Universidad Autónoma de San Luis Potosí CONVERTIDORES CD-CD

Transcripción

1 CONVERTIDORES CD-CD

2 Objetivo de los convertidores CD-CD

3 Tipos de convertidores: Convertidores básicos sin aislamiento galvánico y un solo interruptor: Reductor (Buck) Elevador (Boost) Reductor-elevador (Buck-boost) Cuk

4 Tipos de convertidores: Convertidores con aislamiento galvánico Tipo puente Flyback Forward

5 Principio de operación T s =t on +t off D= t on T s V o = T 1 T s v o (t)dt = 1 t on T s ò V dt s T ò + 0dt s 0 d ò 0 t on æ V o = T 1 çv t s d on +0t ç off è V o =V d t on T s = DV d ö ø

6 Principio de operación: cómo se logra la conmutación? D= t on = V control T s Vˆ st V o = DV d = V d V st V control = kv control

7 Pero la señal de salida es cuadrada con un valor promedio, cómo recuperar el valor promedio? ESQUEMA DE FILTRADO DE SEGUNDO ORDEN, DE AQUÍ SE DERIVAN LAS TOPOLOGÍAS BÁSICAS

8 CONVERTIDOR REDUCTOR (BUCK) Esquema básico Interruptor cerrado Interruptor abierto

9 CONVERTIDOR REDUCTOR (BUCK) Cuando a un inductor se le alimenta con CD su voltaje en terminales es cero. T s ò 0 V L t on ( t) dt = ò ( V d -V o )dt + ò (-V o )dt = 0 ( V d -V o )t on =V o T s - t on V o V d = t on T s = D 0 ( ) P =V o I o =V d I d Þ I o I d = 1 D T s t on

10 CONVERTIDOR REDUCTOR (BUCK) Armónicos de una forma de onda cuadrada en función de D

11 Icc (A) Vcc (V) Qué retos hay? Universidad Autónoma de Currents Calculated from ITRS Voltage scaling to: ~0.8V by Year Currents scaling to: ~175A by 2014 Source: Intel and 2005 International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)

12 Qué retos hay? Universidad Autónoma de P S1_ on V in I o Q 2 I SW G _ ON switching loss f P S1_ off V in I o Q 2 I SW G _ OFF f P S1_cond = I S1_rms2 *R S1 conduction loss Vin C oss_s1 S1 R S1 SR R L C gd_sr C oss_sr C gd_s1 C gs_s1 C gs_sr L o i L C o I o R L + v o - P L_cond = I L_rms 2 * R L conduction loss P OSS(S1,SR) = ½*(Q OSS_S1 +Q OSS_SR )V in *f switching loss P rr = V in *Q rr *f switching loss R SR P SR_cond = I SR_rms 2 * R SR conduction loss DRIVER P SR_driving = Q G_SR *V G *f driving loss P S1_driving = Q G_S1 *V G *f driving loss

13 70% Battery Life (Hrs) 70% 90% 90% Universidad Autónoma de Qué retos hay? Example: LPIA platform (P_avg ~ 5W, 5 LCD) efficiency today s ideal System Battery Life vs. VR Efficiency 29% 3.0 load power Opportunity: Battery life increases with VR efficiency enhancement across a broad load range WHr 5WHr 43%

14 Eficiencia vs. rizo de voltaje % Efficiency a1( Io) a2( Io) 0.85 a3( Io) Io Linear variable frequency w/ MH MH CCM only 1 Io (A) Output voltage ripple 50mV mV 0.04 x( Io) 30mV 0.03 y( Io) 20mV z( Io) mV Linear variable frequency w/ MH CCM fixed frequency MH fixed frequency Io Io (A) Vin= 5V Vo=3.3V Lo=1uH Co=50uF f=500khz Frequency variation significantly improve light load efficiency, since frequency related losses are reduced Voltage ripple increases at light load if frequency is linearly reduced

15 Modo de conducción discontinua V o V d = D 2 D æ I ö ç o 4è I LB,max ø

16 Relación de ganancia del convertidor reductor en MCC y MCD con Vd constante

17 Hay guías para la selección de elementos pasivos? Formas de onda típicas

18 CONVERTIDOR ELEVADOR (BOOST) Interruptor cerrado Interruptor abierto

19 CONVERTIDOR ELEVADOR (BOOST) V d t on + (V d -V o )t off = 0 V d D + (V d -V o )(1- D) = 0 V d D +V d -V o -V d D +V o D = 0 V d +V o (D -1) = 0 V d =V o (1- D) V o V d = 1 1- D

20 ANÁLISIS DEL CONVERTIDOR ELEVADOR d=1 + V CD L C R L + V O L D + V CD Q C R L V O - - Circuito original d=0 + L D + V CD C R L V O - -

21 x x (1 d) C (1 d) L x 1 x RC L 0 V CD MODELO MATEMÁTICO NO LINEAL DEL SISTEMA 30 V out V in x d=[0,1] Con: V CD = 12V Vo = 24V L = 1mH C = 100uF R = 20 Con d =0.5

22 MODELO MATEMÁTICO NO LINEAL DEL SISTEMA (1 d) x 0 L x L V Con: d={0,1} d CD x x (1 ) C RC 1.5 d 30 V out = x V in i L = x

23 MODELO MATEMÁTICO LINEALIZADO DEL SISTEMA x x (1 D) C ( D 1) L x 1 x RC 1 2 x L x C d 1 L 0 V in X 2 (s)/v in (s) X 2 (s)/d(s) X 1 (s)/d(s) 5e s s + 2.5e e004 s + 1.2e s s + 2.5e e004 s + 1.8e s s + 2.5e006

24 Imaginary Axis Universidad Autónoma de DONDE QUEDARON LOS POLOS Y CEROS DEL SISTEMA? Root Locus Caso 1: X 2 (s)/v in (s) e s s + 2.5e Real Axis

25 Imaginary Axis Universidad Autónoma de DONDE QUEDARON LOS POLOS Y CEROS DEL SISTEMA? 1.5 x 10 4 Root Locus Caso 2: X 2 (s)/d(s) e004 s + 1.2e s s + 2.5e Real Axis x 10 4

26 Imaginary Axis Universidad Autónoma de DONDE QUEDARON LOS POLOS Y CEROS DEL SISTEMA? 2000 Root Locus Caso 3: X 1 (s)/d(s) e004 s + 1.8e s s + 2.5e Real Axis

27 QUÉ RETOS HAY? Universidad Autónoma de Source DC / DC DC / AC M1 M2 Aplicación manejo energía Vehículos Eléctricos al de en DC / AC

28 QUÉ RETOS HAY? Universidad Autónoma de L 1 L 2 Inverter 1 Inverter 2 SC A B C a b c Fuel Cell V in A B C m V out A B C a b c Interleaved Boost Z Z Z Z Z Z M1 M2

29 Potencia (W) Potencia (W) Universidad Autónoma de 30,000 QUÉ RETOS HAY? Dinámica de la potencia mecánica requerida en las llantas 25,000 20,000 15,000 10,000 CICLO DE MANEJO ECE-R15 CON PENDIENTE DEL 10% 5, Tiempo (s) 30,000 25,000 20,000 15,000 10,000 CICLO DE MANEJO CITY-II CON PENDIENTE DEL 10% 5, , Tiempo (s)

30 QUÉ RETOS HAY? Power curve of the FC UNIDIRECCIONAL Fuel cell Battery DC/DC DC/DC Mode 7 Load BIDIRECCIONAL

31 QUÉ RETOS HAY? L 1 Requerimientos L 2 Fuel Cell V in A B C m Interleaved Boost 1. Capaz de operar en todo le rango de voltaje de entrada. 2. Tener una eficiencia superior al 90% en todo el rango de carga. 3. Que el controlador sea simple.

32 CONVERTIDOR REDUCTOR-ELEVADOR Interruptor cerrado Interruptor abierto

33 CONVERTIDOR REDUCTOR-ELEVADOR Ecuaciones de ganancia del convertidor V d DT S +(-V o )(1-D)T S =0 V o V d = D 1-D I o = 1-D I d D

34 CONVERTIDOR TIPO CUK Universidad Autónoma de Interruptor cerrado Interruptor abierto

35 CONVERTIDOR TIPO CUK Universidad Autónoma de

36 CONVERTIDOR TIPO CUK Universidad Autónoma de L 1 :V d DT s +(V d -V C1 )(1-D)T s =0Þ V C1 V d = 1 1-D L :(V -V 2 C1 o )DT s +(-V o )(1-D)T s =0Þ V C1 = 1 V o D V o = D V 1-D d Si se considera: I L1 = I d I = I L2 o I o = 1-D I D d

37 CONVERTIDORES CON AISLAMIENTO GALVÁNICO