ELECTRONICA INDUSTRIAL Capítulo 4: Convertidores DC-DC. Marcelo A. Pérez Segundo semestre 2016

Transcripción

1 EECTRONICA INUTRIA Capítulo 4: Convertidores CC Marcelo A. Pérez egundo semestre 2016

2 Introducción Principio de funcionamiento iagrama conceptual Convertir una señal continua de amplitud fija en otra continua de amplitud ajustable y controlada on generalmente de conmutación forzada e emplean IGBT, MOFET y iodos e usan principalmente en aplicaciones de baja potencia (fuentes para electrónica, cargadores de batería, control de motores C, sistemas fotovoltaicos) También existen convertidores CC con aislación galvánica 2

3 Convertidor Buck (reductor) Circuito de potencia C R CIRCUIT OF BUCK CONVERTER C i CIRCUIT WHEN WITCH I COE R i R v R CIRCUIT WHEN WITCH I COE CIRCUIT WHEN WITCH I COE T encendido i CIRCUIT WHEN WITCH I OPENE v T apagado i Electrónica Industrial/Convertidores V d v CC v R v Circuitos CIRCUITequivalentes: OF BUCK CONVERTER i CIRCUIT OFVBUCK CONVERTER o Estados de conducción v R Ri C R V 3

4 C Convertidor Buck (reductor) Principio de funcionamiento ( cerrado) Tensión en el inductor CIRCUIT OF BUCK CONVERTER i v v R V v i C R R When the switch is closed (on) : Qué pasa con la corriente? the switch is closed (on)v : dwhen i CIRCUIT WHEN WITCH I COE v di dt di V V v v i ddt i V d opened opened d t ON Þ closed closed v di 1d t t Þ i erivative v dt of i is a positive dt R of i is a positive i mustcrece aconstant.t corrienteherefore en el erivative inductor d o constant.t herefore i must V increased linearly. Que pasa con el ripple? i increased linearly. From Figure i V d Figure d i i i From I dt t T d i i i V d V oi t T æ dt V ö o T Þ ( i )c lo se d ç è ø æv V o ö Þ ( i )c lo se d ç d T For switch opened, CC è ø Electrónica Industrial/Convertidores o CIRCUIT WHEN WITCH I OPENE max m in T T t 4

5 erivative of i is a positive constant.t herefore i must Convertidor Buck (reductor) increased linearly. t v æv V o Þ (i )c lo se d ç d è Repitiendo el análisis: For switch opened, v V o di dt V i C R R v CIRCUIT WHEN WITCH I OPENE OFF opened closed ö (1 )T ø v di Þ dt di i i \ dt t (1 )T æ V Þ (i )o p e n e d ç o è v T ö T ø i elinductor dtensión i ien i V d V o dt CIRCUIT WHEN WITCH I COE From Figure Principio de funcionamiento ( abierto) R closed opened t i im ax I i m in a corriente decrece T T t 5

6 Convertidor Buck (reductor) Principio de funcionamiento Que debería pasar en estado estacionario? i Unstable current t ecaying current i t teadystate current i t Que la corriente al inicio de cada ciclo tenga el mismo valor 6

7 Convertidor Buck (reductor) teady state operation requires that i at the end of switching cycle is the same at the Principio de funcionamiento begining of the next cycle. That is the change Relación tensión de entrada y salida of i over one period is zero, i.e : (i )c lo se d (i )o p e n e d 0 æv d V o ö æ ö ç Ts ç (1 )T s 0 è ø è ø Þ Gráficamente 1 7

8 Convertidor Buck (reductor) Ripple iseño del Inductor 8

9 Convertidor Buck (reductor) iseño del inductor iseño para bajo rango de operación 9

10 Convertidor Buck (reductor) iseño del condensador Carga del condensador 10

11 Convertidor Buck (reductor) iseño de componentes activos 11

12 Relación corriente y ripple Average inductor currentcurrent Average Average inductor A V Þ I Þ I IR Io V o RR R Maximum currentcurrent : Maximum : Ejemplo en el convertidor buck Forma de onda de la corriente i i V io 1Væ V o 1 V I I o max I i I ço (1æç I max 2 R2 2 Rè 2 è I æ 1 (1 ) ö V o ç V æçt 1 (1 ) ö è R o è 2R f ø2 f ø Minimum currentcurrent : Minimum : Corriente mínima Average inductor current Average current in R Average inductor current Average current in R Corriente media i i æ 1 (æ1 1 )(1öV V I I o min I min I V oç ç Þ I ÞI IR I R o 2 2 è R è2r f ø2 R R Ripple en el inductor Inductor current ripple ripple : Maximum current : Maximum current : Inductor current : Corriente máxima i I max I I min I iv o V1o æ V o1 æ V o ö i i ö max min I maxi max I I ç (ç1 (1)T )T 2 2 R R2 è 2 è ø ø æ 1 æ (11 (1)ö ) ö V o ç V oç è R è R2 f 2 ø f ø Imax min Electrónica Industrial/Convertidores Minimum current : Minimum current : CC 12

13 Modo de conducción continua Average inductor current Average current in R Ejemplo en el convertidor buck V o Þ I I R Forma de onda de la corriente en el límite de modo de conducción continua R (CCM) i Maximum current : i V o 1 æ V o ö ç (1 )T 2 R 2è ø æ 1 (1 ) ö IminV0o ç R 2 f ø Fromè previous analysis, Minimum : a corriente mínimacurrent es Imax I max I t i æ 1 (1 ) ö I min I i V æo 1ç (1 ) ö I min I 2 V o ç è R2 f ø El modo de modo de conducción 2 f ø èr discontinua es usado en algunas For continuous operation, I ³ 0, ocaciones para reducir pérdidas de Para queinductor no lleguecurrent a modoripple discontinuo Iminmin >0 : conmutación, dado que se conmuta (1 I min )ö iæ 1 I max con corriente cero. 2 ç ³0 2 f ø èr (1 ) Þ ³ min R 2f Usualmente se prefiere modo de conducción continuo por tener menos ripple 13

14 Modo de conducción discontinua Región de operación 14

15 Modo de conducción discontinua Región de operación 15

16 Convertidor Boost (elevador) Circuito de potencia C R CIRCUIT OF BOOT CONVERTER ic R v C Estados de conducción CIRCUIT CONVERTER R OF BOOT i Circuitos equivalentes: C R CIRCUIT WHENWITCH I COE CIRCUIT WHEN WITCH I COE v T encendido Electrónica Industrial/Convertidores CC R v C C R CIRCUIT WHEN WITCH I COE v CIRCUIT OF BOOT CONVERTER v i C R CIRCUIT WHEN WITCH I OPENE T apagado R 16

17 Convertidor Boost (elevador) Transistor encendido v di dt di dt di i i dt t T V di d dt T i closed CIRCUIT OF BOOT CONVERTER i v C R V d CIRCUIT WHEN WITCH I COE v ON COE v t R C i CIRCUIT WHEN WITCH I OPENE i T R Principio de funcionamiento C T t 17

18 Convertidor Boost (elevador) Principio de funcionamiento C R CIRCUIT WHEN WITCH I COE Transistor apagado v v di dt R C CIRCUIT WHEN WITCH I OPENE di V V Þ d o dt v OFF COE t di i i dt t (1 )T Þ ( i ) opened ) (1 T ) ( i i T T t 18

19 Convertidor Boost (elevador) Principio de funcionamiento Ejercicio: Ejercicio en clase: Encuentre la relación entre la tensión de entrada y salida en en función de olución i closed i opened 0 T (1 )T

20 Convertidor BuckBoost Circuito de potencia R R Circuitos equivalentes: CIRCUIT OF BUCKBOOT CONVERTER i i CIRCUIT OF BUCKBOOT CONVERTER R CIRCUIT WHEN WITCH I COE v i v CIRCUIT WHEN WITCH I COE V i d Electrónica Industrial/Convertidores CC v CIRCUIT WHEN WITCH I COE T encendido i v v CIRCUIT OF BUCKBOOT CONVERTER Estados de conducción R R C C C CIRCUIT WHEN WITCH I OPENE T apagado V 20

21 Convertidor BuckBoost Principio de funcionamiento witch closed Transistor encendido v di dt v di d t i i V d t T ON Imax Þ i C T Þ ( i ) c lo se d CIRCUIT OF BUCKBOOT CONVERTER witch opened d i v V o i V v dt V di Þ o dt CIRCUIT WHEN WITCH I COE V occ i Industrial/Convertidores i Electrónica d Imin R Imax i Imin Io / R ic Q T T 21

22 t d T Convertidor BuckBoost T Þ ( i ) c lo se d Principio de funcionamiento witch opened Transistor apagado v C R di v dt V d i OF Þ CIRCUIT obuckboot CONVERTER dt i i V o t i (1 v )T V (1 )T Þ (i ) o p e n e d o OFF Imax i i v Imin Io / R CIRCUIT WHEN WITCH I OPENE Imax i CIRCUIT WHEN WITCH I COE Imin ic Q T T 22

23 Convertidor BuckBoost Principio de funcionamiento teady state operation : y salida Relación tensión de entrada i ( c lo se d ) i ( o p e n e d ) 0 V T V o (1 )T Þ d 0 Output voltage : Por lo tanto la tensión de salida es æ ö Þ Vo VV s çd ø è 11 Note que la tensión de salida es siempre negativa (inverso a la entrada) Para > 0.5 funciona como elevador Para < 0.5 funciona como reductor a energía se almacena en el inductor mientras el interruptor está cerrado y se transfiere a la carga cuando está abierto 23

24 Otros Convertidores CC Convertidor Cuk 24

25 Convertidor Puente H Circuito de potencia id T1 V vd id R T2 T3 vd T4 e llama también puente H Funciona en 4 cuadrantes os transistores T1 y T2 (T3 y T4) funcionan de manera complementaria Tiene 4 estados de conmutación 25

26 Convertidor Puente H Cuadrantes de operación Cuadrante 1 it1 T1 id i3 1 vd T3 3 I VB id T2 R 2 i2 vd 4 T4 it4 VB Formas de onda vd id t VB 26

27 Convertidor Puente H Cuadrantes de operación Cuadrante 2 it1 T1 VB i3 1 vd T3 id 3 id T2 2 R 4 T4 i2 II vd it4 id VB Formas de onda 0 t VB vd 27

28 Convertidor Puente H Cuadrantes de operación Cuadrante 3 it1 i3 T1 VB 1 vd T3 vd 3 III id T2 2 i2 R 4 T4 id it4 VB Formas de onda 0 VB t vd id 28

29 Convertidor Puente H Cuadrantes de operación Cuadrante 4 it1 i3 T1 VB 1 vd T3 IV id T2 2 R VB 4 T4 id it4 i2 vd 3 vd Formas de onda 0 VB t id 29

30 Fuentes lineales Fuentes lineales iagrama simplificado: 30

31 Fuentes lineales Fuentes lineales 31

32 Fuentes lineales Fuentes lineales Eficiencia de una fuente lineal: a tensión mínima de la fuente tiene que ser mayor que la tensión de salida min V0 V a eficiencia depende también de las variaciones de la tensión de entrada. Por ejemplo Vac: 5%, 10%, 15% 32

33 Fuentes lineales Fuentes lineales Tamaño de una fuente lineal: Transformador grande isipador grande ensidad de potencia (P) baja Usualmente P va entre: [W / in3 ] Ejemplo: Fuente lineal de 300[W] con P de 0.25 tiene un volumen de: l [in 3 ] [in] 10[in] 12[in] 25.4[cm] 25.4[cm] 30.5[cm] [cm3 ] 33

34 Fuentes conmutadas iagrama básico de una fuente de conmutación 34

35 Fuentes conmutadas iagrama básico de una fuente de conmutación Fuente con múltiples salidas: 35

36 Fuentes conmutadas Transformadores para fuentes de conmutación Transformador con dos devanados y su circuito equivalente: Potencia en un transformador de ferrita: P Bmax f Ae Ab J P: Potencia [W] Ae: Area del núcleo [cm2] Ab: Area de la ventana Bmax: Inducción máxima [Gauss] f: Frecuencia [Hz] J: ensidad de corriente 36

37 Fuentes conmutadas Transformadores para fuentes de conmutación Núcleo comercial E 42/20 Núcleo ferrita para trafos Núcleo ferrita para suprimir EMI/EMC l 4.22 x 4.22 x cm3 37

38 Fuentes conmutadas Transformadores para fuentes de conmutación Núcleo comercial E 42/20 38

39 Convertidor Flyback El convertidor Flyback Circuito de potencia y estados de conducción: transistor encendido transistor apagado 39

40 Convertidor Flyback El convertidor Flyback: Formas de onda Intervalo 1 (on): Cuando el transistor conduce se cumple: df v1 N1 (1) dt iscretizando para intervalo pequeño t: F (2) t Considerando un instante t < t ON Þ N1 F F ( t ) F ( 0 ) (3) t t (4) Reemplazando (3) y (4) en (2): Þ N1 F (t ) F ( 0) e (5) se obtiene: t 0 t t N1 (6) (5) 0 t t ON 40

41 Convertidor Flyback El convertidor Flyback: Formas de onda Intervalo 2 (off): Considerando un instante t t T t t ON ON OFF ˆ F F ( t ) F (8) t t ton (9) Reemplazando (8) y (9) en (2): v1 N1 ( F ( t ) Fˆ ) t ton e (10) se obtiene: (10) ˆ v1 ( t t ) F (t ) F (11) ON N1 Además se cumple la relación: v1 N1 (12) v2 N 2 Y como v2v0, reemplazando (12) en (11) ˆ V0 ( t t ) F (t ) F ON N2 (13) t ON t T t ON t OFF 41

42 Convertidor Flyback El convertidor Flyback: Formas de onda Intervalo 2 (off) continuación: El valor de F se obtiene de (6) evaluando tton V ton 0 ( T ton ) (14) N1 N2 Además, en est. estacionario se cumple que: F (T ) F ( 0 ) F (T ) F ( 0 ) (15) Reemplazando (15) en (14) se obtiene: V ton 0 (T ton ) N1 N2 (16) Finalmente, despejando se logra: V0 N 2 t ON N1 T ton (17) i se define el ciclo de trabajo pton/ts V0 N 2 æ p ç N1 çè 1 p ö ø (18) 42

43 Convertidor Flyback El convertidor Flyback: Formas de onda 43

44 Convertidor Flyback Control de la fuente flyback Control PWM del ciclo de trabajo Aplicaciones i hay aislación en el circuito de potencia, debe haber aislamiento en la realimentación o control. Fuentes de baja tensión (Cargador de celulares, PA, reproductores mp3) Fuentes para televisores y monitores CRT. Fuentes para lámparas de Xenon, flash, láser, etc. rivers para semiconductores de potencia. Fuentes económicas de múltiples salidas (fuentes de PC 300W). 44

45 Convertidor Flyback Una fuente de conmutación Flyback real: 45

46 Convertidor Forward El convertidor Forward ideal: Intervalo 1 (on): 0 t t ON 1 conduce y 2 se bloquea v N2 V0 N1 Por lo tanto la corriente i crece Intervalo 2 (off): t ON t T 1 se bloquea y la corriente i sigue Convertidor forward ideal circulando por 2 v V0 Por lo tanto la corriente i decrece ado que v di, al integrar entre 0 y Ts se cumple dt i T i 0 i T T 1 di v dt 0 i 0 1 N 2 V V t 0 V T t d 0 ON 0 ON N1 46

47 Convertidor Forward El convertidor Forward ideal: Considerando que i 0 i T N 0 2 V0 ton V0 T ton N1 espejando: V0 N 2 ton N1 T Como ton/ts p: V0 N 2 p N1 Convertidor forward ideal Por lo tanto controlando el ciclo de trabajo p se puede controlar la tensión de salida. Esto se implementa simplemente mediante una PWM. En este caso ideal no se está considerando la corriente de magnetización del trafo real. o anterior hace que el sistema no opere apropiadamente. Es necesario agregar un devanado adicional para desmagnetizar. 47

48 Convertidor Forward El convertidor Forward real e agrega devanado de desmagnetización: Circuito básico Considerando ahora la rama de magnetización: Circuito con modelo de transformador más completo 48

49 Convertidor Forward El convertidor Forward real Principio de operación: Circuito con modelo de transformador más completo urante: 0 t t ON v1 urante: ton t ton t m v1 N1 N3 El trafo se desmagnetiza a través de 3 49

50 Control Forward Control del convertidor forward Control de corriente por histéresis: Principio de operación: i hay aislación en el circuito de potencia, debe haber aislamiento en la realimentación o control. 50

51 Convertidor Forward El convertidor Forward: fuente comercial Aislación óptica mediante optocoplador 51

52 Convertidor PushPull Fuente de conmutación PushPull Intervalo 1, T1 (T2) on: 0 t t ON 1 (2) conduce y 2 (1) se bloquea v N2 V0 N1 Por lo tanto la corriente i crece. T1 y T2 se emplean alternadamente cada uno durante Ts/2 Intervalo 2 (ambos transistores off): ton t ton voi es nulo, ambos diodos conducen la mitad de i v V0, i1 i 2 12 i Calculando la integral entre 0 y Ts/2 V0 N 2 2 N1 52

53 Convertidor PushPull Fuente de conmutación PushPull Aplicación: circuitos para accionar semiconductores de potencia (rivers) Adquisición y procesamiento de datos Instrumentación industrial 53

54 Convertidor emipuente Fuente de conmutación semipuente Intervalo 1, T1 (T2) on: 0 t t ON 1 (2) conduce y 2 (1) se bloquea v N 2 V0 N1 2 Por lo tanto la corriente i crece. T1 y T2 se emplean alternadamente cada uno durante Ts/2 Intervalo 2 (ambos transistores off): ton t ton voi es nulo, ambos diodos conducen la mitad de i v V0, i1 i 2 12 i Calculando la integral entre 0 y Ts/2 V0 N 2 N1 54

55 Convertidor Puente Fuente de conmutación puente Intervalo 1, T1 y T2 (T3 y T4) on: 0 t t ON 1 (2) conduce y 2 (1) se bloquea v N2 V0 N1 Por lo tanto la corriente i crece. (T1, T2) y (T3, T4) se emplean alternadamente cada un par durante Ts/2 Intervalo 2 (ambos transistores off): ton t ton voi es nulo, ambos diodos conducen la mitad de i v V0, i1 i 2 12 i Calculando la integral entre 0 y Ts/2 V0 N N2 N N1 N1 N1 Puente Puente 55

56 Control Fuente Conmutada Control del PushPull, semipuente y puente ógica de control: 56

57 Tipos de fuentes conmutadas Comparación fuente switching / fuente lineal Fuentes de un mismo fabricante Fuente ineal F525 witching P [V], 25[A] 5[V], 26[A] 7,7[Kg] 1[Kg] W/in W/in3 Pérdidas 75[Watts] < 5[Watts] Eficiencia 40% 55% 60% 95% ±10% ±20% ltaje y corriente de salida Peso ensidad de potencia Rango voltaje entrada 57

58 Electrónica Industrial/Convertidores CC 58