de medio puente. Los dos interruptores y los diodos de desmagnetización tienen que soportar cada uno por sí mismo el voltaje de entrada Vin. Electrónica y Telecomunicaciones . la energía magnetizante almacenada en la inductancia del primario se vuelve automáticamente al condensador plano por los dos diodos de desmagnetización D1 y D2. 2.E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” .FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Fig. Electrónica y Telecomunicaciones .5 Convertidor asimétrico Forward de medio puente 22 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica.b. La inductancia magnetizante del transformador no es un parámetro de diseño. dicha relación debe ser menor que 0. El valor límite del inductor con filtro es: Lb= 23 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. los diodos están encendidos y comparten por igual la corriente del inductor filtrada.5.3.1.E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” .3) convertidores Simétricos: B. siendo D el ciclo de trabajo de cada interruptor. los estados de los diodos se invierten al estar el interruptor T2 encendido.1) Convertidor Push-Pull (o en contrafase) Es un convertidor DC-DC que proporciona aislamiento por medio de un transformador. Los interruptores T1 y T2 operan con un cambio en la fase de T = 2 con el mismo ciclo de trabajo D.FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA B. En el análisis anterior se ha supuesto que la corriente en la bobina es permanente. sin embargo. Una amplitud de pulso modulado (PWM) del convertidor de potencia es mostrada en la figura b.3. Cuando el interruptor T1 está encendido. el diodo D1 conduce y el diodo D2 está apagado. Cuando los dos interruptores controlables están apagados. Electrónica y Telecomunicaciones . La función de transferencia de tensión del convertidor DC push-pull es: Mv = Donde n=Np/Ns. El circuito secundario opera al doble de la frecuencia de conmutación.E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” .B. 24 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. Los diodos del secundario rectifican la forma de inda de pulsos y producen una forma de onda Vx a la entrada del filtro pasa bajo. Electrónica y Telecomunicaciones .FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA El capacitor con filtro puede ser obtenido: Cmin= ² → El rizado de salida del convertidor push-pull es: ² En el análisis anterior se ha despreciado la inductancia desmagnetizante del transformador. ya que ellos inter-reaccionan. como se muestra en la fig. Los interruptores T1 y T2 son alternadamente encendidos durante un tiempo “ton”. Un tiempo muerto “td” entre el final de la conducción de uno de los interruptores y el tiempo de encendido de el otro interruptor es requerido en este orden para evitar la conducción simultanea de ambos interruptores.3. Al conmutar T1 y T2 se producen pulsos de polaridad opuesta en los devanados primarios y secundarios del transformador. Los problemas de simetría de flujo inherentes pueden ser corregidos con un modo de corriente PWM en el circuito de control.1. Vout = 2 Además. la red de amortiguador en convertidores simétricos debe ser diseñada con cuidado. sin embargo ellos deben soportar dos veces el voltaje de suministro de entrada. Los interruptores son de fácil conducción ya que ellos están ambos referidos a tierra. Electrónica y Telecomunicaciones .E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” .FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA 25 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. Convertidor Push-pull B.E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” .2) convertidor Half-Bridge (medio puente) con condensadores La figura B.3. El convertidor de medio puente DC tiene como función de transferencia de voltaje: 26 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. Electrónica y Telecomunicaciones .3. el interruptor primario del transformador es simplificado a cargo de dos fuentes de voltaje compartidas con condensadores de entrada.FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Figura b. En comparación con éste convertidor.1. La operación del convertidor de medio puente de PWM es similar a él del convertidor push-pull.3.2 muestra el convertidor de medio puente de DC-DC. La forma de onda de la tensión rectificada en el secundario Vx es la misma que en el convertidor pushpull y en puente completo. El “tiempo muerto” (td) entre dos interruptores consecutivos de conducción es absolutamente necesario para evitar el cortocircuito en la rama del puente. . el tiempo de almacenaje del transistor debería tener tolerancias mínimas para evitar el desequilibrio en el nivel de flujo de operaciones. La tensión en bornes de cada uno de los interruptores abiertos del convertidor en medio puente es Vs. 27 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. siendo D el ciclo de trabajo de cada interruptor.E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” . pero la amplitud se reduce a la mitad. Cuando usamos interruptores bipolares.FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Mv = = . Los condensadores en serie a través del suministro se fijan en un punto medio de modo que los interruptores soporten sólo una entrada de voltaje a la vez Vin.5. Sin embargo. Así como para el convertidor push-pull. los interruptoresT1 y T2 son conectados alternadamente durante un tiempo “ton”. Electrónica y Telecomunicaciones . La relación entre la tensión d entrada y la tensión de salida del convertidor de medio puente es: Vout= . Donde: D ≤ 0. El valor límite del inductor con filtro es: Lb= El capacitor con filtro puede ser obtenido: Cmin= ² Esta topología puede ser usada para una capacidad de poder de salida hasta 500W. esta topología requiere la conducción de un alto lado del interruptor. FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA 28 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. Electrónica y Telecomunicaciones .E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” . 2.3. Electrónica y Telecomunicaciones .E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” .Convertidor de Medio Puente 29 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica.FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Figura B. Con todos los interruptores controlables apagados.3. dónde D ≤ 0. Esta tensión Vx es idéntica a la tensión Vx del convertidor push-pull. en lugar de 2vs como sucedía en los convertidores push-pull. lo que representa una ventaja del convertidor de puente completo. 30 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. el voltaje Vs de la fuente es aplicado al interruptor primario del transformador y el diodo D1conduce. b.3. Con T2 y T4 encendidos. que se muestra en la fig. Obsérvese que la tensión máxima en un interruptor abierto en el convertidor de puente completo es Vs. aparece un voltaje -Vs a través del primario del transformador y el diodo D2 conduce. se puede notar que los condensadores de entrada han sido sustituidos por dos interruptores controlables que son manejados en pares.E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” . ambos diodos conducen de la misma manera como en los convertidor es de medio puente y push-pull. Electrónica y Telecomunicaciones . El valor límite del inductor con filtro es: Lb= El capacitor con filtro puede ser obtenido: Cmin= ² Los diodos D1 y D2 del secundario del transformador rectifican la forma de onda para producir la tensión Vx.3) Convertidor Full-Bridge (Puente completo) Comparando el PWM DC-DC del convertidor de puente completo de la figura B. Es importante que la tensión en bornes de un interruptor abierto sea pequeña cuando la tensión de entrada es alta.3. La función de transferencia del convertidor DC de puente completo es: Mv = = . Cuando T1 y T3 son conectados.3. la salida del convertidor de puente completo se analiza de la misma manera que la correspondiente al convertidor push-pull.3. Siendo D el ciclo de trabajo de cada par de interruptores. Por tanto.FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA B.con el convertidor de medio puente. Obteniendo: Vout = .5. E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” . Electrónica y Telecomunicaciones .FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA 31 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. esta topología requiere 4 interruptores y diodos de sujeción. y también es usado en las unidades de DC de cuatro cuadrantes. El puente completo proporciona dos veces el voltaje de salida que circuito de medio puente con las mismas posiciones de interruptor. Sin embargo.FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Figura b. Convertidor de Puente completo Cabe destacar que la topología de puente completo es una topología muy versátil. Los pares de interruptores T1 y T3. A causa del número de componentes. A veces. los transformadores de potencia son conectados en paralelo para proporcionar un voltaje de salida más alto.E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” .3. Electrónica y Telecomunicaciones .3. T2 y T4 están alternadamente conduciendo. el convertidor de puente completo es para aplicaciones de alto poder. es muy popular en la conversión DC-AC (la onda cuadrada y PWM de inversores monofásicos). 32 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. en rangos desde 500 hasta 2000W. Con algoritmos de control diferentes. es popular en aplicaciones de media y baja tensión . que enormemente simplifica el control del circuito. y maquinaria. Los voltajes de salida en el rango de convertidores dc-dc de un voltio para VLSI circuitos especiales a decenas de kilo volts en lámparas rayos X. Las desventajas del convertidor Forward son la necesidad de desimantar el devanado. y 270 V para DC bus principal sobre aeroplanos. Los choppers que operan en el segundo cuadrante pueden ser una parte de sistemas de alimentación de corriente de tracción autónomos éstos contienen paquetes de batería y tales fuentes reanudables de DC como matrices fotovoltaicas. No hay ningún peligro de saturación del transformador en el 33 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. voltaje y las corrientes de interruptores de semiconductores. Los motores DC con su devanado inductivo y la inercia mecánica actúan como filtros dando como resultado una alta calidad en la corriente de armadura. La adición de filtrar componentes reactivos a choppers de DC causa PWM dc-dc en convertidores. y la utilización de componentes magnéticos.FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA Aplicaciones convertidores de DC-DC Dentro de las aplicaciones de un convertidor Step-down encontramos que muchas de ellas están en alto rendimiento de sistemas de accionamiento de DC. células de combustible. Porque el tamaño de su núcleo tiene exigencias más pequeñas. Los convertidores dc-dc pueden ser vistos como transformadores DC que entregan a la carga un voltaje dc o corriente en un nivel diferente que la fuente de entrada. no por el medio electromagnético como en transformadores convencionales.E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” . Una ventaja del convertidor push-pull es también una posibilidad de referir el manejo en los terminales de ambos interruptores a tierra. Los choppers de DC pueden ser modificados para operar en el segundo cuadrantes y cuarto cuadrante. El convertidor push-pull también es usado en niveles de poder medio. y 270 V. Debido a la excitación bidireccional. La cuenta de parte baja del convertidor flyback es popular en usos de bajo poder (hasta 200W). que además pueden ser ajustados con la proporción de vueltas en convertidores aislados. Los convertidores Step-up son usados primordialmente en radares y encendido de sistemas. Esta transformación dc es realizada por medios de conmutación electrónico. Sus carencias principales son el gran tamaño del núcleo del transformador flyback y el alto voltaje del interruptor de semiconductor. tracción eléctrica. el tamaño de transformador es pequeño. por ejemplo. y una alta tensión sobre el interruptor de semiconductor. 5 y 12 V para la lógica de circuitos. por ejemplo. 48 V para equipo de telecomunicación. El convertidor de medio puente tiene un rango similar de usos como el convertidor push-pull. El convertidor Forward es también un convertidor de un solo interruptor.3 V para microprocesadores modernos. o turbinas de viento. pero también por niveles de poder. La tensión media de salida de un convertidor step-down es función lineal con respecto al ciclo de trabajo del interruptor. Una desventaja del convertidor push-pull es una saturación en el núcleo en el caso de asimetría. Los voltajes de salida más comunes son: 3. sistemas de transporte con paradas frecuentes. 170 V (el valor máximo de una línea rms de 120 v). Los choppers que actúan en el cuarto cuadrante son aplicados en las unidades en el que se desean el frenado regenerativo de los motores de corriente continua.(hasta unos varios cientos de vatios). Electrónica y Telecomunicaciones . vehículos eléctricos. La selección de una topología de convertidores dc-dc es determinada no sólo por voltajes input=output. El DC choppers con salidas inductivas sirven como entradas a inversores conducidos por corriente. Voltajes de entrada típicos incluyen 48 V. Los convertidores de voltaje de salida baja en estos usos utilizan el arreglo de rectificación sincrónico. Tales sistemas de distribución de dc son comunes en estaciones espaciales. dos condensadores de entrada adicionales para deslizarse en la mitad la entrada de la fuente de DC. los convertidores bidireccionales dc-dc a menudo son usados en esto. se haya tras una fuente de reserva de energía. un paquete de batería.E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” . A la expectativa que la comunicación moderna portátil inalámbrica y sistemas de tratamiento de señal usarán voltajes de suministro variables para reducir al mínimo el consumo de electricidad y ampliar la duración de la pila. si los suspensos de red de utilidad. 34 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. Para cargas críticas. Además los convertidores dc-dc también son usados en cargadores de baterías dedicados. Como durante la operación normal los flujos de energía de la red a la fuente de reserva y durante la emergencia condicionan la fuente de reserva debe suministrar la carga. Otra área principal de usos de convertidor dc-dc es relacionada con la utilidad de la red ac. El convertidor elevador es especialmente popular en dicha corrección del factor de potencia (PFC) como aplicación. por ejemplo. Esta necesidad de la entrega de poder continua dio lugar a varios tipos de suministros de energía sin interrupciones (UPSs). En convertidores aislados dc-dc. pero otras salidas dependen de la proporción de la regulación y sus cargas. para dar forma a la corriente alterna de entrada actual para mejorar el factor de potencia y reducir el contenido armónico. así como con el equipo de telecomunicación y el ordenador. Los convertidores dc-dc son los componentes básicos de sistemas de alimentación de corriente de tracción distribuidos en los cuales un voltaje común DC es convertido a otros voltajes según las exigencias de cargas particulares. barcos y aeroplanos. sin embargo. Cargas electrónicas. Así los convertidores dc-dc son usados en UPSs para ajustar el nivel de un voltaje de red rectificado a él de la fuente de reserva. Electrónica y Telecomunicaciones . Sólo una salida es regulada con un bucle de realimentación. El convertidor de puente completo es usado en el alto poder (de vario kilovatios) y niveles de voltaje. justo después de un rectificador y antes del suministro de carga del convertidor dc-dc. Una desventaja del convertidor de puente completo es su alto número de dispositivos semiconductores. sobre todo aquellas con rectificadores frontales. contamine las redes ac introduciendo armónicos impares. Una salida múltiple del convertidor dc-dc es una solución conveniente en usos donde hay una necesidad de un voltaje de salida estrechamente regulado y de uno o varios otros niveles de voltaje de salida no críticos. Así los convertidores dc-dc son usados como etapas intermedias. Éste requiere. La tensión de voltaje sobre interruptores de poder es limitada con el valor de fuente de voltaje de entrada. Otra utilidad en lo relacionado con la red de convertidores dc-dc está en interfaces entre redes de ac y fuentes de energía renovable dc como pilas de combustible y generadores fotovoltaicos. múltiples salidas son posibles con devanados adicionales secundarias de transformadores.FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA convertidor de medio puente. Las desventajas que presenta el circuito son la gran tensión a la que se ven sometidos los transistores y los posibles problemas de saturación del núcleo producidos por un desequilibrio de la corriente continua en los circuitos no ideales.FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA CONCLUSIONES • Muchos cambios tecnológicos significativos del diseño de fuentes de alimentación de energía han causado en cuestiones de perdida-costo por watt un mejor rendimiento. La tensión máxima a la que se ven sometidos los transistores será Vs. • El convertidor Push-pull también se utiliza en las aplicaciones con niveles de potencia medios. Pero. El problema reside en que la reducción de la resistencia del bobinado implicara un conductor de mayor tamaño y mayor costo. La tensión máxima en los interruptores está limitada a Vs. Electrónica y Telecomunicaciones . IL disminuirá permaneciendo el rizado constante y la tensión de salida. con lo cual llegara un momento en el que la corriente sea IL=0 durante algún instante del intervalo Ts. • Observamos en el convertidor Buck Boost que la resistencia de la bobina limita la tensión de salida que se puede obtener.E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” . A esta condición se le conoce como funcionamiento en modo discontinuo. • Si en régimen de funcionamiento en el convertidor Buck Boost aumentamos la carga. El convertidor en medio puente también se utiliza en las aplicaciones de niveles de potencia medios y presenta algunas de las mismas ventajas del convertidor push-pull. 35 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. • • El convertidor en puente completo es el circuito que se suele emplear en las aplicaciones con niveles de potencia altos (500 a 1500W). Las desventajas que presenta este convertidor son la necesidad de incluir transistores adicionales y la presencia de circuitos de excitación flotantes. Las ventajas de este convertidor son que los circuitos de excitación de los transistores presentan un punto común y que el núcleo del transformador es relativamente pequeño (porque el núcleo se excita ambos sentidos). • En el convertidor Boost encontramos que la resistencia del bobinado limita la máxima tensión de salida que se puede obtener. en la práctica. algunos circuitos son más adecuados que otros para determinadas aplicaciones. es posible diseñar cualquier fuente de alimentación para cualquier aplicación. en función de cuanto esté dispuesto el diseñador a gastar en componentes y circuitos de control. En teoría. así para obtener una tensión de salida de 5 veces la de entrada necesitamos un inductor cuya resistencia sea menor del 1% de la resistencia de carga. 36 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. Electrónica y Telecomunicaciones .E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” . Este trabajo proporciona una descripción de las topologías más comúnmente usadas y cataloga los rasgos más importantes para cada una de ellas.FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA • • El voltaje de salida y la corriente siempre van a depender de la aplicación de la carga. T (S.com) • POWER ELECTRONICSHANDBOOK EDITOR-IN-CHIEF MUHAMMAD H. 1999. 37 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. Daniel W.E).st. I. (http://www. Hart. Wuidart.T. • TOPOLOGIES FOR SWITCHED MODE POWER SUPPLIES by L.FUENTES CONMUTADAS CONVERSORES DC-DC ELECTRONICA DE POTENCIA BIBLIOGRAFIA • SISTEMAS ELECTRONICOS DE ALIMENTACION. ST Micro electronics. Universitat de Valencia. Electrónica y Telecomunicaciones . RASHID • Electrónica de potencia.E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto” .