Sistemas de alimentación
Universidad de Oviedo
Área de Tecnología Electrónica
ATE Univ. de Oviedo SISAL001.00
¿Qué es un Sistema de Alimentación ?
+ Sistema de
Alimentación
Fuente primaria de energía eléctrica
Carga
(sistema electrónico)
ATE Univ. de Oviedo SISAL002.00
Múltiples cargas (multisalida)
+ Sistema de
Alimentación
Fuente primaria de energía eléctrica Carga1 a V1
Carga2 a V2
Carga3 a V3
ATE Univ. de Oviedo SISAL003.00
Múltiples cargas y fuentes
+
+
Sistema de
Alimentación
Fuenteprimaria1 a V1
Carga1 a V1
Carga2 a V2
Carga3 a V3
Fuenteprimaria2 a V2
-
ATE Univ. de Oviedo SISAL004.00
Arquitectura de convertidores
Carga3 a V3
Carga1 a V1
Carga2 a V2
Fuente1
Fuente2
+
+
-Sistema de
Alimentación
Bus
Convertidor1
(CA/CC)
Convertidor2
(CC/CC
bidirec.)
Convertidor3
(CC/CC)
Convertidor4
(CC/CC)
ATE Univ. de Oviedo SISAL005.00
Fuentes primarias de Corriente Alterna (CA)
Fuentesprimarias
Frecuencia Tensiones
Red Europea 50Hz 220, 230V (175-265V)
Red Amer./Jap. 60, 50Hz 110, 100V (85-135V)
Red Universal 50-60Hz 110-230V (85-265V)
Red Avionica 400Hz 115V (80-165V)
ATE Univ. de Oviedo SISAL006.00
Fuentes primarias de Corriente Continua (CC)
Fuentesprimarias
Tensión / celda Tensiones
Baterías
Pb-ácido
2V(1,75-2,6V)
12-24-48V
Baterías
Ni-Cd
1,2V(1,05-1,35V)
2,4-6-12V
Baterías
Ni-Metal H
1,2V(1,05-1,35V)
2,4-6-12V
BateríasTérmicas
1,87V(1,2-2,07V)
28V
Panel solar 0-0,6VVpmax=0,45V
Variable
ATE Univ. de Oviedo SISAL007.00
Tipos de cargas electrónicas
Tipo Tensiones
Circuitos digitales 5V 3,3V (¿2,7V 1,5V?)
Circuitos analógicos +15V -15V 9V 12V
Circuitos de RF 6V 12V
Baterías 2,4V 6V 12V 24V 48V
Accesorios (ventilador) 12V
ATE Univ. de Oviedo SISAL008.00
Ejemplo de arquitectura (I)
5V cc
3,3V cc
15V cc
Batería48V
Convertidor1(CA/CC)
Convertidor2(CC/CC)
Convertidor3(CC/CC)
Convertidor4(CC/CC)
Convertidor5(CC/CC)
+
-
Red de alterna
+
Sistema de Alimentación usado en centrales telefónicas
ATE Univ. de Oviedo SISAL009.00
Ejemplo de arquitectura (II)
Convertidor1
(CA/CC)
Convertidor2
(CC/CC)
Convertidor3
(CC/CC)
Convertidor4
(CC/CA)
+
-
115 V ca, 400Hz
28 V cc
Generador (turbina)
Baterías
Sistema de Alimentación
usado en aviónica
Generador Auxiliar
(en tierra)ATE Univ. de Oviedo SISAL010.00
Convertidores en los sistemas de alimentación
Convertidores CA/CC•Con alto contenido de armónicos de baja frecuencia.•Con bajo contenido de armónicos de baja frecuencia.
Convertidores CC/CC•Convertidores conmutados.•Convertidores lineales
Convertidores CC/CA
ATE Univ. de Oviedo SISAL011.00
Carga
Realimentación
Convertidores CC/CC basados en reguladores lineales (I)
Idea básica
ATE Univ. de Oviedo SISAL012.00
Convertidores CC/CC basados en reguladores lineales (II)
Realización física
Carga
Realimentación
ATE Univ. de Oviedo SISAL013.00
Convertidores CC/CC basados en reguladores lineales (III)
Cálculo del rendimiento
Vg
VT
VO
+
+ -
-
Ig
IR Ig
= (VO·IR) / (Vg·Ig)
VO / Vg
IR
El rendimiento depende de la tensión de entrada.
El convertidor sólo puede reducir la tensión de entrada.
ATE Univ. de Oviedo SISAL014.00
Sistemas basados en reguladores lineales
RedCA
Carga1
+5V
Carga2
+15V
Carga3
-15V
Transformador de baja frecuencia Rectificadores Reguladores Lineales
ATE Univ. de Oviedo SISAL015.00
Sistema de alimentación basado en reguladores lineales
Pocos componentes.
Robustos
Sin generación de EMI
Pesados y voluminosos
Bajo rendimiento
ATE Univ. de Oviedo SISAL016.00
Convertidores CC/CC conmutados (I)Idea básica
Carga
Regulador lineal
Vg
Carga
PWM VO
+
-
VOVg
t
Regulador conmutado
ATE Univ. de Oviedo SISAL017.00
Convertidores CC/CC conmutados (II)Filtrando la tensión sobre la carga
Vg
PWM VO
+
-VO
Vg
tVFVg
t
VO
Filtro
pasa-
bajosVg
VO
+
-VF
+
-
ATE Univ. de Oviedo SISAL018.00
Convertidores CC/CC conmutados (III)¿Se puede usar un filtro “C”?
VFVg
t
VO
Filtro
pasa-
bajosVg VO
+
-
VF
+
- Vg
VO
+
-
Vg
t
VO
NO se puedeNO se puede
ATE Univ. de Oviedo SISAL019.00
Convertidores CC/CC conmutados (IV)¿Se puede usar un filtro “LC” sin más?
Vg
VO
+
-
porque interrumpe bruscamente la corriente en la bobina
iL
Filtro
pasa-
bajosVg VO
+
-
VF
+
-
NO se puedeNO se puede
ATE Univ. de Oviedo SISAL020.00
Convertidores CC/CC conmutados (V)El primer convertidor básico:
El convertidor REDUCTOR (Buck)
este diodo soluciona los problemas
Filtro
pasa-
bajosVg VO
+
-
VF
+
- Vg VO
+
-
VF
+
-
VFVg
t
VO
ATE Univ. de Oviedo SISAL021.00
Análisis del convertidor reductor (Buck) (I) Hipótesis del análisis:
• La tensión de salida no varía en un ciclo de conmutación.
• La corriente en la bobina no llega a valer nunca cero (modo continuo de conducción).
Td·T
t
t
t
t
iS
iD
iL
Mando
iSiL
iDVg
VO
iD= iL
VO-+
iS= iL
Vg VO
+-
Durante d·T
Durante (1-d)·TATE Univ. de Oviedo SISAL022.00
Análisis del convertidor reductor (II)
¿Cómo calcular la relación entre variables eléctricas?
Para ello, vamos a recordar dos propiedades de las bobinas y de los condensadores en circuitos que estén en régimen permanente:
• La tensión media en una bobina es nula.
• La corriente media en un condensador es nula.
En caso contrario, crecería indefinidamente la corriente en la bobina y la tensión en el condensador (incompatible con el régimen permanente).
+
-
Circuito en
régimen
permanente
vL = 0
iC = 0
ATE Univ. de Oviedo SISAL023.00
Análisis del convertidor reductor (III)
Frecuentemente, cuando se opera en “modo continuo de conducción”, la forma de onda de tensión en la bobina es rectangular “suma de productos voltios·segundos = 0”
+
-
Circuito en
régimen
permanentevL = 0
iL
Td·T
t
t
iL
Mando
vL
t-
+
Áreas iguales
ATE Univ. de Oviedo SISAL024.00
Análisis del convertidor reductor (IV)
• Aplicación del balance “suma de productos voltios·segundos = 0”
Td·T
t
t
iL
Mando
vL
t-
+Vg- VO
IO
- VO
(Vg- VO)·d·T - VO·(1-d)·T = 0 VO = d·Vg
• Corriente media nula por el condensador
+ -vL = 0
Vg
IO VO
+
-
iL
iC = 0 R
iL = IO = VO/RATE Univ. de Oviedo SISAL025.00
Análisis del convertidor reductor (V)
• Aplicación del balance de potencias
iS = IO·VO/Vg iS = IO·d
• Corriente media por el diodo
iD = iL - iS iD = IO·(1-d)
vS max = vD max = Vg
VO
+
-
Vg
IO
R
iS
iL
iD
+ -vS
vD
+
-
•Tensiones máximas
Td·T
t
t
iS
iD
iS
iD
ATE Univ. de Oviedo SISAL026.00
Análisis del convertidor reductor (VI) Otra forma de razonar (I):
+ -vL = 0
VgVO
+
-RvD
+
-
vD = d·Vg
vDVg
t
vD
Td·T
vD = vL + VO vD = vL + VO = VO
Luego: VO = d·Vg
ATE Univ. de Oviedo SISAL027.00
Análisis del convertidor reductor (VII) Otra forma de razonar (II):
VO = Vg·d
IO = ig/d
Transformador ideal de continua
VgVO
+
-
R
IOig
1 : d
Esta forma de razonar es válida para cualquier convertidor no disipativo (combiando la relación de transformación).
ATE Univ. de Oviedo SISAL028.00
¿Es posible encontrar un convertidor que eleve tensión? (I)
Partimos del convertidor reductor:
Vg
VO
Controlado por el mando
Incontrolado
VgR VO
Convertidor reductor
VgVO
d1-d
Flujo de potenciaATE Univ. de Oviedo SISAL029.00
¿Es posible encontrar un convertidor que eleve tensión? (II)
VgVO
d
1-d
Flujo de potencia Vg VO
Flujo de potencia
VO Vg
d 1-d
1-d d
VgdEste interruptor tiene que ser el controlado por el mando. Si no fuera así, habría un corto circuito permanente
Reductor
Otro convertidor
Cambiamos las V
ATE Univ. de Oviedo SISAL030.00
¿Es posible encontrar un convertidor que eleve tensión? (III)
VO
Flujo de potencia
Vg
1-d
d
Flujo de potencia
Vg
VOd
1-d
Cambiamos la forma de dibujar el circuito
Vg VO
Convertidor ELEVADOR (Boost)ATE Univ. de Oviedo SISAL031.00
El convertidor reductor frente al elevador
vS max = vD max = Vg vS max = vD max = VO
VO = Vg·d VO = Vg/(1-d)
Vg VO
VO Vg
d 1-d1-d d
VO<Vg VO>Vg
Modificaciones
Vg
VO
Reductor
vD
+
-
+ -vS
VgVO
Elevador
vD +-
+
-vS
Siempre VO<Vg Siempre VO>Vg
ATE Univ. de Oviedo SISAL032.00
Análisis del conv. elevador (Boost) (En modo continuo de conducción)
Durante d·TiL= iD
Vg VO
+-
Durante (1-d)·T
iL iD
iSVg
VO
iL= iS
Vg
• Balance voltios·segundos
Vg·d·T+(Vg-VO)·(1-d)·T = 0
VO = Vg/(1-d)
R
IO
• Balance de potencias
iL = IO·VO/Vg iS = iL·d
iD = iL·(1-d)T
d·Tt
t
t
t
iS
iD
iL
Mando
iL
iS
iD
ATE Univ. de Oviedo SISAL033.00
El cortocircuito y la sobrecarga en el convertidor elevador
VgR
Este camino de circulación de corriente no puede interrumpirse actuando sobre el transistor. El convertidor no se puede proteger de esta forma.
ATE Univ. de Oviedo SISAL034.00
¿Es posible encontrar un convertidor que pueda reducir y elevar? (I)
dd
1-d
1-d
Reductor Elevador
Vo
+
-Vi
+
-Vg
VO/Vg = (VO/Vi )·(Vi/Vg ) = d/(1-d)
1-d
d
d
1-d
Vg VOVg
VO
ATE Univ. de Oviedo SISAL035.00
¿Es posible encontrar un convertidor que pueda reducir y elevar? (II)
1-d
d
d
1-d
Vg
VO
A BDurante
d·T
Durante(1-d)·T
¿Es posible agrupar interruptores?Basta invertir el terminal común (masa) en el subcircuito de (1-d)T
Vg
A B
VO-+
A B
ATE Univ. de Oviedo SISAL036.00
¿Es posible encontrar un convertidor que pueda reducir y elevar? (III)
Duranted·T
Durante(1-d)·TVO
-+
AB
Vg
A B
1-dd
Vg
VO
A
B
ATE Univ. de Oviedo SISAL037.00
El convertidor reductor-elevador (buck-boost) (I)
1-dd
Vg
VO
+ -vD
Vg·d·T - VO·(1-d)·T = 0 VO = Vg·d/(1-d)• Balance voltios·segundos
vS max = vD max = Vg+VO= Vg/(1-d)• Tensiones máximas
VO
+
-
Vg R
+ -vS
vL
+
-
ATE Univ. de Oviedo SISAL038.00
El convertidor reductor-elevador (II)
VO
+
-
Vg
IO
RiL
iDiS
• Balance de potencias
iS = IO·VO/Vg iS = IO·d/(1-d)
• Corriente media por el diodo
iD = IO = VO/R
• Corriente media por la bobina
iL = iD + iS iL = IO/(1-d)T
d·Tt
t
t
t
iS
iD
iL
Mando
iL
iS
iD
ATE Univ. de Oviedo SISAL039.00
TB1
TB2
TC1
TC2
d1-d
TS1 TD1
TL1
TS1
TD1
TL1
TS1
TD1TL1
Reductor
Reductor-elevador
Elevador
Otra forma de generar los convertidores básicos
ATE Univ. de Oviedo SISAL040.00
Comparando reductor y reductor-elevador
Reductor
50V100V
2A1A (medios)
S D
L
100W
vS max = vD max = 100V
iS=1A iD=1A iL=2A
VAS = 100VA VAD = 100VA
Reductor-elevador
50V
2A
100V
1A (medios)
S
D
L100W
vS max = vD max = 150V
iS=1A iD=2A iL=3A
VAS = 150VA VAD = 200VA
Las solicitaciones eléctricas en el reductor-elevador son mayores
ATE Univ. de Oviedo SISAL041.00
Comparando elevador y reductor-elevador
Elevador
50V25V
2A4A (medios)
SDL
100W
vS max =vD max = 50V
iS=2A iD=2A iL=4A
VAS = 100VA VAD = 100VA
Reductor-elevador
50V
2A
25V
4A (medios)
S
D
L100W
vS max = vD max = 75V
iS=4A iD=2A iL=6A
VAS = 300VA VAD = 150VA
Las solicitaciones eléctricas en el reductor-elevador son mayores
ATE Univ. de Oviedo SISAL042.00
El modo de conducción en los tres convertidores básicos (I)
(sólo una bobina y un diodo)
Convertidor
con 1 bobina
y 1 diodo
IO
iL
R VO
+
-Vg
iL = IO/(1-d) (elevador y reductor-elevador)
iL = IO (reductor)
Td·T
t
t
iL
Mando
iL
El valor medio de iL depende de IO:
ATE Univ. de Oviedo SISAL043.00
El modo de conducción en los tres convertidores básicos (II)
• Al variar IO varía el valor medio de iL
• Al variar IO no varían las pendientes de iL (dependen de Vg y de VO) t
t
iL iL
iL iL
iL iL
t
R1
Rcrit > R2
R2 > R1 Todos los casos corresponden al llamado “modo continuo de conducción” (mcc), en el que es válido todo lo estudiado
Este es el caso crítico
ATE Univ. de Oviedo SISAL044.00
El modo de conducción en los tres convertidores básicos (III)
t
t
iL
iL
Rcrit
t
R3 > Rcrit iL
iL
iL iL
R3 > Rcrit
Sigue el modo continuo
Modo discontinuo
¿Qué pasa si R > Rcrit ?
ATE Univ. de Oviedo SISAL045.00
Comparación de la tensión de salida en ambos modos de conducción
Recuérdese: Al variar IO varía el valor medio de iL
t
iL iL
iL iL
t
R = Rcrit
R < Rcrit
iL iL
t
R > Rcrit
Con parte negativa (modo continuo a baja carga), la tensión de salida sería la calculada en modo continuo. Cuando estamos en discontinuo no existe la parte negativa, lo que causa que la corriente media en la bobina crezca y por tanto lo haga la corriente y la tensión de salida.
ATE Univ. de Oviedo SISAL046.00
Nos acercamos a las condiciones críticas (y por tanto al modo discontinuo) si:
t
t
iL
t
iL
iL
• Bajamos el valor de las bobinas (aumentan las pendientes)
• Bajamos el valor de la frecuencia (aumentan los tiempos en los que la corriente está subiendo o bajando)
• Aumentamos el valor de la resistencia de carga (disminuye el valor medio de la corriente por la bobina)
ATE Univ. de Oviedo SISAL047.00
Existen 3 estados distintos:
• Conduce el transistor (d·T)
• Conduce el diodo (d’·T)
• No conduce ninguno (1-d-d’)·T
tiL
Mando
t
iL
vL
T
d·Tt
d’·T
+-
iD
t
iD Ejemplo
VOVg
VOVg
VgVO
VOVg
(d·T) (1-d-d’)·T(d’·T)
Modo discontinuo de conducción
VO
Vg
ATE Univ. de Oviedo SISAL048.00
VOVg
(d·T)
VOVg
(d’·T)
Vg = L·iLmax/(d·T)
iL
t
iL
vL
T
d·Tt
d’·T
+-
iD
t
iD
VO
Vg
iLmax
iLmax
Relación de transformación M=VO/ Vg :
M =d/(k)1/2 , siendo: k =2·L / (R·T)
Relación de transformación en modo discontinuo (en el reductor-elevador)
VO = L·iLmax/(d’·T)
iD = iLmax·d’/2
iD = VO/R
ATE Univ. de Oviedo SISAL049.00
• Relación de transformación en discontinuo, M:
M = d / (k)1/2 , siendo: k = 2·L / (R·T)
• Relación de transformación en continuo, N:
N = d / (1-d)
• En la frontera: M = N, R = Rcrit , k = kcrit
kcrit = (1-d)2
• Modo continuo: k > kcrit
• Modo discontinuo: k < kcrit
Frontera entre modos de conducción (en el reductor-elevador)
t
iL
iL
Rcrit
ATE Univ. de Oviedo SISAL050.00
N = d
2M =
1 + 1 + 4·k
d2
kcrit = (1-d)
kcrit max = 1
dM =
k
dN =
1-d
kcrit = (1-d)2
kcrit max = 1
2M =
1 + 1 + 4·d2
k
1N =
1-d
kcrit = d(1-d)2
kcrit max = 4/27
Reductor Reductor-elevador
Elevador
Extensión a otros convertidores
ATE Univ. de Oviedo SISAL051.00
Incorporación de aislamiento galvánico al convertidor reductor (I)
No vale porque el transformador no se desmagnetiza
Lm
ATE Univ. de Oviedo SISAL052.00
Incorporación de aislamiento galvánico al convertidor reductor (II)
No vale porque el transformador se desmagnetiza instantaneamente (sobretensión infinita)
Lm
D2
D1
ATE Univ. de Oviedo SISAL053.00
Incorporación de aislamiento galvánico al convertidor reductor (III)
Esta es la solución
Lm
Dipolo de tensión constante
ATE Univ. de Oviedo SISAL054.00
Operación en régimen permanente de un elemento magnético con dos devanados
Circuito en régimen
permanente
n1 : n2
v1 v2
+
-
+
-
(vi /ni) = 0
vi = ni · d/dt
= B - A = (vi/ni)·dtB
A
Ley de faraday:
En régimen permanente:
()en un periodo= 0Luego:
Si se excita el elemento magnético con ondas cuadradas:
“suma de productos (voltios/espiras)·segundos = 0”ATE Univ. de Oviedo SISAL055.00
Operación en régimen permanente de un elemento magnético con varios devanados: ejemplo
“Suma de productos (voltios/espiras)·segundos = 0”
(V1/n1)·d1·T - (V2/n2)·d2·T = 0 d2 = d1·n2·V1/(n1·V2)
tvi/ni
T
d1·Tt
d2·T
+-
V1/n1
max
V2/n2
Para asegurar la desmagnetización: d2 < 1 - d1
V1
V2
n2
n1
ATE Univ. de Oviedo SISAL056.00
El convertidor directo (forward) (I)
Vg n2
n1
Desmagnetización basada en la tensión de entrada
V1 = V2 = Vg
Teniendo en cuenta:
d’ = d·n2/n1 d’ < 1 - d
obtenemos:
d < n1/(n1 + n2) dmax = n1/(n1 + n2)
V1
V2
n2
n1
ATE Univ. de Oviedo SISAL057.00
El convertidor directo (II)
VO
n2:n3
n1
+
-vD2
vS
+
-
vD1
+
-Vg
vS max = Vg+Vg·n1/n2 = Vg/(1-dmax)
vD1 max = Vg·n3/n1
vD2 max = Vg·n3/n2
dmax = n1/(n1 + n2)
Vg·n3/n1 VO
+-
Durante d·T
VO-+
Durante (1-d)·TVO = d·Vg·n3/n1 (en modo continuo)
ATE Univ. de Oviedo SISAL058.00
El convertidor directo (III)iD2
VOVg n2:n3
n1
iS
iL
iD1
iD3iO
iD2·n3/n1
Td·T
tMando
t
iL iO
d’·T
iD3
iD2
iD1
iS
t
t
t
t
iD2 = IO·d iD1 = IO·(1-d)
im = Vg·T·d2/(2·Lm) (ref. al primario)
iS = IO·d·n3/n1 + im iD3 = im
ATE Univ. de Oviedo SISAL059.00
Comparando reductor y directo
Reductor
50V100V
2A1A (medios)
S D
L
100W
vS max=vD max=100V
iS=1A iD=1A iL=2A
VAS=100VA VAD=100VA
VAS = 200VA VAD = 100VA Mayor VS max en el directo
Directo
50V
2A
100V
1A (medios)
SD1
L
100W1 : 1:1
D2D3
vS max=200V
iS=1A iD1= iD2=1A
vD1 max= vD2 max= 100V
iL=2A
ATE Univ. de Oviedo SISAL060.00
Variación de VgvD2
VO
n2:n3
n1
+
-
vS
+
-
vD1
+
-Vg
t
vi/ni
t+-
Vg/n1
max
Vg/n2
Alta Vg
t
vi/ni
t+-
Vg/n1
max
Vg/n2Baja Vg
t
vi/ni
t+-
Vg/n1
max
Vg/n’2
Mejores tensiones máximas
ATE Univ. de Oviedo SISAL061.00
¿Existen otras formas de desmagnetizar el transformador?
t
vi/ni
t+-
Vg/n1
max
VC/n1
Enclavamiento RCD(RCD clamp)
Mal rendimiento
Integración de parásitos
Útil para rect. sinc. autoexc.
VC
Vg
Lm
LdVg
ATE Univ. de Oviedo SISAL062.00
Otras formas de desmagnetizar el transformador: Desmagnetización resonante
Pequeña variación de Vg
Integración de parásitos
Útil para rect. sinc. autoexc.
vT
t+-
(Resonant reset)vT
+
-Vg
Lm
LdVg
ATE Univ. de Oviedo SISAL063.00
t
vi/ni
t+-
Vg/n1
VC/n1
Dos transistores
Integración de parásitos
Útil para rect. sinc. autoexc.
Flujo sin nivel de continua
Otras formas de desmagnetizar el transformador: Enclavamiento activo
(Active clamp)
VC = Vg·d/(1-d)
VC
Vg
Lm
LdVg
ATE Univ. de Oviedo SISAL064.00
Dos transistores
Bajas tensiones en los semiconductores
Otras formas de desmagn. el transf.: Convertidor directo con dos transistores
t
vi/ni
t+-
Vg/n1
max
Vg/n1
dmax = 0.5
VO = d·Vg·n2/n1 (en modo continuo)
vS1 max = vS2 max = Vg
vD1 max = vD2 max = Vg
vD3 max = vD4 max = Vg·n2/n1
Vg
n1 : n2
S1D4
D3
D1
D2
S2
VO
ATE Univ. de Oviedo SISAL065.00
Incorporación de aislamiento galvánico al convertidor reductor-elevador (I)
Es muy sencillo incorporar aislamiento galvánico
ATE Univ. de Oviedo SISAL066.00
Incorporación de aislamiento galvánico al convertidor reductor-elevador (II)
La bobina y el transformador pueden integrarse en un único dispositivo magnético. Dicho dispositivo magnético se calcula como una bobina, no como un transformado.
• Debe almacenar energía.
• Normalmente tiene entrehierro
ATE Univ. de Oviedo SISAL067.00
El convertidor de retroceso o convertidor indirecto (flyback)
VO
+
-
vS
+
-
Vg
+
-vD
n1 n2
“Suma de productos (voltios/espiras)·segundos = 0”
d·T·Vg/n1 - (1-d)·T·VO/n2 = 0
VO = Vg·(n2/n1)·d/(1-d)
vD max = Vg·n2/n1 + VO= Vg·(n2/n1)·/(1-d)
vS max = Vg+VO·n1/n2 = Vg/(1-d)
Máximas tensiones
ATE Univ. de Oviedo SISAL068.00
Comparando retroceso y reductor-elevador
Reductor-elevador
50V
2A
100V
1A (medios)
S
D
L100W
vS max = vD max = 150V
iS=1A iD=2A iL=3A
VAS = 150VA VAD = 200VA
Las solicitaciones eléctricas son iguales
vS max = vD max = 150V
iS=1A iD=2A
VAS = 150VA VAD = 200VA
50V
2A
100V
1A (medios)
S
D
100WRetroceso1:1
ATE Univ. de Oviedo SISAL069.00
Dos transistores
Relación de transformación acotada
Bajas tensiones en los semiconductores
Otra forma del convertidor de retroceso: Convertidor de retroceso con dos transistores
VO = Vg·(n2/n1)·d/(1-d) (en m.c.)
dmax = 0.5
vS1 max = vS2 max = Vg
vD1 max = vD2 max = Vg
vD3 max = Vg·(n2/n1)·/(1-d)
Vgn1 : n2
S1 D3
D1
D2
S2
VO
ATE Univ. de Oviedo SISAL070.00
Incorporación de aislamiento galvánico al convertidor elevador
•No es posible No es posible incorporar aislamiento
galvánico con un único transistor
•Con varios transistores puentes alimentados en corriente
ATE Univ. de Oviedo SISAL071.00
¿Cómo son las corrientes por los puertos de entrada y salida de un convertidor?
d1-d
i2i1
Puerto de entrada
Puerto de salida
i2i1
1 : Nt
i1
t
i2
Situación ideal Situación ideal
ATE Univ. de Oviedo SISAL072.00
Corriente de entrada en cada convertidor
t
i1
i1
t
t
i2
t
i2
t
i2
i1
t
Reductor-elevador
i2i1
Elevador
i2i1
Reductor
i2i1
ruidosono ruidoso
ruidosono ruidoso
ruidoso ruidoso
ATE Univ. de Oviedo SISAL073.00
Reductor
Elevador
Reductor-elevador
Filtrando la corriente de entrada
ATE Univ. de Oviedo SISAL074.00
¿Existen convertidores con ambas corrientes “poco ruidosas”?
i2
i1
Puerto de entrada
Puerto de salida
Convertidor
CC/CC
t
i2
poco ruidosa
t
i1
poco ruidosa
ATE Univ. de Oviedo SISAL075.00
Convertidor elevador-reductor (I)
VO/Vg = (VO/Vi )·(Vi/Vg ) = d/(1-d)
ReductorElevador
d
1-d
Vo
+
-Vi
+
-Vg
d
1-dvD
+
-
Td·T
t
t
vD
Mando
Vi
Elevador
d1-d
Vi+ -
VgvD
+
-
Modificamos la posición relativa del condensador y el diodo
ATE Univ. de Oviedo SISAL076.00
Convertidor elevador-reductor (II)
Td·T
t
t
vD
Mando
Vi
Elevador
d1-d
Vi+ -
VgvD
+
-
d
Reductor
Vo
+
-Vi
+
- 1-dvD
+
-
Td·T
t
t
vD
Mando
-ViLa tensión vD en ambos casos
es igual, salvo por el signoATE Univ. de Oviedo SISAL077.00
Convertidor elevador-reductor (III):El convertidor de ´Cuk
Td·T
t
t
vD
Mando
-Vi
Vi
Elevador
d1-d
+ -
VgvD
+
-Reductor
VO
Balance “voltios-segundos” en la bobina del elevador (lo mismo que en un elevador normal):Vi = Vg/(1-d)
La tensión de salida es la media de la tensión en el diodo:VO= d·Vi VO = Vg·d/(1-d)
ATE Univ. de Oviedo SISAL078.00
El convertidor de ´CukVi
+
-Vg
VO+
-
vDvS
igiO
Vi = Vg/(1-d) VO = Vg·d/(1-d)
vS max = vD max = Vi = Vg/(1-d)
Teniendo en cuenta que las corrientes medias por los condensadores son cero: iS = igiD = iO
Los esfuerzos eléctricos son los mismos que en el convertidor reductor-elevador
Vi = Vg + VO
ATE Univ. de Oviedo SISAL079.00
El convertidor de ´Cuk en modo discontinuo (I)Vi = Vg + VO
d·T
(1-d-d’)·T
d’·T
ViVg VO
Vg VO
Vi
Vg VO
Vi
iL2iL1
iL1
iL1
iL2
iL2
t
t
di/dt = Vg/L1
di/dt = Vg/L2
di/dt = VO/L1
di/dt = VO/L2
iL2
iL1
iL1 + iL2
ATE Univ. de Oviedo SISAL080.00
El convertidor de ´Cuk en modo discontinuo (II)
di/dt = Vg/L1 + Vg/L2
t
iL1 + iL2
di/dt = VO/L1 + VO/L2
Llamando:
1/Leq = 1/L1 + 1/L2
queda:
Vg/L1 + Vg/L2 = Vg/Leq
VO/L1 + VO/L2 = VO/Leq
Esta es la misma situación que teníamos en el convertidor reductor-elevador la fórmula es la misma, usando Leq como inductancia:
k = 2·Leq / (R·T)d
M = k
kcrit = (1-d)2 kcrit max = 1
ATE Univ. de Oviedo SISAL081.00
Una propiedad interesante del convertidor de ´Cuk
vL1 = vL2 = Vg
vL1 = vL2 = -VO
vL1 = vL2 = 0
Para ambos modos:
Las mismas tensiones en L1 y L2
vL1+ -
d·T
VgVO
Vg + VO
vL2- +
L1L2
d’·T
VgVO
vL2- +
vL1+ -
Vg + VOL1 L2
(1-d-d’)·T
VgVO
vL1+ -
vL2- +
Vg + VOL1 L2
ATE Univ. de Oviedo SISAL082.00
Acoplamiento de dos bobinas (I)
n1 : n2
vL1
+
-
vL2
Ld1
Lmn1vL2· n2
+
-
+
-
+
-
vLm
Ld2
n1vL1
+
-
+
-vL2
L2L1
n2
M
n1vL1
+
-
L1+
-vL2
L2
n2
Bobinas sin acoplar
Bobinas acopladas
Circuito equivalente
ATE Univ. de Oviedo SISAL083.00
n1 : n2
+
-vL2
Lmn1vL2· n2
+
-
+
-
vLmO
Ld2
vL1
+
-
Ld1
Acoplamiento de dos bobinas (II)
Thèvenin
n1vLmO = vL2 · n2
Lm·
Lm+Ld2
+
-
vL1
+
-
Ld1
Ld2·Lm
Ld2 + Lm
Lsal =
ATE Univ. de Oviedo SISAL084.00
Acoplamiento de dos bobinas (III)
iL1
vL1 - vLmO = (Ld1 + Lsal)·diL1
dt
Aplicamos la Ley de Faraday:
Si vL1 = vLmO diL1
dt= 0 iL1 = cte. (sin rizado)
n1vLmO = vL2 · n2
Lm·
Lm+Ld2
+
-
vL1
+
-
Ld1
Ld2·Lm
Ld2 + Lm
Lsal =
ATE Univ. de Oviedo SISAL085.00
Acoplamiento de dos bobinas cuando vL1 = vL2
iL1
n1vLmO = vL1 · n2
Lm·
Lm+Ld2
+
-
vL1
+
-
Ld1
Ld2·Lm
Ld2 + Lm
Lsal =
El rizado de iL1 se anula si vL1 = vLmO n1 = n2·(1 + Ld2/Lm)
n1 : n2
Ld1
Lm
Ld2
iL1
ATE Univ. de Oviedo SISAL086.00
vL1 = L1·diL1/dt + M·diL2/dt
vL2 = M·diL1/dt + L2·diL2/dtn1vL1
+
-
+
-vL2
L2L1
n2
MiL1 iL2
Razonando de otro modo
• Si vL2 = vL1 y M = L2 (L1-M)·diL1/dt = 0
(L1-M)0 diL1/dt = 0 (no hay rizado en iL1)
• Si vL2 = vL1 y M = L1 (L2-M)·diL2/dt = 0
(L2-M)0 diL2/dt = 0 (no hay rizado en iL2) ATE Univ. de Oviedo SISAL087.00
Relaciones entre L1, L2 y M por un lado y Ld1, Ld2, Lm, n1 y n2 por otro (I)
n1vL1
+
-
+
-vL2
L2L1
n2
MiL1 iL2
vL1 = L1·diL1/dt + M·diL2/dt vL2 = M·diL1/dt + L2·diL2/dt
[vL1]iL1=0 = M·diL2/dt
[vL1]iL2=0 = L1·diL1/dt
[vL2]iL1=0 = L2·diL2/dt
n1 : n2
Ld1
Lm
Ld2vL1
+
-
+
-vL2
iL1 iL2
iL2·n2/n1
[vL1]iL1=0 = (Lm·n2/n1)·diL2/dt
[vL1]iL2=0 = (Ld1+Lm)·diL1/dt
[vL2]iL1=0 = (Ld2+Lm)·(n2/n1)2·diL2/dtATE Univ. de Oviedo SISAL088.00
Relaciones entre L1, L2 y M por un lado y Ld1, Ld2, Lm, n1 y n2 por otro (II)
M = Lm·n2/n1
L1 = Ld1 + Lm
L2 = (Ld2 + Lm)·(n2/n1)2
Condiciones de anulación de rizado:
En L1: M = L2 n1 = n2·(1 + Ld2/Lm)
En L2: M = L1 n2 = n1·(1 + Ld1/Lm)
Importante: ambas son realizables por separado
ATE Univ. de Oviedo SISAL089.00
t
iL1
t
iL2iL1
iL2
L2L1n2
n1
Anulación del rizado en la entrada de un convertidor de ´Cuk
t
iL1
t
iL2iL1
iL2L1
n1
L2
n2
M = L2
ATE Univ. de Oviedo SISAL090.00
Anulación de cualquiera de los rizadosMagnetismo integrado
t
iL2
t
iL1iL1
iL2L1
n1
L2
n2
M = L1
t
iL1
t
iL2iL1
iL2L1
n1
L2
n2
M = L2
ATE Univ. de Oviedo SISAL091.00
Configuración LDC de un reductor
VO
Vi = Vg/(1-d)
Fuente + transistor
Elevador
d1-dVg
vD
+
-Reductor
VO
Vi = Vg/(1-d)
Vg
VO
Vi = Vg/(1-d)
Vamos a buscar otros convertidores con 4 elementos reactivos (I)
´Cuk
ATE Univ. de Oviedo SISAL092.00
Configuración LDC de un reductor
VO
Vi = Vg/(1-d)
Fuente + transistor
Vamos a buscar otros convertidores con 4 elementos reactivos (II)
¿Podemos usar otra configuración LDC de salida?
Configuración LDC de un reductor-elevador
VO
Vi (¿?)
Fuente + transistor
Procedente de un ´Cuk
Va a dar origen a un nuevo convertidor
ATE Univ. de Oviedo SISAL093.00
Vamos a buscar otros convertidores con 4 elementos reactivos (III)
VO
Vi (¿?)
VO
Vi (¿?)
Vg
Convertidor SEPIC
L1
L2
ATE Univ. de Oviedo SISAL094.00
VOVg
Vi
L1
L2
Subcircuitos en el convertidor SEPIC
L1L2 VOVg
Vi
L1 L2 VOVg
Vi
L1L2 VOVg
Vi
Dura: d·T Dura: (1-d)·T en modo continuo d’·T en modo discontinuo
Dura: (1-d-d’)·T(sólo en modo discontinuo)
ATE Univ. de Oviedo SISAL095.00
VO
-
+
Vg+ -
vL1
vS
+
-vL2
-
+
+
- vD+ -Vi
L1L2
vS max = vD max = Vg+VO= Vg/(1-d)
Tensiones máximas:
Aplicamos el balance “voltios·segundos” a ambas bobinas:
Vg·d·T + (Vg - Vi - VO) ·(1-d)·T = 0
Vi·d·T - VO·(1-d)·T = 0
Vi = Vg
VO = Vg·d/(1-d)
Tensiones en el convertidor SEPIC
ATE Univ. de Oviedo SISAL096.00
Corrientes en el convertidor SEPIC
VOVg
IO
R
iL2
iDiL1
iS
L1L2
C2
C1
• Balance de potencias:
iL1 = IO·VO/Vg iL1 = IO·d/(1-d)
iD = IO = VO/R
• “Corriente media por el condensador C1 = 0”:
iL2 = iD iL2 = IO iS = iL1 iS = IO·d/(1-d)
• “Corriente media por el condensador C2 = 0”:
ATE Univ. de Oviedo SISAL097.00
VOVg
L1
L2
Vi = Vg
VO
Vi = Vg
L2
VOVg L2
Comparando el reductor-elevador y el SEPIC
A efectos de tensiones máximas y corrientes medias por los semiconductores, ambos son iguales
ATE Univ. de Oviedo SISAL098.00
(1-d-d’)·T
VgVO
iL1
iL2
Vg
L1 L2
d’·T
VgVO
iL1 Vg
L1 L2iL2
d·T
iL1
VgVO
Vg
L1L2
iL2
t
t
di/dt = Vg/L1
di/dt = Vg/L2
di/dt = VO/L1
di/dt = VO/L2
iL2
iL1
iL1 + iL2
El SEPIC en modo discontinuo (I)
ATE Univ. de Oviedo SISAL099.00
di/dt = Vg/L1 + Vg/L2
t
iL1 + iL2
di/dt = VO/L1 + VO/L2
Llamando:
1/Leq = 1/L1 + 1/L2
queda:
Vg/L1 + Vg/L2 = Vg/Leq
VO/L1 + VO/L2 = VO/Leq
Esta es la misma situación que teníamos en el convertidor reductor-elevador la fórmula es la misma, usando Leq como inductancia:
k = 2·Leq / (R·T)d
M = k
kcrit = (1-d)2 kcrit max = 1
El SEPIC en modo discontinuo (II)
ATE Univ. de Oviedo SISAL100.00
Tensiones en las bobinas del SEPIC
vL1 = vL2 = Vg
vL1 = vL2 = -VO
vL1 = vL2 = 0
Para ambos modos de conducción son iguales
(1-d-d’)·T
VgVO
vL1+ -
vL2
-
+
Vg
L1 L2
d’·T
VgVO
vL1+ - Vg
L1 L2vL2
-
+
d·T
vL1+ -
VgVO
Vg
L1L2
vL2
-
+
Integración magnética
ATE Univ. de Oviedo SISAL101.00
Anulación del rizado de entrada en el SEPIC
iL1
iL2L1
n1
L2
n2
t
iL1
t
iL2
M = L2
t
iL1
t
iL2iL1
L2
L1
n2
n1
iL2
Integración magnética
ATE Univ. de Oviedo SISAL102.00
VgVO
d
1-d
Flujo de potencia
Reductor
Simetrías en los convertidores descritos (I)
Flujo de potencia
VgVO
1-d
d
Elevador
Reductor-elevador
d 1-d
Flujo de potencia
Vg
VO
Reductor-elevador
Flujo de potencia
d1-d
VgVO
Vg VO
VO Vg
d 1-d
1-d d
Modificaciones
ATE Univ. de Oviedo SISAL103.00
Simetrías en los convertidores descritos (II)
SEPIC Flujo de potencia
d
1-d
Vg
VO
Vg
´Cuk Flujo de potencia
d 1-dVg
VO
Vg+VO
Flujo de potencia
d1-dVgVO
´Cuk
VO +Vg
Flujo de potencia
d
1-dVg
VO
VO
Nuevo convertidorNuevo convertidorATE Univ. de Oviedo SISAL104.00
El convertidor zeta o SEPIC inversod
1-dVg
VO VO
VgVO
VO
VO = Vg·d/(1-d) Vg = VO·(1-d)/d
Despejando, queda: VO = Vg·d/(1-d) (lo mismo que en el SEPIC)
Vg VO
VO Vg
d 1-d1-d d
Modificaciones
SEPIC zeta
Todos los valores máximos de tensión y medios de corriente quedan igual que en el SEPIC, ´Cuk y reductor-elevador.
Admite integración magnética
ATE Univ. de Oviedo SISAL105.00
Flujo de potencia
Reductor / elevador
V1 V2< V1
Flujo de potencia
SEPIC / zeta
V1 V2
Flujo de potencia
´Cuk / ´Cuk
V1 V2
Flujo de potencia
Red.-elev. / Red.-elev.
V1 V2
Convertidores reversibles
ATE Univ. de Oviedo SISAL106.00
Introducción de aislamiento galvánico en el convertidor de ´Cuk (I)
Convertidor sin aislamiento galvánico
Dividimos el condensador en dos partes
Conectamos el punto medio de los condensadores a una
inductancia
ATE Univ. de Oviedo SISAL107.00
Introducción de aislamiento galvánico en el convertidor de ´Cuk (II)
Estructura final
En la posición de la bobina se puede poner
un transformador
ATE Univ. de Oviedo SISAL108.00
El convertidor de ´Cuk con aislamiento (I)
• Balance “(voltios/espiras)·segundos”
L1: Vg·d·T + (Vg - VC1 + VC2·n3/n4 )·(1-d)·T = 0
L2: (VC2 + VC1·n4/n3 - VO ) ·d·T - VO·(1-d)·T = 0
T1: (VC1/n3) ·d·T - (VC2/n4) ·(1-d)·T = 0
VO = Vg·(n4/n3)·d/(1-d) VC1 = Vg VC2 = VO
n3 : n4
VgVO
VC1 VC2L1 L2
T1
ATE Univ. de Oviedo SISAL109.00
El convertidor de ´Cuk con aislamiento (II)
Máximas tensiones:
vS max = Vg + VO·n3/n4 = Vg/(1-d)
vD max = Vg·n4/n3 + VO= Vg·(n4/n3)·/(1-d)
n3 : n4
VgVO
Vg VOL1 L2
T1
L3 L4 iDiS
iOiL1
Corrientes medias:
iS = iL1 = iO·(n4/n3)·d/(1-d) iD = iL2 = iO
ATE Univ. de Oviedo SISAL110.00
El convertidor de ´Cuk con aislamiento (III)
n3 : n4
Vg
VO
Vg VO
L1 L2
T1
L3 L4
vL1+ -
vL4
+
-
vL2+ -
vL3
-
+
d·T vL1 = vL3 = Vg vL2 = vL4 = Vg·n4/n3
d’·T vL1 = vL3 = -VO·n3/n4 vL2 = vL4 = -VO
Sólo en m.d. (1-d-d’)·T vL1 = vL2 = vL3 = vL4 = 0
ATE Univ. de Oviedo SISAL111.00
El convertidor de ´Cuk con aislamiento (IV)
Se puede hacer integración magnética y anular los rizados de entrada y salida
t
i1n3 : n4
Vg
VO
Vg VO
L1 L2
T1
L3 L4
vL1+ -
vL4
+
-
vL2+ -
-vL3
+
M1 = L3 M2 = L4
i1 i2
t
i2
ATE Univ. de Oviedo SISAL112.00
El convertidor SEPIC con aislamiento (I)
VgVg
VO
L1
L2 L3
n2 : n3
• Es muy sencillo incorporar aislamiento galvánico• Todas las solicitaciones eléctricas son como en el convertidor de retroceso
VgVgVO
L1
L2
ATE Univ. de Oviedo SISAL113.00
El convertidor SEPIC con aislamiento (II)
t
i1 n2 : n3
VgVg
VO
L1
L2
L3
M1 = L2
i1
Se puede hacer integración magnética y anular el rizado de entrada
ATE Univ. de Oviedo SISAL114.00
VgVO
VO
El convertidor zeta con aislamiento
ti1
L1
Vg
VO
VO
n1 : n2
L1L3
L2
Vg
VO
VO
M = L2
i1L1
L2
n1 : n2
Sin aislamiento
Con aislamientoSin integración magnética
Con aislamientoCon integración magnética
Todas las solicitaciones eléctricas como en el SEPIC, ´Cuk y red.-elev.
ATE Univ. de Oviedo SISAL115.00
Inversores clásicos con transistores (alimentados desde fuente de tensión)
VOVg
S2S1
“Push-pull” VO
Vg
S2
S1
Medio puente
S2
S1
Vg
S3
S4
VO
Puente completo
ATE Univ. de Oviedo SISAL116.00
Obtención de convertidores CC/CC desde los inversores clásicos (Ejemplo)
Inversor “push-pull”
Conv. CC/CC “push-pull”
Rect. con transf. con toma media
Rect. con dos bobinas
Conv. CC/CC “push-pull”Rect. en puente
Conv. CC/CC “push-pull”ATE Univ. de Oviedo SISAL117.00
El convertidor “push-pull” o simétrico (I)
Convertidor directo Convertidor directo
Convertidor “push-pull” o simétrico
B
B
H
B
B
H
ATE Univ. de Oviedo SISAL118.00
El convertidor “push-pull” o simétrico (II)
S2 S1
n1 : n2
n1
n1
n2
n2
Vg
VO
L
• Circuito equivalente cuando conduce S2:
Vg·n2/n1
L VO
• Circuito equivalente cuando conduce S1:
Vg·n2/n1
LVO
ATE Univ. de Oviedo SISAL119.00
¿Qué pasa cuando no conducen ninguno de los dos transistores?
El convertidor “push-pull” o simétrico (III)
ATE Univ. de Oviedo SISAL120.00
L
VO
iL
D1
D2
iL1
iL2
• Circuito equivalente cuando no conducen ni S1 ni S2:
• Conducen ambos diodos la tensión en el transformador es cero
• Las corrientes iL1 y iL1 deben ser tales que:
iL1 + iL2 = iL
iL1 - iL2 = iLm (sec. trans.)
VOL
Tensiones en el convertidor “push-pull”
ATE Univ. de Oviedo SISAL121.00
• La tensión vD es la misma que en un conv.directo con un ciclo de trabajo 2·d VO = 2·d·Vg·n2/n1 (en modo continuo)
• vsmax = 2·Vg vD1max = vD2max = 2·Vg·n2/n1
S2
n1
n1
n2
n2
Vg
VO
LvD
+
-S1
+
-vD1
+
-vD2
vS1
+
-
+
-vS2
D1
D2
t
vS2
t
t
Td·T
t
tMando
t
vS1
vD1
vD2
vD
2·Vg
2·Vg
Vg·n2/n1
2·Vg·n2/n1
2·Vg·n2/n1
S1S2
dmax = 0.5
ATE Univ. de Oviedo SISAL122.00
Corrientes en el convertidor “push-pull”
S2 S1
n1 : n2
n1
n1
n2
n2
Vg
VO
L
iS1
iL
D1
D2
iD1
iD2
iS2
iO
Corrientes medias:
iS1 = iS2 = iO·d·(n2/n1) iD1 = iD2 = iO/2
t
t
t
iL
Mando
iS2
t
iD1
iS1
t
Td·T
t
iD2
S1 S2
dmax = 0.5
ATE Univ. de Oviedo SISAL123.00
Un problema presentado por el convertidor “push-pull”
S2 S1
n1
n1Vg
VO
iS1
iS2
• En control “modo tensión” puede llegar a saturarse el transformador por asimetrías en la duración de los tiempos de conducción de los transistores
• Se usa “modo corriente”
B
B
H
El convertidor en medio puente (“half bridge”)
ATE Univ. de Oviedo SISAL124.00
• La tensión vD es la mitad que en el caso del “push-pull” VO = d·Vg·n2/n1 (en modo continuo)
• vsmax = Vg vD1max = vD2max = Vg·n2/n1
VO
S2
n1
n2
n2Vg
L
vD
+
-
S1
+
-vD1
+
-vD2
vS1
+
-
+
-
vS2
D1
D2
Vg/2
Vg/2
t
vS2
t
t
Td·T
t
tMando
t
vS1
vD1
vD2
vD
Vg
Vg
Vg·0.5·n2/n1
Vg·n2/n1
Vg·n2/n1
S1S2
dmax = 0.5
Corrientes en el convertidor en medio puente
ATE Univ. de Oviedo SISAL125.00
iD1 iL
S2
n1
n2
n2Vg
L
iO
S1
iD2
iS1
iS2
D1
D2
VO
Vg/2
Vg/2
Corrientes medias:
iS1 = iS2 = iO·d·(n2/n1) iD1 = iD2 = iO/2
t
t
t
iL
Mando
iS2
t
iD1
iS1
t
Td·T
t
iD2
S1 S2
dmax = 0.5
El convertidor en puente completo (“full bridge”)
ATE Univ. de Oviedo SISAL126.00
• La tensión vD es como en el caso del “push-pull” VO = 2·d·Vg·n2/n1 (en modo continuo)
• vsmax = Vg vD1max = vD2max = 2·Vg·n2/n1
VO
S3
n1
n2
n2Vg
L
vD
+
-
S4
+
-vD1
+
-vD2
vS4
+
-
+
-
vS3
D1
D2
S1
S2
vS2, vS3
t
Mando
t
vS1, vS4 Vg
Vg
t
t
t
Td·T
t
vD1
vD2
vD Vg·n2/n1
2·Vg·n2/n1
2·Vg·n2/n1
S1, S4S2, S3
dmax = 0.5
Corrientes en el convertidor en puente completo
ATE Univ. de Oviedo SISAL127.00
Corrientes medias:
iS3 = iS4 = iO·d·(n2/n1) iD1 = iD2 = iO/2
iD1iL iO
iD2
iS4
VO
S3
n1
n2
n2Vg
L
S4
D1
D2
S1
S2
iS3
t
t
t
iL
Mando
iS2, iS3
t
iD1
iS1, iS4
t
Td·T
t
iD2
S2, S3S1, S4
dmax = 0.5
ATE Univ. de Oviedo SISAL128.00
Problemas de saturación en el transformador del convertidor en puente completo
• En control “modo tensión” puede llegar a saturarse el transformador por asimetrías en la duración de los tiempos de conducción de los transistores
• Soluciones:
• Colocar un condensador en serie CS
• Usar “modo corriente”
S2
S1CS
Vg
VO
S3
S4
ATE Univ. de Oviedo SISAL129.00
Vg
vS
iS
Vg
Vg +
-
+
-
+
-
vS
vS
iS
iS
PO
PO
PO
vSmax = 2·Vg iS = PO/(2·Vg)Mayores solicitaciones de tensión
apto para baja tensión de entrada
vSmax = Vg iS = PO/Vg
Mayores solicitaciones de corriente
apto para alta tensión de entrada
vSmax = Vg iS = PO/(2·Vg)Menores solicitaciones eléctricas
apto para alta potencia
Comparación entre “push-pull” y puentes
Convertidores CC/CC derivados de inversores alimentados desde fuente de corriente
Inversor “Push-pull”
Inversor en puente completo
Convertidor CC/CC “Push-pull” alimentado en corriente
Convertidor CC/CC en puente alimentado en corriente
ATE Univ. de Oviedo SISAL130.00
t
Mando de S1
t
Mando de S2
t
vS2
t
Td·T
t
t
vS1
vD1 2·VO
2·VO·n1/n2
2·VO·n1/n2
VO
vD2 2·VO
VO
Convertidor “Push-pull” alimentado en corriente (I)
Vg
+
-Vg
VO·n1/n2 VO·n1/n2
Vg
+-
Conducen S1 y S2
No conduce S1 No conduce S2
ATE Univ. de Oviedo SISAL131.00
n1
n1
n2
n2Vg
VO
S2S1
+
-vD1
+
-vD2
vS2
+
-
dmin = 0.5
Aplicando el balance “voltios·segundos”
VO = Vg·(n2/n1)/2(1-d) (en modo continuo)
Convertidor “Push-pull” alimentado en corriente (II)
Vg
Conducen S1 y S2
+
-Vg
VO·n1/n2
No conduce S1
VO·n1/n2
Vg
+-
No conduce S2
Vg
Conducen S1 y S2
d·T (1-d)·T
dura t1 dura t1 dura t2 dura t2
ATE Univ. de Oviedo SISAL132.00
iL
iO
n1
n1
n2
n2Vg S2S1
iD1
iD2
iS2
dmin = 0.5
iS1
Td·T
t
iD1
t
iS2
t
tiS1
iL
t
Mando de S1
t
Mando de S2
iD2
Corrientes en el “push-pull” alimentado en corriente
iS1 = iS2 = iO·(n2/n1)/4(1-d)
iD1 = iD2 = iO/2
ATE Univ. de Oviedo SISAL133.00
Vg VO
n1 n2
n2 n1
VO Vg
d 1-d
1-d d
Modificaciones
VO = Vg·d
Vg VO
Reductor VO = Vg/(1-d)
Vg VO
Elevador
ATE Univ. de Oviedo SISAL134.00
Convertidores alimentados en tensión vs. alimentados en corriente
“Push-pull” alimentado en tensión
VO = 2·d·Vg·n2/n1
Vg
VO
n1
n1
n2
n2
“Push-pull” alimentado en corriente
VO = Vg·(n2/n1)/2(1-d)
Vg
VO
n1
n1
n2
n2
Problema en el apagado del convertidor “push-pull” alimentado en corriente
S2S1
iLHay que garantizar que el flujo en la bobina no pasa a valer cero cuando dejan de conducir S1 y S2 al apagar el convertidor
iL
ATE Univ. de Oviedo SISAL135.00
ATE Univ. de Oviedo SISAL136.00
Otro conexionado para desmagnetizar la bobina de entrada
Desmagnetización hacia la entrada
Desmagnetización hacia la salida
ATE Univ. de Oviedo SISAL137.00
El puente completo alimentado en corriente
Desmagnetización hacia la entrada
Desmagnetización hacia la salida
Se comporta como un “push-pull”
alimentado en corriente en todo
salvo en la tensión máxima en el
transistor (que es Vg)
ATE Univ. de Oviedo SISAL138.00
Rectificador en puente en la salida
“Push-pull” alimentado en corriente
Puente completo alimentado en corriente
Otros temas de interés relacionados con los sistemas de alimentación
• Rectificación síncrona
• Convertidores multisalida
• Conversión CA/CC con bajo contenido armónico
(corrección del factor de potencia) otro tema
• Convertidores resonantes y de conmutación
suave
ATE Univ. de Oviedo SISAL139.00
Rectificadores síncronos
Fuente
Drenador
Puerta
p
n+
n-
Corto circuito n+p
Diodo parásito
ATE Univ. de Oviedo SISAL140.00
Rectificación síncrona autoexcitada (VSALIDA < 5V) (I)
Rectificación convencional
Rectificación síncrona
ATE Univ. de Oviedo SISAL141.00
Rectificación síncrona autoexcitada
(VSALIDA < 5V) (II)
También en rectificadores de media onda
Rectificación convencional Rectificación
síncrona
ATE Univ. de Oviedo SISAL142.00
Convertidores interesantes para rectificación síncrona autoexcitada (I)
• Convertidores con filtro con bobina
• Convertidores sin tiempos muertos
Convertidor directo con enclavamiento RCD
ATE Univ. de Oviedo SISAL143.00
Convertidores interesantes para rectificación síncrona autoexcitada (II)
Convertidor directo con enclavamiento activo
ATE Univ. de Oviedo SISAL144.00
Convertidores interesantes para rectificación síncrona autoexcitada (III)
Convertidor directo con desmagnetización
resonante
ATE Univ. de Oviedo SISAL145.00
Convertidores interesantes para rectificación síncrona autoexcitada (IV)
Medio puente con control complementario
ATE Univ. de Oviedo SISAL146.00
1-d
d
d·Vg
(1-d)·Vg
Vg
(1-d)·Vg d
1-dVg d·Vg
Eficiente
Caro
Complejo
Sistemas multisalida: n conv. en paralelo
ATE Univ. de Oviedo SISAL147.00
Sistemas basados en sólo un convertidor conmutado (regulación cruzada)
• Se regula una salida
• Las otras quedan parcialmente reguladas
Muy importante: las impedancias parásitas asociadas a cada salida deben ser lo menor posibles
ATE Univ. de Oviedo SISAL148.00
Los convertidores de retroceso y directo con regulación cruzada
Va bastante bien si el transf. está bien hecho (sólo un diodo entre el transformador y la carga)
Peor:•Está la bobina en medio.•Salidas en distintos modos
ATE Univ. de Oviedo SISAL149.00
Mejorando la regulación cruzada en el convertidor directo
Las dos bobinas operan en el mismo modo de conducción
ATE Univ. de Oviedo SISAL150.00
n1
n2
n3
n4
Condición de diseño:n1/ n2 = n3/ n4
Combinación de regulador conmutado y post-regulador lineal
Post-reguladores lineales
Regulador conmutado
ATE Univ. de Oviedo SISAL151.00
Tensión en el condensador, VC vg
ig
iD
VC
Corriente por los diodos, iD
Tensión de entrada, vg
Corriente de entrada, ig
DistorsiónDistorsión
Conversión CA/CC con alto contenido
armónico en la corriente de entrada
ATE Univ. de Oviedo SISAL152.00
Conversión con bajo contenido armónico un tema completo
Pérdidas en los semiconductores y frecuencia de conmutación
Tensión
Potenciaperdida
Corriente
A frecuencia fS A frecuencia 2·fS
ATE Univ. de Oviedo SISAL153.00
Convertidores resonantes (ejemplo)
Convertidores cuasirresonantes conmutados a corriente cero (ZCS-QRC)
Convencional
Resonante
iS
iD
iL
+
-
vSPotencia
perdida en el transistor
CorrientesiS
iD
iL
vS
ATE Univ. de Oviedo SISAL154.00
Conmutación suave y bajo EMI
Tensión en el transformador
Conv. directo con enclavamiento activo
El enclavamiento activo evita estos problemas
ATE Univ. de Oviedo SISAL155.00
Otro ejemplo
Convertidor en medio puente con control complementario
Tensión en el transformador
ATE Univ. de Oviedo SISAL156.00
1-d
d
d·Vg
(1-d)·Vg
Vg
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