Convertidores CC/CC directos

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1 Capíulo 4 Converidores CC/CC direcos 4.1 Inroducción Deerminadas aplicaciones requieren alimenación en coninua, por ejemplo, los circuios que forman un ordenador personal. in embargo, se suele parir de una ensión alerna para alimenarlos. o más usual es emplear un recificador para converir la energía en alerna, a coninua. in embargo, la mayoría de las veces, la ensión en coninua obenida es superior o inferior a la que necesia una deerminada aplicación. Por ejemplo, recificando los 22V eficaces de la red monofásica, obenemos aproximadamene 311 V en coninua. El empleo de un ransformador a la enrada del recificador puede reducir la ensión de alimenación. De odas formas, es difícil aún así que obengamos valores adecuados de ensión coninua para nuesros circuios. En ese caso, es necesario uilizar un circuio que permia la conversión de energía en coninua. En deerminadas aplicaciones nos ineresará reducir la ensión de enrada y en oras nos ineresará elevar la ensión. Para ello exisen lo que se denominan converidores CC/CC, que permien ransformar energía en CC de forma eficiene (alo rendimieno). os converidores CC/CC son ampliamene uilizados en fuenes de alimenación coninuas conmuadas (generalmene con un ransformador de aislamieno) y en aplicaciones de accionamieno de moores. Como se muesra en la Figura 4.1, habiualmene la enrada de esos converidores es una ensión coninua no regulada, la cual se obiene recificando la ensión de línea y, por eso, esa flucuará a los cambios en la magniud de la ensión.

2 Tensión de Red CA Monofásico o Trifásico Recificador CC no conrolado no regulada Filro CC no regulada Converidor CC/CC CC regulada Carga v conrol Figura 4.1. Converidor coninuaconinua (CC/CC) Podemos definir los converidores CC/CC como siendo circuios que ransforman una ensión coninua (por lo general no regulada) en ora ambién coninua y regulada. Ora definición más generalizada fue dada en [1] y se refiere a la conversión CC/CC como un procesado de poencia, haciendo analogía con el procesado de señal, basane conocido en Ingeniería Elecrónica. En el procesado de poencia, ano la señal de enrada como de salida son poencia. a poencia en la enrada puede ser suminisrada por una fuene de ensión o corriene y la poencia en la salida puede ser enregada como corriene o ensión. En la figura 4.1 ambién se puede ver que es necesario una señal que conrole ese proceso. El circuio de procesado de poencia y la señal de conrol caracerizan el funcionamieno del converidor. Exisen innúmeros circuios que pueden realizar una conversión CC/CC. on conocidos varios méodos de sínesis de circuios y odos llevan a un conjuno de converidores consruidos con el menor número de componenes posible. Tenemos seis converidores que pueden considerarse como básicos, o sea, la mayoría de los converidores ienen dos inerrupores, con un inerrupor acivo (el ransisor) y un inerrupor pasivo (el diodo). Esos converidores son: Buck, Boos, BuckBoos, Cúk, epic y Zea, que se muesran en la Figura 4.2. Habiualmene el inerrupor acivo (ransisor) para ese ipo de converidores es un BJT, MOFET o IGBT de poencia. En la Figura 4.2 se muesran los converidores CC/CC uilizando MOFET de poencia. El ransisor funciona siempre en la región de core (sin conducir corriene) o en la región ohmica para el MOFET (ransisor conduciendo con mínima ensión) y de sauración para el BJT. Conrolando la ensión de puera (MOFET) o la corriene de base (ransisor bipolar), podemos manener el ransisor conduciendo el iempo que sea necesario.

3 V o V o Buck Boos v o V o BuckBoos Cúk v i V o V o EPIC ZETA Figura 4.2. Circuio de converidores con dos inerrupores (un ransisor y un diodo) ólo enemos conrol sobre el ransisor, pues la conducción del diodo depende del funcionamieno del circuio. Así, para que engamos un converidor que manenga la ensión de salida consane, es necesario un circuio exerno que genere una señal de conrol al ransisor del converidor. Ese circuio de conrol debe generar odas las informaciones necesarias, como son: frecuencia de conmuación, ensión de referencia esabilizada y circuio de compensación en frecuencia. Conrol de los converidores CCCC os converidores CC/CC conmuados uilizan uno o más inerrupores para ransformar un nivel coninuo en oro. En un converidor CC/CC con un nivel de ensión de enrada, el valor medio de la ensión de salida se ajusa conrolando la duración del esado abiero (OFF) o cerrado (ON) del inerrupor. Para ilusrar el concepo de conversión empleando el modo de conmuación, considere el converidor CC/CC básico de la Figura 4.3(a). El valor medio V A de la ensión de salida v A en la Figura 4.3(b) depende del iempo de conducción y no conducción del ransisor (T on y T off ).

4 v A R v A T on T T off V A (a) (b) Figura 4.3. Conversión coninuaconinua (CC/CC) en modo conmuado En ese méodo, llamado modulación por ancho de pulso (PulseWih Modulaion PWM), se varia la relación de conducción (duyraio) del inerrupor D, que se define como siendo la relación enre el iempo que el inerrupor permanece cerrado (ON) respeco al período de conmuación. os dos parámeros que deerminan la forma de onda de la figura 4.3(b) son la relación de conducción D (que se acaba de mencionar) y la frecuencia de conmuación f. Esos parámeros se definen en (1) y (2), respecivamene. T on D = (1) T 1 f = (2) T En realidad los converidores coninuaconinua (CC/CC) ienen el principio de funcionamieno de la Figura 4.4 y además presenan un filro pasa bajos para obener el valor medio de la ensión recangular (Figura 4.3(b)). En la Figura 4.4 se muesra un modelo de una esrucura sencilla de un converidor CC/CC alimenado por ensión (sin aislamieno). v i 1 2 v A filro pasobajo V O Figura 4.4. Diagrama de bloques de un converidor CC/CC

5 a ensión de enrada vi se supone coninua es decir, unidireccional, pero no iene por qué ser una ensión regulada; en general endrá un rizado no nulo. El conmuador de dos posiciones funciona a una frecuencia suficienemene mayor que la correspondiene al rizado de vi. Por lo ano, la forma de onda v A es como la que aparece en la Figura 4.5. v A v i V O T on T off T on T off T on T off T T T Figura 4.5. Forma de onda a la enrada del filro pasobajo de un converidor CC/CC En la Figura 4.5 se indica, además, un cronograma de los esados del conmuador (inerrupor). Como se ha comenado, el filro pasobajo (de poencia) que aparece en la eapa de salida sirve para obener el valor medio de la forma de onda de v A a la salida, eliminando ano la componene fundamenal, como odos los armónicos de su desarrollo en serie de Fourier. Trabajando con ese méodo (PWM), habiualmene, la frecuencia de conmuación es consane y la señal que conrola el ransisor (esado abiero o cerrado), se genera comparando una ensión de conrol v conrol con una forma de onda repeiiva riangular como se muesra en las Figuras 4.6(a) y 4.6(b). En el PWM conmuado a frecuencia consane, la señal de conrol, que conrola el esado (abiero o cerrado) del inerrupor, se genera comparando una ensión de conrol v conrol con una forma de onda repeiiva riangular como se muesra en las Figuras 4.6(a) y 4.6(b). a señal de la ensión de conrol generalmene se obiene amplificando el error, o la diferencia enre la ensión de salida (medida) con el valor de ensión deseado. a forma de onda de la ensión riangular (diene de sierra) iene un valor de pico (V máx ) consane y su frecuencia es la que esablece la frecuencia de conmuación. Esa frecuencia se maniene consane en un conrol PWM y suele esar en el rango de los kilo herz hasa algunos cienos de kilo herz.

6 Referencia V O (deseado) V O (medida) Amplificador Forma de onda Triangular (a) v conrol Comparador eñal de conrol al Transisor v = Tensión riangular v conrol (Error amplificado) V máx eñal de conrol al Transisor On T on T Off T off (b) On Off v conrol > v v conrol < v Frecuencia de conmuación, f = 1 T Figura 4.6. Modulación por ancho de pulso: (a) diagrama de bloques, (b) señales del comparador De la comparación enre la ensión riangular y la señal amplificada del error v conrol, que varia muy lenamene en el iempo, comparado con la frecuencia de conmuación la señal resulane presena una forma de onda recangular y es la que conrola el ransisor. Cuando v conrol > v, el ransisor de poencia se cierra (ON) y en caso conrario el ransisor se abre (OFF). a relación de conducción D (duyraio) se puede expresar en érminos de v conrol y el valor de pico de la forma de onda riangular V máx por equivalencia de riángulos (ver fig. 4.6b) como sigue: D T T on conrol = = (3) v V máx Por oro lado, si la frecuencia es variable, el modo de conrol ya no es PWM, por ano, siendo el período de conducción del ransisor T on y el período de no conducción (core) T off, podemos ener res ipos de conrol:

7 1. T on consane y T off variable 2. T on variable y T off consane 3. T on variable y T off variable os converidores conrolados por una de las res maneras descrias arriba, son difíciles de proyecar pues normalmene ienen caracerísicas pariculares de cada circuio, pero en realidad son muy uilizados, pues llevan a simplificaciones en los circuios de conrol, que hace con que su cose sea bajo. En cualquier caso esos méodos se uilizan casi siempre en converidores CCCC uilizando irisores conmuados de forma forzada, y por ano, no serán aquí discuidos. Ora manera de conrolar converidores con frecuencia variable es por medio de la variación del iempo muero, que es el inervalo de iempo durane el cual ni el ransisor ni el diodo esán conduciendo. Cuando un converidor funciona por iempo muero, decimos que funciona en modo disconinuo de corriene. os converidores funcionando con PWM, ambién pueden rabajar en modo disconinuo. 4.2 Configuración reducora de ensión (buck) Ese ipo de converidor, denominado buck o sepdown en la opología anglosajona, es uilizado cuando deseamos una reducción de la ensión de salida con relación a la ensión de enrada. a polaridad de la ensión de salida es la misma que la de la ensión de enrada. El ruido generado en la salida es bajo debido a la configuración del circuio C, que forma un filro pasa bajos. a ensión de enrada al recibir pulsos del ransisor (cuando ese conduce), hace con que el converidor buck genere en la alimenación de enrada un ruido elevado. Análisis en régimen permanene y modo de conducción coninua a configuración reducora es la más elemenal y ambién la que permie obener un mejor rendimieno. u opología aparece en la Figura 4.7. Básicamene, el converidor iene dos modos de funcionamieno bien diferenciados: el modo de conducción coninua y el modo de conducción disconinua. Para simplificar, analizaremos el modo de conducción coninua. En ese modo de funcionamieno, la corriene por la bobina del converidor nunca se anula, de manera que siempre conduce alguno de los inerrupores de poencia del converidor, es decir, o conduce el ransisor o conduce el diodo. Nóese que ambos a la vez no pueden conducir dado que el diodo ve una ensión ánodocáodo negaiva cuando conduce el ransisor.

8 i i = i v v i v i D v D i D v C C i C R vo Figura 4.7. Topología de un converidor buck. En la Figura 4.7 se muesra la fuene de ensión de enrada sin especificar su forma. e considerará en odos los análisis que la ensión de enrada vi es una ensión unipolar con un ciero rizado. El inerrupor de dos posiciones se ha maerializado como un MOFET de poencia, dado que es el que más habiualmene se uiliza en esos converidores. En las Figuras 4.8 y 4.9 se dan las diferenes opologías del converidor reducor por los inervalos cuando el inerrupor esá cerrado (ON) y abiero (OFF), respecivamene. El circuio equivalene del converidor cuando el ransisor esá conduciendo (ON) se da en la Figura 8. ii v v i D v D i D v C C i C R V O Figura 4.8. Topología del converidor buck durane el inervalo Ton CONVENIO DE NOTACIÓN e indicará a parir de ahora que un inerrupor esá conduciendo subsiuyéndolo simplemene por un hilo (cable), mienras que su esado de bloqueo se indicará por un circuio abiero. Para un análisis del circuio se harán las siguienes hipóesis:

9 v i v v v T O D V consane i V consane O ON ON = consane (4) e consideran despreciables las variaciones de las ensiones de enrada y de salida, así como las caídas de ensión en el ransisor y el diodo cuando conducen. Además, se considera en ese análisis que el circuio de conrol maniene consane el período de conmuación. En las condiciones de la Figura 8 y con las hipóesis (4) se verifica: V i di V O = (5) d Inegrando (5) durane el inervalo [, Ton]: i () i (Vi V () = [, T ] on O ) (6) a expresión (6) muesra una evolución lineal de la corriene. Obsérvese que el análisis se ha enfocado hacia la deerminación de las variables de esado, que serán las que mejor definirán el comporamieno del converidor. En el caso concreo del converidor buck, sólo hay dos variables de esado, la corriene en la inducancia i y la ensión en el condensador (v C = V O ) y debe noarse que únicamene iene senido planear las ecuaciones correspondienes a la corriene en la inducancia, pues la ensión de salida se ha considerado consane en las hipóesis de rabajo (4). Para coninuar el proceso debe seguirse el mismo méodo para la opología correspondiene a Toff. En la Figura 9 aparece la opología presene durane ese inervalo.

10 i i v v i D v D v C C i C R V O i D Figura 9. Topología del converidor buck durane el inervalo Toff. iguiendo la meodología anerior, planeando la ecuación de la variable de esado i se llega a la expresión (7). di VO = (7) d Inegrando la ecuación (7) en el inervalo [Ton, T ], se obiene la (8): i () i (T on V ) = [ T,T ] on O ( T on ) (8) a evolución de la corriene en la inducancia vuelve a ser lineal. A diferencia del caso anerior (el del inervalo Ton), la pendiene de i es ahora negaiva, lo cual responde al fenómeno físico de que la energía en la inducancia esá disminuyendo. Por ano, durane el inervalo Ton la inducancia recibe energía de la fuene de enrada, pues i es una función creciene (expresión (6)), mienras que durane Toff la inducancia enrega energía a la carga, al ser i una función decreciene. En esas condiciones, se puede enconrar la función de ransferencia del circuio funcionando en régimen permanene y conducción coninua, pues no exise el inervalo Toff'. Función de ransferencia en régimen permanene y conducción coninua Efecivamene, en régimen permanene se ha de cumplir que el incremeno de la

11 corriene de la bobina durane Ton debe ser igual al decremeno de la corriene de la bobina durane Toff, dado que: i () = i (T ) (9) En la Figuras 1 y 11 se han represenado las formas de onda del converidor reducor funcionando en conducción coninua. e deduce enonces la igualdad del incremeno y decremeno de la corriene en la inducancia durane Ton y Toff, respecivamene: i (Ton on ) ( i () = ( i (T ) i (T )) (1) Ahora se pueden uilizar las ecuaciones (6) y (8) para deducir de la expresión (1) la ecuación de ransferencia: Vo ) T V = (T T (Vi on o on ) (11) V o = D (12) V i a expresión (12) da idea de por qué se llama reducor al converidor esudiado, pues la ensión de salida es siempre menor o igual a la de enrada, ya que la relación de conducción D es un número comprendido enre y 1. v v Vi VO Ton T Ton T VO i i I =IO T on T T on T Figura 1. Formas de onda de corriene y ensión del converidor reducor en conducción coninua: en la inducancia (v, i ) y en el inerrupor (v, i ).

12 vd vc Ton T V O Vi i C id T on T T on T Figura 11. Formas de onda de ensión y corriene del converidor reducor en conducción coninua en el diodo (v D, i D ) y en el condensador (v C, i C ). De hecho, en la prácica no son asequibles los valores exremos de la relación de conducción. El inervalo habiual de valores de D va, aproximadamene, de,1 a,9; lo cual indica que no es posible obener direcamene, con la opología de la Figura 7, valores de la ensión de salida mucho más bajos que la ensión de enrada o muy próximos a la ensión de enrada. Además, en la prácica, la ensión de salida no puede igualar la ensión de enrada dada la presencia de pérdidas debidas a elemenos parásios y a las propias pérdidas de los semiconducores. Una observación sobre las formas de onda de corriene del converidor reducor. Hay que noar la diferencia enre la forma de onda de la corriene por el inerrupor y la de la corriene por la inducancia. a corriene por el inerrupor es pulsane, en el senido que, denro de cada período, hay un inervalo en que es nulo y oro en que no es nulo (y normalmene elevado). Dado que la corriene por el inerrupor es igual a la corriene de enrada, eso se raduce en una generación imporane de EMI (ElecroMagneical Inerference Inerferencias Elecromagnéicas) o ruido elecromagnéico en la enrada. En cambio, la corriene por la inducancia, a pesar de no ser consane, iene una forma de onda no pulsane, con variaciones lineales. Enonces, como la corriene por la inducancia esá direcamene relacionada con la corriene que se inyeca a la salida, resula que la EMI a la salida es de bajo valor para ese converidor. En general, se puede afirmar que la presencia de una inducancia hace que la corriene no pueda ser pulsane, dado que el campo magnéico (o la energía magnéica) almacenada en una bobina no puede variar bruscamene, y el campo magnéico (o la energía magnéica) esán direcamene relacionados con la corriene que circula por la inducancia.

13 4.3 Esrucura elevadora de ensión (boos) Ese ipo de converidor, denominado boos o sepup en la opología anglosajona, es uilizado cuando deseamos un aumeno de la ensión de salida con relación a la ensión de enrada. a polaridad de la ensión de salida es la misma que la de enrada. El ruido generado en la salida es alo debido a los pulsos de corriene suminisrados al condensador de salida C. El ruido generado a la enrada es bajo porque la inducancia, direcamene conecada a la ensión de enrada, maniene la variación de corriene de enrada sin pulsos. Análisis en régimen permanene y modo de conducción coninua En la Figura 12 se muesra la opología del converidor elevador (boos) donde se ha dibujado la fuene de ensión de enrada sin especificar su forma. e considerará en odos los análisis que la ensión de enrada vi es una ensión unipolar con un ciero rizado. Básicamene, el converidor iene dos modos de funcionamieno bien diferenciados: el modo de conducción coninua y el modo de conducción disconinua. Para simplificar, analizaremos el modo de conducción coninua. En ese modo de funcionamieno, la corriene por la bobina del converidor nunca se anula, de manera que siempre conduce alguno de los inerrupores de poencia del converidor, es decir, o conduce el ransisor o conduce el diodo. Nóese que ambos a la vez no pueden conducir dado que el diodo ve una ensión ánodocáodo negaiva cuando conduce el ransisor. Para simplificar y faciliar el enendimieno, vamos a suponer esado esable, o sea, la ensión en el condensador es consane y la corriene de salida ambién. El ransisor se hace funcionar en la región ohmica y en core a una frecuencia f, de modo que, o bien el ransisor conduce, o bien el diodo conduce. Cuando el ransisor conduce, la inducancia esá direcamene conecada a la ensión de enrada y suponiendo que la ensión de salida sea mayor que la ensión de enrada (un hecho real en el converidor BOOT), el diodo esará inversamene polarizado y la ensión en el condensador suminisrará una corriene a la carga (resisencia). i i i D i D v v C C v i v i s v D i C v O

14 Figura 12. Topología de un converidor boos (elevador) Cuando se cora el ransisor, el diodo conduce y el inducor suminisra corriene a la salida (resisencia y condensador). Esa corriene debe ser al que reponga las cargas perdidas por el condensador en el insane anerior y suminisre la corriene a la resisencia. Igual que para el converidor reducor, se indicará a parir de ahora que un inerrupor esá conduciendo subsiuyéndolo simplemene por un hilo, mienras que su esado de bloqueo se indicará por un circuio abiero. En las Figuras 13 y 14 se dan las diferenes opologías del converidor elevador para los inervalos Ton y Toff, respecivamene. El circuio equivalene del converidor cuando el ransisor esá conduciendo se muesra en la Figura 13. CONVENIO DE NOTACIÓN Para un análisis del circuio se harán las mismas hipóesis que para el converidor reducor (buck). Hipóesis: v v v v T i O V consane ON DON i V O consane = consane (13) e consideran despreciables las variaciones de las ensiones de enrada y de salida, así como las caídas de ensión en el ransisor y el diodo cuando conducen. Además, se considera en ese análisis que el circuio de conrol maniene consane el período de conmuación. i i i D i D v v v D v C C i C R V O

15 Figura 13. Topología del converidor boos durane el inervalo Ton En las condiciones de la Figura 13 y con las hipóesis (13) se verifica: di = (14) d Inegrando (14) durane el inervalo [, Ton]: i () i Vi () = [,T ] on (15) a expresión (15) muesra una evolución lineal de la corriene. Obsérvese nuevamene que el análisis se ha enfocado hacia la deerminación de las variables de esado, que serán las que mejor definirán el comporamieno del converidor. Igual que para el converidor buck, sólo hay dos variables de esado, la corriene en la inducancia i y la ensión en el condensador v C (que es igual a la ensión de salida V O ) y debe noarse que únicamene iene senido planear las ecuaciones correspondienes a la corriene en la inducancia, pues la ensión de salida se ha considerado consane en las hipóesis de rabajo (13). Para coninuar el proceso debe seguirse el mismo méodo para la opología correspondiene a Toff. En la Figura 14 aparece la opología presene durane ese inervalo. i i i D i D v v v D v C C i C V O Figura 14. Topología del converidor boos durane el inervalo Toff. iguiendo la meodología anerior, planeando la ecuación de la variable de esado i se

16 llega a la expresión (16). di Vi Vo = d (16) Inegrando la ecuación (16) en el inervalo [Ton, T ], se obiene la (17): i () i (Vi VO ) ( Ton) (Ton) = [ T,T ] on (17) a evolución de la corriene en la inducancia vuelve a ser lineal. A diferencia del caso anerior (inervalo Ton), la pendiene de i es ahora negaiva, lo cual responde al fenómeno físico de que la energía en la inducancia esá disminuyendo. Por ano, durane el inervalo Ton la inducancia recibe energía de la fuene de enrada, pues i es una función creciene (expresión (15)), mienras que durane Toff la inducancia enrega energía a la carga, al ser i una función decreciene (expresión (17)). En esas condiciones, se puede enconrar la función de ransferencia del circuio funcionando en régimen permanene y conducción coninua. Función de ransferencia en régimen permanene y conducción coninua Efecivamene, en régimen permanene se ha de cumplir que el incremeno de la corriene de la bobina durane Ton debe ser igual al decremeno de la corriene de la bobina durane Toff, dado que: i () = i (T ) (18) En las Figuras 15 y 16 se han represenado las formas de onda del converidor reducor funcionando en conducción coninua. e deduce enonces la igualdad del incremeno y decremeno de la corriene en la inducancia durane Ton y Toff, respecivamene: i ) i () = ( i (T ) i (T )) (19) (Ton on

17 Ahora se pueden uilizar las ecuaciones (15) y (17) para deducir de la expresión (19) la ecuación de ransferencia: V T i on (Vi V o) (T T = on ) (2) V V o i 1 = (21) 1 D a expresión (21) da idea de por qué se llama elevador al converidor esudiado, pues la ensión de salida es siempre mayor o igual a la enrada, ya que la relación de conducción D es un número comprendido enre y 1. De hecho, como ya se ha comenado en el análisis del converidor reducor, en la prácica no son asequibles los valores exremos de la relación de conducción. El inervalo habiual de valores de D va, aproximadamene, de,1 a,9, lo cual indica que no es posible obener direcamene, con la opología de la Figura 12, valores de la ensión de salida muy próximos a la ensión de enrada o mucho más elevado que la ensión de enrada. Además, en la prácica, la ensión de salida no puede superar un deerminado valor dada la presencia de pérdidas debido a elemenos parásios y a las propias pérdidas de los semiconducores. v V O v Ton T Ton T V O i i T on T T on T Figura 15. Formas de onda de corriene y ensión del converidor elevador en conducción coninua: en la inducancia (i, v ) y en el inerrupor (i, v ). Hay que noar la diferencia enre la forma de onda de la corriene por el inerrupor y la de la corriene por la inducancia. a corriene por el inerrupor es pulsane, en el senido de que, denro de cada período, hay un inervalo en que es nulo y oro en que no

18 es nulo (y normalmene elevado). vd vc Ton T VO (VO Vi) i C id Ton T T on T Figura 16. Formas de onda de ensión y corriene del converidor reducor en conducción coninua en el diodo (i D, v D ) y en el condensador (i C, v C ). Como se ha viso un converidor elevador (boos) puede subir la ensión de salida sin necesidad de un ransformador. Debido a que sólo iene un ransisor, su eficiencia es ala. a corriene de enrada es coninua. in embargo, a ravés del ransisor de poencia debe fluir una corriene de pico elevada. a ensión de salida es muy sensible a cambios en la relación de conducción D (duy raio) y puede resular difícil esabilizar el regulador. a corriene media de salida es menor que la corriene media de la inducancia, y una corriene eficaz mucho más elevada fluirá a ravés del condensador de filro, dando como resulado el uso de un condensador y una inducancia de mayor amaño que los correspondienes en un regulador reducor. En ese ipo de converidor (boos) las inerferencias elecromagnéicas generadas en la salida son elevadas, pues se suminisran pulsos de corriene al condensador de salida en cada período de conmuación T. Por oro lado, la generación de EMI (Inerferencias Elecromagnéicas) en la enrada es baja porque la inducancia, direcamene conecada a la ensión de enrada, maniene la variación de la corriene de enrada sin pulsos. Como conclusión, los diferenes converidores podrán presenar un valor de EMI generadas grande en aquel lado donde no haya una bobina. O dicho de ora forma, para reducir la EMI generada a valores admisibles, deberá añadirse un filro adicional (que conendrá una o más inducancias), lo que supone una complicación inrínseca, por la esrucura del converidor.

19 4.4 Fuenes de alimenación conmuadas Inroducción Denro de la Elecrónica de Poencia, uno de los campos que ha experimenado ransformaciones más noables en los úlimos 2 ó 25 años ha sido el de diseño de sisemas de alimenación. En las diferenes fases de la realización de un circuio elecrónico, el diseñador solía dejar para el final la sínesis de la fuene de alimenación. e era consciene de la imporancia de esa eapa, pero no se le dedicaba demasiado esfuerzo de diseño por considerarla complemenaria. as fuenes de alimenación CC reguladas son necesarias en la mayor pare de los sisemas elecrónicos analógicos y digiales. a mayor pare de las fuenes de alimenación esán designadas a cumplir algunos o odos los requerimienos siguienes: alida regulada. a ensión de salida debe manenerse consane denro de unos limies especificados para variaciones en la ensión de enrada y en la carga. Aislamieno. a salida puede ser aislada de la enrada. Múliple salida. Puede ener múliple salida (posiiva o negaiva) que puede diferir en el valor de su ensión y/o corriene. Dichas salidas pueden ser aisladas unas de las oras. Además, la miniaurización creciene de los sisemas digiales y analógicos así como las exigencias de aplicaciones específicas, como son las aeronáuicas y espaciales pequeño volumen y peso, alo rendimieno, forzaron a una revisión de las esrucuras radicionales. Fuene de alimenación lineal Para apreciar las venajas de las fuenes conmuadas, es conveniene considerar primero las fuenes de alimenación lineales. En la Figura 17 se muesra la esrucura básica de una fuene de alimenación de ipo lineal, que era la solución frecuenemene adopada.

20 Regulador linea red 5 Hz Figura 17. Esrucura básica de un sisema de alimenación lineal v O a esrucura de la Figura 17 presena como venajas: Es sencilla de diseñar, pues exise una amplia gama de circuios inegrados que conienen el ransisor de poencia, así como la circuiería de conrol que cierra el lazo de la ensión de salida para manener ésa esabilizada. os problemas de producción en serie que presena son mínimos, pues odos los componenes usados son muy comunes y con una fiabilidad relaivamene elevada. En cambio, ienen una serie de inconvenienes: Presena un rendimieno muy bajo, del orden del 5 % o menor, debido a que el ransisor bipolar de poencia no rabaja en conmuación, sino en la zona aciva. El volumen y peso del equipo es muy desfavorable, pues odos los componenes inducivos y capaciivos deben dimensionarse a la frecuencia de la red. ólo son uilizables a poencias relaivamene bajas, del orden de 1 W. e desarrolló un imporane esfuerzo de invesigación para aplicar las opologías de converidores CC/CC en modo conmuado a los sisemas de alimenación, raando de mejorar las presaciones ofrecidas por las fuenes de alimenación lineales. De ese modo, surge lo que se ha denominado Fuenes de Alimenación Conmuadas. Como se verá en lo que sigue, una de las caracerísicas más imporanes de las fuenes de alimenación conmuadas es que permien el diseño de los elemenos inducivos y capaciivos a una frecuencia mucho mayor que la de red, reduciendo así su volumen y peso. a invesigación en ese campo ha conducido a unas esrucuras que permien rabajar odavía a mayores frecuencias que las de los converidores en modo conmuado, como son las esrucuras resonanes, cuasiresonanes, conmuación suave (sof swiching), ec. in embargo, ésas no se raarán aquí.

21 Fuene de alimenación conmuada De forma opuesa a las fuenes lineales, en las fuenes de alimenación conmuadas, la ransformación de un nivel de ensión coninua a oro se consigue uilizando converidores coninuaconinua al como los que hemos viso (reducor, elevador o más habiualmene los que uilizan aislamieno). as fuenes de alimenación conmuadas se usan en ordenadores personales, impresoras, foocopiadoras, ec. y se basan en converidores CC/CC con aislamieno. Para conseguir un amaño pequeño, funcionan a frecuencias elevadas. a Figura 18 esquemaiza el diagrama de bloques general en lazo abiero de una fuene de alimenación conmuada. Esá basado en una primera eapa de recificación (ípicamene un puene de Graez convencional), más un filraje capaciivo. a ensión resulane no esá regulada. Por lo ano, el converidor CC/CC en modo conmuado que consiuye la siguiene eapa, se encarga de obener con el máximo rendimieno la ensión deseada a la salida, esabilizada y regulada. red v i CC CC carga Figura 18. Diagrama de bloques en lazo abiero de una fuene de alimenación El converidor CC/CC empleado en las fuenes de alimenación suele ener aislamieno. Por ano, las fuenes de alimenación se implemenan con opologías de converidores CC/CC con un ransformador (de ala frecuencia) para aislar la enrada de la salida. os converidores CC/CC más uilizados en fuenes de alimenación son derivados de aquellos mosrados en la Figura 2. Una exensión naural de la opología de la Figura 4 viene dada en la Figura 19, en la que se muesra el diagrama de bloques de un converidor CC/CC en modo conmuado con aislamieno. v i 1 2 v A filro pasobajo v O Figura 19. Diagrama de bloques de un converidor CC/CC conmuado con aislamieno

22 as diferencias de la esrucura que aparece en la Figura 4 con respeco a la Figura 19 son: un ransformador colocado en un puno en que se pueda ransformar una forma de onda alerna, además del recificador que se coloca en el secundario. Es imporane observar que el ransformador del converidor CC/CC debe dimensionarse a la frecuencia de conmuación, que es mucho mayor (valor ípico 1 khz) que la frecuencia de red. Por lo ano, será de pequeño volumen y peso recuérdese que el volumen de un ransformador es inversamene proporcional a su frecuencia de rabajo. Finalmene, en la Figura 2 se muesra el diagrama de bloques compleo (lazo cerrado) de una fuene de alimenación con aislamieno elécrico. Converidor CC/CC con aislamieno Pare Aislada CA red 5Hz Filro EMI Recificador Filro CC (no regulada) Recificador Filro CC regulada V O Transformador de ala frecuencia Circuio de Mando (Driver) a él/los Transisor(es) Conrolador PWM Amplificador de Error Transformador de ala frecuencia Realimenación V O, ref Figura 2. Diagrama de bloques compleo de una fuene de alimenación CC conmuada a ensión alerna (CA) de enrada anes de ser recificada y filrada pasa por un filro EMI para prevenir las inerferencias elecromagnéicas conducidas. El bloque converidor CC/CC en la Figura 2, conviere el nivel de la ensión coninua (CC) no regulada de enrada a oro nivel de ensión coninua (CC) regulada. Eso se consigue con una conmuación a ala frecuencia, la cual produce una CA de ala frecuencia a ravés de un ransformador de aislamieno. a salida del secundario del ransformador es recificada y filrada para producir V O. a salida coninua de la Figura 2 se regula por medio de un lazo de realimenación que emplea un conrolador PWM, donde se compara la ensión de conrol con una onda riangular a la frecuencia de conmuación (al cual como se ha viso en el aparado ). El aislamieno elécrico del lazo de conrol se proporciona a ravés de un ransformador como se muesra en la figura (2) o bien a ravés de un opoacoplador.

23 4.5 Bibliografía Power Elecronics. Converers, Applicaions, and Design (2ª edición). N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins, Ediorial: John Wiley & ons, Elecrónica Indusrial: Técnicas de Poencia (2ª edición). Ediorial: MarcomboBoixareu Ediores, 1992 Elecrónica de Poencia Circuios, Disposiivos y Aplicaciones Muhammad H. Rashid, Prenice Hall Hispanoamericana,.A., Análise e Projeo de Fones Chaveadas, uiz Fernando Pereira de Mello, Ediora Érica da, 1996.

24 Converidores CA/CC Recificadores