Conversores Cc

Conversin CC/CC

Tema 5

Tema 5.Conversin CCCC http://gsep.uc3m.es

SITUACIN DENTRO DE LA ELECTRNICA DE POTENCIA

CONVERTIDORESCONVERTIDORES CC/CC

INVERSORESRECTIFICADORES

REGULADORES DE ALTERNA


FUENTES DE ALIMENTACIN

PARMETROS TPICOS:Regulacin de carga VRegulacin de carga

o

o

VV Vo

Vo

Regulacin de lnea

o

Io

Vo

o

o

VV Vo

V

Regulacin de cruce en convertidores multisalida: Cmo vara la tensin de salida cuando se modifica el nivel de carga de otra salida diferente

Vin

de salida cuando se modifica el nivel de carga de otra salida diferente

Rizado


FUENTES DE ALIMENTACIN LINEAL

Regulador

+

Transformador Rectificador Filtro

CargaRed-

-

+


Vref

E ER

RLVO

LINEALES:Inconvenientes:

Pesadas

l

Ventajas:

Robustas

l

Circuito Equivalente

Voluminosas

Bajo Rendimiento

Evacuacin de calor

Diseo Simple

Pocos componentes

Mejor Fiabilidad

C M i 0

mbito de Utilizacin: Potencias pequeas y tensiones de entrada y salida muy prximas

Carga Mnima=0




1. Las primeras fuentes utilizaban un Zener.I

Ejemplos:

RLRed

RTrafo

+rectificador

15v 5v15v

R

RL

+ -10v i5v

I

Vrectificador

e

o

e

o

e

S

VV

iViV

PP ===

VI

2 M j d l i it2. Mejorando el circuito

15v+

R VBEIz

IB0

-

RL

Vz

+

-

B

Inconveniente del circuito:Vz afectada por la entrada, no por la salida.

-


Si se vara la entrada, vara la polarizacin del Zener y por lo tanto la salida.


3 Nos aproximamos al regulador3. Nos aproximamos al regulador

R1

Vs

= +

2

11RRVV refs

21

2

RRRVV sref+

=15v

RL-R2

+

Vref

Vref

Ventajas Conseguimos mas libertad ya que con cualquier Vref puedo conseguir otra Vs, puesto que depende de otros parmetros.

La mayor parte de la corriente de entrada circula por el transistor de potencia.Por el A.O. Circula la IB del transistor.



4. Regulador

78XX

RL

78XX

VRVs

Vs es fija en funcin del integrado que pongamos.

Si tili i t d d f ili di ti t l 78XX t d l i t i tSi utilizamos un integrado de una familia distinta a la 78XX, tendremos que emplear resistencias externas para fijar la Vs.

Ejemplo

RL

LM317

VR Vs1,25v

I R1

+

R

R2 IR1IR2

-



Con este tipo de fuentes podemos conseguir un Cargador de Bateras.

Cargador de BaterasCargador de Bateras

LM317

R

R

Ve 1,5v

R

- Para que la carga de las bateras sea correctas necesitamos los siguientes datos. Ejemplo:

Datos 2h100mA7h

300mA


FUENTES DE ALIMENTACIN CONMUTADAS.

Regulador

VENTAJAS E INCONVENIENTES REGULADORES LINEALES.

CargaRed-

+ R

RLVO

-

+


Vref

Circuito Equivalente

Inconvenientes:Ventajas: IoIe Vin VoutElementos puramente disipativos.Voluminosas.Alto coste.

Robustas.Diseo Simple.Pocos componentes.Mejor Fiabilidad.

-

+Vo RoVe

Vin Vout

Pesadas.Bajo Rendimiento.

Mejor Fiabilidad.Carga Mnima=0.tiles para bajas potencias.

Io Ie

VeVo

VeIeVoIo

=Po Pe


/ El rendimiento depende del cociente entre tensiones./ La potencia est limitada.

NECESARIO REGULADOR DE RENDIMIENTO MS ELEVADO Y QUE PUEDA


NECESARIO REGULADOR DE RENDIMIENTO MS ELEVADO Y QUE PUEDA APLICARSE A UN RANGO DE POTENCIA MAYOR.

FUENTES DE ALIMENTACIN CONMUTADA

CLASIFICACIN DE LAS FUENTES CONMUTADASE f i dEn funcin de:1. Del nmero de transistores

2. De la presencia del transformador

3. De la forma de gobierno del interruptor

fs=cte. PWM

fs=variable Ton fijo

V F variable

Ton fijo vario Tofffs variable. Ton fijo.

Toff fijo. Ton Toff tT

Ton fijo vario Toff

Toff fijo vario Ton

Lo ms utilizado es Ton fijo d = TonTT

4. Forma de onda.

Onda cuadrada PWM

Q i t ZCS Quasiresonantes ZCS

Multiresonantes ZVS

Resonanres


5. Otros

FUENTES DE ALIMENTACIN CONMUTADA

TOPOLOGAS MS USUALES DE FAC

Sin transformador: Buck.

Con transformador: Forward.

Boost.

Buck-Boost.

Cuk.

* Bobina desmagnetizada.

* RCD.

* Enclavamiento activo.

Sepic. Flyback.

* Con un solo transformador.

* Balanceo.

* B l l * Balanceo con enclavamiento activo.

Push-pull.

Half Brigde.

Full Brigde.


CONVERTIDOR REDUCTOR.

IS0

I0

t

OPERACIN EN MODO DE CONDUCCINCONTINUO (MCC).

S

Vin+VF

0ton

VDStis + -vL

+vove

vgs

S

0

T tVin

0vDiodo

iD -oe

S cerrado: Tonis + -vL iL+ -vF 0

tI0iDiodo

TRANSFERENCIADIRECTA DE ENERGA.

s L

+

-vove

L+ -F

tVL Vin - V0

0

0t

+ -vLS abierto: Toff

-

- V0

IL II0iD

+

-vo

LIBRE CIRCULACIN

Tema 5.Conversin CCCC http://gsep.uc3m.est0

D


CONDICIONES DE RGIMEN PERMANENTE (I).+ -vL iC

Elementos que almacenan energa:

Bobina: La tensin media en la bobina es nula.

Condensador: La corriente media en el condensador es nula0vL =

0i =Convertidor conmutado en rgimen permanente

Pe PovECondensador: La corriente media en el condensador es nula. 0iC =

Rgimen permanente: 0vL = cteiC = Rgimen transitorio:

t

IL

0I1 I2

L C

I1= I2

t

IL

0

VLA 0v A = B

La corriente en la bobina empiezay termina en el mismo punto.

t

VL0

AB

A B

t0

AB

0vL = A = Breas iguales:

IGUALDAD VOLTIOS POR SEGUNDO

IL crece



CONDICIONES DE RGIMEN PERMANENTE (III).

Rgimen permanente: 0v ctei Rgimen transitorio:Bobina

Rgimen permanente:iL

0I1 I2

0vL = cteiL =I1= I2

iL

0

Rgimen transitorio:

t0

vLA 0v A = B

La corriente en la bobina empiezay termina en el mismo punto.

t

vL0

AB

t0

A B

t0

AB

0vL = A = Breas iguales:

IGUALDAD VOLTIOS POR SEGUNDO

IL crece

Condensador

vC

Si A B v crece o decrece R i t it i

icA

t0

Si A B vC crece o decrece

Si A = B

Rgimen transitorio.

0iC = ctevC =


t0

AB

CONVERTIDOR REDUCTOR

CONDICIONES DE RGIMEN PERMANENTE (IV).

Potencia de entrada = Potencia de salidaPotencia de entrada = Potencia de salida.

Convertidor CC-CC

ReguladoPe Po

+

VO

IO

Regulado

=1e o

-O

Convertidores conmutados NO DISIPATIVOS. PE = PO

Si PE PO La tensin y la corriente de salida estn cambiando, ya que internamente la potencia ni se almacena ni se consume.

Resumen condiciones de rgimen permanente.

0vL = 0vL0iC =

OE PP =


OE PP


FUNCIN DE TRANSFERENCIA (I).

Igualdad voltios por segundo. 0vL =SvL

0 A

B

VE - VO

OOE V)D1(D)VV( =is + -vL

+vove

vgs

S

iC

IO

(1-D) T

B VOD T

T

DVV EO =iD -

0iC =O

OOL I

VIi == La corriente media en la bobina es igual a la corriente en la carga

IL

0

Li

ICt0

t0A

B


t0 B


Balance de potencias.FUNCIN DE TRANSFERENCIA (II).

SEE iVP =IVP

OE PP = OOSE IViV =E

OOS V

VIi = DIi OS =OOO IVP =

SISTEMA EQUIVALENTE AL CONVERTIDOR REDUCTOR

CC-CCPe PovE

ES Ii = OI

1 : DIE IO

DVV EO =1

vE vO

D1II EO =

ES Ii =Transformador ideal de C.C.



IS0

I0I

t

OPERACIN EN MODO DE CONDUCCINDISCONTINUO (MCD).

vSVDS Vin

Vin-V0ton

t

t

is + -vL

+vove

vgs

T0 t

Ve - V0VL0

iD -

S cerrado: Tonis + -vL iL+ -vF

- V0

0

IIL

tTRANSFERENCIADIRECTA DE ENERGA.

s L

+

-vove

L+ -F

VDiodo

I00 t

Ve-VDS+ -vL

S abierto: Toff

-

IDiodo0

II

V0 t

iD

+

-vo

+

-vo


Diodo0

I0tLIBRE CIRCULACIN TIEMPO MUERTO


FUNCIN DE TRANSFERENCIA (I).

Condiciones de rgimen permanente:Ve - V0VL

0t

Condiciones de rgimen permanente:

0vL = dVd)VV( OOe =V

(1)

II0

IL0 t

- V0t

0iC =O

OOL I

VIi == (2)

0OE PP = OOSE IViV =

Desarrollando las condiciones de rgimen permanente:

(3)

(1) Y (2)O

2O

epk RVVdI

21 =

22O VV)VV(dTR (4)(3)

O

2O

epk RVVdI

21 =

OeeOO VV)VV(d

L2=

Parmetro adimensional de carga.K1

(4)


Parmetro adimensional de carga.K


FUNCIN DE TRANSFERENCIA (II).

P t di i l dParmetro adimensional de carga:

TRL2K =

Inductancia.

TR O Frecuencia de conmutacin.cf

1T =Carga.

9 Mucha influencia en el modo de conduccin.9Adimensional permite sacar conclusiones:

Para m chos con ertidores Para muchos convertidores.

Independientes de la potencia que manejen, la inductancia concreta y la frecuencia de conmutacin.

9 Tiene la misma expresin para: Reductor Reductor.

Elevador.

Reductor-Elevador.

Y sus derivados.


Y sus derivados.


CONDICIONES DE LA FRONTERA MCC-MCD (I)

IL

ILI0MCC

IiI1 t0

ILI

FRONTERA MCC-MCD

MCC OLL IiI21 =

ILI0

IL

0t

ILI0

IL

0t

OL II2>



POR QU SE PRODUCE EL MCD ? (I)En condiciones fijas de: VIN y VO nos acercamos a MCD cuando IL se acerca a cero, lo que ocurre si:

A) Bajamos el valor de la bobina (aumentan las pendientes y, por tanto el rizado I )

T D)- (1L

V I2= I 00 =IL 2I0 VI L=

0

0crtica fI2

V D)- (1 = L

LcrticaI0

Lt

B) Bajamos el valor de la frecuencia (aumentan los intervalos en los que la corriente est subiendoo bajando)

s0 fI2t

c0

0 T D)- (1LV I 2= I =2I0

I0

IL

0

0crtica IL 2

V D)- (1 = ftT1T2


Tc = 1 / fcrtica


C) Aumentamos el valor de la resistencia de carga (disminuye el valor medio de la corriente por

POR QU SE PRODUCE EL MCD ? (II)

C) Aumentamos el valor de la resistencia de carga (disminuye el valor medio de la corriente porla bobina)

IL

LV-V 0in

LV- 0

I0

Caso crticoCaso crticoI0,crticaI0

T D)- (1LV I 2= I 0crtica0, =

t

D)- (1f L2

IV= R scrtica 0,

0crtica =



CLCULO DEL CONDENSADOR DE SALIDA.

Absorbe energa el C.En el condensador la carga se relaciona segn:Cede energa el C.iL

IO=iL I VCQ =En el condensador, la carga se relaciona segn:

Carga C Descarga C

IT1tiQ = dt)t(iQ

Vpp 222tiQ ==

fC8Iv =

fC8 Resistencia Serie Equivalente (ESR).

ESRESR Influye sobre el rizado de salida.

ESR

CRO ESRIV LO =


CONVERTIDOR ELEVADOR

vgsDT (1-D)T

T

MODO DE CONDUCCIN CONTINUO (MCC).iL+ + t

vL

t

TON TOFF

Ve

iD+ -vL +

-

vovevgsS

+

-

iC

i0iS

t

t

iLVe-V0

S cerrado: TONiL

t

vS

iS

V0+ -vL +

vovevgs

+iC

i0iS

tvD v0

- -i0

S abierto: TOFF

tiD

v0iD+ -vL

vove

+iC

i

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-i0


FUNCIN DE TRANSFERENCIA. Igualdad voltios por segundo. 0vL =

( ) )D(VVDV ee = 1011

vLVe

AB

DM

DVV e == 1

11

10

(1-D)TDT

Ve-V0 tB

0iC = 0IiD =iD I0

t

iLLi

Li

NOTA: el clculo del valor medio de la corriente por eldiodo es equivalente a calcular el de:

iDLi

Di

t

(1-D) D

Li

( )iC

t ( ) 01 IDii LD ==0PPe = 00 IViV Le = 01

1 ID

iL =


1 D


DISEO DE C Y RIZADO DE V0 : ' V0vgs D Tgs DT

iD tiC

iO IO

iO=IOA BiC t ODC Iii =

AB t

v (AC)

ODC

0=Ci CO iI =DDC iii =

VO

vO(AC)

TDIC

dt)t(iC

QC

v Ot

tCO === 111 2

1

TDIC

v OO = 1



t

vgs

T

OPERACIN EN MODO DE CONDUCCIN DISCONTINUO (MCD).

iL+ -vL + +I+ D1T

VE-V0

tvL

ti

DTVE

d

+ vL +

-

vovevsS

+

-

IO

iCiS

+ -vD

E 0

vSt

iLIpk

V

S cerrado: TONiL+ -vL

v

+IO

VE

t

S

iS

V0vove-i

C

iS

S abierto: TOFF

tvD v0 VO-VE

v0

iD+ -vL

vove

+IO

i

vo

+IO

tiD

Ipk

VO VE-iC -

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Ipk

TRANSFERENCIA DIRECTA DE ENERGIA TIEMPO MUERTO

TOPOLOGA ELEVADORA (Boost)

MODO DE CONDUCCIN DISCONTINUO.

Vsat

TON TON TOFFTOFF V0+VDvAIC

+D1

IDIL

L+I0

tvL

t

VeRL

-

Ve

CIS

C0

-

V0

1

Balance de potencias.ViVePP

20 (1) Sustituyendo (5) en (4): iS

Ve-V0 t

t

iL

+= 0ee

2ONe

eVV

V1TL2

TViR

iVePP 0ese == (1)

+==

TtTi

21ii

'ON

pLe (2)(6)

t

IpiS

iD

Kd411V

2

+ON

ep TL

Vi = (3)

+=

TtTT

LV

21i

'ON

ONe

e (4)

Sustituyendo (6) en (1) y operando: t

tIp

iC

2K

VV

e

0 =Usaremos signo positivoporque se trata de un

Balance Voltios x Segundo.

( ) '' V

TL2

(5)

v0 (V0)dc(V0)pp

t

tt


porque se trata de unconvertidor con topologaelevadora.

( ) ON0e

e''0eONe TVV

VttVVTV ==t

TOPOLOGA REDUCTORA-ELEVADORA (Buck-Boost)

ESQUEMA Y CRITERIO DE SIGNOS.ID I0

+Ie

RLVe

IC

C0

+

V0

D1IL

L

+ S

- -

T TTONIe

IDD1+ +S

ICI

TOFFIe

ID

D1+ +S

VeRL

-

C0L

-

V0+-

I0

ILRL

-

VeC0L

-

V0+-

I0IL

Carga de L.Descarga de C

Descarga de L.Carga de C.


Descarga de C. Carga de C.


MODO DE CONDUCCIN CONTINUO. vL VeID I0+I+ S

Ie

-V0 tiL iLmediLmax

RLVe

IC

C0

+

V0

D1IL

L

S

OFFL dD TITIII 00 ==

tiD ID=I0

Clculo corriente mxima en la bobina.

- -

L

OFFLmed

OFFLmedD

III

dI

TTII

TITIII

00

00

1==

==tiC

IC=0OFFmaxL TLV

dII 00

21

1+=

OFFL

LLmedmaxL

TLVI

II

0

2

=

+= t

NOTA: se comprueba que el valor del ciclo de trabajoBalance Voltios x Segundo.

OFF0ONe TVTV =

p q jdetermina el funcionamiento del convertidor.

d=0.50 1

5015.0

VV ==

d=0.70 33.2

7017.0

VV ==

d=0.20 25.0

2012.0

VV ==

Tema 5.Conversin CCCC http://gsep.uc3m.esd1

dVV

e

0

= e0e

VV5.01V

=

e0e0

e

VVV33.2V7.01V

>=

e0e0

e

VVV25.0V2.01V


MODO DE CONDUCCIN DISCONTINUO.

vL

-V0

Ve

t

ID I0

RL

IC

C

+

V

D1IL

+ SIe

tiL

iLmax

t

L

-

VeC0

-

V0L

Balance de potencias.

tiD

t

iLmax

RViVePP

20

ese ==tiC

tON IT1I =LV

TT

21V

RV e

2N0

e

20 =

t

ONe

max

maxe

TLVI

IT2

I

=

=ON

eONe TL

VT

T21I =

Kd

VV

e

0 =



FRONTERA MODO DE CONDUCCIN CONTINUO Y DISCONTINUO.

d1d

VV

e

0

= K > Kcrit MCCK = Kcrit Frontera MCC-MCD

MCC

dV( )2crit d1KK

dd1

d == K Kcrit Frontera MCC MCDK < Kcrit MCDMCD K

dVV

e

0 = Kd1

CLCULO DEL CONDENSADOR.

A partir de las especificaciones del rizado se determina lacapacidad necesaria.

ON0C

VCQ

TIdt)t(iQ

==

CTIV ON0pp =

ppVCQ = Cpp


TOPOLOGA FLYBACK

FUNCIONAMIENTO GENERAL TOPOLOGA FLYBACK (I)

1:n

CONVERTIDOR REDUCTOR-ELEVADOR

AISLAMIENTO GALVNICO-

+

-

+

RLC

Ve

ie

se

ie +

-

RLC+ +

TON:Primario Se aplica Ve

-

+ LVe

s

-

Secundario 4Diodo no permite circular corriente en este sentido.

4C suministra toda la corriente a la carga

+

-

RC

+

ie

L

iLm

carga.

II

- + RLC

Ve

s

-

Lm


Lme II =

TOPOLOGA FLYBACK

OPERACIN EN MODO DE CONDUCCINCONTINUO (MCC).

Vdisp

tVLm

t

1:n

+

-

RLCie

iLm=0

t-

+

s

Ve

Balance Voltios x Segundo

tie

tiD

toffnVtonVe = 0

ddn

VV

e = 10

t

ODC III =iCn=1 Funcin de transferencia de un Reductor-Elevador, pero sin invertir


tla salida.

TOPOLOGA FLYBACK

OPERACIN EN MODO DE CONDUCCINDISCONTINUO (MCD).

Vdisp

tiLm

t

1:n

+

-

RLCie

t

iLm=0

t

Ve-

+

s

Ve

Balance de Potencia

VO/nie

dV

tiD

ePP =0 ee IVR

V =2

0

Kd

VV

e=0 t

ODC III =iCtonLV

TtonI ee =

21

iT

tonIe =21

Ve


ttonLVi e =

TOPOLOGA FLYBACK

LMITE ENTRE MCC Y MCD (KCRTICA)

ddn

VV

e

O

= 1MCC MCD Kd

VV

e

O =

Kd

ddn = 1

21

=n

dK crticaKd1 n

Determinar modo de Determinar modo de conduccin

Analizar la nica bobina del circuito: Inductancia magnetizante (Lm)


CONVERTIDOR FORWARD

FUNCIONAMIENTO GENERAL TOPOLOGA FORWARD (I)

CONVERTIDOR REDUCTOR1:n

LD2


AISLAMIENTO GALVNICO-

+

Ve

Lm

VDm

D3

C RL

+

-

s

D1

TON: TOFF:1:n

LienVe VO

1:nD2

iLm

-

+

V

Lm

VDm

D3

C RL

+

-

Ve

Ve

Lm

VDm

D3

C RLiL

iLm

Secundario permite circulacin de corriente.s

Ve

D1s

D1 Corriente de la magnetizante busca camino alternativo


camino alternativo.

CONVERTIDOR FORWARD

OPERACIN EN MODO DE CONDUCCIN CONTINUO (MCC).

V+1:n

L

+

D2

Vdisp

tiLm

-

+

Ve

Lm

VDm

D3

C RL

+

-

ts

D1

Balance Voltios x SegundoiL

tvLm VedV

Lm vLm

tvL

VDmnV -V

dd

VV

e

Dm

= 1OFFDmONe tVtV =Para poder desmagnetizar el trafo se debe cumplir:

L

t

n Ve-VS

VS( ) tVtVVn dnVOOFFDmONe tVtV

L


( ) OFFOONe tVtVVn O = dnVeO =

CONVERTIDOR FORWARD

TOPOLOGAS FORWARD SEGN EL TIPO DE FUENTE DESMAGNETIZANTE. Forward RCD.

1LD2

R Disipa energa extra que llega a C

V

Lm

1:n

D3C RLCD RD

RD Disipa energa extra que llega a CD

CD Almacena energa hasta que su tensin llega a cumplir:

v2

s

Ve

D1D

CR R

vP D

2

=Energa desmagnetizacin disipada

Forward clsico.LD2nD

Lm

1:n

D3C RL

D

TOFF Corriente desmagnetizante reflejada por el secundario.

D

eD n

vV =

s

Ve

D1

N vueltas secundario desmagnetizador.

nP=nD d50%


Energa desmagnetizacin devuelta a la fuente.

TROCEADORES (Choppers)

mbito de utilizacin: control de motores de CC.

aPotencias ms grandes Interruptores ms grandes.Generalmente tiristores con apagado forzado.p g

Aplicacin tpica de los choppers.Vdisp

A B

tVM ve

A

Ve M

B

t

e

VM dVV eM =

M

R

L

R

L

A BBA

C

T1

T2L

E

L

E

A B

D L


Conversores Cc

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