RESUMEN ~146~ Palabras clave: Capacitor, Ciclo de Trabajo, Convertidor CD-CD, Convertidor Elevador.

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1 Familia de Convertidores CD/CD de Alta Elevación y Usos en la Actualidad Fernando Medina Ríos Instituto Tecnológico de Celaya fernando.medina_itc.elec@hotmail.com Nimrod Vázquez Nava Instituto Tecnológico de Celaya Jaime Arau Roffiel Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico arau@cenidet.edu.mx Claudia Hernández Gutiérrez Instituto Tecnológico de Celaya Prasad Enjeti Texas A&M University Research, College StationTexas enjeti@tamu.edu RESUMEN En este artículo se expondrán arreglos y formas de operación de convertidores CD-CD elevadores reportados en el estado del arte, los cuales pueden ser agregados a topologías elevadoras convencionales. Con esta medida, la arquitectura de la topología del convertidor se ve modificada y se vuelve más compleja, esto para mejorar su comportamiento; como la eficiencia, capacidad de elevación y un mayor manejo de potencia. Una de las discusiones principales que se ven en este trabajo es la organización de la regla de derivación central, arreglos y familias referentes a los convertidores CD-CD elevadores. También se exponen las cualidades, ventajas y desventajas de cada una de las ellas. Palabras clave: Capacitor, Ciclo de Trabajo, Convertidor CD-CD, Convertidor Elevador. ~146~

2 1. INTRODUCCIÓN Con la creciente demanda de energía, los seres humanos nos hemos dado a la tarea de la búsqueda de nuevas fuentes de energías que puedan abastecer nuestras necesidades; esto nos ha llevado a soluciones complejas e ingeniosas, con características más deseables, una mayor eficiencia y una menor contaminación al momento de generar la energía. Paneles solares, sistemas eólicos, entre otros, son el resultado de esta búsqueda, además con la ayuda de la ingeniería electrónica, para procesar la energía de una forma eficiente, encontramos aplicaciones donde se requieren convertidores que ayudan a modificar y manipular la energía. Los convertidores CD-CD son una de las herramientas dentro de la electrónica de potencia, con las que podemos alcanzar altas ganancias de voltaje y son usadas para llevar a cabo la generación de energía con fuentes renovables [1, 2, 3]. La necesidad de generar un voltaje mayor de salida que el de la entrada, nace debido a que las fuentes de energía renovables como los paneles fotovoltaicos, que sólo pueden entregar bajos niveles de voltaje, de 12V a 50V en CD comúnmente, y en donde se necesita niveles de voltaje mayores que los que puede entregar el panel fotovoltaico por sí solo. Para poder transferir energía desde este tipo de fuentes renovables hacia la red eléctrica se requiere de convertidores con altas ganancias en voltaje. Características como una alta ganancia en voltaje (sin tener grandes ciclos de trabajo), reducir los voltajes y corrientes de estrés en los dispositivos de conmutación y una alta eficiencia son deseables en un convertidor elevador. Con la finalidad de tener un mejor conocimiento y generar topologías elevadoras con buenas características en transferencia, transformación de energía y mejoras en la eficiencia, se clasificarán en familias, topologías y arreglos. Es difícil conseguir altos niveles de ganancia en voltaje con un convertidor elevador convencional (Fig. 1), ya que esta topología presenta varias dificultades al ser usada para esta finalidad. Para ciclos de trabajo grande, cercanos a uno, se presentan problemas que van desde la aparición y agravo de elementos parásitos, altos niveles de voltaje y corriente, los cuales tendría que ~147~

3 soportar el interruptor, degradando la eficiencia y haciendo más difícil el control [4]. Fig. 1. Convertidor elevador con resistencia de cobre del inductor (r L1 ) asociada. A medida que se incrementa r L1, el comportamiento en ganancia de la topología se ve modificado y deja de ser fiel a la ecuación de ganancia (Fig. 2) [4, 8, 9]. Se han propuesto topologías que ofrecen altas ganancias sin la necesidad de un ciclo de trabajo grande o altos niveles de voltaje y corriente en el interruptor, donde la transferencia de energía de la fuente hacia la carga es mucho más eficiente, esto se logra con el aumento de dispositivos y una relativa complejidad mayor si se compara con el convertidor elevador convencional [7]. Fig. 2. Curvas del comportamiento de la función de ganancia con respecto al ciclo de trabajo en función de la r L1 para un convertidor elevador. ~148~

4 2. CLASIFICACIÓN DE LOS CONVERTIDORES CD-CD ELEVADORES. Sin duda se ha llegado a un desarrollo muy completo el cual ha generado una gran cantidad de topologías con las cuales podemos alcanzar altas ganancias. Estas configuraciones son tan variadas que se clasifican en familias [10], también se han generado arreglos que se pueden agregar para un mejor rendimiento Regla de derivación central Los convertidores CD-CD se pueden clasificar en aislados y no aislados, la principal ventaja que presentan los primeros, es que la fuente está aislada de la carga, su desventaja es la cantidad de energía que pueden manejar, esto debido al elemento magnético que se encarga de la transferencia directa de la energía de la fuente hacia la carga. Para corregir este inconveniente la regla de derivación central nos propone generar un camino directo de energía de la fuente hacia la carga, con la finalidad de que el elemento magnético no sea el que aporta toda la energía hacia la carga (Fig. 3) [3]. Con esto se pueden modificar los convertidores CD-CD aislados a no aislados conservando ciertas características, como la relación de vueltas del transformador, el cual constituye o es la base estructural de la topología. Un claro ejemplo de esto lo podemos ver en un convertidor de alta elevación de bobinas acopladas (Fig. 4) [6] Fig. 3. Concepto general de la regla de derivación central Arreglos. Existen arreglos que pueden aumentar la ganancia de un convertidor elevador sin necesidad de un ciclo de trabajo grande o de añadir un ~149~

5 transformador; incluso con estas configuraciones se pueden disminuir los esfuerzos en tensión y corriente en los interruptores [7-9]. Se presentan tres bloques de arreglos básicos de conmutación (Fig. 5) usadas para generar una mayor elevación. Estos están constituidos por capacitores o bobinas y diodos. El funcionamiento de los arreglos es automático (Fig. 5) ya que solamente dependen del estado en el que se encuentra el interruptor principal [7], ya sea en encendido o en apagado; los elementos almacenadores de energía se cargarán y después transferirán esa energía junto con la fuente hacia la carga. Estos arreglos son una buena opción ya que no modifican en gran medida la topología original. Como ejemplo, en los arreglos Up1 y Up2, los capacitores C1 y C2 son cargados en paralelo en el apagado y descargados en serie en el encendido. Para el caso con el arreglo Up3, las bobinas L1 y L2 son cargadas en paralelo en el encendido y descargadas en serie en el apagado (Fig. 6). Su aplicación está condicionada ya que depende del elemento que va a ser reemplazado o dónde se va agregar en la topología (Tabla 1). Fig. 4. Convertidor de alta elevación de bobinas acopladas. Fig. 5 Arreglos elevadores (a) Up1, (b) Up2, (c) Up3 [7]. ~150~

6 Fig. 6. Modos de trabajo de los arreglos elevadoras [7]. Tabla 1. Posible relación de convertidores con los arreglos de conmutación C/L [7]. ~151~

7 Una aplicación sencilla, es usar el arreglo Up3, de las anteriormente mencionadas, la cual será introducida en lugar de la bobina sola en un convertidor elevador convencional como se puede observar en la figura 7. Con esta configuración podemos lograr una mayor elevación sin la necesidad de una relación de transformación. Este tipo de arreglo incrementa el número de dispositivos en la topología. Fig. 7. Convertidor elevador convencional con el arreglo Up3 [7]. Dentro de las topologías para mejorar el rendimiento de un convertidor CD-CD elevador, tenemos una configuración intercalada (Interleaved) (Fig. 8), la cual nos permite transferir la energía de la fuente hacia la carga de una forma más simétrica y distribuida [3]. Básicamente en esta configuración tenemos dos convertidores elevadores en paralelo como se puede ver en la figura 8, en este caso en particular la corriente que se transferirá por los interruptores será por la mitad a la misma potencia que si utilizáramos un sólo convertidor elevador (Fig. 9) Fig. 8. Convertidor elevador convencional en configuración intercalado. ~152~

8 Fig. 9. Corriente en los diodos para el elevador convencional y el intercalado [4] Familia de convertidores elevadores. Como ya habíamos mencionado los convertidores elevadores se pueden integrar en familias dependiendo de sus características y el arreglo, de donde se derivan múltiples convertidores y topologías generalizadas [10] Convertidores basados en inductores acoplados o transformadores. Este tipo de convertidores proveen altas ganancias a un ciclo de trabajo reducido, bajos voltajes de estrés en el interruptor y una buena eficiencia. Los inconvenientes que presentan son el acoplamiento de sus inductores y pérdidas en su elemento magnético a altas frecuencias (Fig. 10) [6, 11] Convertidores basados en inductores no acoplados. Aunque llevamos décadas usando este tipo de convertidores, recientemente se les ha dado un nuevo enfoque por su fácil uso y capacidad de elevación. Estas topologías tienen un arreglo de conmutación de inductores y capacitores basados en multiplicadores y convertidores en cascada [7, 12]. ~153~

9 Fig. 10. Convertidores elevadores basados en inductores acoplados. El arreglo de donde se basan estos convertidores es un circuito multiplicador de voltaje Cokcroft Walton (Fig. 11 (a)) [10], el cual funciona con una fuente de alimentación de corriente alterna, para su uso en aplicaciones donde se le alimente con corriente directa, se le modifica agregándole una bobina y un interruptor, dándonos así el convertidor elevador convencional y con la posibilidad de una mayor elevación al agregarle capacitores y diodos. Con el nuevo arreglo de multiplicadores (Fig. 12) se pueden derivar otras topologías con un mayor grado de elevación llevando a cabo las siguientes dos acciones: 1: Seleccionar un número de diodos con sus respectivos capacitores ya sean negativos o positivos y eliminar el resto de los dispositivos [10]. 2: Si la carga es conectada en serie entre dos capacitores, no usar el filtro pasa baja, de otra manera usarlo (Fig. 12,13) [10]. De esta forma los convertidores elevadores convencionales se derivan de este arreglo generalizado como los convertidores Cuk, ~154~

10 Reductor-Elevador (Buck-Boost), entre otros convertidores propuestos en el estado del arte, lo que los coloca en esta familia [10]. Fig. 11. (a) Multiplicador de voltaje Cockcroft-Walton (b) Convertidor elevador Nx [10]. Una de las principales ventajas que presenta esta configuración es el hecho de que se pueden generar convertidores con altas ganancias en voltaje sin la necesidad de incrementar el número de inductores en la topología. Fig. 12. Topología del convertidor elevador multiplicador generalizado con filtro pasa baja opcional [10]. ~155~

11 Fig. 13. Ejemplos cuando: (a) El filtro pasa baja no es requerido, (b) El filtro pasa baja es requerido. 3. CONCLUSIONES Este artículo presenta la regla de derivación central, arreglos y familias de los convertidores elevadores y una de sus posibles clasificaciones dentro del estado del arte, exponiendo topologías y generalidades para un mejor rendimiento. El comportamiento de un convertidor elevador se mantiene fiel a su función de ganancia, siempre y cuando su ciclo de trabajo no sea grande o cercano a 1; Si el ciclo de trabajo es grande se tendrán pérdidas por conducción mayores que si utilizáramos un ciclo de trabajo menor. Los problemas en un convertidor elevador se empiezan a maximizar con el aumento del ciclo de trabajo, incrementando los voltajes y corrientes de estrés en los interruptores, baja eficiencia e incluso que el comportamiento del convertidor no sea fiel a su función de ganancia, con esto, la idea básica que se propone, es conseguir altas ganancias sin recurrir a un ciclo de trabajo grande. Con la regla de derivación central se busca que en las topologías elevadoras exista un camino directo de energía de la fuente hacia la carga, esto para que el elemento magnético no sea el único en transferir la energía en su totalidad hacia la carga. Los arreglos pueden ser usados para modificar o generar topologías con un mejor rendimiento, minimizar las desventajas y maximizar las ventajas. Una parte importante es poder caracterizar una topología elevadora para clasificarla y colocarla en alguna de las familias ya ~156~

12 mencionadas, con esta caracterización podemos comprender más de la topología, hacerle mejoras con la ayuda de los arreglos y reglas que nos guíen en el proceso. En la tabla 2 se muestra la clasificación de los convertidores elevadores y las características que presentan cada uno de ellos. Tabla 2. Comparación de las características entre los convertidores. Con la variedad de configuraciones de estos convertidores, se pueden desarrollar otras para mejorar sus características, se puede mejorar la ganancia agregando etapas o acoplando inductores, esto también tiene su costo ya que al aumentar la ganancia también se incrementa el estrés en los semiconductores al igual que el número de dispositivos. Básicamente el diseñador tiene que tener en cuenta estas características conforme a las necesidades de su aplicación, antes de desarrollar una topología elevadora. BIBLIOGRAFÍA [1] R-J wai, W-H. Wang, C-Y Lin, High-Performance Stand- Alone Photovoltaic Generation System, Industrial Electronics, IEEE Transcation on, Vol. 55, No. 1, Jan, 2088, Pag [2] G. Henn, R. Silva, P. PrasAsa, L. Barrteo, Jr. D. Oliveira, Interleaved Boost Converter With High Voltage Gain, Power Electronics, IEEE Transaction on, Vol. PP, No. 99, Pag [3] W. Li, W. Li, X. He, D. Xu, B. Wu, General Derivation Law of Nonisolated High-Step-Up Interleaved Converters With Built-In Transformer, IEEE ~157~

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