Conversión CC/CC. Electrónica de Potencia. Autores (orden alfabético): A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P.

Convrsión CC/CC Elcrónica d Poncia Auors (ordn alfabéico): A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml

Índic ma Inroducción a las funs d alimnación linals y conmuadas Clasificación d los convridors CC/CC conmuados Convridor rducor: Formas d onda Condicions d régimn prmann Análisis n modo d conducción coninuo Análisis n modo d conducción disconinuo Convridor lvador Convridor rducorlvador Convridor flyback Convridor forward Rsumn A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17

Índic ma Inroducción a las funs d alimnación linals y conmuadas Clasificación d los convridors CC/CC conmuados Convridor rducor: Formas d onda Condicions d régimn prmann Análisis n modo d conducción coninuo Análisis n modo d conducción disconinuo Convridor lvador Convridor rducorlvador Convridor flyback Convridor forward Rsumn A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 3

Fun d alimnación linal: jmplos (I) 1. Disños simpls inicials mplando Znr Rd Trafo rcificador. Mjoras sobr l circuio R 15 5 R 15 R 1 i R η = P o P = o i i = o 5 I I 15v I z R IB BE R Inconvnins: z afcada por la nrada, no por la salida z Si s varía la nrada, varía la polarización dl Znr y por lo ano la nsión d salida A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 4

Fun d alimnación linal: jmplos (II) 3. Aproximación al rgulador linal s 15 rf R 1 rf R R rf = o R R 1 R o = rf 1 R 1 R najas: S consigu más grados d librad, ya qu con cualquir rf s pud consguir una drminada nsión d salida o, puso qu dpnd d oros parámros (R 1 y R ) a mayor par d la corrin d nrada circula por l ransisor d poncia Por l amplificador opracional circula la corrin d bas dl ransisor A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 5

Fun d alimnación linal: jmplos (III) 4. Rgulador linal comrcial d la familia 78XX 78XX R R o Caracrísicas: o s fija n función dl componn qu s uiliza Si s uiliza un ingrado d una familia disina a la 78XX, n gnral hay qu mplar rsisncias xrnas para fijar la nsión d salida o A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 6

Fun d alimnación linal Rgulador Circuio quivaln R Rd Carga R Transformador Rcificador Filro najas: Robusas Disño Simpl Pocos componns Mjor Fiabilidad Carga Mínima= rf Inconvnins: Psadas oluminosas Rndimino dpndin d la rlación nr nsions Evacuación d calor Ámbio d Uilización: Poncias pquñas y nsions d nrada y salida muy próximas I in ou I o o η = P o P = o R o Ncsario rgulador d rndimino más lvado y qu puda aplicars a un rango d poncia mayor A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 7

Fun d alimnación conmuada (I) S prnd disñar un circuio lcrónico qu dj pasar íngro l valor mdio d la nsión v f, pro qu limin sus armónicos E D A v f Filro B R o S rquir un filro. Caracrísicas dl filro idal: 1. Componn coninua A v f B v o v f T D. Rso d los armónicos A v f B T v o E 3. Rprsnación frcuncial db Idal Ral v f Db pasar íngra a la salida l valor mdio d la sñal d nrada. f = o os armónicos no dbn pasar a la carga, o pasar lo suficinmn anuados. v o v f G db Hz v log v o f khz db v v o f 1 A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 8

Fun d alimnación conmuada (II) Uilización d un filro C: No disipa poncia porqu s raa d lmnos racivos, qu idalmn almacnan nrgía pro no la consumn s v f in s 1 C s Es ncsario un diodo d libr circulación para no inrrumpir bruscamn la corrin por la bobina s v f in C A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 9

Fun d alimnación conmuada (III) Esrucura básica d un convridor CC/CC conmuado (rducor): s v f in C Caracrísicas: Idalmn la nsión y la corrin no convivn n los lmnos n conmuación (inrrupor y diodo) Idalmn los lmnos racivos no consumn poncia Puso qu los lmnos consrucivos d la fun d alimnación conmuada no consumn poncia, l rndimino idal s 1 Fun d alimnación ral: En la ralidad odos los lmnos prsnan pérdidas: Smiconducors: pérdidas n conducción y n conmuación Elmnos racivos: pérdidas por fco Joul dbidas a las rsisncias parásias Aun así l rndimino d las funs d alimnación conmuadas s muy alo A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 1

Fun d alimnación conmuada (I) S dispon d una variabl qu prmi conrolar algunas d las sñals n l circuio (como la nsión d salida) an las prurbacions xrnas: ariacions d la nsión d nrada ariacions d la carga R o S DC v f R C Filro Magniud d conrol D Circuio d conrol Snsado d la nsión d salida rf A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 v f on T o = v f = 1 T on = d d = on T ariabl d conrol: ciclo d rabajo d Timpo qu prmanc ncndido l inrrupor principal on frn al príodo d conmuación T v f 11

Fun d alimnación conmuada () Conrol por ancho d pulso PWM (Puls Widh Modulaion): s manin consan la frcuncia d conmuación y s cambia l impo qu prmanc ncndido l inrrupor principal Ejmplo squma d conrol d la nsión d salida Prurbación s v gs v f DC Filro Modulador A v rr C Ralimnación ngaiva Rd d ralimnación o snsado Rgulador R rf fb =β Ejmplo modulador para la gnración d los pulsos d disparo dl MSFET principal (PWM) v gs D T A v rr Pulsos d disparo A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 1

Clasificación convridors CC/CC (I) En función dl númro d ransisors En función d la prsncia o no d ransformador Con o sin aislamino galvánico En función d la forma d gobirno dl inrrupor: Con frcuncia d conmuación consan y variación dl ancho d pulso Con frcuncia d conmuación variabl y impo d ncndido fijo o impo d apagado fijo En función d la forma d onda: nda cuadrada Quasirsonans Mulirsonans Rsonans A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 14

Clasificación convridors CC/CC (II) Topología más comuns: Sin ransformador: Rducor Elvador Rducorlvador Cuk SEPIC Con ransformador: Forward Flyback Pushpull Mdio pun Pun complo A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 15

Convridor rducor: formas d onda MCC MCC: modo d conducción coninuo a corrin por la inducancia no s anula v i s v g s S S crrado: T on v v i D v o Transfrncia d i s v i nrgía dirca v F S abiro: T off v o ibr v circulación DS v Diodo i Diodo I S on T I in F I i D v o A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 I i > MCC I I 17

Condicions d régimn prmann (I) Esquma gnral d los convridors conmuados: Elmnos qu almacnan nrgía (bobinas y condnsadors) Inrrupors n conmuación v i C P v E Convridor conmuado n régimn prmann P o Condicions d régimn prmann n los lmnos qu almacnan nrgía: Bobina: la nsión mdia n la bobina s nula ഥi = Condnsador: la corrin mdia n l condnsador s nula ഥv c = A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 18

Condicions d régimn prmann (II) Elmnos qu almacnan nrgía Bobina Régimn prmann: I I 1 I A B a corrin n la bobina mpiza y rmina n l mismo puno I 1 = I Balanc d volios por sgundo v = Ára A = Ára B Régimn ransiorio: I A B Si v, i crc Condnsador D forma análoga, la condición d régimn prmann s ഥi C = Ára A = Ára B Régimn ransiorio: v C i c A B Si ഥi C, v C crc A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 19

Condicions d régimn prmann (III) Inrrupors n conmuación Considrando qu idalmn n los inrrupors no convivn nsión y corrin, y qu l rso d lmnos almacnan nrgía pro no la consumn, para l análisis s pud suponr un convridor sin pérdidas (η = 1): P = P o P Convridor CC CC Rgulado =1 I P o Rsumn condicions régimn prmann v = ഥi C = P = P o A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17

Convridor rducor: análisis n MCC (I) Condición d régimn prmann n la bobina: v = i s S v v v g I i C A o D = 1 D o v s i D v o D T B (1D) T T o = D Condición d régimn prmann n la bobina: ഥi C = I i i = i C I o ഥi = I o I C A B A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 1

Convridor rducor: análisis n MCC (II) Balanc d poncia: P = P o P P E E i S I PE P E i S I i S I E ഥi s = I o D Sisma quivaln al convridor rducor: is I E I P v E CCCC P o I E 1 : D I I I is I E E E D 1 D v E v Transformador idal d C.C. A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17

Convridor rducor: condnsador salida Hay qu disñar l condnsador d salida para cumplir con la spcificación d rizado d nsión a la salida Disño dl condnsador d salida basado n l análisis d su carga: i Rizado nsión C Carga C Absorb nrgía l C Cd nrgía l C Dscarga C I=i El condnsador ral in una rsisncia sri quivaln ESR qu ndrá un fco n l rizado A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 ESR C I Q C Q i() d Q i R C = 1 I T 8 f s I = I ESR 3

i Modo d conducción disconinuo Sucd cuando la corrin por la bobina s igual a cro n algún insan: Aparc un circuio quivaln adicional Hay qu calcular l impo d dsmagnización d la bobina MCC: modo d conducción coninuo ഥi i ഥi i MCD: modo d conducción disconinuo Timpo d magnización d la bobina i Timpo d dsmagnización d la bobina i ഥi Fronra MCCMCD i A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 4

Convridor rducor: formas d onda MCD MCD: modo d conducción disconinuo a corrin por la inducancia s anula v i s v g s S S crrado: T on v v i D v o Transfrncia d i s v nrgía dirca i 1 v F v o I S DS I on 1 T in 3 I in I I I S abiro: T off ibr v circulación Timpo muro 3 v o v o i D Diodo I Diodo DS I I A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 5

Convridor rducor: análisis n MCD Condicions d régimn prmann: v ( ) d d (1) I I I i C PE P i E I i S I I () (3) Rsolución dl sisma: (1) Y () (3) 1 1 I I pk pk d d R R R T d ( 1 K ) (4) Parámro adimnsional d carga A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 6

Parámro adimnsional d carga K Dfinición: K = R o T Inducancia Carga T = 1 f s Frcuncia d conmuación Es adimnsional y in la misma xprsión para odos los convridors qu s van a sudiar n s curso Prmi analizar con facilidad dl modo d conducción dl convridor A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 7

Análisis dl modo d conducción Para drminar al modo d conducción hay dos posibilidads: 1. Comparando valor mdio y rizado d corrin por la bobina Suponr MCC: calcular d, i y i Comparar l valor d mdio d corrin por la bobina con su rizado: Si I < ഥi s MCC Si I = ഥi s MCC Si I > ഥi s MCD hay rcalcular d y i. Emplando l facor d carga K Para cada convridor s pud calcular un valor d K críico qu idnifica l cambio d modo d conducción: K > K cri Modo d conducción coninuo K = K cri Fronra nr los modos d conducción K < K cri Modo d conducción disconinuo A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 8

Condicions MCD (I) En un disño con mayor inducancia aumnan las pndins y por ano l rizado d corrin En un disño con mnor frcuncia d conmuación aumnan los impos n los qu la corrin sub y baja, incrmnando l rizado d corrin I I I I I I = I o = o 1 D T críica críica = 1 D o I o f s I = I o = o 1 D T críico T 1 T Tc = 1 / fcríica I f críica = 1 D o I o A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 9

Condicions MCD (II) Al aumnar l valor d la rsisncia d carga, s dcir, rducir la poncia dmandada, disminuy l valor mdio d la corrin por la bobina I in I = I o,críica = o 1 D T I I I,críica R críica = o = f s I o,críica 1 D A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 3

Convridor lvador: formas d onda MCC i i D I D 1 i C is C R v gs v D T T T N (1D) T T FF S crrado: T N i i v i C v S v i S v g s i v o i S S abiro: T FF v v i D i i C v o v D i D v A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 3

Convridor lvador: análisis n MCC Condición d régimn prmann n la bobina: v = v A D T D = o o = Condición d régimn prmann n la bobina: ഥi C = i D I B (1D) T i i 1 1 D (1 D) i C i D i id i D = i C I o ഥ i D = I o Balanc d poncia: P = P o ഥi = o I o ഥi = 1 1 D I o A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 33

Convridor lvador: condnsador salida v gs D T i D i i C I i C v (AC) A A B B i =I i C ic v i D I I 1 Q C i 1 C C 1 i C i C () d i D i 1 I C D D T C = I o D T A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 34

Convridor lvador: formas d onda MCD S crrado: T N i v v i S S abiro: T FF v i v i D I D 1 i C is C i C I i D i C vo I vo Transfrncia d nrgía dirca R Timpo muro I v o v gs i S v i v S v D i D D T T E v I p D 1 T E I p k E E v A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 k 35

Convridor lvador: análisis n MCD i i D I D 1 i C is C R v A T N T N T FF T FF D v sa Balanc d poncias: P Ps i R ' 1 T N i i ip T ip TN ' 1 TN i T N T Balanc olios x Sgundo bobina: T (1) () N ' ' TN (3) (4) (5) 1 d 1 4 K A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 i Susiuyndo (5) n (4): T T N 1 Susiuyndo (6) n (1): (6) a solución considra signo posiivo porqu s raa d un convridor con opología lvadora i i S i D i C v I p I p ( ) pp ( ) dc 36

Convridor rducorlvador I I D I S I D 1 I C C R T N T FF I S I D 1 I D C I C R I D 1 S I D C R I I I Carga d. Dscarga d C. Dscarga d. Carga d C. A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 38

Rducorlvador: análisis n MCC i S i D 1 i D i i C C R v i i max i md I I I D Cálculo corrin máxima n la bobina: md max I I I I FF md T md I T T FF T FF I 1 d I I T Balanc olios x sgundo: T N o = T FF D 1 D I 1 d 1 T I max FF D <,5 S cumpl qu o < D =,5 S cumpl qu o =,5 < D < 1 S cumpl qu o > i D i C I D =I I C = A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 39

Rducorlvador: análisis n MCD i S i D 1 i D i i C C R v i i max i D i max Balanc d poncias: P I I max P s i 1 TN I T T max N R 1 T I T N T N R 1 T T N d K i C A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 4

Rducorlvador: análisis Fronra modo d conducción coninuo y disconinuo: MCC MCD d 1 d d K d 1 d d K K cri 1 d K > K cri K = K cri K < K cri MCC Fronra MCCMCD MCD Cálculo condnsador d salida: Q i C Q C () d pp I T N C = I o T A parir d las spcificacions dl rizado s drmina la capacidad ncsaria A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 41

Convridor flyback Topología con aislamino galvánico drivada dl convridor rducorlvador Su funcionamino s fundamna n l almacnamino d nrgía n la inducancia magnizan dl ransformador s 1:n on i m m i C R s off i i i m m C C R R s A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 43

Convridor flyback: formas d onda MCC 1:n disp i C R m s i m = Balanc olios x sgundo: on n off D o = n 1 D Para n = 1, la rlación d convrsión s la misma qu la dl convridor rducorlvador pro sin invrir la salida i i D i C I C I D I A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 44

Convridor flyback: formas d onda MCD 1:n disp i C R i m s i m = Balanc poncia: P P R I I 1 on i T i on I 1 on T on o = D d d n 1 d K 1 d K críica n 1 K i i D i C /n I C I D I A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 45

Convridor forward Topología con aislamino galvánico drivada dl convridor rducor Dm m 1:n D on C R D 3 n i 1:n i m Dm m D 1 s D 3 C R D 1 D s off 1:n Dm m i m i D 3 C R D 1 s A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 47

Convridor forward: formas d onda MCC Dm 1:n D disp m D 3 C R i m D 1 s Balanc olios x Sgundo n N FF o = n D i v m Admás, para dsmagnizar l ransformador s db cumplir l balanc volios x sgundo n la inducancia magnizan: N Dm FF v n S Dm S A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 48

Convridor forward: ipos dsmagnización Forward RCD 1:n D R D Disipa nrgía xra qu llga a C D C D R D m D 1 S D 3 C R C D Almacna nrgía hasa qu su nsión llga a cumplir: vc D P R Enrgía dsmagnización disipada R D Forward clásico n D 1:n D D 1 m s D 3 C R T FF Corrin dsmagnizan rfljada por l scundario. v D n Enrgía dsmagnización la fun D Nº vulas scundario dsmagnizador dvula a A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 49

Rsumn (I) Funcions d Transfrncia d los Convridors Básicos: Rducor Elvador Rducorlvador M MCC d M MCC 1 1 d M MCC 1 d d M MCD 1 1 4K d M MCD 1 1 4d K M MCD d K K criica d 1 d 1 d 1 d K criica K criica K criica 1 M K criica _ max 1 M 1 1 K criica K 3 criica M ( 1 M) 4 K criica _ max K criica _ max 1 7 A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17

Rsumn (II) Rlacions d nsions n modo d conducción coninuo y disconinuo: 1 M n MCC 3 M n MCD 8 6 4 1 Elvador RducorElvador Rducor.1..3.4.5.6.7.8.9 Ciclo d rabajo, D.5 1.5 1.5 Elvador.1..3.4.5.6.7.8.9 1 Ciclo d rabajo, D RducorElvador Rducor A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17

Rsumn (III) Topologías rducoras: 1:n Rducor Topologías rducoraslvadoras: Forward Forward vs. flyback Transformador más pquño Mayor rndimino Mnor ruido y rizado d o Mnors nivls d corrin RducorElvador 1:n Flyback A. Barrado, C. Frnándz, A. ázaro, E. lías, M. Sanz, P. Zuml / CW Elcrónica Poncia 17 Flyback vs. forward Sncillo y barao Un único lmno magnéico Apropiado para convridors mulisalida Mayor capacidad d rgulación 53