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UDELAR-FI-IIE

CONVERSORES

DC-DC

Notas de apoyo para el curso básico de Electrónica de Potencia I (Plan 91)

Instituto de Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería

W. Uturbey Junio, 1996.

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Electrónica de Potencia

Los conversores conmutados en alta frecuencia son circuitos de potencia donde los semiconductores, o llaves de potencia, conmutan a una frecuencia mucho mayor que la de variación de las formas de onda de entrada y salida del conversor. Esto permite emplear filtros pasa-bajos para eliminar los componentes armónicos no deseados. No podemos usar la inversión de la forma de onda de entrada para bloquear los semiconductores, como se hace con los conmutados por la red. Los interruptores deberán entonces controlarse al conducir y bloquear. Los conversores DC-DC forman parte de este grupo de convertidores, controlan el flujo de energía entre dos sistemas de continua. Ejemplos de aplicación son: fuentes de alimentación CC (Switch Mode Power Supplies, SMPS) para equipamiento electrónico, control de máquinas eléctricas de corriente continua, etc. La Fig. 1.(a) presenta la topología más simple para un conversor DCDC, una carga resistiva se alimenta desde una fuente de tensión CC (Vi), interruptor S conmuta a una frecuencia f=1/T. S

Vi

Vi

Ro

VRo(t) δT

0

T

Fig. 1 - Conversor DC-DC más simple, y forma de onda VRo.

La tensión en la resistencia Ro será rectangular, Fig. 1.(b). Su valor medio es: VRo = δVi donde δ se llama ciclo de trabajo (duty cycle), y es la fracción de tiempo que conduce el interruptor S. Se observa que la tensión y corriente en la carga presentan un alto contenido armónico. Pocas aplicaciones aceptan una fuente con esas características. Para obtener corriente y tensión en la carga constantes es necesario agregar un filtro, Fig. 2. Encontramos así una de las topología básicas, el conversor BUCK, o REDUCTOR o STEP-DOWN. S Vi

L DRL

S Ro

Vi

L DRL

Co

Ro

Fig. 2 - Filtro de salida inductivo. Filtro de salida capacitivo e inductivo.

EL CONVERSOR BUCK El circuito simplificado está representado en la Fig. 3. Vi es la tensión CC de entrada, Vo es la tensión CC de salida, que suponemos constante (aproximación razonable si el capacitor del filtro de salida, Fig 2.(b), es suficientemente grande). En este conversor siempre se cumple que Vo es menor o igual que Vi, razón por la que se le llama “Reductor”. El interruptor S conmuta a una frecuencia f = 1/T. Se distingue dos modos de operación, según la corriente por el inductor L se anule en el período de operación T: modo de conducción contínua (MCC), cuando la mencionada corriente no se anula, y modo de conducción discontínua (MCD), cuando la corriente por L se anula durante un intervalo. 1

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+

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S

Vi _

+ vD _

L

+ Vo

DRL

_

Fig. 3 - Conversor Buck, circuito simplificado.

Modo de conducción contínua - CCM En t=0 comienza a conducir el interruptor S, el circuito equivalente de esta etapa está representado en la Fig. 4.(a). Como la tensión de salida Vo es menor que Vi la corriente por L será creciente durante este intervalo. La corriente que circula por S es igual a la de L. Un tiempo δT después se apaga el interruptor S. Se genera entonces una sobretensión que hace conducir al diodo DRL (diodo de rueda libre) manteniendo así la continuidad de la corriente por L. El nuevo circuito está representado en la Fig. 4.(b). La corriente por L es ahora decreciente. La Fig. 5 presenta las formas de onda principales. L

+ Vi

+ Vo _

_

L

+ Vi

_

DRL

+ Vo _

Fig. 4 - (a) Circuito equivalente durante 0-δδT, y (b) durante δT-T.

i L(t) vL(t)

Vi-Vo Vo Vi

is=iL

i S(t)

is=0

vS(t)

iDrl=iL

iDrL(t) iDrl=0

vD(t) 0

Vi

Vo= δ Vi

δT

T

T+ δ T

2T

Fig. 5 - Formas de onda principales, modo de conducción continua.

Se verifican la siguientes equaciones: Intervalo 0 < t < δT:

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Electrónica de Potencia diL Vi − Vo = dt L iS = iL iD = 0 vD = Vi vL = Vi − Vo

Intervalo δT < t < T:

diL − Vo = dt L iD = iL iS = 0 vD = 0 vL = − Vo

El valor medio de la tensión vD es δVi y, como la tensión media sobre L debe ser nula cuando el circuito opera en estado estacionario, tenemos que: Vo=δVi La tensión de salida Vo puede ser entonces controlada variando el ciclo de trabajo (δ) del interruptor S, para compensar las variaciones de la tensión de entrada Vi. La Fig. 6 representa al Buck junto con un bloque de control, denominado PWM (Pulse Width Modulator, modulador de ancho de pulso). Este bloque se encarga de calcular el ancho de pulso δT de conducción del interruptor, necesario para obtener una dada tensión de salida Vo, y enviarlo al interruptor S. PWM

+ Vi _

S

L DRL

+ Vo _

Fig. 6 - Circuito Buck y bloque PWM.

Modo de conducción discontinua - MCD El comportamiento descrito anteriormente se basa en asumir que la corriente por L no se anula durante el intervalo en que conduce el diodo de rueda libre. Esta hipótesis no se cumple si la inductancia L es suficientemente “chica”, o si la corriente entregada por la fuente de salida Vo a la carga es muy “chica”. Supondremos ahora que la corriente iL se anula a partir de algún instante del intervalo δT-T, hasta t=T. En t=0 comienza a conducir el interruptor S, el circuito resultante está representado en la Fig. 7.(a) (es el mismo de la Fig.4.(a)). El valor inicial de la corriente iL es cero. Un tiempo δT después se apaga el interruptor S, y conduce el diodo de rueda libre. El nuevo circuito está representado en la Fig. 7.(b) (es el mismo de la Fig. 4.(b)).

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En el instante t=θT la corriente iL se anula, el circuito equivalente está representado en la Fig. 7.(c). La Fig. 8 representa las nuevas formas de onda. L

+ Vi

+ Vo _

_

Vi

_

L

+ Vi

L

+

_

DRL

+ Vo _

+ Vo _

Fig. 7 - (a) Circuito equivalente en 0 < t < δT. θT. (c) Circuito equivalente en θT

Co Ro

+ Vo _

_

Fig. 12 - Conversor Boost, o Elevador o Step-Up.

Modo de conducción continua - MCC La Fig. 13 presenta los circuitos equivalentes para las dos etapas de operación de este modo. La Fig 14 presenta las formas de onda principales. L

L + Vi

_

+

+ Co Ro

Vo _

Vi

Co Ro _

+ Vo _

Fig. 13 - (a) Circuito equivalente cuando S conduce (0