apunte de choppers

5/26/2018 Apunte de Choppers

1/10

ELECTRNICA DE POTENCIA

CONVERSORES DC-DC

RECORTADOR o CHOPPER

GUA DE CLASES

PROFESOR: AUGER AYAGUER H.

v2008


2/10

Auger Ayaguer Uchile 2008 EP_Chopper_uch8b.doc

2

CONVERSORES DC-DC

Definicin.

El conversor DC-DC, llamado tambin Recortador o Chopper, permite convertir tensin continuafija a tensin continua de magnitud variable.

DC(fija) DC(variable)

Clasificacin segn el sentido del flujo de potencia:Chopper clase A: Cuadrante I Vcc> 0 Icc > 0Chopper clase B: Cuadrante II Vcc> 0 Icc < 0

Chopper clase C: Cuadrantes I y II Vcc> 0 Icc < >0

Chopper clase D: Cuadrantes I y IV Vcc < > 0 Icc >0

Chopper clase E: 4 Cuadrantes Vcc < > 0 Icc < >0

Clasificacin segn el nivel del voltaje de salida:Reductor de tensin (Step-Down).

Elevador de tensin (Step-Up).

Reguladores de conmutacin (Switching-mode Regulators)Regulador Buck.

Regulador Boost.

Regulador Buck-Boost.Regulador Ck.


3/10


3

1. CHOPPER BIDIRECIONAL.

Funcin.El chopper se alimenta desde una fuente de tensin continua y genera tensin continua ajustable.

Configuracin.El chopper bidireccional (Clase C) se compone de 2 interruptores. La carga RLE serie se conecta a labarra positiva o a la negativa.

iS

E

+

S2

VF_ +

_

+

_

La RaS1

vS

iF

Operacin de los interruptores.Los 2 interruptores operan secuencialmente con las siguientes restricciones:

a) Los dos interruptores no deben cerrarse ni abrirse simultneamente. (cortocircuito entre terminales

de la fuente continua o bien sobretensin por interrupcin de la corriente inductiva).b) Los interruptores deben ser bidireccionales para poder conducir las corrientes inductivas.

Modelo (circuito equivalente).La operacin de los 2 interruptores puede representarse mediante un conmutador de 2 posiciones, lo

que define 2 estados posibles (vS(t) = VF, 0 ).

iS

E

+

VF

vS

_ +

_

+

_

La Ra

S

1

2

iF

0 T

t1 t2

VF

vS

iS

I1

I2

t1

t1 t

Fig.1: Forma de onda de la tensin y la corriente de salida del chopper.

t1: tiempo S1cerrado t2: tiempo S2cerrado Periodo T = t1+ t2


4/10


4

El voltaje medio o continuo a la salida es:1

0 0

1 1( ) ( )

T t

cc s sV v t dt v t dt T T

11cc F F F

tV V f t V V

T (1)

Modos de operacin que permiten controlar la magnitud de Vcc:a) Modulacin por ancho de pulso (PWM): Operacin a frecuencia constante (T cte), vara el tiempo

t1= T .b) Modulacin de frecuencia: Operacin a frecuencia variable (f =1/T), manteniendo t1 (o t2) constante.

Control por modulacin de ancho de pulso.La tensin Vcc vara linealmente con el ciclo de trabajo. (duty cycle)

Vcc = VF 0 1 = t1/ T

La corriente de salida iS se obtiene de las ecuaciones (para corriente no discontinua):

VF= R iS(t) + L diS/dt + E 0 t < t1

0 = R iS(t) + L diS/dt + E t1 t < T

Resulta para los valores mximo y mnimo de la corriente, las siguientes expresiones:

Imx = I2= I1 e T R/L + ((VFE) /R) (1 e

T R/L)

Imn = I1= I2 e (1 ) T R/L (E /R) (1 e

(1 ) TR/L)

El zumbido (peak-peak) de corriente ser I = I2 I1

I = VF(1 eT R/L + e

T R/L e

(1 ) TR/L ) / R (1 e T R/L

)

Para= 0.5 se obtiene el mximo zumbido I mx = (VF/R) tanh (R/4f L)que se aproxima a I mx VF/4f L si 4f L >> R

Corriente continua a la salida: 1 2

0

1( )

2

T

cc s

I II i t dt

T

(2)

Potencia continua a la salida: Pcc =Vcc Icc (3)si VF> E Icc > 0 Pcc > 0si VF= E Icc = 0 Pcc = 0si VF< E Icc < 0 Pcc < 0

En el ltimo caso, la operacin es estable slo si E VF

Si las prdidas en los interruptores son despreciables, del balance de potencia activa se obtiene:

Pcc = Vcc Icc = VFIF Vcc / VF = IF / Icc =


5/10


5

2. IMPLEMENTACIN DE LOS INTERRUPTORES BIDIRECCIONALES

Los interruptores que conforman el Chopper pueden implementarse mediante los siguientes

dispositivos semiconductores. Las limitantes sern el tiempo de conmutacin y la potencia disipadaen los dispositivos.

a) Tiristor apagable por compuerta GTO

b) Transistor bipolar BT

c) Transistor de compuerta aislada IGBTd) Transistor de efecto de campo MOSFET

(E)

(C)

(B)

GTO BT IGBT MOSFET

(A)

(K)

(G)(G)

(S)

(D)

(E)

(C)

(G)

Fig.2: Configuracin del interruptor bidireccional con control unilateral.

Fig.3: Rangos de potencia y frecuencia de aplicacin de los dispositivos.


6/10


6

3. APLICACIONES DEL CHOPPER

a) Variador de velocidad para motores de corriente continua en vehculos elctricos: automvil,trolebus, trenes etc

b) Regulador en fuentes de alimentacin conmutada (Fuente de switching SMPS) para

computadores y equipos electrnicos.

Reguladores de conmutacin: Permiten obtener tensin continua regulada a la salida

i) Regulador Buck (Reductor de tensin).

Fig.4 Regulador Buck. Operacin con corriente no discontinua en la inductancia.

0 1C

F

V

V t1= T


7/10


7

ii) Regulador Boost (Elevador de tensin).

Fig.5 Regulador Boost. Operacin con corriente no discontinua en la inductancia

10 1

1

C

F

V

V

t1= T

VC /VF

0,25 4/30,50 2

0,75 4

La operacin es estable slo si VC > VF ( la corriente debe decrecer durante el periodo t2 ).


8/10


8

iii) Regulador Buck-Boost (Reductor/Elevador de tensin (polaridad invertida)).

Fig.6 Regulador Buck-Boost. Operacin con corriente no discontinua en la inductancia

0 11

C

F

V

V

t1= T

VC /VF

0,25 1/30,50 1

0,75 3

iiib) Regulador Flyback (Reductor/Elevador de tensin ).

0 11

C

F

V

V

Ref.: Rashid, M.H.,"Power Electronics, Circuits, Devices and Applications", 2nd ed., Prentice Hall, 1993.


9/10


9

iv) Regulador Ck (Reductor/Elevador de tensin (polaridad invertida)).

Fig.7 Regulador Ck. Operacin con corriente no discontinua en las inductancias.

0 11

C

F

V

V

t1= T

A partir del regulador Ck, puede configurarse un Conversor DC-DC de 4 cuadrantes con aislacin

elctrica entre entrada y salida mediante acoplamiento magntico. Tiene aplicacin enInstrumentacin, control de Servo motores y Amplificadores de audio.

Ref: Middlebrook, R.D., and S. Cuk, "Advances in Switched-Mode Power Conversion, Volumes I and II".


10/10


10

BIBLIOGRAFA

1. Bedford, B.D., and R.G. Hoft, "Principles of Inverter Circuits", Wiley, 1964.

2. Sze, S.M., "Semiconductor Devices and Technology", Wiley, 1985.

3. Middlebrook, R.D., and S. Cuk, "Advances in Switched-Mode Power Conversion, Volumes I and II", 2nd ed.,

TESLAco, 1983.

4. Cuk, S., and R. D. Middlebrook, "Advances in Switched-Mode Power Convertion", Volume III, TESLAco, 1983.

5. Severns, R.P., and G. Bloom, "Modern DC-DC Switchmode Power Conversion Circuits, Van Nostrand Reinhold Co.,

1985.

6. Baliga, B.J., "Modern Power Devices", J. Wiley, 1987.

7. Thorborg, K., "Power Electronics", Prentice Hall, 1988.

8. Gualda, J.A., S. Martnez , y P. Martnez , "Electrnica industrial: Tcnicas de potencia", Marcombo, 2 ed. 1992.

9. Rashid, M.H.,"Power Electronics, Circuits, Devices and Applications", 2nd ed., Prentice Hall, 1993.

10. Gottlieb, I.M., "Power Supplies, Switching Regulators, Inverters, and Converters", 2nd ed., Blue Ridge Summit, PA :

TAB Books, 1994.

11. Vithayathil, J., "Power Electronics: Principles and Applications", McGraw-Hill, 1995.

12. Kazimierczuk, M.K., and D. Czarkowski, "Resonant Power Converters", Wiley, 1995.

13. Mohan, N., T.M. Undeland, and W.P. Robbins, "Power Electronics: Converters, Applications, and Design", 2nd ed.,

Wiley, 1995.

14. Shepard, W., L.N. Hulley, and D.T. Liang, "Power Electronics and Motor Control", 2nd ed., Cambridge University

Press, 1995.

15. Baliga, B.J., "Power Semiconductor Devices", PWS Publishing Co., Boston, 1996.

16. Erickson, R.W., "Fundamentals of Power Electronics", Chapman & Hall, 1997.

17. Sandler, S.M., "SMPS simulation with SPICE 3", McGraw-Hill, 1997.

18. Wu, K.C., "Pulse width modulated DC/DC converters", Chapman & Hall, 1997.

19. Krein, P.T., "Elements of Power Electronics", Oxford University Press, 1998.

20. Pressman, A.I., "Switching Power Supply Design", 2nd ed., McGraw-Hill, 1998.

21. Billings, K.H., "Switch-mode Power Supply Handbook", 2nd ed., McGraw-Hill, 1999.

22. Basso, C.P.,"Switch-mode power supply SPICE cookbook", McGraw-Hill, 2001.

23. Erickson, R.W. and D. Maksimovic, "Fundamentals of Power Electronics", 2nd ed., Kluwer Academic, 2001.

24. Holmes, D.G. and Lipo, A., Pulse Width Modulation for Power Converters, IEEE Press, John Wiley, 2003.

apunte de choppers

Documents