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Temario.

4.- Fuentes de Alimentación Conmutadas. 4h 4.1.- Introducción. 4.2.- Modelos de transformadores. 4.3.- Convertidor flyback. 4.4.- Convertidor forward. 4.5.- Convertidor push-pull. 4.6.- Convertidores CC-CC en puente completo y en semipuente. 4.7.- Convertidores con múltiples salidas. 4.8.- Control de fuentes de alimentación.

Introducción.

• Aislar galvánicamente la conexión eléctrica entre la entrada y la salida.

• Reducir peso. Un transformador aislador conectado directamente a la red es muy pesado, voluminoso y caro.

• Primero se realizar una conversión CA-CC antes de conmutar la tensión continua a decenas o centenares de kilohercios.

• Permite transformadores de múltiples devanados.

• Mucho mayor rendimiento que las fuentes de alimentación lineales.

Introducción. Diagrama de Bloques.

Introducción. Ventajas y desventajas.

Modelos de Transformadores.

- Proporcionar aislamiento galvánico.- Incrementar o reducir tensiones y corrientes variables en el tiempo.

v1v2=N 1

N 2

i 1

i 2

=N 2

N 1

Modelos de Transformadores.

• R1 y R2: resistencias de los devanados primario y secundario.• L1 y L2: inductancias de dispersión de los devanados. Importante cuando se consideran los transitorios de conmutación.• Lm: inductancia magnetizante. Parámetro importante en el convertidor flyback• Rm: pérdidas en el núcleo.

Convertidor Flyback.

• La energía se almacena en Lm cuando el interruptor está cerrado. La corriente sube linealmente. Diodo de salida polarizado inversamente.• La energía se transfiere a la carga cuando el interruptor se abre debido a que el diodo estará polarizado directamente.

Convertidor Flyback. Análisis.

Convertidor Flyback. Análisis.

• C es muy grande.• Régimen permanente. Corrientes y tensiones periódicas.• Ciclo de trabajo del conmutador es D. Estará cerrado el interruptor DT y abierto (1-D)T.• Interruptor y diodo son ideales.

Interruptor cerrado:

V 1=V S=L m .d I Lm

dtd I Lm

dt= i Lm

t= i Lm

DT=V S

L m

i Lm cerrado=V SDT

L m

v2=V S N 2

N 1

V D=−V O−V S N 2

N 10

Convertidor Flyback. Análisis.

Interruptor abierto:

V 1=−V O .N 1

N 2

V 2=−V O

L m .d i Lm

dt=

i Lm

1−D T=−V O .

N 1

N 2

i Lm ,abierto=−V O 1−D T

Lm.N 1

N 2

Régimen permanente:

i Lm ,cerrado i Lm ,abierto=0V S .DT

Lm−V O 1−D T

Lm

N 1

N 2

=0

V O=V S .D1−D

.N 2

N 1

P S= P O

V S . I S=V O2

RI S=I LmD

I Lm=V O2

V S .DR

I Lm ,máx ,mín=I Lm±i Lm

2=

V SD

1−D 2R N 2

N 12

±V SDT

2.L m

I Lm ,mín=0

L m.mín=1−D 2R2 f N 1

N 22

V O=V O .DRCf

Convertidor Flyback. Modo corriente discontinua.

I S= 12 V SDT

L m DT 1T =V SD

2T

2L m

V S2D 2T

2L m

=V O2

R

V O=V SD TR2L m

=V SD R2L m f

Convertidor Forward.

• Devanados 1 y 2 transfieren energía de la fuente a la carga.• Devanado 3, proporciona un camino a la corriente magnetizante cuando el interruptor está abierto y reducirla a 0 antes de la siguiente conmutación.

Convertidor Forward. Análisis.

Convertidor Forward. Análisis.

Interruptor cerrado:

V 2=V S . N 2

N 1

V 3=V S N 3

N 1

V D3=−V S−V 30

V Lx=V 2−V O=V S N 2

N 1−V O=L X

d I Lx

dt

I Lx , cerrado=[V S N 2

N 1−V O ]DTL X

I Lm=V SDT

L m

Interruptor abierto:

V 1=−V S N 1

N 3

V 2=−V S N 2

N 3

I Lx , abierto I Lx , cerrado=0

[V S N 2

N 1−V O ]DTL −

V O 1−D TL

=0

V O=V SD N 2

N 1

T x=DT N 3

N 1

t 0=DT T x=DT DT N 3

N 1=DT 1N 3

N 1 , t 0T

D 1N 3

N 11

V O=V O .1−D

8L X C f 2

Convertidor Forward con dos interruptores.

Convertidor Push-Pull.

• Al conmutar S1 y S2 se producen pulsos de polaridad opuesta en los devanados primario y secundario del transformador.• Los diodos del secundario rectifican la forma de onda que será filtrada por el circuito LC.

Convertidor Push-Pull. Análisis.

Convertidor Push-Pull. Análisis.

Interruptor S1 cerrado:

V S1=V S N S

N P=V S2

V Lx=V S N S

N P−V O

I Lx ,cerrado=V S N S

N P−V O

L XDT

Interruptor S2 cerrado:

V P2=−V S

V S1=V S2=−V S N S

N P

V Lx=V S N S

N P−V O

Ambos interruptores abiertos:

V Lx=−V O

I Lx

t=V O

L X

I Lx , cerrado I Lx ,abierto=0

V O=2V S N S

N PD

V O=V O .1−2D

32L X C f 2

Convertidor en puente completo.

Convertidor en puente completo. Análisis.

Convertidor en medio puente.

Convertidor en medio puente. Análisis.

Convertidor alimentado en corriente.

Convertidor alimentado en corriente. Análisis.

Convertidor con múltiples salidas.

Elección de convertidores.

✔ Flyback: Sencillas. Núcleo del transformador debe ser grande. Tensión en bornas del interruptor es 2Vs. Potencias inferiores a 150W.✔ Forward: Núcleo del transformador más pequeño. Elevador estrés de tensión en el transistor. Coste añadido de la bobina de filtrado. Potencia entre 150W y 500W.✔ Push-Pull. Núcleo del transformador relativamente pequeño. Posibles problemas de saturación del núcleo por desequilibrio de la corriente continua en circuitos no ideales. Potencia igual que el Forward.✔ Medio Puente: Mejor que el Push-Pull porque los interruptores sólo soportan 1Vs.✔ Puente completo: Potencia entre 500 y 1500W. Tiene como desventaja que los circuitos de excitación deben ser flotantes.

Control de las fuentes de alimentación.

Estabilidad del bucle de control.

• Ganancia a frecuencias bajas debe ser grande para que el error entre la salida y la señal de referencia sea pequeño.• Ganancia a la frecuencia de conmutación debe ser pequeña.• Desplazamiento de fase en bucle abierto a la frecuencia de cruce (ganancia unidad) debe tener un retardo menor de 180º. Margen de fase al menos de 45º

Control de las fuentes de alimentación.

Estabilidad del bucle de control.

Control de las fuentes de alimentación.

Función de transferencia del filtro.

V O sd s

=V s

LC [ 1sr CR

s2s 1RCr C

L 1LC ]

Control de las fuentes de alimentación.

Amplificador de error con compensación.

C 2≪C1

F s=−s 1

R 2C 1

R 1C 2 s s 1R 2C 2

w z=1

R 2 .C1

w p=1

R 2 .C 2

Control de las fuentes de alimentación.

Funciones de transferencia.