Convertidores DC/DC

Capítulo 4 - Conversión DC/DC

• Los convertidores permiten obtener una fuente de tensión DC a partir de otra con distinta amplitud, con el objetivo de reducir o elevar la tensión, o mejorar la calidad de la fuente eliminando las variaciones.
• También se utilizan para regular la amplitud de la fuente de tensión con el fin de modificar el punto de funcionamiento de una carga como accionamientos de motores.
• Se puede obtener aislamiento galvánico usando transformadores excitados con tensiones de alta frecuencia para evitar su saturación y reducir su tamaño.

Estructuras fundamentales

• Sin Aislamiento: -Lineales -Conmutadas
• Con Aislamiento: -Únicamente es posible en convertidores conmutados -Reductor (Buck) -Elevador (Boost) -Reductor-Elevador (Buck-Boost) -Forward (a partir del Reductor) -Flyback (a partir del Elevador) -Push-pull (a partir del Medio puente y Puente completo)

Fuente lineal

• El principio de funcionamiento se basa en usar una resistencia variable (potenciómetro) para controlar la caída de tensión en la carga.
• Tiene un bajo rendimiento, lo que implica disipación de potencia significativa.
• El ajuste de la fuente de tensión debe ser manual.
• Se utiliza para bajas potencias (<10W).
• Es posible automatizar el ajuste usando transistores en lugar de resistencia.
• Se utiliza en reguladores de tensión para circuitos integrados (CI) de la familia 78xx y 79xx, como cargadores de móviles para el encendedor de coche.

Convertidor Reductor (Buck)

• Utiliza una célula elemental de conmutación con la fuente de tensión como entrada.
• Se transforma la salida en fuente de tensión y el negativo de la nueva fuente se conecta al negativo de la fuente de entrada.
• Los semiconductores concretos a usar dependerán de las reversibilidades deseadas.

Selección de semiconductores y sin reversibilidad

• Se parte de una fuente de tensión positiva y se diseña un convertidor sin reversibilidad, ni en corriente ni en tensión de salida.
• Si S₁ está activado (ON): V$₁ = 0, Is₁ = iL
• Si S₁ está desactivado (OFF): V$₁ = Ve, Is₁ = 0
• S₁ y S₂ conmutan de forma complementaria.

Análisis del funcionamiento del reductor en modo de conducción continua (MCC)

• Para el análisis se hacen hipótesis de régimen permanente.
• El valor medio de la corriente por la inductancia es constante (iL = cte), por lo que el valor medio de su tensión tiene que ser cero (vL = 0).
• El valor medio de la tensión en el condensador es constante (vC = cte), por lo que el valor medio de su corriente tiene que ser cero (iC = 0).
• La potencia de entrada es igual a la potencia de salida (VeIe = VsIs)
• Se desprecia el rizado de la tensión de salida (Vs = Vs).
• Se desprecia la resistencia parásita del bobinado de la inductancia (R₁ = 0)
• El convertidor funciona en modo de conducción continua (MCC) = la corriente de la bobina nunca se anula (o el transistor o el diodo está conduciendo).

Obtención de las formas de onda en MCC y desarrollo de las ecuaciones

• Para deducir la evolución de las diferentes variables, se necesita calcular el valor durante el Ton y el Toff.
• Estado de los semiconductores: En Ton: IGBT = on, D1 = off En Toff: IGBT = off, D1 = on
• Tensión a la salida de la célula En TON: VD1 = Ve. En TOFF: VD1 = 0
• Tensión en la bobina En TON: V₁= Ve - Vs En TOFF: VL= -V$
• Corriente por la bobina iL <iL>=Is

Obtención de las formas de onda en MCC y desarrollo de las ecuaciones

• Corriente por la bobina, iL:
• Valor medio: iL = (ic) + Is = Is
• Con el ciclo de trabajo se impone la tensión de salida y la corriente depende de la carga.
• Rizado de corriente en la bobina v₁dt=L di₁ →Aiz,max

Efectos perjudiciales del rizado de corriente

Pérdidas en el núcleo magnético.

• Interferencias electromagnéticas.
• Salida del convertidor del régimen continuo.
• Aumento de la capacidad requerida a la salida del convertidor.
• Reducción del rizado.

Obtención de las formas de onda en MCC y desarrollo de las ecuaciones

• Corriente por el diodo, ip: En TON: ID = 0 En TOFF: ID = iL
• Corriente de entrada ie En TON: ie = iL En TOFF: ie = 0
• Corriente por el condensador, ic iL = ic + Is ⇒ <i₁) = (ic) + Is = Is
• Tensión de salida vs La tensión de salida es igual a la tensión en bornes del condensador.

Dimensionado del condensador de salida para limitar el rizado de tensión

• El condensador asegura que el convertidor se comporta en la salida como una fuente de tensión.
• Dimensionado del condensador para limitar el rizado de tensión.
• Otra opción para dimensionar el condensador es calcular directamente el rizado de la tensión v, a partir de la corriente, i.

Obtención de las formas de onda en MCC y desarrollo de las ecuaciones (continuación)

• Corriente por la bobina, iL:
• Valor medio: iL = (ic) + Is = Is
• Con el ciclo de trabajo se impone la tensión de salida y la corriente depende de la carga.
• Rizado de la corriente en la bobina → A i₁ : v₁dt =L di₁ ⇒ V₁dt =L di₁ ⇒ (Ve-Vs) dt = L di₁

Convertidor Buck reductor con aislamiento galvánico: convertidor Foward

• El aislamiento galvánico se consigue usando transformadores. Como los transformadores únicamente funcionan con tensión alterna, se debe modificar el convertidor para obtener una tensión alterna en los bornes del transformador.

Ventajas de la utilización de transformadores en alta frecuencia

• Se reduce el coste, el volumen y el peso de la bobina o transformador, al aumentar la frecuencia.

Diseño del convertidor Forward

• Para conseguir aislamiento galvánico, se conecta un transformador entre el IGBT y el diodo.
• La tensión en el diodo (vp) es la misma que antes, pero escalada con la relación de transformación.
• Se necesitan tensiones negativas de entrada para alimentación del transformador.

Análisis del funcionamiento del reductor en modo de conducción continua (MCC) (continuación)

• La potencia de entrada es igual a la de salida: Ve Ie = Vs Is

• Se desprecia el rizado de la tensión de salida: Vs = V$ = Vc = Vs

• (R₁ = 0)

• El convertidor funciona en modo continuo (MCC) → la corriente en la bobina nunca se anula:

• Corriente por la bobina, iL <iL>=Is

• Tensión en la bobina, v₁: En TON: V₁= Ve- Vs En TOFF: VL= -V$

• Tensión en el condensador =Vs