Tema 3º

Tema 3º
Convertidores CC-CC
Temario
3.- Convertidores de tensión CC-CC. 6h
3.1.- Reguladores lineales de tensión.
3.2.- Convertidor conmutado básico.
3.3.- Convertidor reductor.
3.4.- Convertidor elevador.
3.5.- Convertidor reductor-elevador.
3.6.- Convertidor Cuk.
3.7.- Efectos no ideales.
3.8.- Funcionamiento con corriente discontinua.
Reguladores Lineales de Tensión
Reguladores Lineales de Tensión
Reguladores lineales de 3 terminales
Cacterísticas
Cacterísticas
Esquemas típicos.
Esquemas típicos.
Regulador lineal configurable.
Circuitos típicos.
Circuitos típicos.
Reguladores conmutados.
Circuitos electrónicos de potencia que convierten una tensión
continua en otra de diferente nivel.
La regulación se hace mediante unos circuitos conmutados
para conseguir el mínimo de pérdidas posible.
Las ventajas frente a los reguladores lineales son:
•
•
Mayor rendimiento. Cerca del 90% frente a menos del 50%.
Menor tamaño al usar componentes de filtrado más pequeños.
Las desventajas son:
•
•
Lentitud frente a los cambios en la carga o en la línea.
Emisión de interferencias electromagnéticas muy elevadas.
Clasificación de convertidores
Reductor: La tensión de salida es menor que la de
entrada.
Elevador: La tensión de salida es mayor que la de
entrada.
Reductor-Elevador: La tensión de salida puede ser
mayor o menor pero invertida.
Cuk: Igual que el reductor-elevador pero para el
almacenaje de energía se usa un Condensador.
Convertidor Reductor (Step-Down)
Topología. S1 y S2 no podrán estar cerrados a la vez.
Si se quiere obtener una tensión continua pura a la salida, es
necesario utilizar un filtro L-C que absorba las conmutaciones
manteniendo constante la corriente por la carga. El S2
proporciona un camino a la corriente de la bobina cuando el
interruptor S1 se abre.
Formas de Onda de V e I
VI-VO
VL
Formas de onda presentes en
el circuito ideal anterior.
Se definen a “ton”, tiempo durante
el que el interruptor S1 está cerrado
y S2 abierto; mientras que “toff” será
el tiempo en que S1 está abierto y
S2 cerrado.
Nótese que las corrientes de rizado
del inductor y del condensador son
idénticas.
tON
tOFF
VO
IL
IL
IC
IL
IS1
IS2
Formulación
Definiremos en primer lugar el “ciclo de trabajo” (D) como:
D=
t ON
tON + tOFF
La tensión de salida, idealmente, dependerá de la de entrada y
del ciclo de trabajo mediante la relación:
VO = D.VI
La corriente por la bobina es periódica:
iL ( t + T ) = iL ( t )
Formulación
Rizado de la tensión de salida.
Inductancia mínima
 iL
1
=IL 
2
2
 iL
1
Imín =IL−
=IL −
2
2
Imáx =IL 
[
[
]
]
VO
 1−D  T
L
VO
 1−D  T
L
Q=C. V O
1 T.  i L
Q=
8 8
V  1−D 
 V O= O
8. L.C.f 2
Como Imín=0
L mín=
 1−D  . T.V O
2. IL
aunque
 V O= IL .ESR
Convertidor Elevador (Step-Up)
Igual que en el reductor, los dos interruptores no pueden
estar cerrados a la vez. En este caso, la inductancia actúa
como almacén de energía magnética que me permitirá
obtener una tensión de salida mayor que la de entrada
Formas de Onda.
Formulación.
Partiendo de
v L =V I−V O=L
di L
dt
Suponiendo que la corriente
cambie de forma lineal
 iL
 iL
V −V O
=
= I
 t  1−D  T
L
VI
V O=
1−D
Si la potencia de entrada y de salida son iguales
V I .IL =IO . V O=
IL =
VI
V 2I
 1−D 
 1−D 
2
.
VO
IO
2
.
VO
IO
Formulación.
Inductancia mínima.
Imáx =IL 
 iL
VI
IO V I .D. T
=

2
2
2L
 1−D  V O
Imín=0=IL −
 iL
VI
IO V I .D. T
=
−
2
2
2L
 1−D  V O
Rizado de la tensión de salida.
Q=IO .D. T=C.  V O
I .D. T IO .D
 V O= O
=
C
C.f
2
D  1−D  . V O . T
L mín=
2IO
Pero hay que tener en cuenta
 IL .ESR = V O
Convertidor Elevador-Reductor
S1 y S2 no pueden estar cerrados a la vez
Formas de Onda.
Formulación.
Suponiendo corriente constante por la bobina.
V O=−V I .
[ ]
D
1−D
Si D>0.5 entonces la salida será mayor que la entrada y si D<0.5, será menor
Inductancia y capacidad
2
Lmín =
 1−D  . V O
2. f.IO
D.IO
 V O=
V O .C. f
Convertidor Cuk
S1 y S2 no pueden estar cerrados a la vez
Formulación.
Suposiciones:
•El valor de las bobinas es muy grande.
•El valor de los condensadores es muy grande.
•El circuito opera en régimen permanente.
•Los conmutadores son ideales.
•Las bobinas funcionan en régimen continuo.
 
D
1−D
1−D
 V O=
8.L2 .C2 . f 2
I .D
 v C1= O
C1 . f
V O=−V I
2
L1, mín =
 1−D  V O
2. D.f .IO
 1−D  V O
L 2,mín =
2. f.IO
Efectos no ideales.
Caídas de tensión en los interruptores.
Por ejemplo: comparación entre la fórmula ideal y real para un STEP-DOWN.
V O=V I .D
V O=V I .D−V S1 .D−V S2  1−D 
Resistencia del Condensador.
 V O ,ESR = iC . r C
 V O V O ,C V O ,ESR
Resistencia de la bobina.
Por ejemplo: comparación entre la fórmula ideal y real para un STEP-UP
V O=
 
VO
1−D

1
1
rL
R  1−D 
2

Funcionamiento con corriente discontinua.
Convertidor reductor.
V O=V I .
V O=V I


D
DD1


2D
D D2 
8L
RT
