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Autores (orden alfabético): A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel
Conversión CC/CC
Electrónica de Potencia
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Índice tema
• Introducción a las fuentes de alimentación lineales y conmutadas
• Clasificación de los convertidores CC/CC conmutados
• Convertidor reductor:• Formas de onda• Condiciones de régimen permanente• Análisis en modo de conducción continuo• Análisis en modo de conducción discontinuo
• Convertidor elevador
• Convertidor reductor-elevador
• Convertidor flyback
• Convertidor forward
• Resumen
2
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Índice tema
• Introducción a las fuentes de alimentación lineales y conmutadas
• Clasificación de los convertidores CC/CC conmutados
• Convertidor reductor:• Formas de onda• Condiciones de régimen permanente• Análisis en modo de conducción continuo• Análisis en modo de conducción discontinuo
• Convertidor elevador
• Convertidor reductor-elevador
• Convertidor flyback
• Convertidor forward
• Resumen
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A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Fuente de alimentación lineal: ejemplos (I)
1. Diseños simples e iniciales empleando Zener
2. Mejoras sobre el circuito
4
RLRed
RTrafo+
rectificador15 V 5 V
15 V
R
RL
+ -10 V i5 V
I
V
V
I
15v+
-
RL
Vz
+
-
R VBE
Iz
IB0
𝜂 =𝑃𝑜𝑃𝑒
=𝑉𝑜 · 𝑖
𝑉𝑒 · 𝑖=𝑉𝑜𝑉𝑒
Inconvenientes:
𝑉𝑧 afectada por la entrada, no por la salida
Si se varía la entrada, varía la polarización del Zener y por lo tanto la tensión de salida
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Fuente de alimentación lineal: ejemplos (II)
3. Aproximación al regulador lineal
5
15 VRL-
R1
R2
+
Vref
Vref
Vs
𝑉𝑟𝑒𝑓 = 𝑉𝑜 ·𝑅2
𝑅1 + 𝑅2𝑉𝑜 = 𝑉𝑟𝑒𝑓 1 +
𝑅1𝑅2
Ventajas:
Se consigue más grados de libertad, ya que con cualquier 𝑉𝑟𝑒𝑓 se puede
conseguir una determinada tensión de salida 𝑉𝑜, puesto que depende de otros parámetros (𝑅1 y 𝑅2)
La mayor parte de la corriente de entrada circula por el transistor de potencia
Por el amplificador operacional circula la corriente de base del transistor
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Fuente de alimentación lineal: ejemplos (III)
4. Regulador lineal comercial de la familia 78XX
6
RL
78XX
VR
+𝑉𝑜
-
Características:
• 𝑉𝑜 es fija en función del componente que se utiliza
• Si se utiliza un integrado de una familia distinta a la 78XX, en general hay que emplear resistencias externas para fijar la tensión de salida 𝑉𝑜
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Fuente de alimentación lineal
7
-
+
Transformador Rectificador Filtro
Regulador
Vref
CargaRed-
+
Inconvenientes:
Pesadas
Voluminosas
Rendimiento dependiente de la relación entre tensiones
Evacuación de calor
Ventajas:
Robustas
Diseño Simple
Pocos componentes
Mejor Fiabilidad
Carga Mínima=0
Circuito equivalente
R
RLVO
Ámbito de Utilización: Potencias pequeñas y tensiones de entrada y salida muy próximas
Necesario regulador de rendimiento más elevado y que pueda aplicarse a un rango de potencia mayor
-
+
Vo Ro
IoIe
Ve
Vin Vout
𝜂 =𝑃𝑜𝑃𝑒
=𝑉𝑜𝑉𝑒
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Fuente de alimentación conmutada (I)
• Se pretende diseñar un circuito electrónico que deje pasar íntegro el valor medio de la tensión 𝑣𝑓, pero que elimine sus armónicos
• Se requiere un filtro. Características del filtro ideal:
8
+
-
vf
VEFiltro
A B
Ro
D
T·D
T
vf
VE
vf
1. Componente continua
+
-vf
A
+
- vo
B
Vf=Vo
Debe pasar íntegra a lasalida el valor medio de laseñal de entrada.
2. Resto de los armónicos
+
-vf
A
+
- vo
B
Los armónicos no debenpasar a la carga, o pasarlo suficientemente atenuados.
vo
vf
3. Representación frecuencial
0dB
20kHz
RealIdeal
0Hz
1v
vdB0
v
v·log20G
f
o
f
odB
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Fuente de alimentación conmutada (II)
• Utilización de un filtro LC:• No disipa potencia porque se trata de elementos reactivos, que idealmente
almacenan energía pero no la consumen
• Es necesario un diodo de libre circulación para no interrumpir bruscamente la corriente por la bobina
9
VinV0
s +
-
+
-
vf
L·s
s·C
1
VinV0
s +
-
+
-
vf
L
C
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Fuente de alimentación conmutada (III)
• Estructura básica de un convertidor CC/CC conmutado (reductor):
• Características:• Idealmente la tensión y la corriente no conviven en los elementos en
conmutación (interruptor y diodo)• Idealmente los elementos reactivos no consumen potencia• Puesto que los elementos constructivos de la fuente de alimentación conmutada
no consumen potencia, el rendimiento ideal es 1
• Fuente de alimentación real:• En la realidad todos los elementos presentan pérdidas:
• Semiconductores: pérdidas en conducción y en conmutación
• Elementos reactivos: pérdidas por efecto Joule debidas a las resistencias parásitas
• Aun así el rendimiento de las fuentes de alimentación conmutadas es muy alto
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VinV0
s +
-
+
-
vf
L
C
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Fuente de alimentación conmutada (IV)
• Se dispone de una variable que permite controlar algunas de las señales en el circuito (como la tensión de salida) ante las perturbaciones externas:• Variaciones de la tensión de entrada 𝑉𝑒• Variaciones de la carga 𝑅𝑜
11
VeV0
S+
-
+
-
vf
L
CFiltro
R0
DLC
Circuito de
control Vref
D
Magnitud de control
Sensado de la tensión de
salida𝑡𝑜𝑛
T
vf
Ve
vf
𝑉𝑜 = 𝑣𝑓 =1
𝑇· 𝑡𝑜𝑛 · 𝑉𝑒 = 𝑑 · 𝑉𝑒
𝑑 =𝑡𝑜𝑛𝑇
Variable de control: ciclo de trabajo 𝑑Tiempo que permanece encendido el
interruptor principal 𝑡𝑜𝑛 frente al período de conmutación 𝑇
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Fuente de alimentación conmutada (V)
• Control por ancho de pulso PWM (Pulse Width Modulation): se mantiene constante la frecuencia de conmutación y se cambia el tiempo que permanece encendido el interruptor principal
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Realimentación negativa
VeV0
s+
-
+
-
vf
L
CFiltro
R0
DLC
Vref
+
- Vfb=β·V0
+
-
vgs
Modulador
Red de realimentación o sensado
Regulador
A·verr
Perturbación
A·verr
vgs
D·T
Ejemplo esquema de control de la tensión de salida Ejemplo modulador para la generación de los pulsos de disparo del MOSFET principal
(PWM)
Pulsos de disparo
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Índice tema
• Introducción a las fuentes de alimentación lineales y conmutadas
• Clasificación de los convertidores CC/CC conmutados
• Convertidor reductor:• Formas de onda• Condiciones de régimen permanente• Análisis en modo de conducción continuo• Análisis en modo de conducción discontinuo
• Convertidor elevador
• Convertidor reductor-elevador
• Convertidor flyback
• Convertidor forward
• Resumen
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A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Clasificación convertidores CC/CC (I)
• En función del número de transistores
• En función de la presencia o no de transformador• Con o sin aislamiento galvánico
• En función de la forma de gobierno del interruptor:• Con frecuencia de conmutación constante y variación del ancho de pulso
• Con frecuencia de conmutación variable y tiempo de encendido fijo o tiempo de apagado fijo
• En función de la forma de onda:• Onda cuadrada
• Quasiresonantes
• Multiresonantes
• Resonantes
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Clasificación convertidores CC/CC (II)
• Topología más comunes:• Sin transformador:
• Reductor
• Elevador
• Reductor-elevador
• Cuk
• SEPIC
• Con transformador:• Forward
• Flyback
• Push-pull
• Medio puente
• Puente completo
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A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Índice tema
• Introducción a las fuentes de alimentación lineales y conmutadas
• Clasificación de los convertidores CC/CC conmutados
• Convertidor reductor:• Formas de onda• Condiciones de régimen permanente• Análisis en modo de conducción continuo• Análisis en modo de conducción discontinuo
• Convertidor elevador
• Convertidor reductor-elevador
• Convertidor flyback
• Convertidor forward
• Resumen
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A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Convertidor reductor: formas de onda MCC
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Vin+VF
0
T
ton
VDS
tVe
0
vDiodo
t
IS
0
I0
t
t
t
VL
- V0
Ve - V0
0
IL I
0
I0
0
I0iDiodo
t
MCC: modo de conducción continuoLa corriente por la inductancia no se anula
is
iD
+ -vL
+
-vo
ve
vg
s
S
iD
+ -vL
+
-vo
S cerrado: Ton
S abierto: Toff Libre circulación
Transferencia de energía directais + -vL
+
-vo
ve
iL+ -v
F
𝑖𝐿 > 0 ⟹ 𝑀𝐶𝐶
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Condiciones de régimen permanente (I)
• Esquema general de los convertidores conmutados:• Elementos que almacenan energía (bobinas y condensadores)
• Interruptores en conmutación
• Condiciones de régimen permanente en los elementos que almacenan energía:• Bobina: la tensión media en la bobina es nula ഥ𝑖𝐿 = 0
• Condensador: la corriente media en el condensador es nula ഥ𝑣𝑐 = 0
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Convertidor conmutado en
régimen permanente
+ -vLiC
Pe PovE
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Condiciones de régimen permanente (II)
• Elementos que almacenan energía• Bobina
• Condensador
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t
ic
0A
B
t
vC
0
Régimen permanente:
t
IL
0I1 I2
t
VL
0A
B
La corriente en la bobina empieza
y termina en el mismo punto 𝐼1 = 𝐼2
t
VL
0A
B
t
IL
0
Régimen transitorio:
Balance de voltios por segundo 𝑣𝐿 = 0
Área A = Área B
Si 𝑣𝐿 ≠ 0, 𝑖𝐿 crece
De forma análoga, la condición de régimen permanente es ഥ𝑖𝐶 = 0
Área A = Área BSi ഥ𝑖𝐶 ≠ 0, 𝑣𝐶 crece
Régimen transitorio:
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Condiciones de régimen permanente (III)
• Interruptores en conmutación• Considerando que idealmente en los interruptores no conviven tensión y
corriente, y que el resto de elementos almacenan energía pero no la consumen, para el análisis se puede suponer un convertidor sin pérdidas (𝜂 = 1): 𝑃𝑒 = 𝑃𝑜
• Resumen condiciones régimen permanente
20
Convertidor CC-CC
Regulado
=1
Pe Po
+
-VO
IO
𝑣𝐿 = 0
ഥ𝑖𝐶 = 0
𝑃𝑒 = 𝑃𝑜
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Convertidor reductor: análisis en MCC (I)
• Condición de régimen permanente en la bobina: 𝑣𝐿 = 0
• Condición de régimen permanente en la bobina: ഥ𝑖𝐶 = 0
21
(1-D)· T
vL
0A
B
Ve - VO
VO
D · T
T
IC
t
IL
0
Li
t0A
B
is
iD
+ -vL
+
-vo
ve
vg
s
S
iC
IO
𝑉𝑒 − 𝑉𝑜 · 𝐷 = 1 − 𝐷 · 𝑉𝑜
𝑉𝑜 = 𝐷 · 𝑉𝑒
𝑖𝐿 = 𝑖𝐶 + 𝐼𝑜
ഥ𝑖𝐿 = 𝐼𝑜
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Convertidor reductor: análisis en MCC (II)
• Balance de potencia: 𝑃𝑒 = 𝑃𝑜
• Sistema equivalente al convertidor reductor:
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SEE iVP
OOO IVP
OE PP OOSE IViV
E
OOS
V
VIi
DVV EO
D
1II EO
ES Ii
CC-CCPe PovE
ES Ii OI
vE vO
1 : DIE IO
Transformador ideal de C.C.
ഥ𝑖𝑠 = 𝐼𝑜 · 𝐷
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Convertidor reductor: condensador salida
• Hay que diseñar el condensador de salida para cumplir con la especificación de rizado de tensión a la salida ∆𝑉• Diseño del condensador de salida basado en el análisis de su carga:
• El condensador real tiene una resistencia serie equivalente 𝐸𝑆𝑅 que tendrá un efecto en el rizado
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Cede energía el CAbsorbe energía el C
iL
IO=iLCarga C Descarga C
V
I
Rizado tensión C
VCQ
2
I
2
T
2
1tiQ
dt)t(iQ
ESR
CR
O
𝐶 =∆𝐼
8 · ∆𝑉 · 𝑓𝑠
∆𝑉 = ∆𝐼 · 𝐸𝑆𝑅
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Modo de conducción discontinuo
• Sucede cuando la corriente por la bobina es igual a cero en algún instante:• Aparece un circuito equivalente adicional
• Hay que calcular el tiempo de desmagnetización de la bobina
24
𝑡
𝑖𝐿
0
∆𝑖𝐿
MCC: modo de conducción continuo
ഥ𝑖𝐿
0
𝑖𝐿
MCD: modo de conducción discontinuo
Tiempo de magnetización de la
bobina
Tiempo de desmagnetización de
la bobina
∆𝑖𝐿ഥ𝑖𝐿
0
Frontera MCC-MCD
∆𝑖𝐿
𝑖𝐿ഥ𝑖𝐿
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Convertidor reductor: formas de onda MCD
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MCD: modo de conducción discontinuoLa corriente por la inductancia se anula
is
iD
+ -vL
+
-vo
ve
vg
s
S
S cerrado: Ton
S abierto: Toff Libre circulación
Transferencia de energía directa
VDiodo
IDiodo
T
VDS Vin
0
IS
0
I0
Vin-V0
I
ton
t
t
Ve - V0
- V0
VL
0
I
I0
IL
0
t
t
Ve-VDS
0
0
I0
I
V0t
t
is + -vL
+
-vo
ve
iL+ -v
F
iD
+ -vL
+
-vo
+
-vo
Tiempo muerto
1
2 3
12
3
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Convertidor reductor: análisis en MCD
• Condiciones de régimen permanente:
• Resolución del sistema:
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I
I0
IL
0 t
Ve - V0
- V0
VL
0t
0vL
0iC
OE PP
dVd)VV( OOe
O
OOL
I
VIi
OOSE IViV
(1)
(2)
(3)
(1) Y (2)
(3)
O
2
Oepk
R
VVdI
2
1
O
2
Oepk
R
VVdI
2
1
2
OeeO
2O VV)VV(dL2
TR
Parámetro adimensional de cargaK
1
(4)
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Parámetro adimensional de carga 𝐾
• Definición:
• Es adimensional y tiene la misma expresión para todos los convertidores que se van a estudiar en este curso
• Permite analizar con facilidad del modo de conducción del convertidor
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Inductancia
Frecuencia de conmutación
Carga
𝐾 =2 · 𝐿
𝑅𝑜 · 𝑇𝑇 =
1
𝑓𝑠
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Análisis del modo de conducción
• Para determinar al modo de conducción hay dos posibilidades:
1. Comparando valor medio y rizado de corriente por la bobina• Suponer MCC: calcular 𝑑, 𝑖𝐿 y ∆𝑖𝐿• Comparar el valor de medio de corriente por la bobina con su rizado:
• Si ∆𝐼𝐿
2< ഥ𝑖𝐿 es MCC
• Si ∆𝐼𝐿
2= ഥ𝑖𝐿 es MCC
• Si ∆𝐼𝐿
2> ഥ𝑖𝐿 es MCD hay recalcular 𝑑 y ∆𝑖𝐿
2. Empleando el factor de carga 𝐾• Para cada convertidor se puede calcular un valor de 𝐾 crítico que identifica el
cambio de modo de conducción:
• 𝐾 > 𝐾𝑐𝑟𝑖𝑡 → Modo de conducción continuo
• 𝐾 = 𝐾𝑐𝑟𝑖𝑡 → Frontera entre los modos de conducción
• 𝐾 < 𝐾𝑐𝑟𝑖𝑡 → Modo de conducción discontinuo
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A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Condiciones MCD (I)
• En un diseño con mayor inductancia aumentan las pendientes y por tanto el rizado de corriente
• En un diseño con menor frecuencia de conmutación aumentan los tiempos en los que la corriente sube y baja, incrementando el rizado de corriente
29
t
IL
I0
2I0
2I0
I0
t
IL
T1T2
Tc = 1 / fcrítica
∆𝐼𝐿 = 2𝐼𝑜 =Vo · 1 − 𝐷 · 𝑇
Lcrítica
𝐿𝑐𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑎 =1 − 𝐷 · 𝑉𝑜2 · 𝐼𝑜· 𝑓𝑠
∆𝐼𝐿 = 2𝐼𝑜 =Vo · 1 − 𝐷 · 𝑇𝑐𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑜
L
f𝑐𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑎 =1 − 𝐷 · 𝑉𝑜2 · L · 𝐼𝑜
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Condiciones MCD (II)
• Al aumentar el valor de la resistencia de carga, es decir, reducir la potencia demandada, disminuye el valor medio de la corriente por la bobina
30
t
IL
I0,crítica
L
V -V 0in
L
V- 0
I0
I0
∆𝐼𝐿 = 2𝐼𝑜,𝑐𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑎 =Vo · 1 − 𝐷 · 𝑇
L
𝑅𝑐𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑎 =𝑉𝑜
𝐼𝑜,𝑐𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑎=2 · 𝐿 · 𝑓𝑠1 − 𝐷
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Índice tema
• Introducción a las fuentes de alimentación lineales y conmutadas
• Clasificación de los convertidores CC/CC conmutados
• Convertidor reductor:• Formas de onda• Condiciones de régimen permanente• Análisis en modo de conducción continuo• Análisis en modo de conducción discontinuo
• Convertidor elevador
• Convertidor reductor-elevador
• Convertidor flyback
• Convertidor forward
• Resumen
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A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Convertidor elevador: formas de onda MCC
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t
vgs
t
vS
vL
t
t
iL
t
iS
vD
t
tiD
D·T (1-D)·T
T
TON TOFF
Ve-V0
Ve
V0
v0
S cerrado: TON
iL+ -
vL+
-
vove
vg
s
+
-
iC
i0i
S
S abierto: TOFF
iD+ -
vL
vove
+
-
iC
i0
RL
-
Ve
iCiSC0
+
-
V0
D1
iDiLL+
I0
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Convertidor elevador: análisis en MCC
• Condición de régimen permanente en la bobina: 𝑣𝐿 = 0
• Condición de régimen permanente en la bobina: ഥ𝑖𝐶 = 0
• Balance de potencia: 𝑃𝑒 = 𝑃𝑜
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𝑉𝑒 · 𝐷 = 𝑉𝑜 − 𝑉𝑒 · (1 − 𝐷)
𝑉𝑜 = 𝑉𝑒 ·1
1 − 𝐷
𝑖𝐷 = 𝑖𝐶 + 𝐼𝑜
ഥ𝑖𝐷 = 𝐼𝑜
(1-D)·T
vL
D·TVe-V0
Ve
t
A
B
iD I0
iC
t
iD Li
Di
t
iL Li
𝑉𝑒 · ഥ𝑖𝐿 = 𝑉𝑜 · 𝐼𝑜 ഥ𝑖𝐿 =1
1 − 𝐷· 𝐼𝑜
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Convertidor elevador: condensador salida
34
vgs
iO=IOA
B
D·T
AB
iD
iC
t
t
t
V
O
vO(AC)
ODC Iii
0Ci CO iI DDC iii
TDIC
dt)t(iC
QC
v O
t
t
CO 111 2
1
iC
iO IO
𝐶 =𝐼𝑜 · 𝐷 · 𝑇
∆𝑉
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Convertidor elevador: formas de onda MCD
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VE
D1·T
VE-V0
t
vgs
t
vS
vL
t
t
iL
t
iS
vD
t
tiD
D·T
T
VE
v0
Ip
k
V0
Ip
k
VO-VE
v0
S cerrado: TONiL+ -vL
vove
+
-
IO
iCiS
S abierto: TOFF
iD+ -vL
vove
+
-
IO
iC
vo
+
-
IO
Transferencia de energía directa
Tiempo muerto
RL
-
Ve
iCiSC0
+
-
V0
D1
iDiLL+
I0
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Convertidor elevador: análisis en MCD
36
2
K
d·411
V
V
2
e
0
0e
e
2
ONee
VV
V1
T·L·2
T·Vi
La solución considera signopositivo porque se trata de unconvertidor con topologíaelevadora
ONe
p TL
Vi
Balance Voltios x Segundo bobina:
Balance de potencias:
ON
0e
e''
0eONe T·VV
Vtt·VVT·V
R
Vi·VePP
2
0ese (1)
T
tTi
2
1ii
'
ONpLe (2)
(3)
T
tTT
L
V
2
1i
'
ONON
ee (4)
(5)
(6)
Sustituyendo (5) en (4):
Sustituyendo (6) en (1):
Vsat
TON TON TOFFTOFF V0+VD
t
vA
t
IpiS
vL
Ve-V0t
Ve
t
iL
t
iD
v0 (V0)dc
(∆V0)pp
t
tIp
iC
t’
RL
-
Ve
iCiSC0
+
-
V0
D1
iDiLL+
I0
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Índice tema
• Introducción a las fuentes de alimentación lineales y conmutadas
• Clasificación de los convertidores CC/CC conmutados
• Convertidor reductor:• Formas de onda• Condiciones de régimen permanente• Análisis en modo de conducción continuo• Análisis en modo de conducción discontinuo
• Convertidor elevador
• Convertidor reductor-elevador
• Convertidor flyback
• Convertidor forward
• Resumen
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A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Convertidor reductor-elevador
38
ID I0
RL
-
Ve
IC
C0
+
-
V0
D1IL
L
+ S
Ie
TON
Ve
Ie
RL
-
ID
C0
D1
L
+ +
-
V0
S
+
-
IC
I0
IL
➢Carga de L.➢Descarga de C.
TOFF
➢Descarga de L.➢Carga de C.
Ie
RL
-
Ve
ID
C0
D1
L
+ +
-
V0
S
+
-
I0IL
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Reductor-elevador: análisis en MCC
39
OFFL
LLmedmaxL
OFF
Lmed
OFFLmedD
T·L
VI
III
d
I
T
T·II
T·IT·III
0
00
00
2
1
vL
-V0
Ve
tiL iLmed
iLmax
tiD
t
ID=I0
iC
t
IC=0
Balance Voltios x segundo:
Cálculo corriente máxima en la bobina:
OFFmaxL T·L
V·
d
II 00
2
1
1
OFF0ONe T·VT·V
iD i0
RL
-
Ve
iC
C0
+
-
V0
D1iL
L
+ S
ie
𝑉𝑜 = 𝑉𝑒 ·𝐷
1 − 𝐷
0 ≤ 𝐷 < 0,5 Se cumple que 𝑉𝑜 < 𝑉𝑒
𝐷 = 0,5 Se cumple que 𝑉𝑜 = 𝑉𝑒0,5 < 𝐷 < 1 Se cumple que 𝑉𝑜 > 𝑉𝑒
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Reductor-elevador: análisis en MCD
40
R
Vi·VePP
2
0ese
Balance de potencias:
vL
-V0
Ve
tiL iLmax
tiD
tiC
t
iLmax
ONe
max
maxON
e
T·L
VI
I·T
T·
2
1I
ONeON
e T·L
V·
T
T·
2
1I
L
V·
T
T·
2
1·V
R
V e
2
N0e
2
0
K
d
V
V
e
0
iD i0
RL
-
Ve
iC
C0
+
-
V0
D1iL
L
+ S
ie
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Reductor-elevador: análisis
• Frontera modo de conducción continuo y discontinuo:
• Cálculo condensador de salida:
41
d1
d
V
V
e
0
K > Kcrit → MCCK = Kcrit → Frontera MCC-MCDK < Kcrit → MCD
MCC
MCDK
d
V
V
e
0
2crit d1KK
d
d1
d
A partir de las especificaciones del rizado se determina lacapacidad necesaria
pp
ON0C
V·CQ
T·Idt)·t(iQ
𝐶 =
𝐼𝑜 · 𝑇
∆𝑉
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Índice tema
• Introducción a las fuentes de alimentación lineales y conmutadas
• Clasificación de los convertidores CC/CC conmutados
• Convertidor reductor:• Formas de onda• Condiciones de régimen permanente• Análisis en modo de conducción continuo• Análisis en modo de conducción discontinuo
• Convertidor elevador
• Convertidor reductor-elevador
• Convertidor flyback
• Convertidor forward
• Resumen
42
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Convertidor flyback
• Topología con aislamiento galvánico derivada del convertidor reductor-elevador
• Su funcionamiento se fundamenta en el almacenamiento de energía en la inductancia magnetizante del transformador
43
1:n
-
+
-
+
RL
s
C
Ve
ie
-+
-
+ RLC
Ve
s
+
-
ie
Lm
iLm
-+
-
+ RLC
Ve
s
+
-
ie
Lm
iLm
𝑡𝑜𝑛
𝑡𝑜𝑓𝑓
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Convertidor flyback: formas de onda MCC
44
Vdisp
t
iLm=0
t
VLm
t
ie
tiD
t
ODC III iC
t
toffn
VtonVe
0
Balance Voltios x segundo:
𝑉𝑜 = 𝑉𝑒 · 𝑛 ·𝐷
1 − 𝐷
Para 𝑛 = 1, la relación de conversión es la misma que la del convertidor reductor-elevador pero sin invertir la salida
1:n
-
+
-
+
RL
s
C
Ve
ie
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Convertidor flyback: formas de onda MCD
45
1:n
-
+
-
+
RL
s
C
Ve
ie
Vdisp
tiLm
tiLm=0
t
V
e
VO/nie
tiD
t
ODC III iC
t
ePP 0 ee IVR
V
20
tonL
V
T
tonI
ee
2
1
iT
tonIe
2
1
tonL
Vi
e
𝑉𝑜 = 𝑉𝑒 · 𝐷 ·1
𝐾
Balance potencia:
K
d
d
dn
1
21
n
dKcrítica
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Índice tema
• Introducción a las fuentes de alimentación lineales y conmutadas
• Clasificación de los convertidores CC/CC conmutados
• Convertidor reductor:• Formas de onda• Condiciones de régimen permanente• Análisis en modo de conducción continuo• Análisis en modo de conducción discontinuo
• Convertidor elevador
• Convertidor reductor-elevador
• Convertidor flyback
• Convertidor forward
• Resumen
46
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Convertidor forward
• Topología con aislamiento galvánico derivada del convertidor reductor
47
-
+
s
Ve
Lm
VDm
D1
1:nL
D3
C RL
+
-
D2
iLm
-
+
s
Ve
Lm
VDm
D1
1:n
L
D3
C RL
+
-
ien·Ve VO
Ve
s
Ve
Lm
VDm
D1
1:n
D3
C RL
D2
iLiLm
𝑡𝑜𝑛
𝑡𝑜𝑓𝑓
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Convertidor forward: formas de onda MCC
48
Balance Voltios x Segundo
Vdisp
t
iL
t
iLm
t
vLm
tvL
t
Ve
VDmn·Ve-VS
VS
OFFOONe tVtVVnO
-
+
s
Ve
Lm
VDm
D1
1:nL
D3
C RL
+
-
D2
Además, para desmagnetizar el transformador se debe cumplir el balance voltios x segundo en la inductancia magnetizante:
OFFDmONe tVtV
𝑉𝑜 = 𝑉𝑒 · 𝑛 · 𝐷
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Convertidor forward: tipos desmagnetización
• Forward RCD
• Forward clásico
49
RD Disipa energía extra que llega a CD
CD Almacena energía hasta que su tensión llega a cumplir:
D
C
RR
vP D
2
Energía desmagnetización disipada
TOFF Corriente desmagnetizante reflejada por el secundario.
Energía desmagnetización devuelta a la fuente
D
eD
n
vV
Nº vueltas secundario desmagnetizador
S
Ve
Lm
D1
1:nL
D3
C RL
D2
CD RD
s
Ve
Lm
1:nL
D3
C RL
D2
D1
nD
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Índice tema
• Introducción a las fuentes de alimentación lineales y conmutadas
• Clasificación de los convertidores CC/CC conmutados
• Convertidor reductor:• Formas de onda• Condiciones de régimen permanente• Análisis en modo de conducción continuo• Análisis en modo de conducción discontinuo
• Convertidor elevador
• Convertidor reductor-elevador
• Convertidor flyback
• Convertidor forward
• Resumen
50
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Resumen (I)
• Funciones de Transferencia de los Convertidores Básicos:
Reductor Reductor-elevadorElevador
dV
VM
e
OMCC
dV
VM
e
OMCC
1
1
d
d
V
VM
e
OMCC
1
2
e
OMCD
d
K411
2
V
VM
2
K
d411
V
VM
2
e
OMCD
K
d
V
VM
e
OMCD
dKcritica 1 21 ddKcritica 21 dKcritica
1max_criticaK27
4max_criticaK 1max_criticaK
MKcritica 13
1
M
MKcritica
21
1
)M(Kcritica
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Resumen (II)
• Relaciones de tensiones en modo de conducción continuo y discontinuo:
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90
2
4
6
8
10
1
Elevador
Reductor-Elevador
Reductor
M en MCC
Ciclo de trabajo, D0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
M en MCD
Ciclo de trabajo, D
Elevador
Reductor-Elevador
Reductor
A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel / OCW Electrónica Potencia 2017
Resumen (III)
• Topologías reductoras:
• Topologías reductoras-elevadoras:
53
Reductor
1:n
Forward
Reductor-Elevador 1:n
Flyback
• Transformador más pequeño• Mayor rendimiento• Menor ruido y rizado de Vo• Menores niveles de corriente
• Sencillo y barato• Un único elemento magnético• Apropiado para convertidores
multisalida• Mayor capacidad de
regulación
Forward vs. flyback
Flyback vs. forward