MEJORAS A LA EFICIENCIA DE UN CONVERTIDOR CD-CD (BUCK) A T R AV É S D E U N A S E G U N D A F U E N T E D E A L I M E N TA C I Ó N, PA R A H A C E R E L CONVERTIDOR CD-CD (TIBUCK) M.I. José Lionso Salazar Huerta1, Ing. Luis Alberto Castañeda Soltero2 y M.C. Andrés Pizarro Lerma3 Instituto Tecnológico Superior de Cajeme, Carretera Internacional a Nogales Km. 2 s/n Cd. Obregón, Sonora, México, CP. 85024 1,2,3 Enviado: 12 de mayo de 2016 Aceptado: 3 de junio de 2016 jsalazar@itesca.edu.mx R e s u m e n : La eficiencia en las fuentes conmutadas es un aspecto muy importante catalogado dentro de las cifras de mérito, es por eso que en la actualidad se han desarrollado diferentes investigaciones para poder mejorarla. Una manera de solucionar la problemática del rendimiento es mediante la utilización de un post-regulador. El objetivo de este trabajo es conocer al convertidor Tibuck (Two Input Buck) para mostrar que es un convertidor CD-CD que posee dos fuentes de alimentación. Demostrar también que esta característica le proporciona una mejora en la eficiencia con respecto a un convertidor Buck. Como ya es sabido, con un convertidor Buck se pretende obtener un voltaje de salida constante aunque tenga una entrada variable; con el convertidor Tibuck se espera algo parecido, sólo que la entrada variable puede provenir de las dos fuentes. En el presente artículo se introduce el desarrollo de convertidores CD-CD y en especial aquellos catalogados como reguladores reductores en modo conmutado. + Palabras clave: Convertidor Buck, convertidor Tibuck, relación de voltaje y corriente. 26
Introducción En la actualidad existen dos parámetros que son de suma importancia en el desempe o de convertidores de CD, los cuales están relacionados con la calidad de la se al de entrada del convertidor y con la eficiencia total del sistema. Dichos parámetros son el factor de potencia (PF) y la distorsión armónica total (THD). El propósito de conectar dos convertidores en cascada es mejorar notablemente la regulación y la respuesta dinámica. Además, se sabe que la conversión con una sola etapa en este tipo de sistemas se ve limitada en varios de los parámetros de desempe o, por lo que se recomienda hacer la conversión en dos o más etapas (Mohan, 2009). Un convertidor típico con corrección del factor de potencia (CFP) y rápida respuesta dinámica se forma por la de un preregulador y un post-regulador. Esta estructura presenta el inconveniente de que la potencia se procesa dos veces dando como resultado una eficiencia baja. Lo anterior ha originado el enfoque de los estudios recientes a mejorar la eficiencia mediante la incorporación de post-reguladores que mejoren las prestaciones de las fuentes conmutadas. Otra forma de mejorar la eficiencia según lo comenta Rokhsat-Yazdi (2009), es un convertidor, que opera bajo una amplia gama de tensiones de entrada y de salida, hace uso de un comparador de histéresis dependiente del estado, cambiando automáticamente el modo de funcionar y mejora la eficiencia (Sanjaya, 2004). Convertidores CD-CD Los convertidores CD-CD son configuraciones de electrónica de potencia que permiten a partir de una fuente de CD constante, controlar el voltaje CD a la salida del convertidor (Rashid, 1995). Estos convertidores tienen múltiples aplicaciones como lo son fuentes de poder en computadoras, sistemas distribuidos de potencia, sistemas de potencia en vehículos eléctricos, etc. Las configuraciones básicas son Buck (reductora), Boost (elevadora) y Buck-Boost (reductora-elevadora). 27
Estas configuraciones permiten elevar, reducir o elevar-reducir el voltaje de alimentación (Vs) en la salida (Vo). Cada configuración a su vez contiene cuatro elementos básicos + Bobina (L). + Capacitor (C). + Diodo (D). + Un interruptor controlado ( ). Así, las propiedades de cada topología dependen de la ubicación de estos cuatro elementos, asumiendo que la carga en general es del tipo resistiva. La variable a controlar para regular el voltaje de salida es el patrón de conmutación del interruptor controlado. Siendo parte de la estrategia base, conmutar el interruptor a una frecuencia fija. Los convertidores CD-CD son usualmente dise ados para trabajar bajo ciertas condiciones de operación. De esta manera, se define el voltaje deseado de salida (Vo), el voltaje de nominal de alimentación (Vs) y el valor de la carga. Así, bajo este esquema se puede calcular cual debe ser el ciclo de trabajo promedio del convertidor. Figura 1. Convertidor conmutado básico. El convertidor Buck Para ciertas aplicaciones es suficiente la componente de CD arrojada por el sistema anterior. Pero si se quiere obtener un voltaje de CD puro, se debe agregar un filtro pasa bajas y un diodo de marcha libre después del interruptor, formando con ello la configuración de un convertidor reductor en modo conmutado Buck (Figura 2). Descripción de topología Buck y Tibuck Convertidor conmutado básico En el circuito de un convertidor conmutado básico, el transistor opera como un interruptor electrónico en corte y saturación. Suponiendo que el interruptor es ideal, la salida es igual a la entrada cuando el interruptor se cierra (saturación) y la salida es cero cuando el interruptor está abierto (corte). Si de manera periódica el interruptor se abre y se cierra, se obtiene una salida pulsante (ver Figura 1). El valor promedio o la componente en CD es Figura 2. Convertidor Buck básico. Vo = (t 1 /T)Vs = (ft 1 )Vs = KVs (1) Relación de voltaje y corriente Dicho valor se controla ajustando el ciclo de trabajo D, que es la fracción de tiempo con respecto al periodo en que el interruptor está cerrado, donde f es la frecuencia de conmutación en Hertz y T es el periodo en segundos. Para este caso el voltaje promedio de salida es menor o igual a la entrada. D = t on / T = f *t on (2) Otra manera de analizar la operación del convertidor Buck es examinar los voltajes y las corrientes que se generan en el circuito. Primeramente la potencia entregada a la carga (Po) es la misma que la suministrada por la fuente (Ps), hablando de condiciones ideales. Para condiciones no ideales la potencia de salida se expresa Po = Ps Pérdidas (3) 28
El voltaje de salida es (4) Vo = Vs D La corriente máxima y mínima en el inductor respectivamente Imax = Vo[1/R + (1-D)/2Lf] (5) El convertidor Tibuck El convertidor Tibuck es un convertidor Buck con la diferencia de que en lugar de tener una fuente de alimentación se tienen dos, de tal manera que cuando el interruptor está cerrado, trabaja la fuente V1 y cuando está abierto por medio del diodo de marcha libre, opera la fuente V2 (Figura ). Imin = Vo[1/R - (1-D)/2Lf] (6) Si se cumple que la Imin es mayor o igual a cero, se tiene corriente continua, condición para validar el análisis que se hace más adelante. Para el cálculo del inductor se tiene L = VsD(1-D)/ if (7) Donde i es el valor pico a pico de la corriente de la componente ondulatoria del inductor. Para el cálculo del capacitor se tiene C = Vo(1-D) / 8Lf 2 vc (8) Figura 3. Convertidor Tibuck básico. Donde vc es el valor pico a pico del voltaje de la componente ondulatoria del capacitor. 29
Relación de voltaje y corriente Haciendo un análisis similar al desarrollado con el convertidor Buck, la potencia no ideal se calcula como en la Ecuación (1). Con lo que respecta al voltaje promedio de salida se tiene Vo = (V1-V2)D + V2 Por otro lado la corriente máxima y mínima en el inductor respectivamente Imax= Vo/R +1/2 [(Vo V2)(1-D)/Lf] Imin = Vo/R - 1/2[(Vo V2)(1-D)/Lf] Al igual que en el convertidor Buck, con un valor de Imin mayor o igual a cero se asegura una corriente continua, condición con la que se hace el análisis de aquí en adelante. Para el cálculo del inductor se tiene Para el cálculo del capacitor L = (V1-Vo)(Vo-V2) / (V1-V2) if C = (Vo-V2)(1-D)/8Lf 2 vc Una vez analizado el convertidor Buck y el Tibuck, se tienen las herramientas necesarias para calcular los valores de sus componentes, hacer las comparaciones entre ambos y demostrar las mejoras que hace la configuración Tibuck. Desarrollo (9) (10) (11) (12) (13) La frecuencia de conmutación típica va en un rango de 20 KHz hasta 50 KHz, sin embargo, frecuencias mayores también pueden ser utilizadas. Los parámetros considerados en todos los cálculos para ambos convertidores son i = 0.5 vc = 1.2 f = 100 KHz D = 0.5 Vs = 96 volts V1 = 54 volts V2 = 42 volts Vo = 48 volts R = 23 ohms Po = 100W Selección de los dispositivos A continuación se presentan los cálculos para la selección de los dispositivos comunes de las dos topologías, tratando de que tengan los mismos valores de sus elementos para tener punto de comparación. Se hace énfasis en que la diferencia radica en como se le da la alimentación CD al circuito. Transistor Imax = Vo/R + i/2 = 2.34 A 8 Vds 96 Con estos dos parámetros se elige el transistor IRF 7452, que tiene las siguientes características. Tabla 1. Datos para elegir transistor. (14) (15) Consideraciones de diseño Ambos convertidores se dise aron para una operación de corriente continua, cabe mencionar que es deseable manejar una frecuencia de conmutación alta para reducir el tama o del inductor y del capacitor. En consecuencia, al aumentar la frecuencia las pérdidas de potencia en los elementos de conmutación se incrementan y este incremento provoca que la eficiencia se reduzca, por lo que se debe cuidar mucho este factor. Diodo Imax = Vo/R + i/2 = 2.34 A 8 VAK 96 (16) (17) Con lo anterior se elige el diodo MUR840 por tener las siguientes características. 30
Tabla 2. Datos para elegir el diodo. Tabla. Datos del convertidor Buck al 50%. Para el cálculo de L y C en el convertidor Buck, se usan la Ecuación (7) y la Ecuación (8) respectivamente L = 480 μh C = 520.8 рf Al operar el convertidor Tibuck con las mismas condiciones de trabajo mencionadas anteriormente se tienen los siguientes valores. Tabla 4. Datos convertidor Tibuck al 50%. Para los mismos cálculos del convertidor Tibuck, se utilizan la Ecuación (12) y la Ecuación (1 ) respectivamente L = 60 μh C = 520.8 рf A continuación se muestran los circuitos con sus respectivos componentes calculados para cada uno de los convertidores. Se observa que los valores de los capacitores son similares, pero con las bobinas hay gran diferencia. Por otra parte, variando el ciclo de trabajo desde D 0. hasta D 0.5, para ambos convertidores, el convertidor Tibuck presenta mayor eficiencia en las pruebas. Destacando una variación del 2% al 4% de eficiencia en cima del convertidor Buck, prueba hecha a plena carga (Figura 5). Figura 5. Comparación entre los dos convertidores. Figura 4. Los dos convertidores con sus valores. Resultados La eficiencia típica de un convertidor Buck ya es conocida (varía en los rangos del 90% al 95%) y se utiliza como punto de comparación para ver qué tanto es mejorada por el convertidor Tibuck. Enseguida se muestra una tabla de valores obtenidos prácticamente en el convertidor Tibuck. En dicha tabla se muestran los valores de las fuentes V1 y V2, el voltaje de salida, la potencia de salida y por último la eficiencia. Se utiliza un ciclo de trabajo del 50% a plena carga. Tabla 5. Datos convertidor Tibuck al 50%. Para el convertidor Buck con un ciclo de trabajo del 50% y variando la carga para ver la eficiencia con la salida fija a 48 volts, se observa que la eficiencia aumenta al disminuir la potencia de salida. 31
En la Tabla 5 está plasmada la información relevante de los convertidores Tibuck con respecto a la eficiencia que se logra obtener con dos fuentes de alimentación. Se observa cómo la eficiencia es menor cuando la diferencia de voltajes en las fuentes de alimentación es mayor y que, a medida que esta diferencia se reduce, la eficiencia aumenta. El reducir la diferencia tiene una limitante, ya que si se hace la fuente de alimentación dos igual a cero, donde se supone que existe la mayor diferencia, el convertidor se comporta como un Buck alimentado con una sola fuente. Con esto, se llega a tener sus mismos parámetros de rendimiento. Con lo anterior queda demostrado que la única manera de obtener una eficiencia igual en los dos convertidores es teniendo la fuente V2 con un nivel de cero volts. Haciendo un análisis inverso de la situación, también queda demostrado que entre menor diferencia entre las fuentes de alimentación se mejora la eficiencia. En base a la Tabla 5 se genera la Figura, donde se ve más a detalle el efecto de la segunda fuente sobre la eficiencia del convertidor. Y más que la segunda fuente, el efecto de la diferencia de las dos fuentes, entre menor la diferencia mayor es la eficiencia, teniendo un comportamiento muy próximo a una recta definida por Ax By C = 0 (18) Figura 6. Relación entre eficiencia y diferencia de voltaje en un convertidor Tibuck con ciclo de trabajo igual a 50% a plena carga. 32
Conclusiones El uso de los convertidores como post-reguladores ha tenido un auge en los últimos a os con el uso cotidiano de las fuentes conmutadas. Con la implementación de los dos convertidores y con las pruebas realizadas, se demostró que el convertidor Tibuck presenta mayor eficiencia y ello se lo debe al hecho de que tiene una fuente extra que trabaja cuando el convertidor conmuta a un estado de apagado (modo donde en el convertidor Buck no le saca ningún provecho). Cabe mencionar que no solo influye en la mejora de la eficiencia el tener dos fuentes de alimentación, lo que interviene directamente es la diferencia que exista entre estas fuentes, que se recomienda sea lo mínima posible. Aumentar la densidad de potencia y una mejora en la eficiencia son dos aspectos de suma importancia en el dise o actual de las fuentes de alimentación conmutadas. Los convertidores Buck y Tibuck ayudan a lograrlo, pero es necesario establecer características de operación y dise o y además realizar un análisis en régimen permanente y dinámico de ambos, para tener un punto de comparación y ver cual es mejor en la etapa de post-regulación. Bibliografía + Ebatian, J.; Villegas, P.; Nuño, F.; Hernando, M.; Olias, E. y Arau, J. (1996). A Study of the Two Input DC to DC Switching Post-regulators. IEEE Transactions on Power Electronics Congress. Octubre 1996, Páginas: 35-45. ISBN # 0-7803-3633-X. DOI: 10.1109/ CIEP.1996.618511. + Muhammad, Rashid H. (1995). Electrónica de Potencia. Editorial Prentice Hall. México. ISBN-13 # 9789702605324. + Sebastian, J.; Villegas, P.; Nuño, F.; García, O. y Arau, J. (1996). Improving Dynamic Response of Power Factor Pre-regulators by Using Two Input High Ef cient Post-regulators. IEEE International Power Specialists Conference. Junio 1996, Páginas: 1818-1824. ISSN # 0275-9306. DOI: 10.1109/ PESC.1996.548828. + Rokhsat-Yazdi, Ehsan (2009). A High- Ef ciency, Ripple-Control Buck Converter with Mode Hop Enhancement. IEEE Computer and Electrical Engineering. Diciembre 2009, Páginas: 443-447. ISBN-13 # 978-1-4244-5365-8. DOI: 10.1109/ICCEE.2009.76. + Mohan, Ned (2009) Electrónica de Potencia Convertidores, Aplicaciones y Diseño. Editorial Mc Graw Hill. México. ISBN-13 # 978-9701072486. + Maniktala, Sanjaya, Maniktala (2004). Switching Power Supply Design & Optimization. Editorial Mc Graw Hill. Estados Unidos de América. ISBN-13 # 978-0071434836. 33