Tema 15. Convertidores DC/DC II
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INTRODUCCIÓN Objetivo: Estudio de los circuitos más usados en las fuentes de alimentación reguladas (de amplio uso en la alimentación de equipos electrónicos). TEMA 15. CONVERTIDORES DC/DC II 15.1 INTRODUCCIÓN 15.2 CONVERTIDOR PUENTE 15.2.1 Estrategias de Control 15.2.1.1 Control Bipolar 15.2.1.2 Control Unipolar 15.3 CONVERTIDORES CON AISLAMIENTO GALVÁNICO 15.3.1 Convertidor Flyback 15.3.2 Convertidor Forward 15.3.3 Convertidor Puente 15.4 CIRCUITOS DE CONTROL DE CONVERTIDORES Tema 15. Convertidores DC/DC II. 1 de 39 Características: ♦ Regulación de la tensión de salida a un valor Vo constante (dentro de un rango de tensiones de entrada y corrientes de salida. ♦ Aislamiento galvánico entre entrada y salida, sin emplear transformadores de 50Hz. ♦ Permitir si se precisa más de una tensión de salida aisladas entre sí. En este tema sólo se va a analizar el funcionamiento en modo de conducción continua (en las fuentes de alimentación L suele ser de un valor bastante grande). Se va a suponer que Vo es constante (C se supone de un valor elevado). Tema 15. Convertidores DC/DC II. 2 de 39 CONVERTIDOR PUENTE id + Donde cada interruptor es en realidad: S3 S1 CONVERTIDOR PUENTE io Vd A Carga S2 Vo = V A − VB Potencia positiva o negativa io B S4 - S1 Si Di Vo Generación del Retraso R A B B Si ≡ IGBT o MOS Esquema del convertidor Puente (4 cuadrantes) id S2 id + + S1 Vd D1 A S2 - C io Carga Vd D1 A - io A Carga Corriente Inversa del Diodo S2 D2 a) a) S1 D2 b) B S1 Convertidor Puente, problemas en el disparo de los interruptores: a) No se pueden cerrar simultáneamente los dos interruptores de una rama. Por tanto, si estaba conduciendo S1 hay que esperar un tiempo mayor que el que necesita S2 para cortarse antes de dar la orden de cierre a S1. ⇒ Empleo de tiempos muertos en el disparo de los interruptores. b) Cuando está conduciendo D2 hay que controlar la velocidad de entrada en conducción de S1 (controlando la velocidad de subida de VGS1) de forma que la corriente de recuperación inversa de D2 no suba excesivamente. S2 tc tc tc b) Generación de Tiempos Muertos: a) Circuito Simple para Generarlos. b) Formas de Ondas Los dos casos presentados son solo ejemplos, por simetría se pueden encontrar otros ejemplos. Tema 15. Convertidores DC/DC II. 3 de 39 Tema 15. Convertidores DC/DC II. 4 de 39 CONVERTIDOR PUENTE CONVERTIDOR PUENTE iO Puede estar abierto o cerrado S1 Vd Conducen D1 y D4 iO<0 VO=Vd S4 Puede estar abierto o cerrado iO ⇒ VA =Vd D4 Conducen S 2 y D4 S2 D2 S3 0 0 1 0 0 1 0 0 1 io>0 S4 0 1 0 0 1 0 0 1 0 VO Conduce -Vd D2 D3 0 D2 S4 -Vd D2 D3 -Vd D2 D3 0 D2 S4 -Vd D2 D3 0 S1 D3 Vd S1 S4 0 S1 D3 S1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 S2 0 0 0 1 1 1 0 0 0 S3 0 0 1 0 0 1 0 0 1 io<0 S4 0 1 0 0 1 0 0 1 0 Vd ⋅ t onA + 0 ⋅ t offA TS = Vd ⋅ D A En la rama B se puede obtener de la misma forma: V B = Vd ⋅ DB Luego: Estados Posibles S2 0 0 0 1 1 1 0 0 0 VA = Dónde: D A es el “Duty cycle” de la rama A. Circulación de Corriente por dos Diodos aplicando una tensión nula. (Si io>0, la corriente circularía por D2 y S4). S1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 Si S1 = on (S 2 = off ) ⇒ V A = Vd Si S1 = off (S 2 = on) ⇒ V A = 0 Luego: D4 ⇒ VA =Vd Tensión V A con S1 Cerrado ( S 2 Abierto) en los casos io > 0 e i o < 0 B A iO<0 VO=0 S4 A A Circulación de Corriente por dos Diodos, se devuelve energía. (Si io>0, se devuelve energía a la batería por los otros dos diodos). S1 io<0 Vd B A S2 Vd io>0 Vd D1 VO Conduce Vd D1 D4 Vd D1 D4 0 D1 S3 0 S2 D4 0 S2 D4 -Vd S2 S3 Vd D1 D4 Vd D1 D4 0 D1 S3 Tema 15. Convertidores DC/DC II. 5 de 39 Vo=VA-VB=Vd(DA-DB) Si los dos interruptores están abiertos: VA=Vd si io<0 VA=0 si io>0 ⇒ No se puede controlar con DA la tensión de la rama Tema 15. Convertidores DC/DC II. 6 de 39 CONVERTIDOR PUENTE. Control Bipolar CONVERTIDOR PUENTE. Control Bipolar id id + Filtro LC + S3 S1 io Vd A Carga S2 Vo=VAN-VBN Vd B S4 Ts 2Vtri L A C B S4 S2 Vo c a r g a N Convertidor Puente alimentando una carga de continua con filtro LC Vd Vd S3 Vo (t ) = VA − VB N - io S1 ) Vcontrol + Vtri t on = =D⇒ ) 2 Vtri TS ) Vcontrol = Vtri ( 2 D-1 ) 1 [Vd ⋅ t on − Vd (TS − t on )] Vo = TS V Vo = )d ⋅Vcontrol = k ⋅Vcontrol Vtri Vd toff ton Vd Convertidor Puente: Control Bipolar Ts 2Vtri toff Tema 15. Convertidores DC/DC II. 7 de 39 ton Tema 15. Convertidores DC/DC II. 8 de 39 CONVERTIDOR PUENTE. Control Bipolar Vo>0, Io>0 (S1,S4) S1 D1 S3 CONVERTIDOR PUENTE. Control Bipolar Vo>0, Io<0 (D1,D4) D3 S1 D1 Io S3 D3 S4 D4 Io Vd Vd S2 D2 Vo S4 S2 D4 D2 Vo Vd Vo<0, Io>0 (D2,D3) S1 D1 S3 Vo<0, Io<0 (S2,S3) D3 S1 D1 Io -Vd S3 D3 S4 D4 Io Vd Vd S2 D2 Vo S4 D4 S2 D2 Vo Vd Convertidor Puente: Circulación de la corriente por los dispositivos con control bipolar Dispositivos conduciendo: Io siempre positiva Tema 15. Convertidores DC/DC II. 9 de 39 Tema 15. Convertidores DC/DC II. 10 de 39 CONVERTIDOR PUENTE. Control Bipolar CONVERTIDOR PUENTE. Control Bipolar Vd Vd Dispositivos conduciendo: Io media negativa, pero Io(t) cambia de signo Dispositivos conduciendo: Io media positiva, pero Io(t) cambia de signo Tema 15. Convertidores DC/DC II. 11 de 39 Tema 15. Convertidores DC/DC II. 12 de 39 CONVERTIDOR PUENTE. Control Bipolar CONVERTIDOR PUENTE. Control Unipolar Vd Vo=Van-Vbn Vd Van se genera comparando Vtri con Vcon Vbn se genera comparando Vtri con -Vcon Vd 2Vtri Ts Convertidor Puente: Control Unipolar ) ) t on Vcont + Vˆtri Vcont + Vtri − Vtri + Vcont Vcont = = ) ) TS 2 Vˆtri ⇒ D A − DB = 2Vtri Vtri t' on Vˆtri − Vcont D B= = TS 2 Vˆtri Vo = V d ⋅ D A − V d ⋅ D B = Vd ⇒ V = ) ⋅ Vcont = k ⋅ Vcont o Vo = Vd (D A − D B ) V DA = Dispositivos conduciendo: Io siempre negativa tri La tensión de salida es igual que en el control Bipolar, pero la frecuencia del rizado en la tensión de salida es doble ⇒ Componentes del filtro más baratos. Tema 15. Convertidores DC/DC II. 13 de 39 Tema 15. Convertidores DC/DC II. 14 de 39 CONVERTIDOR PUENTE. Control Unipolar Vo>0, Io>0 (S1,S4) S1 D1 S3 CONVERTIDOR PUENTE. Control Unipolar Vo>0, Io<0 (D1,D4) D3 S1 D1 Io S3 D3 Io Vd Vd S2 D2 Vo S4 S2 D4 Vo<0, Io>0 (D2,D3) S1 D1 S3 D2 Vo S4 D4 Vo<0, Io<0 (S2,S3) D3 S1 D1 Io S3 D3 S4 D4 Io Vd Vd S2 D2 Vo S4 S2 D4 Vo=0, Io>0 (S1,D3) D2 Vo Vo=0, Io<0 (D1,S3) Vd S1 D1 S3 D3 S1 D1 Io Vd D2 Vo=0 S4 S2 D4 Vo=0, Io>0 (D2,S4) S1 D1 S3 D2 D3 D2 D4 S1 D1 S3 D3 Io Vd Vo=0 S2 S4 Vo=0, Io<0 (S2,D4) Io Vd D3 Vd Vo=0 S2 S3 Io Vo=0 S4 D4 S2 D2 S4 D4 Convertidor Puente: Circulación de la corriente por los dispositivos con control unipolar. Corriente media negativa pero con valores positivos y negativos. Tensión de salida positiva Convertidor Puente: Circulación de la corriente por los dispositivos con control unipolar Tema 15. Convertidores DC/DC II. 15 de 39 Tema 15. Convertidores DC/DC II. 16 de 39 CONVERTIDOR PUENTE. Control Unipolar CONVERTIDOR PUENTE. Control Unipolar Ts Vd Ts Convertidor Puente: Circulación de la corriente por los dispositivos con control unipolar. Corriente siempre negativa. Tensión de salida negativa Tema 15. Convertidores DC/DC II. 17 de 39 Tema 15. Convertidores DC/DC II. 18 de 39 CONVERTIDORES CON AISLAMIENTO GALVÁNICO Tensión DC regulada Potencia Transf. AF Filtro EMI Rectif. + Filtro Controlador Rectif.+ Filtro Convertidor DC/DC Potencia Vo Filtro EMI Rectif. + Filtro Convertidor DC/DC Entrada RED 50 ÷ 60 H z Entrada RED 50 ÷ 60 H z Drivers Puertas Controladores PWM Tierra 1 Transf. AF con varios devanados secundarios Realimentación Transf. AF Tensión DC regulada Amplificador de error Rectif.+ Filtro Vo1 Rectif.+ Filtro Vo2 Rectif.+ Filtro Von VRe f. Tierra 2 Esquema General de una Fuente de Alimentación multisalida Aislamiento Galvánico Esquema General de una Fuente de Alimentación Objetivos: • Aislamiento galvánico entre Red y Vo . • Evitar la transformación de 50/60 Hz por ser muy pesado y costoso el transformador. Vo • Tener una mayor relación de transformación V que la que permite D, al i N2 multiplicar por N . 1 Tema 15. Convertidores DC/DC II. 19 de 39 Tema 15. Convertidores DC/DC II. 20 de 39 Tensiones DC no reguladas Tensión DC no regulada CONVERTIDORES CON AISLAMIENTO GALVÁNICO CONVERTIDORES CON AISLAMIENTO GALVÁNICO i1 Ld 2 Transformador Ideal CONVERTIDORES CON AISLAMIENTO GALVÁNICO. Convertidor Flyback + Vd S Ld 1 Convertidor Reductor-Elevador +Vd L R C + Lm V1 V2 i2 L R C S + N1 ÷ N 2 + Vd Circuito Equivalente de un Transformador L Se desprecian las pérdidas debidas a las resistencias de los devanados y núcleos Relación de transformación: C + Vd + L R S C + R S V1 V2 = N1 N 2 Convertidor Flyback Igualdad de potencias: P = V1 ⋅ i1 = V2 ⋅ i 2 ⇒ Vd i1 i = 2 Relación de corrientes: N 2 N1 N2 N1 C R S Ld 1 , Ld 2 : Tan pequeñas como sea Inductancias de dispersión: posible (fuerte acoplamiento magnético entre primario y secundario). Ya que la energía que almacenan la deben absorber los interruptores. Inductancia de magnetización: Lm : Tan grande como sea posible (excepto en el convertidor Flyback), ya que las corrientes de magnetización se suman a las de los devanados para formar las corrientes por los interruptores y aumentan las pérdidas. Tema 15. Convertidores DC/DC II. 21 de 39 Origen del Convertidor Flyback desde el Convertidor ReductorElevador Tema 15. Convertidores DC/DC II. 22 de 39 CONVERTIDORES CON AISLAMIENTO GALVÁNICO. Convertidor Flyback i=0 id = im = iSW Lm Vd io id = 0 i m V1 = Vd Vd N2 N1 CONVERTIDORES CON AISLAMIENTO GALVÁNICO. Convertidor Flyback id = im = iSW Vo R C Lm im=iL io id = 0 i=0 V1 = Vd Vd Vd N2 N1 R C Vo N1: N 2 N1: N 2 Circuito Equivalente del Convertidor Flyback con el Interruptor Cerrado iD − N1 Vo N2 im Io C Circuito Equivalente del Convertidor Flyback con el Interruptor Cerrado Vo iL(t) = iSW (t) = I Lmin + N1: N 2 Vd ⋅t Lm Circuito Equivalente del Convertidor Flyback con el Interruptor Abierto I Lmax = I Lmin + Integrando en un ciclo la tensión aplicada a la inductancia de magnetización: V d DTS − ( 0<t<t on = DTS ) Vd ⋅ DTS Lm N1 V o (1 − D )TS = 0 ⇒ N2 Vo N D = 2 Vd N1 1 − D Tema 15. Convertidores DC/DC II. 23 de 39 Tema 15. Convertidores DC/DC II. 24 de 39 CONVERTIDORES CON AISLAMIENTO GALVÁNICO. Convertidor Flyback iD − N1 Vo N2 im CONVERTIDORES CON AISLAMIENTO GALVÁNICO. Convertidor Flyback Io Vo C N1: N 2 Circuito equivalente del convertidor Flyback con el interruptor abierto V d DTS Vd D (t − DTS ) ⇒ I Lmin = I Lmax − Lm Lm 1− D N N I Dmax = I Lmax 1 ; I Dmin = I Lmin 1 N2 N2 i L (t ) = I Lmax − i D (t ) = i L (t ) Vd D N 1 V N N1 = I Dmax − t = I Dmax − o 1 (1 − D ) Lm N 2 N2 Lm N 2 I Dmin = I Dmax − Vo Lm N1 N2 2 t 2 (1 − D )TS ton Como el valor medio de i D es I o , se puede calcular I Dmax 2 Vo TS (1 − D) 2 N 1 I = (1 − D)TS − Dmax 2 Lm N 2 2 Vo (1 − D )TS N 1 I o = (1 − D) I Dmax − ⇒ 2 Lm N 2 1 Io = TS I Dmax = Io V (1 − D )TS + o 1− D 2 Lm N1 N2 I Dmin = Io V (1 − D )TS − o 1− D 2 Lm N1 N2 Convertidor Flyback: Funcionamiento para D=0.4 y a=0.5 2 2 El voltaje aplicado al interruptor cuando está abierto: VSW = Vd + N1 V ⋅ Vo = d N2 1− D Tema 15. Convertidores DC/DC II. 25 de 39 Tema 15. Convertidores DC/DC II. 26 de 39 CONVERTIDORES CON AISLAMIENTO GALVÁNICO. Convertidor Flyback CONVERTIDORES CON AISLAMIENTO GALVÁNICO. Convertidor Forward VL D1 L V2 V1 Vd N1 io iL Vo C D2 N2 Convertidor Forward Ideal Si el transformador ideal, cuando el interruptor está cerrado: V1 = Vd ; ton V L = Vd ⋅ V2 = N2 − Vo N1 N2 ⋅ Vd N1 (0 < t < t on ) Esta tensión debe ser positiva (es un reductor visto desde V2 ) luego en este intervalo i L aumenta. i L circula por D2 y < t < TS ) ⇒ i L disminuye. Cuando el interruptor se abre, V L = −Vo Convertidor Flyback: Funcionamiento para D=0.6 y a=0.5 (t on Igualando la integral de V L dt en los dos períodos queda: N Vd ⋅ 2 − Vo ⋅ t on = Vo ⋅ (TS − t on ) N1 N Vd ⋅ 2 − Vo ⋅ D = Vo ⋅ (1 − D) N1 Tema 15. Convertidores DC/DC II. 27 de 39 ⇒ Vo N 2 = ⋅D Vd N1 Tema 15. Convertidores DC/DC II. 28 de 39 CONVERTIDORES CON AISLAMIENTO GALVÁNICO. Convertidor Forward CONVERTIDORES CON AISLAMIENTO GALVÁNICO. Convertidor Forward i3=0 i2= i1(N1/N2) i3 iL D1 N1 i1 io iLM N3 N2 Lm V1 VL i2 N1 i1 C Vo Lm D1 V2 V1 VL= V2- Vo Vo C D2 V2= Vd(N2/N1) Vd isw= iLM+ i1 isw io V1= Vd Vd D2 N3 iL= i2 N2 D3 D3 Convertidor Forward: Intervalo de conducción i3=iLM(N1/N3) i2 = 0 Convertidor Forward Real: Se añade un tercer devanado que permite que la energía almacenada en Lm cuando el interruptor está cerrado, se devuelva a la batería al abrirlo. i1=-iLM iLM Lm N1 N3 iL io N2 D1 V2 V1 VL= - Vo Vo C D2 V1= -VdN1/N3 Vd isw= 0 D3 Convertidor Forward: Intervalo de desmagnetización i3=0 i2 = 0 i1=0 iLM =0 Lm N1 N3 iL D1 V2 V1 io N2 VL= - Vo D2 C Vo V1= 0 Vd isw= 0 D3 Convertidor Forward: Intervalo de no conducción Tema 15. Convertidores DC/DC II. 29 de 39 Tema 15. Convertidores DC/DC II. 30 de 39 CONVERTIDORES CON AISLAMIENTO GALVÁNICO. Convertidor Forward CONVERTIDORES CON AISLAMIENTO GALVÁNICO. Convertidor Forward Funcionamiento del convertidor Forward Con el interruptor cerrado: V1 = Vd (0 < t < t on ) , im sube linealmente desde cero a I Lmmax . Cuando se abre el interruptor i1 = −i m N 1 ⋅ i1 + N 3 ⋅ i 3 = N 2 ⋅ i 2 , como hay un diodo D1 , i2 = 0 ⇒ la N1 corriente i3 = N ⋅ im fluirá a través del devanado auxiliar, 3 devolviendo energía a la batería. Durante tm, la tensión aplicada al primario y a Lm es: V1 = − tm N1 ⋅V N3 d se puede calcular de: (t on < t < t on + t m ) Vd ⋅ t on = m N1 ⋅ V ⋅ (t ) N3 d m ton tm N = 3 ⋅D TS N1 Se tiene que cumplir que: t m < toff ⇒ tm N < 1 − D luego : (1 - D max ) = 3 ⋅ Dmax N1 TS 1 Dmax = N3 1+ N1 Tema 15. Convertidores DC/DC II. 31 de 39 Convertidor Forward: Funcionamiento para D=0.4 Tema 15. Convertidores DC/DC II. 32 de 39 CONVERTIDORES CON AISLAMIENTO GALVÁNICO. Convertidor Forward CONVERTIDORES CON AISLAMIENTO GALVÁNICO. Convertidor Puente T1 Vd D3 D1 T3 D1 N2 A V1 B T2 iD1 D2 T4 iLm VL Vo1 iL Lm N1 D4 L R C N2 iD2 D2 Convertidor Puente con transformador m ton Convertidor Forward: Funcionamiento para D=Dmax Tema 15. Convertidores DC/DC II. 33 de 39 Tema 15. Convertidores DC/DC II. 34 de 39 Vo CONVERTIDORES CON AISLAMIENTO GALVÁNICO. Convertidor Puente T1 Vd A T2 io=iL(N2/N1) V1=Vd +iLm B D2 iD1= iL D3 D1 T3 T4 Vd A T2 D1 T3 iLm T4 T1 iL N2 N1 R C Vo Vd D3 D1 N2 N2 iD1=iL/2 V1=-Vd iLm T4 T1 iL R C Vo Vd D1 T3 D3 i1=0 D2 iD1=iL/2 y R C Vo D3 conduciendo io=- iLm V1=Vd iLm T2 y T3 conduciendo N2 ⋅ V − Vo N1 d Tema 15. Convertidores DC/DC II. D2 T4 D4 L VL iL Vo1=0 Lm B T2 D1 N2 A Vo1=Vd(N2/N1) T1 − T4 ⇒ V1 = +Vd N2 ⋅V ⇒ V01 = T2 − T3 ⇒ V1 = −Vd N1 d La tensión en la bobina es: iL Vo1=0 iD2=iL/2 D2 D4 Funcionamiento del Convertidor Puente: iD2= iL D2 VL = VL N2 N1 D2 L Lm R C iD2=iL/2 D2 Funcionamiento del Convertidor Puente: D1 y D4 conduciendo La relación de transformación se obtiene de integrar la tensión en la bobina en medio ciclo (ya que el otro medio es idéntico): N2 V N ⋅ Vd − Vo ⋅ D ⋅ TS = Vo ⋅ TS ⋅ (0.5 − D) ⇒ o = 2 2 ⋅ D Vd N1 N1 35 de 39 Vo N2 N1 D4 D1 VL Lm N1 i1=0 N2 io= iLm T2 L D3 A Vo1=Vd(N2/N1) T1 y T4 conduciendo iD1=0 D1 T 3 B iD2=0 D2 Funcionamiento del Convertidor Puente: Si conducen: VL Lm D4 io=iL(N2/N1) V1=-Vd iLm +iLm B D2 L N2 Funcionamiento del Convertidor Puente: T1 D1 CONVERTIDORES CON AISLAMIENTO GALVÁNICO. Convertidor Puente Tema 15. Convertidores DC/DC II. 36 de 39 CONVERTIDORES CON AISLAMIENTO GALVÁNICO. Convertidor Puente CIRCUITOS DE CONTROL DE CONVERTIDORES EAOUT 2 ERROR AMP EAINV 1 PWM COMPARATOR PWM LATCH 1.5V SD R RAMP 7 CS 3 OSCILLATOR CT CURRENT LIMIT COMPARATOR VCC-0.43V 5 OUT CLK REFERENCE & UVLO SLEEP COMPARATOR SLEEP 2.2V VCC 4 VCC UVLO 8 3V REF 3V REF GND 6 Diagrama de bloques del controlador UC1573 VIN +12V IN SLEEP RSLEEP 1MEG MSLEEP RCS RVSENSE1 91k RSLEEP 24k CVCC 10µF C 3VREF 100nF ton/2 CRAMP 680pF ton/2 RCOMP CCOMP 8 3VREF GND UC 1573 CBULK 10µF 7 RAMP 1 EAINV OUT 5 2 EAOUT RVSENSE2 39k CS 3 4 VCC MSWITCH LBUCK 6 GND DBUCK VOUT COUT 100µF GND +5V OUT Realización de un Convertidor Reductor con el controlador UC1573 Funcionamiento del convertidor Puente para D=0.3 Tema 15. Convertidores DC/DC II. 37 de 39 Tema 15. Convertidores DC/DC II. 38 de 39 CIRCUITOS DE CONTROL DE CONVERTIDORES POL REF MIN OFF-TIME GENERATOR 1 .2 5 V R EF POLARITY START-UP TRIG Q E R R OR AM P LX F /F S FB Q R S TA R T- U P C O M PA R AT OR ISET T R IG M AX O N -T IM E G E N E R AT O R Q (10µs) 1V SHD N C O N T R OL VCC G ND Diagrama de bloques del controlador MAX629 VIN +0.8V TO +24V Conectar si se usa una sola fuente C1 VCC +2.7V TO +5.5V 10µF 35V L1 47 µH C3 0 .1µ F D1 SHDN VCC FB C4 REF R1 576k 1% R2 31.6k 1% POL +24V LX MAX 629 ISET VOUT M BR 0 5 40 L CF 150pF C2 1 0µF 35V Realimentación de la tensión VOUT GND 0.1µ F Convertidor Elevador realizado con el controlador MAX629 Tema 15. Convertidores DC/DC II. 39 de 39
