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TRANSCRIPT
Objetivos
- Estudio de las topologías de convertidores DC/DC- DC/AC mas utilizadas
- Topologías típicas
- Selección de dispositivos
- Aplicaciones convertidores DC/DC - DC/AC
Ing. Joel Figueroa http://informacionclasesiupsm.webnode.com.ve/
TOPOLOGIAS MAS USUALES
Convertidores DC/DC Convertidores DC/AC
- BUCK (REDUCTORA) - FORWARD (Bobina desmagnetizada, RCD, Enclavamiento activo)
- BOOST (AMPLIFICADORA) - HALF BRIGDE
- BUCK-BOOST - FULL BRIGDE
- CUK - PUSH-PULL
- SEPIC
- ZETA
- FLYBACK
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UO
Ue CC/CC
UOU
e
Continua sin regular Continua regulada
Entrada Salida
12V
UE
US=5V
1A 1A7V
5
WPE 12112
WPS 515
42.012
5
E
S
P
P
Regulador Disipativo DC/DC
Ue
UO
U
Ue
U
UO
ton
toff
T
UOdc
ont
onODC
T
tUUdt
TU
0
1%100
Regulador Conmutado DC/DC
T
tD on
Ciclo de Trabajo
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Regulador Conmutado DC/DC
iL(t)
VL(t)
t1 T+t
1
T+t1
t1
VC
VC
IC
)()( 11 tTiti dt
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t
tT
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C
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tT
t
C
tT
t
C dttiC
tdU
Valor medio de la tensiónen una bobina
Valor medio de la corrienteen un condensador
Ing. Joel Figueroa http://informacionclasesiupsm.webnode.com.ve/
Regulador Conmutado DC/DC
Estudio de convertidores DC/DC:
- Los semiconductores son ideales, no hay caídas de tensión.
- Los elementos magnéticos son ideales, no existen perdidas en los mismos
- El rizado de la tensión de salida es despreciable.
Ing. Joel Figueroa http://informacionclasesiupsm.webnode.com.ve/
Convertidor Reductor “Buck”
US
CO
D
Q
LO
iL(t)
UE
is(t)ie(t)
UL(t)
iD(t)
Convertidor DC/DC cuya tensión de salida es siempre inferior a la de entrada
UOCD
Q
L
iL(t)
UE
iO(t)iE(t)UL(t)
iD(t)
iE(t)
UOCD
Q
L
iL(t)
UE
iO(t)
UL(t)
iD(t)
Intervalo 0 < t < DT
Intervalo DT < t < (1-DT)
Trabajando en MCC (modo de conducción continuo)
El convertidor se diseña como sigue:
- Se elige el valor de D que viene impuesto por la
tensión de salida
- La inductancia se diseña para que este en MCC
en todo el régimen de trabajo.
- El valor del condensador se elige en función del
rizado de tensión máximo permitido sobre la carga
Ing. Joel Figueroa http://informacionclasesiupsm.webnode.com.ve/
USCD
Q
L
iL(t)
UE
iO(t)iE(t)UL(t)
iD(t)
iE(t)
USCD
Q
L
iL(t)
UE
iO(t)
UL(t)
iD(t)
iL(t)
iE(t)
Vcontrol
ON OFF
T
iL(0)
iL(t)
iD(t)
UL(t)
UE-UO
-UO
DT 1-DT
iLmax(t)
iLmin(t)iL(T)
Convertidor Reductor “Buck”
Intervalo 0 < t < DT
Intervalo DT < t < (1-D)T
Ing. Joel Figueroa http://informacionclasesiupsm.webnode.com.ve/
S
L
S DTI
UUeL
Valor de la inductancia
- Se eligen en función del rizado de corriente por la bobina.
- Un parámetro de diseño puede ser que el rizado sea del 30% del valor de la Imed
por la carga.
- Que esté en MCC (Modo de conducción continua), en todo el régimen de carga.
Convertidor Reductor “Buck”
Valor medio de la tensión de en la bobina nula a ciclo de trabajo
i1(t)
tL
UU SE
LI
DT (1-D)T
ES
SSE
DT T
DT
SSEL
DUU
DTUDTUUdtUT
dtUUT
V
0)1(11
0
Ing. Joel Figueroa http://informacionclasesiupsm.webnode.com.ve/
Convertidor Reductor “Buck”
2
)()0( DTiiI LL
Lmed
Valor medio de la corriente por la carga
OmedLL IDTitI 3.0)()(
Criterio de diseño: el rizado de corriente 30% del IOMED
L
S
OmedR
UI
L
SOmed
SEL
R
UIDT
L
UUtI 3.03.0)(
DT
I
UUL
L
SE
Criterio de diseño: que este en MCC todo el régimen de carga
iLmax(t) imediL(t)
2
maxiimed LIi max S
SL DT
L
UUeI
S
med
S DTI
UUeL
2
L
Smed
R
Ui
SL
S
S DTRU
UUeL
2
L
S
SE DTRU
UUL
3.0
Ing. Joel Figueroa http://informacionclasesiupsm.webnode.com.ve/
2
1
22
1 LC
IT
CC
QU
C
L
U
TIC
8
Elección del condensador de Filtro:
Incremento de carga en el condensador
CUQ C
Siendo:
DTL
UUI SE
L
2
T
2
LI
UL
IL
UC
CV
Ue - U
S
- US
Convertidor Reductor “Buck”
Ing. Joel Figueroa http://informacionclasesiupsm.webnode.com.ve/
Convertidor Elevador “Boost”
Intervalo 0 < t < DT
Intervalo DT < t < (1-DT)
Convertidor DC/DC cuya tensión de salida es siempresuperior a la de entrada
UE
iE(t) iO(t)
USQ
D
C
UE
iE(t) iO(t)
USQ
D
CiE(t)
UE
iE(t) iO(t)
US
Q
D
CiE(t)
Ing. Joel Figueroa http://informacionclasesiupsm.webnode.com.ve/
Convertidor Elevador “Boost”
Intervalo 0 < t < DT
Intervalo DT < t < (1-DT)
UE
iE(t) iO(t)
USQ
D
CiE(t)
UE
iE(t) iO(t)
US
Q
D
CiE(t)
i L (t)
iE (t)
Vcontrol
ON OFF
T
i L (0)
iL (t)
iO (t)
UL(t)
UE
-UO
DT 1- DT
i Lmax (t)
iLmin(t)
i L ( t)
UE
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0)1)(( DUUDU SEE
D
UU E
S
1
Valor medio de la tensión en la bobina nula a ciclo de trabajo
iD(t)
(1-D)Tt
iLmax
DTL
UI E
L maxSmed
L IDI
)1(2
max
L
SL
R
UD
I )1(
2
max
L
SE
R
UDDT
L
U )1(
2
El valor mínimo de la inductancia viene dado para:
TU
DDRUL
S
LE
2
)1(
Convertidor Elevador “Boost”
Valor de la inductancia
- Se eligen en función del rizado de corriente por la bobina.
- Que esté en MCC (Modo de conducción continua), en todo el régimen de carga. El limite de MCC y MCD se cumple para el Idmed < ISmed
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C
DTI
C
QU Smed
C
DTIQ Smed
Elección del condensador de Filtro:Incremento de carga en el condensador
CUQ C
Convertidor Elevador “Boost”
-∆Q
∆Q
∆US
∆US
US
ICmed
ISmed
L
SC
CR
DTU
C
QU
LC
S
C RU
DTU
U
QC
El valor del condensador se puede calcular como:
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Convertidor Elevador - Reductor “Buck - Boost”
UE
iE(t)
iS(t)
US
iL(t)
D
CL
Q
UE
iE(t)
iS(t)
US
iL(t)
D
CL
Q
iE(t)
UE
iE(t)
iS(t)
US
iL(t)
D
CL
Q
iE(t)
Intervalo 0 < t < DT
Intervalo DT < t < (1-DT)
Convertidor DC/DC cuya tensión de salida puede ser inferior o superior a la de salida
La tensión de salida esta invertida con la entrada.
Ing. Joel Figueroa http://informacionclasesiupsm.webnode.com.ve/
UE
iE(t)
iS(t)
US
iL(t)
D
CL
Q
iE(t)
UE
iE(t)
iS(t)
US
iL(t)
D
CL
Q
iE(t)
Convertidor Elevador - Reductor “Buck - Boost”
Intervalo 0 < t < DT
Intervalo DT < t < (1-DT)iL (t)
iE (t)
Vcontrol
ON OFF
T
iL (0)
iL (t)
iO (t)
UL (t)
UE
-US
DT 1- DT
iL (T)
i Lmax(t)
i Lmax(t)
iLmin(t)
iLmin(t)
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Valor medio de la tensión en la bobina nula ciclo de trabajo
Convertidor Elevador - Reductor “Buck - Boost”
0)1( TDUDTU SE D
DUU ES
1
Valor de la inductancia y el condensador de filtro se calculan como sigue:
El valor mínimo de la inductancia viene dado para: estar en MCCT
U
DDRUL
S
LE
2
)1( T
DRL L
2
)1(2
SmedL ID
I )1(
2
maxEl criterio siempre es el mismo, que el valor medio por lacarga tiene que ser mayor o igual que la expresión del valormedio por el diodo que es la corriente de salida
Ing. Joel Figueroa http://informacionclasesiupsm.webnode.com.ve/
-∆Q
∆Q
∆US
∆US
US
ICmed
ISmed
Para el cálculo del condensador de filtro tendremos en cuenta el incremento de carga en elextremos del condensador. Conocida la corriente de salida podremos calcular dicho valor
Convertidor Elevador - Reductor “Buck - Boost”
C
DTI
C
QU Smed
C
LC
S
C RU
DTU
U
QC
Despejando C de la expresión, obtenemos el valor del condensador a colocar
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Convertidor Retroceso “flyback”
El convertidor de retroceso deriva del convertidorelevador reductor. Este convertidor presentaasilamiento entre la entrada y la salida.
La tensión de salida puede ser inferior o superior a latensión de salida.
Tiene un parámetro más de diseño que es la relaciónde transformación.
El cálculo del transformador se realiza de la mismaforma que el de una bobina.
N1 N2
UE
USC
D
Q
L1 L2
i e (t) i S (t)iD (t)i L1 (t)
R L
N1 N2
UE
U SC
D
Q
L1 L2
ie (t) i L1 (t) iD (t) i S (t)
R L
N1 N2
UE
USC
D
Q
L1 L2
i e (t) i L1 (t) iD (t) i S (t)
RL
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Convertidor Retroceso “flyback”
iE (t)
Vcontrol
ON OFF
iS (t)
UL(t)
UE
DT 1- DT
2
1
N
NU S
tL
U E
1
tL
U S
2
UCE(t)SE U
N
NU
2
1
N1 N2
UE
U SC
D
Q
L1 L2
ie (t) i L1 (t) iD (t) i S (t)
R L
N1 N2
UE
USC
D
Q
L1 L2
i e (t) i L1 (t) iD (t) i S (t)
RL
Intervalo 0 < t < DT
Intervalo DT < t < (1-DT)
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El diseño comienza por elegir la relación detransformación en función de la tensión de salida unavez que se fija el ciclo de trabajo.La relación de transformación viene dada por laexpresión:
0)1(2
1 TDU
N
NDTU SE D
D
N
NUU EO
11
2
Para calcular la expresión de la inductancia L1tendremos en cuanta lo siguiente: iD(t)
(1-D)Tt
iLmax
El criterio siempre es el mismo, que el valor mediopor la carga tiene que ser mayor o igual que laexpresión del valor medio por el diodo que es lacorriente de salida, por lo que la expresión quedará:
DTL
U
N
NI
N
NI E
LL
1
max1max22
1
2
1
L
SE
R
UDDT
L
U
N
N1
2
1
2
1
1
Convertidor Retroceso “flyback”
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Despejando L1 de la expresión anterior obtenemos el valor de la inductancia magnetizante delprimario.
TDDR
U
U
N
NL L
S
E 122
11
Convertidor Retroceso “flyback”
L
SC
CR
DTU
C
QU
El calculo del condensador de filtro se realiza de la misma forma que se calculo para el convertidor Buck – Boost.
-∆Q
∆Q
∆US
∆US
US
ICmed
ISmed
LC
S
C RU
DTU
U
QC
Despejando C de la expresión, obtenemos el valor del condensador a colocar
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Convertidor Directo “Forward”
- Proviene del convertidor reductor
- Posee un transformador de tres devanados N1:N2 que proporcionan la transferencia de potencia hacia la salida del convertidor, y N1:N3 que facilitan la desmagnetización del transformador
- La relación N1:N2 se calcula de forma que en función de la relación de transformación del convertidor..
- La relación N1:N3 se utiliza para garantizar que el transformador se desmagnetiza en cada ciclo completo.
N1 N3 N2
UO
L
UE
Devanado desmagnetizador
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Convertidor Directo “Forward”
0 < t <DT
N1 N3 N2
UO
L
UE
- Estudiamos el convertidor en MCC y O < t < DT
L
CN1 N3 N2
i2i1
UE
UOiL
- Circuito equivalente, tendremos en cuenta el circuito equivalente del transformador- Para el calculo de la corriente i1 hay que tener en cuenta la corriente magnetizante del transformador
N1 N2
LM1UE
IM1
i1 i`2 i2
L
VL
CUO
iL
Circuito equivalente del transformador N1:N2
211 ´)( iiti M
La corriente por elprimario es suma de lamagnetizante y lareflejada del secundarioN1:N2
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La corriente por el primario es:
tL
Uiti
M
EMM
1
11 )0()(
0)0(1 Mi
)0(1
2)(́ 22 i
N
Nti
)()(´)( 121 tititi M
La corriente en la salida:
tL
UoUN
N
itiE
1
2
)0()( 22
(Magnetizante)
(Reflejada del secundario))
iM1(t)
Vcontrol
ON OFF
DT (1-D)T
i2(t)
tM1
E
L
U
tL
U-UN1
N2OE
i1(t)
UDS
i3(t)
EE UN1
N3U
EU
(1-D)T
∆tm
t1DT
i´2(t)+iM1(t)
(se hace cero cada ciclo)
Convertidor Directo “Forward”
Ing. Joel Figueroa http://informacionclasesiupsm.webnode.com.ve/
Convertidor Directo “Forward”
Intervalo DT < t < T
N1N3
N2
L
UL
UO
UE
i3 iLUE
UL
UO
N3 N2
LM3
IM3
i1 i`2 L
CiL
- En el siguiente intervalo el transistor no conduce.- El transformador se debe desmagnetizar ya que en este ciclo no hay transferencia de potenciaprimario secundario.- La corriente por la salida se cierra a través del diodo situado en paralelo con la carga y fltro LC.
)()()(3
33 DTtL
UDTiti E
MM
La corriente magnetizante del devanado N3 será:
)0(1
3)( 31 MM i
N
Nti DT
L
UDTi
M
EM
1
1 )(
Circuito equivalente
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i3(t)
(1-D)T
∆tm
t1DT
Convertidor Directo “Forward”
La condición de desmagnetización es que ∆tm<(1-D)T
0)( 13 tiM 0)()( 1
3
3 DTtL
UDTi E
M
tmDTt 1
TDU
LDTitm
E
MM )1()( 33 DT
L
U
N
Nti
M
EM
1
33
1)( TDL
L
DT
N
Ntm M
M
)1(3
13
1
D
D
N
N
1
1
313 NN 5.0D
Condición de diseño: Numero de espiras del primario y deldevanado desmagnetizador iguales obtenemos la condición delciclo de trabajo D
Condición de desmagnetización
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La relación de transformación se obtiene a partir del valor medio de la tensión en la bobina :
0)1(1
2
TDL
UDT
L
UUN
N
OSE
DUN
NU EO
1
2
El valor de la tensión de salida es similar a la del convertidor reductor multiplicado por la
relación de transformación N1:N2
Convertidor Directo “Forward”
- Conocemos la relación de espiras N1:N2.
- La condición de diseño del trafo viene dado por el flujo máximo en el núcleo.
El flujo en el transformador viene dado por:
MM i
N
L
1
Φ(t)
DT
Φmaxsat max
DTL
U
N
LDTi
N
L
M
EMM
M
1
11max
1)(
1 DT
N
UE
1max
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Convertidor Directo “Forward”
El calculo de la bobina para que este en MCC en todo el margen de potencia tendremos:
2
MAXL
II
IL (t)
DT
ILmax
ISmed
DTL
UUN
N
ISE
LMAX
1
2
S
LSE
U
DTRUUN
N
L2
1
2
min
2
T
2
LI
UL
IL
UC
CV
DTL
UUN
NSE
1
2
- US
2
1
22
1 LC
IT
CC
QU
C
L
U
TIC
8
Calculo del condensador y la bobina
CUQ C
Siendo: DTL
UUN
N
ISE
L
1
2
Ing. Joel Figueroa http://informacionclasesiupsm.webnode.com.ve/
Convertidor en medio Puente (Half brigde)
UB/2
UB/2
UCE
U1 USUOR
C
L
D1
D4
D2
D3
ib1N1:N2
IL
T1 D1
D2
UB/2
LM
L
CRLUS
Cuando conduce el transistor aplica tensión al transformador y
los diodos del puente de salida funcionan como rectificador
0 < t < DT/2
iB1
iB2
UCE1
UCE2
US
iL
iM
U1
t1
dT/2
T/2
UBUB/2
UB/2
UB
UB/2
UO
T/2
DTL
UDTi
M
BM
22
)2/(
tL
UO
UB/2
-UB/2
tL
UU
N
NO
B 21
2
T
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D1
D4
D2
D3
UB/2
UB/2
Etapa de entrada
Condensadores de tipo electrolíticoCapacidad elevada
T1
T2
LM
UB/2
RLC
L
US
Cuando los transistores no conducen la tensión
aplicada a la salida del transformador es 0 y por lo
tanto conducen todos los diodos debido a la corriente
almacenada en la bobina de salida.
Convertidor en medio Puente (Half brigde)
La tensión de salida será:
US
UB/2
UO
T/2dT/2
DU
N
NU B
O22
1
La bobina se calcula para que trabaje en MCC en todo el margen de potencia.
El cálculo del condensador se realiza como en el convertidor reductor.
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Convertidor en Puente completo (Full - Brigde)
iB1
iB2
UCE1
UCE2
US
iL
iM
U1
t1
dT/2
T/2
UBUB/2
UB/2
UB
UO
T/2
DTL
U
M
B
2
tL
UO
UB
-UB
BUN
N
2
1
tL
UUN
NOB
1
2
T1 D1
D2
UB
LM
CRL
US UO
T2
T1
T2
LM
UB
RLC
L
US UO
UB
UCE
U1 USUOR
C
L
D1
D4
D2
D3
ib1 N1:N2
IL
T1
T2
T3
T4
UCE
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UB
U1 USUOR
C
L
D1
D4
D2
D3
N2
IL
T1 T2UCEUCE
N1
N1
Convertidor en Push - Pull
T1 D1
D2
UB
LM
CRL
US UO
T2
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