CONVERTIDORES CD-CD
Objetivo de los convertidores CD-CD
Tipos de convertidores: Convertidores básicos sin aislamiento galvánico y un solo interruptor: Reductor (Buck) Elevador (Boost) Reductor-elevador (Buck-boost) Cuk
Tipos de convertidores: Convertidores con aislamiento galvánico Tipo puente Flyback Forward
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
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
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
CONVERTIDOR REDUCTOR (BUCK) Esquema básico Interruptor cerrado Interruptor abierto
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
CONVERTIDOR REDUCTOR (BUCK) Armónicos de una forma de onda cuadrada en función de D
Icc (A) Vcc (V) Qué retos hay? Universidad Autónoma de Currents Calculated from ITRS 2005 300 1.5 250 200 1.25 1 Voltage scaling to: ~0.8V by 2014 150 0.75 100 0.5 50 0.25 0 0 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 Year Currents scaling to: ~175A by 2014 Source: Intel and 2005 International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)
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
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 5.0 4.0 System Battery Life vs. VR Efficiency 29% 3.0 load power Opportunity: Battery life increases with VR efficiency enhancement across a broad load range 2.0 1.0 0.0 15WHr 5WHr 43%
Eficiencia vs. rizo de voltaje % Efficiency 1 100 1 a1( Io) a2( Io) 0.85 a3( Io) 0.95 0.9 90 85 0.8 80 0.75.7 0.7 0.1 1 10 0.1.1 Io Linear variable frequency w/ MH MH CCM only 1 Io (A) 10 10 Output voltage ripple 50mV 0.05 40mV 0.04 x( Io) 30mV 0.03 y( Io) 20mV z( Io) 0.02 10mV 0.01 0 Linear variable frequency w/ MH CCM fixed frequency MH fixed frequency 0 0 0.5 1 1.5 2 0 0.5 1 1.5 2 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
Modo de conducción discontinua V o V d = D 2 D 2 + 1 æ I ö ç o 4è I LB,max ø
Relación de ganancia del convertidor reductor en MCC y MCD con Vd constante
Hay guías para la selección de elementos pasivos? Formas de onda típicas
CONVERTIDOR ELEVADOR (BOOST) Interruptor cerrado Interruptor abierto
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
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 - -
x x 1 2 0 (1 d) C (1 d) L x 1 x RC 1 2 1 L 0 V CD MODELO MATEMÁTICO NO LINEAL DEL SISTEMA 30 V out 25 20 15 10 5 V in x 1 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 d=[0,1] Con: V CD = 12V Vo = 24V L = 1mH C = 100uF R = 20 Con d =0.5
MODELO MATEMÁTICO NO LINEAL DEL SISTEMA (1 d) x 0 L x 1 1 1 L V Con: d={0,1} d CD x x (1 ) 1 2 2 0 C RC 1.5 d 30 V out = x 2 25 1 20 0.5 15 10 V in i L = x 1 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 5 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07
MODELO MATEMÁTICO LINEALIZADO DEL SISTEMA x x 1 2 0 (1 D) C ( D 1) L x 1 x RC 1 2 x L x C 20 10 d 1 L 0 V in X 2 (s)/v in (s) X 2 (s)/d(s) X 1 (s)/d(s) 5e006 ------------------------------- s 2 + 500 s + 2.5e006-1.2e004 s + 1.2e008 ------------------------------ s 2 + 500 s + 2.5e006 2.4e004 s + 1.8e007 -------------------------------- s 2 + 500 s + 2.5e006
Imaginary Axis Universidad Autónoma de DONDE QUEDARON LOS POLOS Y CEROS DEL SISTEMA? Root Locus 4000 3000 2000 Caso 1: X 2 (s)/v in (s) 1000 0-1000 -2000 5e006 ------------------------------- s 2 + 500 s + 2.5e006-3000 -4000-300 -250-200 -150-100 -50 0 Real Axis
Imaginary Axis Universidad Autónoma de DONDE QUEDARON LOS POLOS Y CEROS DEL SISTEMA? 1.5 x 10 4 Root Locus 1 0.5 Caso 2: X 2 (s)/d(s) 0-0.5-1 -1.2e004 s + 1.2e008 ------------------------------ s 2 + 500 s + 2.5e006-1.5-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Real Axis x 10 4
Imaginary Axis Universidad Autónoma de DONDE QUEDARON LOS POLOS Y CEROS DEL SISTEMA? 2000 Root Locus 1500 1000 500 Caso 3: X 1 (s)/d(s) 0-500 -1000 2.4e004 s + 1.8e007 -------------------------------- s 2 + 500 s + 2.5e006-1500 -2000-3000 -2500-2000 -1500-1000 -500 0 Real Axis
QUÉ RETOS HAY? Universidad Autónoma de Source DC / DC DC / AC M1 M2 Aplicación manejo energía Vehículos Eléctricos al de en DC / AC
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
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% 5,000 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Tiempo (s) 30,000 25,000 20,000 15,000 10,000 CICLO DE MANEJO CITY-II CON PENDIENTE DEL 10% 5,000 0-5,000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Tiempo (s)
QUÉ RETOS HAY? Power curve of the FC UNIDIRECCIONAL Fuel cell Battery DC/DC DC/DC Mode 7 Load BIDIRECCIONAL
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.
CONVERTIDOR REDUCTOR-ELEVADOR Interruptor cerrado Interruptor abierto
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
CONVERTIDOR TIPO CUK Universidad Autónoma de Interruptor cerrado Interruptor abierto
CONVERTIDOR TIPO CUK Universidad Autónoma de
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
CONVERTIDORES CON AISLAMIENTO GALVÁNICO