curso electronica industrial
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7/29/2019 Curso Electronica Industrial
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Electrnica Industrial
Luis A. GlcherEscuela de Ingeniera Elctrica
Universidad de Costa Rica
I-2012
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ROL DE LA ELECTRONICA DE POTENCIA
Interfase
fuente cargaconvertidor
controlador
La interfase, construida con electrnica de potencia, facilita la transferencia de potencia
desde la fuente a la carga, convirtiendo los voltajes y corrientes desde una forma a otra, en
la cual es posible que la fuente y la carga intercambien papeles. El controlador mostradopermite la administracin de la transferencia de potencia, en la cual la conversin de
voltajes y corrientes, debe ser lograda con la mayor eficiencia y con la mayor densidad
como sea posible.
Aplicaciones
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MUCHAS APLICACIONES
Niveles de potencia que se encuentran en los convertidores de alta eficiencia:
menos que 1 W, en equipos porttiles alimentados por batera
menos ue Miles W, en fuentes de oder, com utadoras, e ui o de oficina
menos que Millones W, en variadores de velocidad
menos que Giga W, en rectificadores e inversores de compaas distribuidoras
Aplicaciones
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ALIMENTANDO LOS EQUIPOS DE COMPUTO
Convertidor
PotenciaVentrada Vsalida
Toma
Corriente
24 Vdc 5 Vdc
ControladorVref
.
0.5 Vdc
Aplicaciones
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CONVERTIDOR BOOST
Celda Solar
.
Aplicaciones
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VARIADORES DE VELOCIDAD
fuente
Variador de Velocidad
Convertidor
Potencia MotorCarga
Forma
Forma
fijaPosicin /
Velocidad
Sensores
Controlador
var a e
Potencia
Seal
Entrada en
Posicin /
Velocidad
Aplicaciones
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CALENTAMIENTO POR INDUCCION
fuente Seal de Alta Frecuencia ACConvertidor
Aplicaciones
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SOLDAR ELECTRICAMENTE
fuente Seal DCConvertidor
Aplicaciones
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ENERGIA Y EL AMBIENTE
Iluminacin,Cmputo,
Motores,
51%
Acondicionado, 16%
Porcentaje del uso de la electricidad en pases desarrollados
Aplicaciones
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ROL DE LOS VARIADORES DE VELOCIDADEN LOS SISTEMAS DE BOMBEO
fuente Variador
Velocidad
Salida
Entrada
Bomba
Aplicaciones
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LAMPARAS FLUORESCENTES COMPACTAS
fuente Lmparas Fluorescentes CompactasConvertidor
Aplicaciones
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TRANSPORTE
Aplicaciones
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SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
dc Convertidor
Aplicaciones
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SISTEMAS GENERACIN ELICA
Generador y
Aplicaciones
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UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLIES
UPS
fuentecarga
crtica
Aplicaciones
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AVIACION
Sistema de Distribucin Elctrico
Tolerante a Fallas
Accesorios ElectrnicosAire Acondicionado Electrnico
Accesorios Turbinas
esconge am ento ctr co
Frenos Electrnicos
Arrancaodor Electrnico
Controladore de Potencia
Electrnicos
Actuadores de Ala
Electrnicos
Terminales Remotos Electrnicos
Aplicaciones
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SATELITES
Aplicaciones
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Electrnica Industrial
Introduccin
Introduccin
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INTRODUCCION A LA ELECTRONICA DE
POTENCIA
Potencia
Entrada
Potencia
SalidaConvertidor
Entrada
Control
Conversin DC- DC: Cambiar y controlar la magnitud del voltaje
Rectificacin AC-DC: Posiblemente controlar el voltaje DC y la corriente ACInversin DC-AC: Producir una senoidal de amplitud y frecuencia variable
Cicloconversin AC-AC: Cambiar amplitud y frecuencia
Introduccin
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EL CONTROL DEFINITIVAMENTE SE
REQUIERE
Potencia
Entrada
Potencia
SalidaConvertidor
Controlador
Entrada
Control
SalidaRetroalimentacinEntradaRetroalimentacin
referencia
Introduccin
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ALTA EFICIENCIA ES ESENCIAL
nnnn = PentradaPsalida
Pperdida = Pentrada Psalida = Psalida
nnnn
1 1nnnn
Pperdida/ Psalida
Alta eficiencia indica bajas prdidas de potencia en
el convertidor
Es factible tamaos pequeos y una operacin
robusta
La eficiencia es un buen indicador del desempeo
de un convertidor
Introduccin
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UN CONVERTIDOR DE ALTA EFICIENCIA
Pentrada
Convertidor
La meta de la tecnologa actual es construir convertidores livianos y pequeos, que
procesen alta potencias con altas eficiencias.
Introduccin
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DISPOSITIVOS DISPONIBLES AL
DISEADOR
Resistencias Capacitores Inductores Dispositivos Semiconductores
modo lineal
corte - saturacin
Introduccin
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DISPOSITIVOS DISPONIBLES AL
DISEADOR
Resistencias Capacitores Inductores Dispositivos Semiconductores
En procesamiento de seales se evitan los inductores.
modo lineal
corte - saturacin
Introduccin
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DISPOSITIVOS DISPONIBLES AL
DISEADOR
modo linealcorte - saturacin
Resistencias Capacitores Inductores Dispositivos Semiconductores
En procesamiento de potencia se evitan los dispositivos con prdidas.
Introduccin
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PERDIDA DE POTENCIA EN UN SWITCH
IDEAL
Switch Cerrado: vvvv(t) = 0
Switch Abierto: iiii(t) = 0
En cualquier evento:pppp(t) = vvvv(t) iiii(t) = 0
Un switch ideal consume cero potencia
Introduccin
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UN EJEMPLO SENCILLO DE UN
CONVERTIDOR DC-DC
Convertidor
DC-DC
Voltaje de Entrada: 100VdcCarga: 50Volts, 10 Amps, 500W
Cmo podemos construir este convertidor?
Introduccin
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CONSTRUCCION CON PERDIDAS
P erdida =
Divisor de Resistencias
Pentrada= 1000 WPsalida = 500 W
Introduccin
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CONSTRUCCION CON PERDIDAS
Pperdida = 500 W
Regulador Serial: Transistor opera en la regin activa
Pentrada= 1000 WPsalida = 500 W
AmplificadorLineal
Introduccin
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USANDO UN SWITCH
posicinswitch
Introduccin
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EL SWITCH CAMBIA EL NIVEL DEL VOLTAJE
posicin
razn de trabajo
periodo de conmuntacin
switch
Componente DC de = valor promedio
Introduccin
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INCORPORE UN FILTRO PASA BAJAS
Pperdida = muy baja
Incorpore un filtro pasa-bajas LC, para eliminar las armnicas de alta frecuencia:
Pentrada= 1000 W
Psalida= 1000 W
Este circuito se conoce como el convertidor buck
Introduccin
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INCORPORE UN SISTEMA DE CONTROL
PARA REGULAR EL VOLTAJE DE SALIDA
Potencia
EntradaCarga
Convertidor de Conmutacin
Sensor
seal
error
compensador
Modulador
Ancho Pulso
referencia
Introduccin
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EL CONVERTIDOR BOOST
Introduccin
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UN INVERSOR SENCILLO
PUENTE-H
Module la razn de trabajo
para obtener una onda
senoidal de baja frecuencia
Introduccin
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COMPUTADORA LAPTOP
Cargador
Rectificador
Inversor
Buck
Microprocesador
Monitor
voltaje de entrada85-265Vrms
RectificadorPWM
Buck
Boost
BateraLitio Disco
Duro
AdministracinEnerga
Introduccin
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SISTEMA POTENCIA SATELITE
CeldasSolares
Regulador
Shunt
Bateras Bateras
CargadoresBateras
CargadoresBateras
ConvertidorDC-DC
ConvertidorDC-DC
Carga
Rentada
Carga
Rentada
Introduccin
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POTENCIA DEL VEHICULO ELECTRICO
Batera
Inversor Inversor
Motor AC Motor AC
Microproce
bus de control
Convertidor
DC-DC
Cargador
Batera
Inversor Inversor
Motor ACMotor AC
electrnica
Votaje DC
Frecuencia VariableVoltaje Variable
Introduccin
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Electrnica Industrial
Principios de Anlisis deConvertidores en Estado
Estacionario
Convertidores en Estado Estacionario
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Principios de Anlisis de Convertidores en Estado Estacionario
1. Introduccin.
2. Balance de volt-segundos en el Inductor, Balance deCarga en el Capacitor y la Aproximacin de RizadoPequeo.
3. Convertidor Buck.
4. Convertidor uk.
5. Estimacin del rizado en convertidores que contienenfiltros pasa bajas de dos polos.
6. Resumen de Puntos Clave.
Convertidores en Estado Estacionario
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Introduccin:
Convertidor Buck
Convertidores en Estado Estacionario
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Componente DC del Voltaje de Salida del Switch
Convertidores en Estado Estacionario
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Inclusin de un filtro pasa bajas para remover las armnicas de conmutacin
y dejar pasar slo la componente DC
Convertidores en Estado Estacionario
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Tres convertidores bsicos DC-DC
Convertidores en Estado Estacionario
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Objetivos de esta seccin
Desarrollar tcnicas para la fcil determinacin del voltajede salida de un circuito convertidor arbitrario.
Derivar los principios del balance volt-segundos en elinductory el balance de carga (amp-segundos) en el
.
Introducir el concepto de la aproximacin de pequeorizado.
Desarrollar mtodos simples para seleccionar los valoresde los elementos del filtro pasa bajas.
Ilustrar mediante ejemplos.Convertidores en Estado Estacionario
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Balance volt-segundos en el Inductor, balance de Carga en
el Capacitor y aproximacin de pequeo rizado
Convertidores en Estado Estacionario
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La aproximacin de pequeo rizado
n un conver or en se a o, e r za o e vo a e e sa a es peque o.
Por eso, las formas de onda pueden ser fcilmente determinadasignorando el rizado.
Convertidores en Estado Estacionario
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Anlisis del Convertidor Buck:
forma de onda de corriente del inductor
Convertidores en Estado Estacionario
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Voltaje y Corriente del Inductor
Subintervalo 1: interruptor en posicin 1.
Voltaje del Inductor.L
+
iL(t)
+ vL(t) i (t)
.
Aproximacin del pequeorizado.
Encontrar la pendiente.
C R v(t)
+ vL(t) iC(t)
+
Vg
Convertidores en Estado Estacionario
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Voltaje y Corriente del Inductor
Subintervalo 1: interruptor en posicin 1.
Convertidores en Estado Estacionario
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Voltaje y Corriente del Inductor
Subintervalo 2: interruptor en posicin 2.
Voltaje del Inductor.L
+
Aproximacin del pequeorizado.
Encontrar la pendiente.
C R v(t)
iL(t)
iC
t
+
Vg
Convertidores en Estado Estacionario
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Voltaje y Corriente del Inductor
Subintervalo 2: interruptor en posicin 2.
Convertidores en Estado Estacionario
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Formas de onda del voltaje y la corriente del inductor
vL(t)
tDTs Ts
iL(t)
tConvertidores en Estado Estacionario
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Formas de onda del voltaje y la corriente del inductor
Convertidores en Estado Estacionario
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Determinacin del rizado de la corriente del inductor
Convertidores en Estado Estacionario
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Forma de onda de la corriente del inductor durante el transciente
de encendido
iL(t)
t
Convertidores en Estado Estacionario
d d d l d l d d l d
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Forma de onda de la corriente del inductor durante el transciente de
encendido
Convertidores en Estado Estacionario
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El principio del balance volt-segundos en el inductor:
Convertidores en Estado Estacionario
B l lt d l i d t
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Balance volt-segundos en el inductor:
Ejemplo en el Convertidor Buck
Convertidores en Estado Estacionario
El principio del balance de carga en el capacitor:
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El principio del balance de carga en el capacitor:
Derivacin.
Convertidores en Estado Estacionario
Resumen de las Tcnicas para el Anlisis en Estado Estacionario de
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1. Aproximacin lineal del rizado
Resumen de las Tcnicas para el Anlisis en Estado Estacionario de
convertidores en conmutacin
V
IvC
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Estudiar pginas 1a61.Hacer ejercicios delTutorialpginas 2a118,Modo deConduccin Continuo.
Preparacin para lasiguiente clase:Leerpginas 6a9.
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Ejemplo con el convertidor Boost
Convertidores en Estado Estacionario
l d l d
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Anlisis del convertidor Boost
Convertidores en Estado Estacionario
S bi t l 1 I t t i i 1
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Subintervalo 1: Interruptor en posicin 1
Convertidores en Estado Estacionario
S bi t l 2 I t t i i 2
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Subintevalo 2: Interruptor en posicin 2
Convertidores en Estado Estacionario
Formas de Onda de la Corriente del Capacitor y
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p ydel Voltaje del Inductor.
Convertidores en Estado Estacionario
Balance de volt segundos en el inductor
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Balance de volt-segundos en el inductor
Convertidores en Estado Estacionario
Factor de Conversin M(D) en el convertidor Boost
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Factor de Conversin M(D) en el convertidor Boost.
Convertidores en Estado Estacionario
Determinacin de la componente DC de la corriente del Inductor:
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Determinacin de la componente DC de la corriente del Inductor:
Convertidores en Estado Estacionario
Determinacin del rizado de la corriente del inductor
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Determinacin del rizado de la corriente del inductor
Convertidores en Estado Estacionario
Determinacin del rizado del voltaje del capacitor
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Determinacin del rizado del voltaje del capacitor
Convertidores en Estado Estacionario
Ejemplo del convertidor uk
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j p
Convertidores en Estado Estacionario
Circuito del convertidor ukposiciones 1 y 2 del interruptor
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posiciones 1 y 2 del interruptor
Convertidores en Estado Estacionario
Formas de onda durante el subintervalo 1Intervalo de conduccin del MOSFET
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Intervalo de conduccin del MOSFET
Convertidores en Estado Estacionario
Formas de onda durante el subintervalo 2:Intervalo de conduccin del diodo
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Intervalo de conduccin del diodo
Convertidores en Estado Estacionario
Los valores promedio se igualan a cero
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Los principios de balance de volt-segundos en el inductor y delbalance de carga del capacitor establecen que los valores promediodel voltaje del inductor y de la corriente del capacitor son cero,cuando el convertidor opera en estado estacionario. Entonces, paradeterminar las condiciones en estado estacionario en el convertidorse puede esquematizar las formas de onda de los voltajes de los
a cero.
Convertidores en Estado Estacionario
Los valores promedio se igualan a cero
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Convertidores en Estado Estacionario
Los valores promedio se igualan a cero
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Convertidores en Estado Estacionario
Factor de conversin del convertidor Cuk, M = V/Vg
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Convertidores en Estado Estacionario
Formas de onda de las corrientes de los inductores
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Convertidores en Estado Estacionario
Forma de onda del capacitor C1
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Convertidores en Estado Estacionario
Magnitudes de rizado
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Convertidores en Estado Estacionario
Estimacin del rizado de voltaje del capacitor de salidaen un filtro de salida de dos polos.
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Convertidores en Estado Estacionario
Corriente y voltaje del capacitor
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Convertidores en Estado Estacionario
Estimacin del rizado del voltaje del capacitor, v
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La corriente ic(t) es positiva para la
mitad del periodo de conmutacin.
Esta corriente positiva causa queel voltaje del capacitorvc(t) se
incremente entre su mnimo y su
.
tiempo, la carga total q se
deposita en las placas delcapacitor, en donde
( )
)voltajeelencarga()cargalaencambio(
2
C
vCq
=
=
Convertidores en Estado Estacionario
Estimacin del rizado del voltaje del capacitor v
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La carga total q es el rea deltringulo, como se muestra:
Eliminando q y resolviendo2
21 s
L Tiq =
para v:
Nota: En la prctica, la
resistencia en serieequivalente del capacitor(ESR) incrementa ms v.
C
Tiv sL8
=
Convertidores en Estado Estacionario
Rizado de la corriente del inductor en filtros de dos polos
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Convertidores en Estado Estacionario
Anlisis y Diseo del Convertidor Buck BoostProblema
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Convertidores en Estado Estacionario
Anlisis y Diseo del Convertidor Buck BoostProblema
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Convertidores en Estado Estacionario
Anlisis y Diseo del Convertidor Buck BoostSolucin
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Convertidores en Estado Estacionario
Anlisis y Diseo del Convertidor Buck BoostSolucin
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Convertidores en Estado Estacionario
Anlisis y Diseo del Convertidor Buck BoostSolucin
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Convertidores en Estado Estacionario
Anlisis y Diseo del Convertidor Buck BoostSolucin
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Convertidores en Estado Estacionario
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Estudiar pginas 6a9.Hacer ejercicios delTutorialpginas 2a118,Modo deConduccin Continuo.
Preparacin para lasiguiente clase:Leerpginas 9a13,Wrdidas .
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Electrnica Industrial
Modelado del Circuito Equivalente enEstado Estacionario, Prdidas y
Eficiencia
Convertidores en Estado Estacionario
Modelado del Circuito Equivalente en Estado Estacionario,Prdidas y Eficiencia
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1. El modelo del transformador DC
2. Inclusin de prdidas en el cobre del inductor.
3. Construccin de un modelo de circuito equivalente .
4. Cmo obtener el puerto de entrada del modelo.
5. Ejemplo: Inclusin de prdidas de conduccin en lossemiconductores del convertidor Boost.
6. Inclusin de prdidas de conmutacin en lossemiconductores del convertidor Buck
Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
El modelo del transformador DC
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Circuitos equivalentes que corresponden alas ecuaciones del convertidor ideal DC-DC
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
El modelo del Transformador DC
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Modela las propiedadesbsicas del convertidorideal DC-DC:
Conversin devoltajes y corrientesDC, idealmente con un100% de eficiencia.Razn de conversin
M, controlable pormedio del ciclo detrabajo.
Las lneas slidas denotan el modelo de un transformador ideal, capaz depasar voltajes y corrientes DC.
Modelo invariante en el tiempo (sin conmutacin), el cual puede serresuelto para buscar componentes DC de las formas de onda delconvertidor.
Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Ejemplo: Uso del modelo del transformador dc
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Prdidas en el ncleo del inductor y en el cobre
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El modelo del transformador dc se puede extender para incluir propiedadesno ideales del convertidor.Por ejemplo, las prdidas de los inductores reales:
1.Prdidas por el cobre: Resistencia del conductor.2.Prdidas en el ncleo: por histresis y corrientes de Eddy.Un modelo que describe las prdidas en el cobre del inductor es:
Insertando el modelo del inductor en el circuito del Convertidor Boost:
Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Anlisis del convertidor Boost no-ideal
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Ecuaciones del circuito, interruptor en posicin 1
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7/29/2019 Curso Electronica Industrial
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Ecuaciones del circuito, interruptor en posicin 2
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7/29/2019 Curso Electronica Industrial
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Formas de onda del voltaje del inductory de la corriente del capacitor
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7/29/2019 Curso Electronica Industrial
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Solucin para el voltaje de salida
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Construccin del modelo del circuito equivalente.
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Se concluye de la seccin anterior (derivado del balance de volt-segundos y delbalance de carga) que:
Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Ecuacin del voltaje del inductor
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El trmino IRL: La cadade voltaje a travs dela resistencia RL.
El trmino DV:se puedetomar como una fuentedependiente.
Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Ecuacin de la corriente del capacitor
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Derivado de la ley de corriente
de Kirchoff, es usado paraencontrar la corriente delcapacitor durante cadasubintervalo.
RVIDiC /'0 == Nodo
La corriente promedio delcapacitor es cero.
Esta es una ecuacin de nodo :las componentes dc decorriente que fluyen hacia el
nodo del capacitor suman cero.
V/R: Corriente a travs de la carga.
DI: se puede tomar como una fuentedependiente.
Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Circuito equivalente completo
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Circuito equivalente completo
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El modelo describe las propiedades bsicas del
convertidor:a) Transformacin de voltaje dc y niveles de
corriente.
b) Efectos de segundo orden y prdidas depotencia.c) Razn de conversin dc V/Vg.
Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Solucin del circuito equivalente
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Solucin para la corriente de entrada (del inductor).
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
1R
Solucin para la eficiencia del convertidor
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Eficiencia para varios valores de RL
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Cmo se obtiene el Modelo del Puente de Entrada?
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Construya el Circuito Equivalente
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Qu pas con el transformador? Se necesita otra ecuacin
Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Modelando el Puerto de Entrada del Convertidor
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Forma de Onda de la Corriente de Entrada,
Componente DC (valor promedio) de es:
Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Circuito Equivalente del Puerto de Entrada
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Complete el Circuito Equivalente del Convertidor Buck
Dibuje los circuitos equivalentes de entrada y salida:
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Dibuje los circuitos equivalentes de entrada y salida:
Reemplace las fuentes dependientes con un transformador DC equivalente:
Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Ejemplo con el convertidor Boost
Prdidas por Conduccin en los Semiconductor
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j p
Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Prdidas por Conduccin en los Semiconductor
Modelos de los dispositivos semiconductores en estado de saturacin:
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MOSFET: resistencia de encendido.
BJT: Voltaje de saturacin.
Tpicamente Vds = 0.5 5.0 Volts
Diodo: voltaje constante ms unaresistencia de encendido
Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
p camen e sa = . . o s
Tpicamente VF = 0.8 1.2 VoltsDiodos de Recuperacin Rpida
VF = 0.3 0.6 VoltsDiodos de Schottky
Convertidor Boost, circuitos durante los subintervalos 1 y 2
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Voltaje promedio del inductor y corriente promedio del capacitor
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Construccin de los circuitos equivalentes
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Combinando los dos circuitos
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Solucin para el voltaje de salida
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Solucin para la eficiencia del convertidor
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Prdidas de conmutacin en semiconductores
Las transiciones de conmutacin (entre posicin 1 y 2) no soninstantneas Le toma n tiempo dete minado al inte pto
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instantneas. Le toma un tiempo determinado al interruptorpasar de la posicin 1 a la posicin 2, y viceversa. Durante
este tiempo de conmutacin el transistor pasa a travs de unperiodo de disipacin de potencia alta e instantnea.
Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
+ -Vce
Estimacin de las Prdidas
Esta energa se pierde en cadaciclo de conmutacin
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ciclo de conmutacin.La Potencia Perdida es igual a la
Energa Perdida por segundo
nconmutacidefrecuenciafdonde
TEfEP
s
s
TsTT
:
== .
.
As que las prdidas porconmutacin en la transicin aapagado son:
La eficiencia puede ahora ser
calculada por medio del uso de
( ) TLg EttIVrea == 022
1
nconmutacidefrecuenciafdonde s :
( )( )Watts
T
ttIV
SLg 2
1 02
IPERDIDASOUTI
OUT PPPconP
P=+= ,
Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Resumen
1 El d l d l t f d d d ib l f i
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1. El modelo del transformador dc describe las funcionesprincipales del convertidor: Transformacin de los niveles devoltaje y corriente dc, idealmente con 100% de eficiencia,control de la razn de conversin M con el ciclo de trabajo D.
2. El efecto de las prdidas puede ser determinado por el
uso de las mismas tcnicas de anlisis (balance volt-segundos en el inductor, etc).
3. Las principales fuentes de baja eficiencia del convertidor
son: Prdidas en el ncleo magntico y el cobre. Prdidas por conduccin en el semiconductor. Prdidas por conmutacin del semiconductor.
Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Convertidor Buck BoostProblema
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Convertidor Buck BoostProblema
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Convertidor Buck BoostSolucin
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
Convertidor Buck BoostSolucin
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
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Convertidor Buck BoostSolucin
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Modelado del circuito equivalente en estado estacionario
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Estudiar pginas 9a13,Prdidas.
Hacer ejercicios delTutorialpginas 119a204,Anlisis dePrdidas.
Preparacin para lasiguiente clase:Leerpginas 1a18,InterruptoresModoeConduccin DiscontinuoConduccin Discontinuo.
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Electrnica Industrial
Implementacin de Interruptoresutilizando Transistores y Diodos
Implementacin de interruptores
Implementacin de Interruptores utilizando Transistores yDiodos
1 Aplicaciones con interruptores: De uno dos o cuatro
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1. Aplicaciones con interruptores: De uno, dos o cuatrocuadrantes. Rectificadores sncronos.
Implementacin de interruptores
Interruptores SPST (un polo, un tiro) ySPDT (un polo, doble tiro)
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Implementacin de interruptores
Implementacin de un interruptor SPDT utilizando dosinterruptores SPST
Dos interruptores SPST no son exactamenteequivalentes a un interruptor SPDT.
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Es posible para ambos interruptores SPST estarsimultneamente en ON o en OFF.
Entonces, el comportamiento del convertidor se
modifica significativamente(Modo de conduccindiscontnuo).
El estado de conduccin de los interruptores SPST
puede depender del voltaje o corriente aplicados. Porejemplo el diodo.
Implementacin de interruptores
Operacin de los cuadrantesde los interruptores SPST
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un
Implementacin de interruptores
en estado apagado
Algunas aplicaciones bsicas de interruptores
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en estado apagadoen estado apagado en estado apagadoen estado apagado
Implementacin de interruptores
en estado apagadoen estado apagadoen estado apagadoen estado apagado
Interruptores de un cuadrante
Interruptor activo:El estado delinterruptor es controlado exclusivamente con
t t i l
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un tercer terminal.
Interruptor pasivo: El estado delinterruptor es controlado por una corriente .
.
interruptor es controlado por una corrientey/o voltaje aplicados a las terminales 1 y 0.
SCR:Un caso especial la transicin aencendido es activa mientras que latransicin a apagado es pasiva.
Interruptor de un cuadrante: i(t)de encendido y v(t) de apagado sonunipolares.
Implementacin de interruptores
El diodo
Un interruptor pasivo.
Un interruptor de un cuadrante.
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p
Puede conducir corriente positivaen estado de encendido.
Puede bloquear voltaje negativoen estado de apagado.
Teniendo en cuenta que los puntosde operacin de los estados deencendido y apagado radican en lacaracterstica i-v del diodo,entonces el interruptor puede
implementarse usando un diodo.
Implementacin de interruptores
El Transistor de Unin Bipolar (BJT) y el Transistor Bipolar deCompuerta Aislada (IGBT)
Un interruptor activo controladopor la terminal C.
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Interruptor de un cuadrante.
Puede conducir corriente positivaen estado de encendido.
Puede bloquear voltajes positivosen estado de apagado.
Teniendo en cuenta que los puntosde operacin de los estados deencendido y apagado radican en lacaracterstica i-v del transistor,
entonces el interruptor puedeimplementarse usando un BJT oun IGBT.
Implementacin de interruptores
El Transistor de Efecto de Campode Metal-xido (MOSFET)
Un interruptor activo controlado porla terminal C.
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Normalmente operado como un
interruptor de un cuadrante.
Puede conducir corriente positiva enestado de encendido (tambin puedeestado de encendido (tambin puedeconducir corriente negativa enalgunas circunstancias).
Puede bloquear voltajes positivos enestado de apagado.
Teniendo en cuenta que los puntosde operacin de los estados de
encendido y apagado radican en lacaracterstica i-v del MOSFET,entonces el interruptor puedeimplementarse usando un MOSFET.
Implementacin de interruptores
Implementacin de interruptoresusando transistores y diodos
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Implementacin de interruptores
Implementacin del convertidor Buck usando interruptores deun cuadrante
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Implementacin de interruptores
Interruptores de corriente bidireccionalde dos cuadrantes
Usualmente, un interruptor activocontrolado por la terminal C.
Normalmente operado como
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Normalmente operado como
interruptor de dos cuadrantes.
Puede conducir corriente positivao nega va en es a o eencendido.
Puede bloquear voltajes positivosen estado de apagado.
Teniendo en cuenta que los puntosde operacin de los estados de
encendido y apagado radican en lacaracterstica i-v compuesta,entonces el interruptor puedeimplementarse como se muestra.
Implementacin de interruptores
Interruptores de dos cuadrantes
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Implementacin de interruptores
en estado apagadoen estado apagado
Diodo del MOSFET de Potencia
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Implementacin de interruptores
Un inversor sencillo
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Implementacin de interruptores
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Cargador/descargador bidireccional de bateras
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Implementacin de interruptores
Interruptores de dos cuadrantesy voltaje bidireccional
Usualmente, un interruptor activocontrolado por la terminal C.
Normalmente operado como uninterruptor de dos cuadrantes
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interruptor de dos cuadrantes.
Puede conducir corriente positiva enestado de encendido.
Puede bloquear voltajes positivos o
negativos en estado de apagado. Teniendo en cuenta que los puntos
de operacin de los estados deencendido y apagado radica en lacaracterstica i-v compuesta,entonces el interruptor puederealizarse como se muestra.
El SCR es un interruptor de este tipo,sin control de apagado.
Implementacin de interruptores
Interruptores de dos cuadrantes
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Implementacin de interruptores
en estado apagadoen estado apagado
Ejemplo: Inversor Buck-Boost DC-3AC
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Implementacin de interruptores
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Tres formas de realizar uninterruptor de cuatro cuadrantes
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Implementacin de interruptores
Convertidor de matriz 3ac-3ac
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Implementacin de interruptores
Rectificadores sncronos
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Implementacin de interruptores
Convertidor Buck con un rectificador sncrono
El MOSFET Q2 escontrolado paraencenderse cuando el
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diodo normalmenteconduce.
Las prdidas deconduccin del
semiconductor pueden serarbitrariamente pequeasreduciendo la resistenciade encendido del MOSFET.
til en aplicaciones debajo voltaje y altacorriente.
Implementacin de interruptores
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El Modo de Conduccin Discontinuo
1. Origen del modo de conduccin discontinuo y ellmite entre modos.
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2. Anlisis de la razn de conversin M(D,K)
3. Ejemplo con el convertidor Boost
4. Resumen
El Modo de Conduccin Discontinuo
Introduccin al Modo de Conduccin Discontinuo (MCD)
Ocurre porque el rizado en la corriente del inductor o en el voltaje delcapacitor causa que la corriente o voltaje aplicados al interruptor seinviertan, debido a que la corriente (o voltaje) unidireccional asumidadurante la implementacin del interruptor es violada.
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Comnmente ocurre en convertidores dc-dc y rectificadores, que tieneninterruptores de uno o cuatro cuadrantes. Tambin puede ocurrir en
.
Ejemplo tpico: convertidor dc-dc operando con una carga ligera (carga debaja corriente). A veces los convertidores dc-dc y los rectificadores se
disean a propsito para operar en MCD para cualquier carga. Las propiedades de los convertidores cambian radicalmente cuando se
entra en MCD: M se vuelve dependiente de la carga.
La impedancia de salida se incrementa.
Las dinmicas se alteran.
El control del voltaje de salida se puede perder cuando se remueve la carga.
El Modo de Conduccin Discontinuo
Origen del Modo de Conduccin Discontinuo ysu lmite.
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El Modo de Conduccin Discontinuo
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Continua la reduccin de la corriente de carga
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El Modo de Conduccin Discontinuo
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K y Kcrit vrs D
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Note que Kcrit= D 1 entonces si escogemos K > max(Kcrit) o K > 1, elconvertidor opera en modo de conduccin continua para cualquier valor posible deD.
Tambin note que el lmite entre los modos depende no solo de D, tambin de R (locual afecta la corriente promedio en el inductor), de L (lo cual afecta el rizo i) y Ts
(el cual tambin afecta el rizado).
El Modo de Conduccin Discontinuo
Resistencia de carga crtica Rcrit
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El Modo de Conduccin Discontinuo
para MCC
para MCD
Resumen: Lmite entre modos
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El Modo de Conduccin Discontinuo
Ejemplo: Anlisis de un convertidor bucken MCD
Tcnicas de anlisis para el MCD:
Balance volt-segundos del inductor:
Balance de carga del capacitor:
==ST
LS
L dttvTv
00)(
1
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Balance de carga del capacitor:
==ST
o CCdttii 0)(
1
Se aplica la aproximacin de pequeo rizado:
Las ecuaciones de estado estacionario del convertidor obtenidas
por medio del balance de carga para cada capacitor y el balance
volt-segundo para cada inductor. La aproximacin de pequeo
rizado se debe usar con precaucin.
S
IiIti
VvVtv
>
-
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El Modo de Conduccin Discontinuo
Subintervalo 1
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El Modo de Conduccin Discontinuo
Subintervalo 2
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El Modo de Conduccin Discontinuo
Subintervalo 3
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181/687
El Modo de Conduccin Discontinuo
Balance volt-segundos en el inductor
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El Modo de Conduccin Discontinuo
Balance de carga del capacitor
Ecuacin de nodo:
Balance de carga delcapacitor:
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Entonces
El Modo de Conduccin Discontinuo
Se debe calcular lacomponente dc de la corrientedel inductor y se iguala a lacorriente de carga (para elcaso de este convertidorbuck).
Forma de onda de la corriente del inductor
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El Modo de Conduccin Discontinuo
Solucin para V
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El Modo de Conduccin Discontinuo
Convertidor Buck M(D, K)
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El Modo de Conduccin Discontinuo
Estudiar pginas 140a186,Interruptores yModo deConduccin Discontinuo.
Prctica de Conceptos:
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Prctica deConceptos:Hacer ejercicios delTutorialpginas 205a333,Modo deConduccin Discontinuo.
Preparacin para lasiguiente clase: , .
Ejemplo con el convertidor Boost
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El Modo de Conduccin Discontinuo
para MCC
para MCD
Lmite entre modos
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El Modo de Conduccin Discontinuo
Lmite entre modos
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El Modo de Conduccin Discontinuo
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Subintervalo 2
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El Modo de Conduccin Discontinuo
Subintervalo 3
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El Modo de Conduccin Discontinuo
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Solucin para V
Dos ecuaciones y dos incgnitas:
(del balance volt-segundos del inductor)
(del balance de carga del capacitor)Se elimina D2 se resuelve para V. De la ecuacin del balance volt-segundos:
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El Modo de Conduccin Discontinuo
Se substituye en la ecuacin del balance de carga y se reordenan lostrminos:
Solucin para V
Use la frmula cuadrtica:
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Note que una de las races lleva a un V positivo mientras queel otro lleva a un V negativo. Se selecciona la raz positiva:
DondeVlido para
El ciclo de trabajo del transistor D = intervalo 1, ciclo detrabajo D1.
El Modo de Conduccin Discontinuo
Caractersticas del convertidor Boost
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El Modo de Conduccin Discontinuo
Resumen de las caractersticas en MCD
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El Modo de Conduccin Discontinuo
Resumen de las caractersticas en MCD
Las caractersticas del buck y el
boost en MCD son asintticas
para M = 1 y a la caracterstica del
buck-boost en MCD.
La caracterstica del buck-boost
.
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Las caractersticas de MCC y
MCD intersecan al modo en el
lmite.
La caracterstica del boost en
MCD es cercanamente lineal.
El Modo de Conduccin Discontinuo
Resumen
1. El modo de conduccin discontinuo ocurre, paraconvertidores que poseen interruptores con corrientes ovoltajes unidireccionales, cuando los rizados de lacorriente del inductor y de la corriente del capacitor es lo
bastante grande para invertir la polaridad de la corrientedel volta e del interru tor.
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2. Las condiciones de operacin en el modo de conduccindiscontinuo se puede determinar cuando los rizados de la
corriente del inductor o el voltaje del capacitor y suscomponentes dc causan que la corriente de encendido yel voltaje de apagado inviertan su polaridad.
3. El razn de conversin dc M de los convertidores que
operan en un modo de conduccin discontinuo puedeencontrarse aplicando los principios de balances volt-segundos en el inductor y de carga en el capacitor.
El Modo de Conduccin Discontinuo
Resumen
4. Se requiere un cuidado extra cuando se aplica laaproximacin de pequeo rizado. Algunas formas deonda, como la forma de onda del voltaje, pueden tenerun pequeo rizado tal que se puede despreciar. Otras
formas de onda como las de corriente de los inductoresueden tener un ran rizado ue no se uede des reciar.
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5. Las caractersticas de un convertidor cambiasignificativamente cuando los convertidores entran en
MCD. El voltaje de salida se vuelve dependiente de lacarga, lo que resulta en un incremento en la impedanciade salida del convertidor.
El Modo de Conduccin Discontinuo
Convertidor Buck Boost en MCDProblema
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7/29/2019 Curso Electronica Industrial
206/687
El Modo de Conduccin Discontinuo
Convertidor Buck Boost en MCDProblema
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7/29/2019 Curso Electronica Industrial
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El Modo de Conduccin Discontinuo
Convertidor Buck Boost en MCDSolucin
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7/29/2019 Curso Electronica Industrial
208/687
El Modo de Conduccin Discontinuo
Convertidor Buck Boost en MCDSolucin
-
7/29/2019 Curso Electronica Industrial
209/687
El Modo de Conduccin Discontinuo
Convertidor Buck Boost en MCDSolucin
-
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El Modo de Conduccin Discontinuo
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7/29/2019 Curso Electronica Industrial
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Convertidor Buck Boost en MCDSolucin
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7/29/2019 Curso Electronica Industrial
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El Modo de Conduccin Discontinuo
Convertidor Buck Boost en MCDSolucin
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7/29/2019 Curso Electronica Industrial
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El Modo de Conduccin Discontinuo
Estudiar pginas 188a213,Modo deConduccin Discontinuo.
Hacer ejercicios delTutorialpginas 205a333,Modo deConduccin Discontinuo
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Conduccin Discontinuo.
Preparacin para lasiguiente clase:Leerpginas 215a256,Topologas.
eerp g nas a , onver ores on s am en o.Leerpginas 322a343,Choppers.
Electrnica Industrial
-
7/29/2019 Curso Electronica Industrial
215/687
Topologa de los Convertidores
Topologa de Convertidores
Topologa de los Convertidores en Modo Conmutado
1. Manipulaciones de circuitos. De dnde seoriginan los convertidores buck, boost, buck-boost yotros?
2. Una pequea lista de convertidores. Cmo seuede obtener un convertidor cuando se tienen unas
propiedades dadas?Cules convertidores son
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p p posibles?
3. Transformadores de aislamiento. Cmo sepuede incorporar un transformador de aislamiento enun convertidor?
4. Evaluacin y diseo de convertidores. Parauna aplicacin dada, cul es el mejor convertidor?
Topologa de Convertidores
Manipulacin de Circuitos
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Topologa de Convertidores
Comencemos con el ms simple y bsico de los convertidores, el Buck:
El interruptor cambia con las componentes Dc, el filtro pasa bajas remueve lasarmnicas de conmutacin
La razn de conversin es M = D
Inversin de la Fuente y la Carga
Ejemplo Convertidor Buck
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Topologa de Convertidores
Inversin de la Fuente y la Carga
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Topologa de Convertidores
Implementacin de interruptores
La reversin del flujo de
potencia requiere una
nueva implementacin
de interruptores.
cuando el interruptor se
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cuando el interruptor se
encuentra en la posicin
2. Se intercambian D y D
21
1V
D'V =
Topologa de Convertidores
Conexin de Convertidores en Cascada
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Topologa de Convertidores
Convertidor Buck en cascadacon un convertidor Boost
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Topologa de Convertidores
Buck en cascada con un boost:Simplificacin del filtro interno
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Topologa de Convertidores
Convertidor Buck-Boost no inversor
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Topologa de Convertidores
Reversin de la polaridad del voltaje de salida
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Topologa de Convertidores
Reduccin del nmero de interruptores:Buck-Boost inversor
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Topologa de Convertidores
Conecciones en cascada
Las propiedades del convertidor Buck-Boost vienendesde su derivacin como un Buck en cascada con unBoost:
Modelo del circuito equivalente: el transformador 1:Ddel Buck en cascada con el transformador D:1 del
oos .
Corriente de entrada pulsante del convertidor Buck
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Corriente de entrada pulsante del convertidor Buck.
Corriente de salida pulsante del convertidor Boost.
Otras conecciones en cascada son posible:
Convertidor uk: Boost en cascada con Buck.
Topologa de Convertidores
Convertidor Boost en cascada con un Buck:Convertidor uk no inversor
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Topologa de Convertidores
Intervalos del Convertidor uk no Inversor
Por analoga con la derivacin Buck-Boost, se puede obtener una salida
negativa por la polaridad inversa del capacitor (V1) durante el segundo
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g p p p ( ) g
intervalo. De nuevo, esto tambin reduce el nmero de conmutaciones:
Topologa de Convertidores
Convertidor uk inversor
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Topologa de Convertidores
Rotacin de la celda de tres terminales
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Topologa de Convertidores
Rotacin de una red dual de tres terminales
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Topologa de Convertidores
Salidas a.c. Conexin diferencial de la carga
En muchas aplicaciones se requiere una salida de a. c., entonces se
necesita un convertidor que sea capaz de producir una salida de cualquier
polaridad.
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De los convertidores que hemos estudiado hasta ahora (Buck y Boost)
pueden producir una salida de voltaje unipolar y positiva, mientras que el
Buck Boost y el uk producen una salida unipolar negativa.
Topologa de Convertidores
Conexin diferencial de cargapara obtener un voltaje de salida bipolar
El voltaje diferencial de carga es
Las salidas V1 y V2 pueden ser
ambas positivas pero el voltaje
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ambas positivas pero el voltaje
diferencial de salida V puede serpositivo o negativo.
Topologa de Convertidores
Conexin diferencial usando dos Bucks
El transistor del convertidor #1 esmanejado con un ciclo de trabajo D.
El transistor del convertidor #2 es
manejado con el ciclo de trabajo
complementario D.
El voltaje diferencial de carga es:
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Simplificando:
Topologa de Convertidores
Razn de conversin M(D),Convertidores Buck diferencialmente conectados
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Topologa de Convertidores
Simplificacin del filtro del circuito,convertidores Buck diferencialmente conectados
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Topologa de Convertidores
Simplificacin del filtro del circuito,convertidores Buck diferencialmente conectados
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Topologa de Convertidores
Conexin diferencial para obtener un inversor 3
Con una carga 3 balanceada, elvoltaje de neutro es
Los voltajes de fase son
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Se controlan los convertidores deforma tal que sus voltajes desalida contienen la mismapolaridad dc. Su polaridad dcaparecer en el neutro Vn. steentonces se cancela, as, losvoltajes de fase no contienenpolaridad dc.
Topologa de Convertidores
Conexin diferencial 3 de tres convertidores Buck
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Topologa de Convertidores
Conexin diferencial 3 de tres convertidores Buck
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Topologa de Convertidores
El inversor de fuente de corriente 3
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Topologa de Convertidores
Una pequea lista de convertidores
Son realizables un nmero infinito de convertidores, el cualcontiene interruptores incluidos en una red de inductores ycapacitores.
Dos clases simples de convertidores son:
Convertidores de una entrada y una salida (SISO)que contienen un solo inductor. El periodo deconmutacin se divide en dos subintervalos. A staclase pertenecen 8 convertidores
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clase pertenecen 8 convertidores.
Convertidores SISO que contienen dos inductores. Elperiodo de conmutacin se divide en dossubintervalos. En sta clase se enlistan los miembrosms interesantes.
Topologa de Convertidores
Convertidores SISO que contienen un inductor
Se usan interruptores para conectar el inductor entre lafuente y la carga, de una manera durante el primersubintervalo y de otra durante el segundo.
Existen un nmero limitado de formas de hacer esto,
entonces, todas las combinaciones posibles pueden serencon ra as.
Despus de la eliminacin de casos redundantes odegenerados se encuentran 8 convertidores:
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degenerados, se encuentran 8 convertidores: Convertidores dc-dc: Buck, Boost, Buck-boost, Buck-boost no
inversor.
Convertidores dc-ac: Puente, Watkins-Johnson.
Convertidores ac-dc: Puente alimentado por corriente, Watkins-
Johnson inverso.
Topologa de Convertidores
Convertidores que producen unvoltaje de salida unipolar
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Topologa de Convertidores
Convertidores que producen unvoltaje de salida unipolar
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Topologa de Convertidores
Convertidores que producen un voltaje de salida bipolar,convenientes como inversores dc-ac
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Topologa de Convertidores
Convertidores que producen un voltaje de salida bipolar,convenientes como rectificadores ac-dc
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Topologa de Convertidores
Varios miembros de la clase de convertidorescon dos inductores
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Topologa de Convertidores
Varios miembros de la clase de convertidorescon dos inductores
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Topologa de Convertidores
Electrnica IndustrialConvertidores DC-DC con
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Transformadores de Aislamiento
Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Transformadores de aislamiento
Objetivos: Aislamiento de las conexiones a tierra en la entrada y la
salida para cumplir requerimientos de seguridad.
Reduccin del tamao del transformador debido a la
incorporacin de transformadores de aislamiento de alta.
Minimizacin del voltaje y la corriente de estrs cuandose necesita una razn de conversin grande hacia arriba
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o hacia abajo. Uso del radio de vueltas deltransformador.
Se obtienen mltiples voltajes de salida debido amltiples devanados en el secundario del transformadory mltiples circuitos convertidores en el secundario.
Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Un modelo simple de un transformador
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Inductancia de magnetizacin LM
Modelos de magnetizacin delmaterial del ncleo deltransformador.
Aparece efectivamente en paralelocon el devanado.
Si todos los devanadossecundarios son desconectadosentonces el devanado secundariose comporta como un inductor,igual a la inductancia demagnetizacin.
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En dc: la inductancia demagnetizacin tiende a ser uncorto circuito. Los tranformadoresno dejan pasar voltaje dc.
El transformador se satura cuandola corriente de magnetizacines muy grande.
Mi
Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Balance volt-segundos en LM
La inductancia de magnetizacin esun inductor real que obedece:
integrando:
determina por la integral del voltajede devanado aplicado. La corrientede magnetizacin y las corriente de
d d tid d
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devanado son cantidadesindependientes. Se aplica elbalance volt-segundos; en estadoestacionario, , entonces:
Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Reseteo del transformador
Reseteado del transformador es el mecanismo mediante elcual se obtiene el balance volt-segundo de la inductancia demagnetizacin.
La necesidad de resetear los volt-segundos del transformador acero al final de cada periodo de conmutacin se suma a laconsiderable complejidad de los convertidores.
Para entender la operacin de los convertidores contransformador de aislamiento:
Se reemplaza el transformador por el modelo de un circuito
i l t t l i d t i d ti i
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equivalente que contenga la inductancia de magnetizacin. Se analiza el convertidor como es usual, tratando la
inductancia de magnetizacin como otro inductor.
Se aplica el balance volt-segundos para todos los inductores
del convertidor, incluyendo a la inductancia demagnetizacin.
Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Convertidores aislados de Puente Completoy Medio Puente
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Puente completo con un circuitoequivalente del transformador
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Formas de onda del Puente Completo
Durante el primer pediodo deconmutacin: conducen lostransistores Q1 y Q4 durante DTs,aplicando volt-segundos VgDTS aldevanado primario.
Durante el siguiente periodo:conducen los transistores Q2 y Q3durante DTS, aplicando volt-
segundos VgDTS al devanadoprimario.
El balance volt-segundo del
transformador se obtiene despus
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transformador se obtiene despusde dos periodos de conmutacin.
Hay efectos por no idealidades?
Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Efecto de las no idealidadesen el balance volt-segundos del transformador
Volt-segundos aplicados al devanado primario durante el primer periodode conmutacin:
(Vg-(cada de voltaje positivo Q1 y Q4))(tiempo de conduccin deQ1 y Q4)
Volt-segundos aplicados al devanado primario durante el siguienteperiodo de conmutacin:
-(Vg-(cada de voltaje positivo Q1 y Q4))(tiempo de conduccin deQ1 y Q4)
Estos volt-segundos nunca suman un cero exacto.
Los volt-segundos netos se aplican al devanado primario.
La corriente de magnetizacin se incrementa en magnitud mslentamente
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lentamente.La saturacin se puede prevenir poniendo un capacitor en serie con elprimario o usando un modo de corriente progamada.
Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Operacin de los diodos del lado secundario
Durante el segundosubintervalo (D), ambosdiodos conducen.
La corriente del inductor delfiltro de salida se divideaproximadamente entre los
diodos.
La relacin amp-vueltas delsecundario se aproxima a
cero
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cero. Escencialmente no hay
magnetizacin del ncleodel transformador debido alas corrientes del devanadosecundario.
Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Balance volt-segundos en elinductor del filtro de salida
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Convertidor Buck con Medio Puente Aislado
Reemplazo de los transistores Q3 y Q4 con capacitores
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Reemplazo de los transistores Q y Q con capacitoresgrandes.
El voltaje en el punto central del capacitor es 0.5 Vg.
vS(t) se reduce en un factor de dos
M=0.5 nD
Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Convertidor Forward
Convertidor derivado Buck con transformador aislado.
Versiones de un y dos transistores
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Versiones de un y dos transistores.
El ciclo de trabajo mximo se limita.
El transformador se resetea mientras el transistor se
apaga.
Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Convertido forward con el circuitoequivalente del transformador
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Formas de Onda del convertidor forward
La corriente demagnetizacin, en
conjunto con el Diodo
D1, operan en MCD.
salida, en conjunto con
el Diodo D3, puede
operar ya sea en MCC oMCD
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operar ya sea en MCC oen MCD.
Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Subintervalo 1: el transistor conduce
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Subintervalo 2: el transformador se resetea
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Subintervalo 3
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Balance volt-segundos de la inductancia de magnetizacin
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Reseteo del transformador
Del balance volt-segundos de la corriente de magnetizacin:
Resolviendo para D2:
D3 no puede ser negativo. Pero . Entonces
Resolucin para D
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p
Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Qu pasa cuando D > 0.5?
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Razn de conversin M(D)
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Mximo ciclo de trabajo vs.voltaje de estrs del transistor
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
El convertidor Forward de dos transistores
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Convertidor Buck push-pull aislado
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Push-pull: Formas de Onda
Usado con entradas de bajovoltaje.
El circuito del lado secundario es
idntico al del Puente Completo.
Como con el Puente Completo, el
balance volt-segundos deltransformador se obtiene despus
de dos periodos de conmutacin.
Hay efectos de no idealidades en
el balance volt-segundos del
transformador?
El t l d i t d
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El control de corriente programado
puede usarse para mitigar los
problemas de saturacin del
transformador. El control del ciclode trabajo no es recomendado.
Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Convertidor Flyback
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Derivacin del convertidor Flyback
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
El Transformador Flyback
Un inductor de dos devanados. El smbolo es el mismo que el
del transformador, pero funciona
significativamente diferente al
transformador ideal.
La energa se almacena en lainductancia de magnetizacin.
La inductancia de magnetizacin
es relativamente pequea.
La corriente no fluye simultneamente en el primario y en el secundario. Los voltajes instantneos del devanado siguen la relacin de vueltas.
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j g
Las corrientes instantneas (y RMS) del devanado no siguen la relacinde vueltas.
Se modela como una inductancia de magnetizacin en paralelo con untransformador ideal.
Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Subintervalo 1
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Subintervalo 2
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Formas de Onda y solucin del MCC del Flyback
Balance volt-segundos:
El razn de conversin es:
La componente dc de la corrientede magnetizacin es:
La componente dc de la corriente
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La componente dc de la corrientede fuente es:
Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Circuito equvalente modelo:MCC del Flyback
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Convertidor Flyback: Discusin
Ampliamente usados en aplicaciones de baja potencia y/oalto voltaje. Bajo nmero de partes. Mltiples salidas son fciles de obtener, con un mnimo de
partes adicionales. La regulacin cruzada es inferior a los convertidores
La regulacin cruzada es inferior a los convertidoresaislados derivados del Buck.
Frecuentemente operado en MCD.
Anlisis en MCD: Buck-boost en MCD con relacin devueltas.
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Convertidores aislados derivados del Boost
Una amplia variedad de convertidores aisladosdc-dc derivados del Boost pueden serencontrados: Convertidores Boost aislados de Puente Completo y
Medio Puente. Convertidor Forward inverso
De estos, los convertidores aislados derivados delBoost Puente Completo y Medio Puente son losms populares y son brevemente discutidos aqu.
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Puente Completo con transformadoraislado derivado del convertidor Boost
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Mecanismo de reseteo del transformador
Como en la topologa depuente completo del Buck, elbalance volt-segundos deltransformador se obtienedespus de dos periodos deconmutacin.
Durante el primer periodo deconmutacin: los transistoresQ1 y Q4 conducen duranteDTS, aplicando volt-segundosVDTS en el devanado
secundario. Durante el siguiente periodode conmutacin: los
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transistores Q2 y Q3 conducendurante DTS, aplicando volt-segundos -VDTS en eldevanado secundario.
Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Razn de conversin M(D)
Aplicacin del balancevolt-segundos a la formade onda del inductor:
Boost con relacin de
vueltas n.
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Convertidor Push-Pull derivado del Boost
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Convertidor Push-Pull basado en el convertidor Watkins-Johnson
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Versiones aisladas de los convertidoresSEPIC y uk
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
SEPIC aislado
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
SEPIC inverso
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Obtencin de aislamiento en el convertidor uk
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Convertidor uk aislado
Discusin:
Los capacitores C1a y C1b aseguran que no se aplican voltajes dc a los
devanados primario o secundario del transformador.
El transformador funciona de manera normal, con una pequea corriente de
magnetizacin y un almacenamiento de energa despreciable en la
inductancia de magnetizacin
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inductancia de magnetizacin.
Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Evaluacin y Diseo del convertidor
Para una aplicacin dada, cul es la mejor topologa deconvertidor?No existe un convertidor fundamental, que satisfagaperfectamente todas las posibles aplicaciones.
Estudios comerciales:Diseos escabrosos para que varias topologas de
Diseos escabrosos para que varias topologas deconvertidores cumplan las especificaciones dadas.Una comparacin cuantitativa no polarizada de las corrientesy voltajes peor caso del transformador, el tamao deltransformador, etc.Comparacin por medio del estrs de conmutacin, utilizacin
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de interruptores y costo del semiconductor.Diseo con computadora.
Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Estrs de conmutacin y utilizacin de interruptores
El costo ms grande de un convertidor lo representausualmente los dispositivos semiconductores activos.Las prdidas de conduccin y conmutacin asociadas con losdispositivos semiconductores activos, frecuentementedominan las otras fuentes de prdidas.
Esto sugiere que los convertidores candidatos a evaluar seencuentra comparando el voltaje y la corriente de estrsimpuestos en los dispositivos semiconductores activos.
La minimizacin del estrs total de conmutacin conlleva unareduccin en las prdidas y una minimizacin del rea total desilicn requerida para realizar los dispositivos de potencia del
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silicn requerida para realizar los dispositivos de potencia delconductor.
Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Estrs total activo de conmutacin S
En un convertidor que tiene kdispositivos semiconductores activos, el estrstotal activo de conmutacin se define como:
Donde
Vjes el voltaje pico aplicado al interruptorj
IJes la corriente rms aplicada al interruptorj(la corriente pico se usa
En un buen diseo, se minimiza el estrs total activo de conmutacin2
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Utilizacin activa del interruptor U
Se desea minimizar el estrs total activo de conmutacin y a su vez,maximizar la potencia de salida Pcarga.La utilizacin activa del interruptorUse define como
La utilizacin activa del interruptor es la potencia de salida del.mide que tan bien utiliza un convertidor sus dispositivossemiconductores.
La utilizacin activa del interruptor es menor que 1 en convertidores detransformador aislado y es una cantidad a maximizar.
Un convertidor con baja utilizacin del interruptor requieren un reaextra activa de silicn y opera a una relativa baja potencia.
La utilizacin activa del interruptor es una funcin del punto de
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La utilizacin activa del interruptor es una funcin del punto deoperacin del convertidor.
Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Ejemplo con el convertidor Flyback en MCC: Determinacin deS
Durante el subintervalo 2, elvoltaje de bloqueo deltransistor VQ1,pkse iguala aVg ms el voltaje de cargareflejado:
La corriente del transistorcoincide con ig(t). Su valorrms es:
El estrs de conmutacin S
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El estrs de conmutacin Ses:
Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Ejemplo con el convertidor Flyback en MCC: Determinacin deU
Se expresa la potenciade carga Pcarga en
trminos de Ve I:
MCC
previamente derivada
es:
Entonces, la utilizacin
del interruptor U es:
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del interruptorUes:
Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Ejemplo con el Flyback:Utilizacin del interruptor U(D)
Para valores de V, Vg
y Pcarga
dados, el diseador puedeescoger un D arbitrario. Larelacin de vueltas n debeentonces escogerse de
acuerdo con
en
Para un diseo con un solopunto de operacin, escoger D
= 1/3.Un D pequeo conlleva unagran corriente de transistor.
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gUn D grande conlleva un gran
voltaje de transistor.Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Comparacin de utilizaciones de interruptores para algunosconvertidores comnes
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Convertidores con Transformadores de Aislamiento
Electrnica Industrial
Control Programado por Corriente
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Control Programado por Corriente
Control Programado por Corriente
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Control Programado por Corriente
Control Programado por CorrientevrsControl por Ciclo de Trabajo
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se requiere un filtro en la seal de sensado.
Control Programado por Corriente
Oscilacin para D > 0.5
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Control Programado por Corriente
Corriente del InductorModo de Conduccin Continuo
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Control Programado por Corriente
Corriente del Inductor en Estado EstacionarioControl Programado por Corriente
Primer Intervalo:
Despeje D:
Segundo Intervalo:
En estado estacionario:
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Control Programado por Corriente
ESTABILIDAD DEL CONTROLADOR
Se desea determinar la estabilidad del controlador, estableciendo si la perturbacindecae a cero despus de n intervalos.
Considere una pequea perturbacin en
tal que
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Control Programado por Corriente
CORRIENTE DEL INDUCTORCON PERTURBACIN
Onda en estado
estacionario
Perturbacin
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Control Programado por Corriente
Cambio en la Corriente del Inductor durante un periododebido a la perturbacin
acercamientoOnda en estado estacionario
Perturbacin
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Control Programado por Corriente
Cambio en la Corriente del Inductor durante muchos periodosdebido a la perturbacin
Para estabilidad:
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Control Programado por Corriente
Ejemplo: Operacin Inestable D = 0.6
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Control Programado por Corriente
Ejemplo: Operacin Estable D = 1/3
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Control Programado por Corriente
Estabilizacin al Aadir una Rampa Artificial ala corriente medida del switch
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Control Programado por Corriente
Formas de Onda en Estado Estacionariocon la rampa artificial
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Control Programado por Corriente
Anlisis de Estabilidad: Perturbacin
Onda en estado
estacionario
Perturbacin
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Control Programado por Corriente
Anlisis de Estabilidad: cambio debido a la perturbacindespus de muchos periodos
Primer Intervalo:
Segundo Intervalo:
Cambio Neto en un Periodo Completo:
Despus de n periodos de conmutacin:
Valor caracterstico:
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Control Programado por Corriente
El valor caracterstico
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Control Programado por Corriente
Electrnica Industrial
Variadores de Velocidad de Motores DC
Choppers
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Choppers
Variadores de Velocidad de Motores D. C.Choppers
Objetivos: Controlar la velocidad del motor. Encender el motor bajo condiciones controladas. Proveer mximo torque cuando se necesite. Ejecutar las funciones anteriores tan eficientemente como sea posible.
Cuando la potencia de entrada es dc, se requiere un convertidor dc a dc.
Cuando la potencia de entrada es dc, se requiere un convertidor dc a dc.El convertidor Buck es el ms comunmente usado.
Algunas aplicaciones grandes de estos sistemas son transporte de masa(BART, etc) y servo sistemas dc.
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. Choppers
Variadores de Velocidad de Motores D. C.Choppers
Armadura
Campo
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Campo
Choppers
Variadores de Velocidad de Motores D. C.Choppers
Armadura
CampoCampo
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Choppers
Fuente EMF causada por la
rotacin de los conductores dearmadura en presencia del campo:
Torque causado por la corriente