Convertidor Reductor Elevador (Buck Boost)

El convertidor reductor-elevador o también conocido como buck-boost suministra un voltaje de salida que puede ser mayor o menor al de la entrada, asi mismo la polaridad del voltaje de salida es inversa a la del voltaje de entrada.

Convertidor Reductor-Elevador ( Buck-Boost ) Reductor: Vout < Vin ¿Es posible elevar y reducir con un convertidor?

Elevador: Vout > Vin

Posible solución: conectar un reductor y un elevador en cascada

Vin

Vout

V1

REDUCTOR V1 = Vin·D Vout

ELEVADOR Vout

Vin

D

V1

1

1 D

La tensión de salida con este sistema es:

Vout

Vin

D 1 D

 Si D < 0.5 la tensión de salida es menor que la de entada.

•

 Si D > 0.5 la tensión de salida es mayor que la de entrada.

•

Inconveniente El convertidor tiene el doble de componentes que los convertidores en los que se basa

¿Es posible obtener el mismo resultado sin aumentar el número de componentes?

El condensador intermedio lo podemos eliminar y unir las dos bobinas.

Vin

M1

Vout

M2

Mismo ciclo de trabajo para los dos convertidores Los dos interruptores se manejan simultáneamente Int. Cerrados

VL

VL = Vin Vin

M1

M2

Vin

Vout -Vout

Int. Abiertos

IL

VL = -Vout

M1

Vin

M2

Vout

DT

T

 Durante D, la bobina queda en paralelo con la entrada

•

 Durante (1-D), la bobina queda en paralelo con la salida

•

Vin·D = Vout(1-D)

Vout

Vin

D 1 D

Por tanto, para conseguir el mismo comportamiento debemos encontrar un circuito que maneje la bobina de una forma similar: S1

S2

 Cerrando S1 ponemos la bobina en paralelo con la entrada

•

 Cerrando S2 la ponemos en paralelo con la salida.

•

Para desmagnetizar bobina debemos invertir la tensión de salida

Vin

S1

S2

Vout

 Un transistor

•

 Un diodo

•

 Una bobina

Convertidor Reductor-Elevador

•

 Un condensador

•

Vin

Vout

+ Integración de los dos convertidores en uno sólo

Es necesario invertir la tensión de salida  La tensión de salida puede ser mayor o menor que la de entrada.

•

 La tensión de salida está invertida respecto a la tensión de entrada.

•

Relación de transformación en MCC

Vout

Vin

+ 2 estados de funcionamiento en MCC M1

1 Interruptor cerrado

Vin

2 Interruptor abierto

Vin

M1

Vout

Carga de la bobina

Vout

Descarga de la bobina

+

Formas de onda en MCC Durante D·T

VL=Vin

Vin

VL

Vin

Vout

IL

-Vout

Durante (1-D)·T

IL

VL=-Vout

Vin

IL

Vout

T

DT

La tensión media en la bobina debe ser nula:

Vin·D = Vout·(1-D)

Vout

Vin

D 1 D

Límite entre MCC y MCD La corriente está en el límite entre MCC y MCD Dado un valor de I out, ¿Qué valor de L consigue obtener esta corriente? VL

La corriente de pico es: ILp

1 L

Vin

Vin D T

El valor medio de la corriente I D es la corriente de salida:  _ 

Iout

i

D

1 2

Se cumple:

1

ILp (1 D)

Vout

2L

Vin

-Vout

Vin D 1 D

T

IL

ILp

D

ID

1 D

Iout Por tanto:

L LIM

Vout T 2 I

1 D

2

DT

T

Operación en MCD Hay 3 estados de funcionamiento Durante D·T

IL

+ -

VL Vin

Vin

Vout

VL

Durante 2·T

-Vout

IL

IL

+ Vin

Vout

VL

ID

Durante (1-D- 2)·T

+ Vin

T

2T

DT

Iout

+ -

VL i =0

Vout

DT

T

Cálculo de la relación de transformación En general, cuando un convertidor se descarga pasa a operar en MCD En MCD se cumple: VL

Tensión media en L nula: Vin D

Vout

Vin

2

La corriente de pico es: ILp

1 L

-Vout IL

Vin D T

ILp

La corriente media de salida es: Iout

1 2

ILp

D

Iout

2

Vout

2L

V

R T

Vout RL

T

2T

DT

ID

Iout DT

T

Operación en MCD El ciclo de trabajo necesario para obtener una cierta tensión de salida depende de la carga R L y del valor de L El peor caso se da en condiciones de tensión de entrada máxima

D

1

Vout = 12 V

MCC

L = 5 H

Vin = 6 V

MCD

f = 100 kHz

Vin = 12 V

0.5

Vin = 24 V Peor caso: Vmax

0 2

4

6

8

10

Corriente (A) El ciclo de trabajo depende de la carga cuando el convertidor opera en MCD D

Vout

2L

V

R T

R : Carga del convertidor

Operación en MCD En MCD, D también depende del valor de L  Si L es grande, el convertidor trabajará en MCC hasta cargas bajas

•

 Si L es pequeña, el convertidor trabajará casi todo el tiempo en MCD

•

D

0.6

Vin = 12 V Vout = 12 V

0.4

L = 10 H L = 5 H

0.2

L = 2.5 H

0 2

4

6

Corriente de salida (A)

D

Vout

2L

V

R T

8

10

Cálculo del condensador Formas de onda El rizado pico-pico en el condensador será:

VL

Vin DT

Q

Vout

T

C

En régimen permanente:

ID

-Vout Q

Iout

Carga = Descarga En este caso resulta más fácil basarse en la descarga (área amarilla): Vout

C

Q C

1 Vout

1 C

Iout D T

Iout D T

VC Vout

Descarga

Carga

Conocido el valor de L y tomando como dato Vout podemos calcular C

Esfuerzos en los semiconductores Convertidor Reductor-Elevador en MCC

ILp

IL VM

VD

Vout

Vin

IM

ILp

VD

Vin+Vout

ID VMmax = Vin+Vout VDmax = Vin+Vout

Vin+Vout

VM

Iout

ILp

DT

T

Esfuerzos en los semiconductores Convertidor Reductor-Elevador en MCD

IL VM

ILp

VD VM

Vin+Vout

Vout

Vin

Vin IM

VD

VMmax = Vin+Vout VDmax = Vin+Vout

ID

ILp Vin+Vout

Vout

ILp

Iout T

El convertidor REDUCTOR-ELEVADOR

Vout>Vin > Vout

-

Vin

Vout

+

Tensión de salida invertida 2 modos de funcionamiento MCC

iL

iL Vout

Vin

D

D

1 D

•

 Valores de L altos

•

2L

Vin

R LT

 Corrientes pequeñas

•

 VMmax = Vin

•

VDmax = Vin

•

 Valores de L bajos

•

•

 Corrientes elevadas  VMmax = Vin

•

•

Vout

 D Depende de la carga

 D Independiente de la carga

•

   N    E    M    U    S    E    R

MCD

 VDmax = Vin

 Cálculo de bobina y condensador

•

COMPARACIÓN DE TOPOLOGÍAS La elección de una topología u otra va mucho más allá de una simple cuestión de magnitudes de tensión de entrada y de tensión de salida. Los convertidores tienen comportamientos reales distintos: unos son más robustos, otros tienen mejor rendimiento, son más sencillos de construir, etc.

Reductor

Elevador

VMOSFET

Vin

Vout

IPMOS

I0

I0/(1-D)

VDIODO

Vin

IPDIODO

I0

Vout I0/(1-D)

ReductorElevador Vin+Vout I0/(1-D)

Vin+Vout I0/(1-D)

Ejemplo de comparación: Especificaciones:

Vin = 48 V

Pmax = 100 W

Vout = 12 V

L = 50 H

VMOSFET VDIODO

IPico

V0 = 2%

iL

C

Reductor

48 V

48 V

10.1 A

3.6 A

9.4 F

ReductorElevador

60 V

60 V

12.2 A

7.7 A

277 F

Especificaciones:

Vin = 12 V

Pmax = 100 W

Vout = 48 V

L = 50 H

VMOSFET VDIODO Elevador Reductor-

IPico

V0 = 2%

iL

C

48 V

48 V

9.2 A

1.8 A

16.2 F

60 V

60 V

11.4 A

1.9 A

17.3 F

Fuente : Universidad de Oviedo

Lecturas http://www.eecs.mit.edu/spotlights/images/Main_dc-dc.pdf  http://www.eecs.mit.edu/spotlights/images/Main_TRAN08_IEEEtran.pdf 

Four Switch Buck-Boost Converter for Photovoltaic DC-DC power applications

http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=5674983

 APLICACIONES

 APLICACION1  APLICACION2

http://www.youtube.com/watch?v=FNUqA0TRyys&feature=related http://www.national.com/pf/LM/LM3668.html#Overview