CONVERTIDORES DC

CONVERTIDORES DC - DC
ELECTRONICA
TERMODINAMICA
FISICA DE
SEMICONDUCTORES
ELECTROMAGNETISMO
PROCESAMIENTO
DE POTENCIA
TEORIA DE CONTROL
SIMULACION
MAQUINAS ELECTRICAS
CONFIABILIDAD
PROCESAMIENTO DE
SEÑAL
G
CONVERTIDORES DC - DC
OBJETIVOS DEL MÓDULO:
INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE TÉCNICAS DE CONVERSIÓN ELECTRÓNICA DE POTENCIA
ESTUDIO DE COMPONENTES PASIVOS Y ACTIVOS EN APLICACIONES DE POTENCIA
ANÁLISIS Y CÁLCULO DE ESTRUCTURAS BÁSICAS DE CONVERSIÓN DC/DC
MODELACIÓN Y CONTROL DE SISTEMAS DE ESTRUCTURA VARIABLE (NO-L.T.I.)
ORGANIZACIÓN: (5 SESIONES)
INTRODUCCIÓN: Paradigma del procesamiento de energía (eficiencia/densidad volumétrica energía/
costo/stress/controlabilidad/frecuencia conmutación)- Elementos circuitales- Estimación de pérdidasTOPOLOGÍAS BÁSICAS: Forward / Flyback / Boost- Inclusión de transformador de aislación- Cálculo
de elementos de filtro basados en prestaciones. Práctica demostrativa.
MODELACIÓN DE SISTEMAS DE ESTRUCTURA VARIABLE: El método de promediación de estados.
SIMULACIÓN CIRCUITAL: Verificación funcional de regímenes de operación. (LTSpice / NL5)
PROYECTO: Diseño y compensación de convertidor DC-DC tipo forward. Discusión.
G
INTRODUCION
CASO LINEAL: REGULADOR DISIPATIVO + CONTROL:
TENSION DE ENTRADA VARIABLE. REGULADOR?
POTENCIA DE SALIDA= 240W – POTENCIA DE ENTRADA= ?
EFICIENCIA ?
FACTOR DE FORMA CORRIENTE DEL RECTIFICADOR?
RED ELÉCTRICA?
DIODOS
INTERFERENCIA?
DISTORSIÓN DE RED?
FACTOR DE POTENCIA?
DISIPADOR?
COSTO?
VOLUMEN?
POTENCIA DE
ENTRADA
ENFOQUE GENERAL:
FUENTE DE ENTRADA DC (CORRIENTE O TENSIÓN)
CARGA DE SALIDA DC (CORRIENTE O TENSIÓN)
EFICIENCIA: L, C, TRANSFORMADORES, SWITCHES !
SISTEMA DE CONTROL ORIENTADO AL PROCESADOR DE POTENCIA
VOLUMEN, COSTO, INTERFERENCIA, DINÁMICA?
POTENCIA DE
SALIDA
PROCESADOR DE
POTENCIA
CARGA
VI
II
VO
IO
VARIABLES DE
CONTROL
CONTROLADOR
FEEDFORWARD
REALIMENTACION
REFERENCIA
G
INTRODUCION
PROCESADOR NO LINEAL: REGULADOR CONMUTADO + CONTROL
FRECUENCIA DE CONMUTACIÓN FIJA Fs
CONTROL DEL CICLO DE TRABAJO D(t), 0<D(t)<1
INTERES EN LAS VARIABLES PROMEDIO SOBRE T=1/Fs
SISTEMA CON ESTRUCTURA VARIABLE
DOS ENTRADAS, NO APLICA LINEALIDAD
HIPÓTESIS CCM: IL>0
REDUCIDO RIPPLE
IMPLEMENTACIÓN
CIRCUITAL PARCIAL
G
CONVERTIDORES DC-DC EN ESTADO ESTACIONARIO
CASO 1: FORWARD (BUCK)
CICLO DE TRABAJO:
0 HIPÓTESIS CCM: IL>0
REDUCIDO RIPPLE: ∆Vo<<Vo
UN SWITCH ACTIVO (FORZADO)
UN SWITCH PASIVO (NATURAL)
VA
VCC
+
L
IL
+
C
ைே
1
ௌ
CARGA
V RAMP
V CONT
COMPARADOR
PWM
ESTADO ON:
‫ܮ‬
݀݅‫ܮ‬
‫ܦ‬. ܶܵ
= ሺܸ‫ ܥܥ‬− ܸܱ ሻ → ∆‫ܮܫ‬+ =
. ሺܸ‫ ܥܥ‬− ܸܱ ሻ (1)
݀‫ݐ‬
‫ܮ‬
ESTADO OFF:
ESTADO ESTACIONARIO:
∆௅ା −‫ܮ‬
݀݅‫ܮ‬
(1 − ‫)ܦ‬. ܶܵ
= ܸܱ → ∆‫ܮܫ‬− =
. ܸܱ (2)
݀‫ݐ‬
‫ܮ‬
∆௅ି
VO
RELACIÓN DE
CONVERSIÓN:
ை . ஼஼
PROPORCIONALIDAD=> LINEALIDAD ?
G
CONVERTIDORES DC-DC EN ESTADO ESTACIONARIO
CASO 1: FORWARD (BUCK)
LÍMITE DE CONDUCCIÓN CONTÍNUA (CCM / DCM)
ESTADO ON:
݀݅‫ܮ‬
‫ܦ‬. ܶܵ
= ሺܸ‫ ܥܥ‬− ܸܱ ሻ → ∆‫ܮܫ‬+ =
. ሺܸ‫ ܥܥ‬− ܸܱ ሻ (1)
݀‫ݐ‬
‫ܮ‬
IL +
‫ܮ‬
-
IL
OFF1
OFF2
ESTADO OFF1:
−‫ܮ‬
݀݅‫ܮ‬
(1 − ‫)ܦ‬. ܶܵ
= ܸܱ → ∆‫ܮܫ‬− =
. ܸܱ (2)
݀‫ݐ‬
‫ܮ‬
ESTADO OFF2:
RELACIÓN DE
CONVERSIÓN:
ை . ஼஼
, ை
2. . ை
. . ஼஼ ௌ
ை ∆௅
2
G
CONVERTIDORES DC-DC EN ESTADO ESTACIONARIO
CASO 1: FORWARD (BUCK)
VA
VCC
+
L
IL
Ts
+
C
TON
CARGA
Q
t
V RAMP
V CONT
IL +
IL
IL
-
IL
IO
CASO CONDUCCIÓN CRÍTICO (LÍMITE)
t
COMPARADOR
PWM
INDUCTOR CRÍTICO (MÍNIMO)
∆௅ 2. ை →
CÁLCULO DE RIPPLE DE TENSIÓN EN CCM:
஼ ை 1 ௠௜௡ . ௌ
2. ை௠௜௡
Ts
TON
∆ ∆௅ ௌ 1
ை 1 . ௌଶ
∆ை . .
8. . 2 2 2
Q
t
IL
VO
Q
IL
IO
Q
∆ை
1 →
ை
8. . . ௌଶ
1
∆ை
஼
1 . ଶ
2
ை
ௌ
ଶ
RIPPLE RELATIVO DE TENSIÓN
t
VC
VO
VO
t
RESPUESTA DEL FILTRO LC
G
CONVERTIDORES DC-DC EN ESTADO TRANSITORIO
CASO 1: FORWARD (BUCK)
VA
VCC
+
L
IL
+
C
RESPUESTA TRANSITORIA EN LAZO ABIERTO A
UN ESCALÓN DE CARGA
ESCALÓN DE CARGA POSITIVO
VO
CARGA
ைሺெூேሻ → ைሺெ஺௑ሻ
V RAMP
V CONT
COMPARADOR
PWM
ொ .
௅ெ஺௑ ௅ெூே
஼஼ ை
∆ை .
௅ெ஺௑ ௅ெூே
2. ஼஼ ை
ொ .
௅ெ஺௑ ௅ெூே
ை
∆ை .
௅ெ஺௑ ௅ெூே
2. . ை
El lazo de control fuerza D=1
durante el transitorio.
ESCALÓN DE CARGA NEGATIVO
El lazo de control fuerza D=0
durante el transitorio.
ைሺெ஺௑ሻ → ைሺெூேሻ
ଶ
ଶ
* Se asume pequeña perturbación
G
MODELIZACIÓN POR PROMEDIACIÓN DE ESTADOS
SISTEMA DE ESTRUCTURA VARIABLE
NO LINEAL
VARIANTE EN EL TIEMPO
SUPOSICIONES DE VALIDEZ:
ESTACIONARIEDAD
ESTRATEGIA DE CONTROL PWM (FREC. CONSTANTE)
CONDUCCIÓN CONTÍNUA
PEQUEÑA SEÑAL / PERTURBACIÓN
SECUENCIALIDAD DE ESTADOS
LINEALIDAD APLICABLE A/C ESTRUCTURA
LIMITACIÓN DINÁMICA (INTERÉS EN PROMEDIOS)
Variable binaria (n-aria en gral.)
Define unívocamente estado
topológico del circuito.
1 ௧ା்ೄ
. ௌ ௧
OBJETIVO DEL ANÁLISIS:
DESCRIPCIÓN
DEL SISTEMA:
. . ࡵ
ࡻ . ૚ . ૚ . ࡵ
ESTADO 1
ࡻ ૚ . ૛ . ૛ . ࡵ
ࡻ ૛ . DECOMPOSICIÓN DE V.E.
૚ . ૛ . ૚ . ૛ . ૚ . ૛ . ESTADO 2
ࡷ ࡷ ࡷ
PROMEDIACIÓN
G