Clasificación y Análisis de los Convertidores Conmutados PWM

Transcripción

1 Apéndice A Clasificación y Análisis de los Convertidores Conmutados PWM Objetivos del Apéndice Para introducir las topologías clásicas, se clasifican someramente las topologías básicas y sus propiedades funcionales. Cabe advertir al lector que las topologías derivadas de las mismas son muchas, derivadas de aplicar el convertidor clásico a consumos especiales. No es intención del autor hacer examen exaustivo de todas, recomendando consultar las obras y artículos de la bibliografía. A.1. Clasificación Una aproximación a la clasificación de convertidores conmutados nos lleva a clasificarlos según la Tabla A.1. Clasificaciones más amplias, que incluyen topologías derivadas y convertidores resonantes se pueden encontrar en [3 8, 10, 11, 13, 14]. Número de Interruptores Complejidad Topología Reductor (Buck) Sencilla Elevador (Boost) Reductor-Elevador (Buck-Boost) Con sólo un interruptor controlado Ćuk Media Retroceso (Flyback) Directo (Forward) Ćuk con transformador Medio Puente (Half Bridge) Con varios interruptores controlados Mayor Puente (Full Bridge) Contrafase (Push-Pull) Tabla A.1: Clasificación de los convertidores continua-continua con control PWM 143

2 Apéndice A. Clasificación y Análisis de los Convertidores Conmutados PWM A.1.1. Conceptos sobre Convertidores Conmutados Para facilitar y uniformizar el análisis de los convertidores, emplearemos la nomenclatura de la Tabla A.2 sabiendo que las siguientes relaciones matemáticas se cumplen: f s = 1 T s δ = t 1 T s δ = 1 δ = T s t 1 T s = t 2 T s M = u s u e (A.1) (A.2) (A.3) (A.4) Variable f s f c T s t 1 t 2 t m δ δ M frecuencia de conmutación del interruptor frecuencia de corte del filtro de salida del convertidor Período de conmutación del interruptor período de conducción del interruptor controlado período de conducción del diodo período de conducción de algún interruptor o diodo para facilitar la desmagnetización de las bobinas acopladas del circuito relación de conducción del interruptor relacción de no conducción del interruptor relación de transformación Tabla A.2: Nomenclatura Una condición básica, asumida durante todos los análisis siguientes, es que el rizado de la tensión de salida del CCP es pequeño. Esto es equivalente a decir que la frecuencia de corte del filtro de salida f c es mucho menor que la frecuencia de conmutación f s. Asumir esta condición es un concepto fundamental para los principios del promediado del espacio de estado y permitirá formular modelos y análisis de los convertidores conmutados de potencia. Es importante notar que un convertidor, con o sin aislamiento galvánico, con uno o varios transistores actuando como interruptores, posee siempre al menos una bobina que en ciertos momentos queda en serie con un diodo. Si la corriente por esta bobina intenta hacerse negativa, el diodo se lo impide, permaneciendo en cero. Cuando esto ocurre se dice que el convertidor funciona en modo de conducción discontinuo. Si esto no ocurre, la corriente por la bobina nunca llega a hacerse nula y se dice que el convertidor funciona en modo de conducción continuo. El modo de conducción modifica el comportamiento del convertidor de manera extrema, en lo referente a su comportamiento dinámico, al esfuerzo (stress) que sufren los componentes que conmutan y la relación de transformación entre las tensiones y corrientes. 144

3 A.1 Clasificación Para un desarrollo detallado de las mismas se remite al lector a la bibliografía [3 7, 10, 11, 13, 14]. 145

4 Apéndice A. Clasificación y Análisis de los Convertidores Conmutados PWM A.2. A.2.1. Convertidores Sin Aislamiento Galvánico El Convertidor Reductor (Buck) El convertidor reductor (buck) convierte una tensión de entrada u e continua en otra menor u s a su salida. Un circuito con componentes ideales se muestra en la Fig. A.1. Figura A.1: Convertidor reductor (buck) ideal El interruptor controlado S permite la entrada de energía desde la fuente de continua u e al circuito LCR cuando está cerrado, como se muestra en la Fig. A.2 (a). Cuando S está abierto, el diodo D permite la circulación de corriente desde la bobina L al circuito de salida CR, como se muestra en la Fig. A.2 (b). (a) interruptor cerrado (b) interruptor abierto (c) modo discontinuo Figura A.2: Circuitos equivalentes del convertidor reductor (buck) ideal en funcionamiento 146

5 A.2 Convertidores Sin Aislamiento Galvánico : De este convertidor se obtienen, para el modo de conducción continuo, la ecuación fundamental M = δ (A.5) Para el modo de conducción discontinuo, en el cual la corriente por la bobina deja de circular, lo que implica un tercer circuito equivalente que se muestra en la Fig A.2 (c), se obtiene la siguiente ecuación fundamental : 2 M = (A.6) L RTδ 2 Las formas de ondas de las tensiones y corrientes, para régimen permanente, en este convertidor se muestran en la Fig A.3 (a) para modo continuo, y en la Fig A.3 (b) para modo discontinuo. (a) modo continuo (b) modo discontinuo Figura A.3: Formas de onda de corrientes y tensiones en el convertidor reductor (buck) ideal 147

6 Apéndice A. Clasificación y Análisis de los Convertidores Conmutados PWM A.2.2. El Convertidor Elevador (Boost) El convertidor elevador (boost) convierte un nivel de tensión de entrada u e continua en otro mayor u s en su salida. Un circuito con componentes ideales se muestra en la Fig. A.4. Figura A.4: Convertidor elevador (boost) ideal Cuando el interruptor S está cerrado, permite la entrada de energía desde la fuente de continua u e a la bobina L, como se muestra en la Fig. A.5 (a). Cuando S está abierto, el diodo D permite la circulación de corriente de la fuente u e y de la bobina L al circuito de salida CR, como se muestra en la Fig. A.5 (b). (a) interruptor cerrado (b) interruptor abierto (c) modo discontinuo Figura A.5: Circuitos equivalentes del convertidor elevador (boost) ideal en funcionamiento 148

7 A.2 Convertidores Sin Aislamiento Galvánico : De este convertidor se obtienen, para el modo de conducción continuo, la ecuación fundamental M = 1 (A.7) 1 δ Para el modo de conducción discontinuo, en el cual la corriente por la bobina deja de circular, lo que implica un tercer circuito equivalente que se muestra en la Fig A.5 (c), se obtiene la siguiente ecuación fundamental : M = RT sδ 2 L (A.8) 2 Las formas de ondas de las tensiones y corrientes, para régimen permanente, en este convertidor se muestran el la Fig A.6 (a) para modo continuo y en la Fig A.6 (b) para modo discontinuo. (a) modo continuo (b) modo discontinuo Figura A.6: Formas de onda de corrientes y tensiones en el convertidor elevador (boost) ideal 149

8 Apéndice A. Clasificación y Análisis de los Convertidores Conmutados PWM A.2.3. El Convertidor Reductor-Elevador (Buck-Boost) El convertidor reductor-elevador (buck-boost) convierte una tensión de entrada u e continua en otra de salida u s, mayor o menor en función de la duración de t 1. Un circuito con componentes ideales se muestra en la Fig. A.7. Figura A.7: Convertidor reductor-elevador (buck-boost) ideal Cuando el interruptor S está cerrado, permite la entrada de energía desde la fuente de continua u e a la bobina L, como se muestra en la Fig. A.8 (a). Cuando está abierto, el diodo D permite la circulación de la energía almacenada en la bobina L al circuito de salida CR, como se muestra en la Fig. A.8 (b). (a) interruptor cerrado (b) interruptor abierto (c) modo discontinuo Figura A.8: Circuitos equivalentes del convertidor reductor-elevador (buck-boost) ideal en funcionamiento. 150

9 A.2 Convertidores Sin Aislamiento Galvánico : De este convertidor se obtienen, para el modo de conducción continuo, la ecuación fundamental M = δ (A.9) 1 δ Para el modo de conducción discontinuo, en el cual la corriente por la bobina deja de circular, lo que implica un tercer circuito equivalente que se muestra en la Fig A.8 (c), se obtiene la siguiente ecuación fundamental : RTs M = δ (A.10) 2L Las formas de ondas de las tensiones y corrientes, para régimen permanente, en este convertidor se muestran en la Fig A.9 (a) para modo continuo y en la Fig A.9 (b) para modo discontinuo. (a) modo continuo (b) modo discontinuo Figura A.9: Formas de onda de corrientes y tensiones en el convertidor reductorelevador (buck-boost) ideal 151

10 Apéndice A. Clasificación y Análisis de los Convertidores Conmutados PWM A.2.4. El Convertidor de Ćuk El convertidor de Ćuk [1, 2] convierte un nivel de tensión de entrada u e continua en otro u s en su salida, mayor o menor en función de la duración de t 1. Un circuito con componentes ideales se muestra en la Fig. A.10. Figura A.10: Convertidor de Ćuk ideal. Cuando el interruptor controlado S e está cerrado, como se muestra en la Fig. A.11 (a), permite la entrada de energía desde la fuente de continua u e a la bobina L e y la transferencia de energía almacenada en el condesador C e al circuito de salida L s C s R. Cuando el interruptor está abierto, el diodo D s permite la transferencia de la energía almacenada en la bobina L e y de la fuente u e al condensador C e, y la transferencia de la energía de la bobina L s a C s R, como se muestra en la Fig. A.11 (b). (a) interruptor cerrado (b) interruptor abierto 152 Figura A.11: Circuitos equivalentes del convertidor de Ćuk ideal en funcionamiento

11 A.2 Convertidores Sin Aislamiento Galvánico : De este convertidor se obtienen, para el modo de conducción continuo, la ecuación fundamental M = δ (A.11) 1 δ Las formas de onda de las tensiones y corrientes, para régimen permanente y modo continuo, en este convertidor se muestran el la Fig A.12. Figura A.12: Formas de onda de corrientes y tensiones en el convertidor de Ćuk ideal en modo continuo 153

12 Apéndice A. Clasificación y Análisis de los Convertidores Conmutados PWM A.3. Los Convertidores con Aislamiento Galvánico Estos convertidores, derivados de los anteriores, presentan el añadido de un elemento magnético, un transformador de alta frecuencia que puede cumplir dos funciones: almacenar energía y convertir los niveles de tensión y corriente. A.3.1. El Convertidor de Retroceso (Flyback) El convertidor de retroceso (flyback) es un derivado del convertidor reductor-elevador (buckboost) (ver p. 150). Convierte una tensión continua de entrada u e en otra de salida u s, mayor o menor en función de la relación de espiras del transformador y de la duración de t 1. Un circuito con componentes ideales se muestra en la Fig. A.13. Figura A.13: Convertidor de retroceso (flyback) ideal Su topología viene dada por un único interruptor controlado S 1, que cuando está cerrado permite la entrada de energía desde la fuente de continua u e a la bobina L 1, que en el secundario se convierte en una tensión u L2 de signo negativo que polariza inversamente el diodo D como se muestra en la Fig. A.14 (a). Cuando S 1 se abre, la energía almacenada en la bobina L 1 induce la aparición de una tensión de signo positivo en L 2, lo que polariza directamente al diodo D, que permite el flujo de corriente de L 2 a CR, como se muestra en la Fig. A.14 (b). De este convertidor se obtienen, para el modo de conducción continuo, la ecuación fundamental : M = n 2 δ (A.12) n 1 1 δ Para el modo de conducción discontinuo, en el cual la corriente por las bobinas deja de circular, lo que implica un tercer circuito equivalente que se muestra en la Fig A.14 (c), se obtiene la siguiente ecuación fundamental : M = δ n 2 RTs (A.13) n 1 2L Las formas de ondas de las tensiones y corrientes, para régimen permanente, en este convertidor se muestran el la Fig A.15 (a) para modo continuo y en la Fig A.15 (b) para modo discontinuo. 154

13 A.3 Los Convertidores con Aislamiento Galvánico (a) interruptor cerrado (b) interruptor abierto (c) modo discontinuo Figura A.14: Circuitos equivalentes del convertidor de retroceso (flyback) ideal en funcionamiento (a) modo continuo (b) modo discontinuo Figura A.15: Formas de onda de corrientes y tensiones en el convertidor de retroceso (flyback) ideal 155

14 Apéndice A. Clasificación y Análisis de los Convertidores Conmutados PWM A.3.2. El Convertidor Directo (Forward) El convertidor directo (forward) es un convertidor derivado del convertidor reductor (buck) (ver p. 146). Convierte una tensión continua de entrada u e en otra de salida u s, mayor o menor en función de la relación de espiras del transformador y de la duración de t 1. Un circuito con componentes ideales se muestra en la Fig. A.16. Figura A.16: Convertidor directo (forward) ideal Su topología viene dada por un único interruptor controlado S 1 y tres diodos. El diodo D m junto con un devanado auxiliar tiene por misión desmagnetizar el conjunto de bobinas acopladas. Los diodos D y D f tienen por función permitir la circulación de corriente en el circuito de salida únicamente para que ésta aporte energía al circuito LCR de salida. Cuando el interruptor S 1 está cerrado permite la entrada de energía desde la fuente de continua u e a la bobina L 1, que en el secundario se convierte en una tensión u L2 de signo positivo, la cual polariza directamente el diodo D e inversamente el diodo D f, como se muestra en la Fig. A.17 (a). Esto implica una transferencia de energía desde u e hacia el circuito LCR de salida. Por el devanado auxiliar no es posible que circule corriente, ya que se lo impide D m, que se encuentra polarizado inversamente. (a) interruptor cerrado (b) interruptor abierto, desmagnetizacion Figura A.17: Circuitos equivalentes del convertidor directo (forward) ideal en funcionamiento (I) Cuando el interruptor S 1 está abierto, la circulación de corriente por L 1 se interrumpe, y la energía almacenada en la bobina induce la aparición de una tensión de signo positivo en el devanado auxiliar, que polariza directamente al diodo D m, permitiendo el reflujo de energía de 156

15 A.3 Los Convertidores con Aislamiento Galvánico las bobinas acopladas a la fuente de alimentación u e, como se muestra en la Fig. A.17 (b). En el secundario, la tension u L2 se hace negativa, polarizando inversamente a D. La energía almacenada en la bobina L provoca la polarización directa de D f, permitiendo que ésta se transfiera al circuito de salida CR. Cuando el devandado auxiliar ha permitido que toda la energía excedente sea transferida hacia la fuente u e, el diodo D m deja de conducir y solamente es posible que la energía almacenada en la bobina L continúe provocando la polarización directa de D f, permitiendo que ésta se transfiera al circuito de salida CR como se muestra en la Fig. A.18 (a). (a) interruptor abierto (b) modo discontinuo Figura A.18: Circuitos equivalentes del convertidor directo (forward) ideal en funcionamiento (y II) : De este convertidor se obtienen, para el modo de conducción continuo, la ecuación fundamental M = δ n 2 (A.14) n 1 Para el modo de conducción discontinuo, en el cual la corriente por la bobina L deja de circular, lo que implica un cuarto circuito equivalente que se muestra en la Fig A.18 (b), la energía almacenada en el condensador C es aportada a la carga. Para ese modo de funcionamiento se obtiene la siguiente ecuación fundamental : M = L RTδ 2 n 2 n 1 (A.15) Las formas de ondas de las tensiones y corrientes, para régimen permanente y modos continuo y discontinuo, en este convertidor se muestran en las Fig A.19 (a) y Fig A.19 (b), respectivamente. 157

16 Apéndice A. Clasificación y Análisis de los Convertidores Conmutados PWM (a) modo continuo (b) modo discontinuo Figura A.19: Formas de onda de corrientes y tensiones en el convertidor directo (forward) ideal 158

17 A.3 Los Convertidores con Aislamiento Galvánico A.3.3. El Convertidor de Ćuk con Transformador El convertidor de Ćuk [1, 2] con transformador permite convertir una tensión continua de entrada u e en otra de salida u s, mayor o menor en función de la relación de espiras del transformador y de la duración de t 1. Un circuito con componentes ideales se muestra en la Fig. A.20. Figura A.20: Convertidor de de Ćuk con transformador ideal Cuando el interruptor controlado S e está cerrado, como se muestra en la Fig. A.21, permite la entrada de energía desde la fuente u e a la bobina L e, y al mismo tiempo la carga almacenada en el condensador C e1 provoca la aparición de una tensión de sentido negativo en L 1. Esta tensión se transmite a L 2, que en el circuito del secundario contribuye a polarizar inversamente a D s. Esta condición establece una transferencia de energía desde los condesadores C e1 y C e2 al circuito L s C s R de salida. Figura A.21: Circuito equivalente del convertidor de Ćuk con transformador ideal con S e cerrado Al abrirse el interruptor S e, como se muestra en la Fig. A.22 (b), la energía almacenada en L e cambia el sentido de la diferencia de potencial entre bornas de la bobina y mantiene el sentido de circulación de la corriente, provocando que el condensador C e1 se cargue y que aparezca una tensión de sentido positivo en L 1. Al estar acopladas, la tensión que aparece en L 2 también se hace positiva. Esta tensión en L 2 y la del condensador C e2 polarizan directamente al diodo D S. Esto implica dos transferencias de energía: la primera desde u e hacia los condensadores C e1 y C e2 y la segunda desde L 2 al circuito C s R de salida. Las inductancias acopladas L 1 y L 2 no almacenan energía en ningún momento. 159

18 Apéndice A. Clasificación y Análisis de los Convertidores Conmutados PWM Figura A.22: Circuito equivalente del convertidor de Ćuk con transformador ideal con S e abierto : De este convertidor se obtienen, para el modo de conducción continuo, la ecuación fundamental M = n 2 δ n 1 1 δ (A.16) Las formas de ondas de las tensiones y corrientes, para régimen permanente y modo continuo, en este convertidor se muestran el la Fig A.23. Figura A.23: Formas de onda de corrientes y tensiones en el convertidor de Ćuk con transformador ideal en modo continuo 160

19 A.3 Los Convertidores con Aislamiento Galvánico A.3.4. El Convertidor de Contrafase (Push-Pull) El convertidor de contrafase (push-pull) permite convertir una tensión continua de entrada u e en otra de salida u s, mayor o menor en función de la relación de espiras del transformador y de la duración de t 1. Un circuito con componentes ideales se muestra en la Fig. A.24. Figura A.24: Convertidor de contrafase (push-pull) ideal Su topología viene dada en el primario por dos interruptores controlados S 1 y S 2, con sus respectivos diodos clamp en antiparalelo (D f 1 y D f 2 ) para permitir la circulación de la corriente de pérdidas. En el secundario, dos diodos D s1 y D s2, tienen por función permitir la circulación de corriente en el circuito de salida únicamente para que ésta aporte energía al circuito LCR de salida, además de contribuir a la desmagnetización del conjunto de bobinas acopladas. Cuando el interruptor S 1 está cerrado aplica la tensión de u e a la bobina L 11, que en el secundario se convierte en una tensión u L21 de signo positivo, que polariza directamente el diodo D s1 e inversamente el diodo D s2, como se muestra en la Fig. A.25 (a). Esto implica una transferencia de energía desde u e hacia el circuito LCR de salida. (a) interruptor S1 cerrado (b) interruptores abiertos Figura A.25: Circuitos equivalentes del convertidor de contrafase (push-pull) ideal en funcionamiento ( I ) Cuando se abre el interruptor S 1 la tensión aplicada a la bobina L 11 se anula, y los diodos D s1 161

20 Apéndice A. Clasificación y Análisis de los Convertidores Conmutados PWM y D s2 siguen permitiendo la circulación de la corriente, polarizados directamente por el cambio de polaridad en las inductancias, como se muestra en la Fig. A.25 (b), durante un intervalo muy breve. Seguidamente el interruptor S 2 se cierra, y aplica la tensión de u e a la bobina L 12 con polaridad inversa, que en el secundario se convierte en una tensión u L22 de signo negativo. Esta polariza directamente el diodo D s2 e inversamente el diodo D s1, como se muestra en la Fig. A.26 (c). Esto implica nuevamente una transferencia de energía desde u e hacia el circuito LCR de salida. Cuando el interruptor S 2 se abre se produce una situación similar al instante en que S 1 se abre. (a) interruptor S2 cerrado (b) modo discontinuo Figura A.26: Circuitos equivalentes del convertidor de contrafase (push-pull) ideal en funcionamiento ( y II ) : De este convertidor se obtienen, para el modo de conducción continuo, la ecuación fundamental M = 2δ n 2 n 1, con0 < δ < 0,5 (A.17) Para el modo de conducción discontinuo, en el cual la corriente por la bobina L deja de circular, lo que implica un cuarto circuito equivalente que se muestra en la Fig A.26 (b), los dos diodos de salida D s1 y D s2 dejan de conducir y la energía almacenada en el condensador C es aportada a la carga. Para ese modo de funcionamiento se obtiene la siguiente ecuación fundamental : M = L RTδ 2 n 2 n 1 (A.18) Las formas de ondas de las tensiones y corrientes para régimen permanente, en modo continuo y discontinuo, en este convertidor se muestran en la Fig A.27 (a) y en la Fig A.27 (b) respectivamente. 162

21 A.3 Los Convertidores con Aislamiento Galvánico (a) modo continuo (b) modo discontinuo Figura A.27: Formas de onda de corrientes y tensiones en el convertidor de contrafase (push-pull) ideal en modo continuo 163

22 Apéndice A. Clasificación y Análisis de los Convertidores Conmutados PWM A.3.5. El Convertidor de Medio Puente (Half Bridge) El convertidor de medio puente (half bridge) permite convertir una tensión continua de entrada u e en otra de salida u s, mayor o menor en función de la relación de espiras del transformador y de la duración de t 1. Un circuito con componentes ideales se muestra en la Fig. A.28. Figura A.28: Convertidor de medio puente (half bridge) ideal El circuito presenta a la entrada dos interruptores controlados S 1 y S 2, con sus respectivos diodos clamp en antiparalelo (D f 1 y D f 2 ) para permitir la circulación de la corriente de pérdidas. Los condensadores C 1 y C 2, de capacidad elevada e igual, forman un divisor de tensión de tal forma que la caída de potencial en cada uno de ellos se puede considerar constante e igual a u e /2. Los diodos D s1 y D s2 tienen por función permitir la circulación de corriente en el circuito de salida únicamente para que ésta aporte energía al circuito LCR de salida, además de permitir la desmagnetización del conjunto de bobinas acopladas. Cuando el interruptor S 1 está cerrado aplica la tensión del condensador C 1 a la bobina L 1, que en el secundario se convierte en una tensión u n2 de signo positivo, que polariza directamente el diodo D s1 e inversamente el diodo D s2, como se muestra en la Fig. A.29 (a). Esto implica una transferencia de energía desde C 1 hacia el circuito LCR de salida. (a) interruptor S1 cerrado (b) interruptores abiertos Figura A.29: Circuitos equivalentes del convertidor de medio puente (half bridge) ideal en funcionamiento ( I ) 164

23 A.3 Los Convertidores con Aislamiento Galvánico Cuando se abre el interruptor S 1 la tensión aplicada a la bobina L 1 se anula, y los diodos D s1 y D s2 siguen permitiendo la circulación de la corriente, polarizados directamente por el cambio de polaridad en la bobina L, como se muestra en la Fig. A.29 (b). Cuando el interruptor S 2 está cerrado aplica la tensión del condensador C 2 a la bobina L 1, con polaridad inversa a la que se aplicaba en el ciclo anterior, que en el secundario se convierte en una tensión u n2 de signo negativo, que polariza directamente el diodo D s2 e inversamente el diodo D s1, como se muestra en la Fig. A.30 (a). Esto implica una transferencia de energía desde C 2 hacia el circuito LCR de salida. (a) interruptor S2 cerrado (b) modo discontinuo Figura A.30: Circuitos equivalentes del convertidor de medio puente (half bridge) ideal en funcionamiento ( y II ) : De este convertidor se obtienen, para el modo de conducción continuo, la ecuación fundamental M = δ n 2 (A.19) n 1 Para el modo de conducción discontinuo, en el cual la corriente por la bobina L se anula, lo que implica un cuarto circuito equivalente que se muestra en la Fig A.30 (b), los dos diodos de salida D s1 y D s2 dejan de conducir y la energía almacenada en el condensador C es aportada a la carga. Para ese modo de funcionamiento se obtiene la siguiente ecuación fundamental : M = L RTδ 2 n 2 n 1 (A.20) Las formas de ondas de las tensiones y corrientes para régimen permanente, en modo continuo y discontinuo, en este convertidor se muestran en la Fig A.31 (a) y en la Fig A.31 (b) respectivamente. 165

24 Apéndice A. Clasificación y Análisis de los Convertidores Conmutados PWM (a) modo continuo (b) modo discontinuo Figura A.31: Formas de onda de corrientes y tensiones en el convertidor de medio puente (half bridge) ideal 166

25 A.3 Los Convertidores con Aislamiento Galvánico A.3.6. El Convertidor de Puente Completo (Full Bridge) El convertidor de puente completo (full bridge) permite convertir una tensión continua de entrada u e en otra de salida u s, mayor o menor en función de la relación de espiras del transformador y de la duración de t 1. Un circuito con componentes ideales se muestra en la Fig. A.32. Figura A.32: Convertidor de puente completo (full bridge) ideal Su circuito viene dado por cuatro interruptores controlados S 1 a S 4, con sus respectivos diodos clamp en antiparalelo (D f 1 a D f 4 ) para permitir la circulación de la corriente de pérdidas. En el secundario del transformador del alta frecuencia se halla un circuito igual al del convertidor en medio puente (half bridge). El funcionamiento viene dado por el cierre y apertura sincronizado de pares de interruptores: S 1 y S 4 en un primer instante se cierran, mientras que S 2 y S 3 permanecen abiertos. Esto permite aplicar la tensión de entrada u e a la bobina L 1 del conjunto magnético, provocando la transferencia de energía al circuito LCR de salida a través de D s1. El circuito eléctrico equivalente es el de la Fig. A.33 (a). (a) interruptores S1 y S4 cerrados (b) interruptores abiertos Figura A.33: Circuitos equivalentes del convertidor de puente completo (full bridge) ideal en funcionamiento ( I ) 167

26 Apéndice A. Clasificación y Análisis de los Convertidores Conmutados PWM Cuando todos los interruptores están en abiertos, la tensión aplicada a la bobina L 1 se anula, y los diodos D s1 y D s2 siguen permitiendo la circulación de la corriente, polarizados directamente por el cambio de polaridad en las inductancias, como se muestra en la Fig. A.33 (b). Cuando los interruptores S 2 y S 3 se cierran, se aplica la tensión de u e a la bobina L 1 con polaridad inversa, que en el secundario se convierte en una tensión u L2 de signo negativo. Esta polariza directamente el diodo D s2 e inversamente el diodo D s1, como se muestra en la Fig. A.34 (a). Esto implica nuevamente una transferencia de energía desde u e hacia el circuito LCR de salida. La apertura de estos interruptores nos devuelve al estado de la Fig. A.33 (b). (a) interruptores S2 y S3 cerrados (b) modo discontinuo Figura A.34: Circuitos equivalentes del convertidor de puente completo (full bridge) ideal en funcionamiento ( y II ) : De este convertidor se obtienen, para el modo de conducción continuo, la ecuación fundamental M = 2δ n 2 (A.21) n 1 Para el modo de conducción discontinuo, en el cual la corriente por la bobina L se anula, lo que implica un cuarto circuito equivalente que se muestra en la Fig A.34 (b), los dos diodos de salida D s1 y D s2 dejan de conducir y la energía almacenada en el condensador C es aportada a la carga. Para ese modo de funcionamiento se obtiene la siguiente ecuación fundamental : M = L RTδ 2 n 2 n 1 (A.22) Las formas de ondas de las tensiones y corrientes para régimen permanente, en modo continuo y discontinuo, en este convertidor se muestran en la Fig A.35 (a) y en la Fig A.35 (b) respectivamente. 168

27 A.3 Los Convertidores con Aislamiento Galvánico (a) modo continuo (b) modo discontinuo Figura A.35: Formas de onda de corrientes y tensiones en el convertidor de puente completo (full bridge) ideal 169

28 Apéndice A. Clasificación y Análisis de los Convertidores Conmutados PWM 170