convertidor reductor elevador (buck boost)
TRANSCRIPT
CONVERTIDOR REDUCTOR-ELEVADOR
(BUCK-BOOST)
El convertidor reductor-elevador o también conocido como buck-boost suministra un voltaje de salida que puede ser mayor o menor al de la entrada, asi mismo la polaridad del voltaje de salida es inversa a la del voltaje de entrada.
Convertidor Reductor-Elevador (Buck-Boost)
Reductor: Vout < Vin
Elevador: Vout > Vin
REDUCTOR ELEVADOR
VinVoutV1
V1 = Vin·DD1
1VV 1out
D1
DVV inout
¿Es posible elevar y reducir con un convertidor?
Posible solución: conectar un reductor y un elevador en cascada
D1
DVV inout
La tensión de salida con este sistema es:
• Si D < 0.5 la tensión de salida es menor que la de entada.
• Si D > 0.5 la tensión de salida es mayor que la de entrada.
El convertidor tiene el doble de componentes que los convertidores en los que se basa
¿Es posible obtener el mismo resultado sin aumentar el número de componentes?
Inconveniente
El condensador intermedio lo podemos eliminar y unir las dos bobinas.
Mismo ciclo de trabajo para los dos convertidores
Los dos interruptores se manejan simultáneamente
Int. Cerrados
Int. Abiertos
Vin Vout
VinVout
VL = Vin
VL = -Vout
Vin Vout
VL
IL
TDT
-Vout
Vin
M1
M1
M2
M2
M1
M2
• Durante D, la bobina queda en paralelo con la entrada
• Durante (1-D), la bobina queda en paralelo con la salida
D1
DVV inout
Vin·D = Vout(1-D)
Por tanto, para conseguir el mismo comportamiento debemos encontrar un circuito que maneje la bobina de una forma similar:
Vin Vout
S1 S2
• Cerrando S1 ponemos la bobina en paralelo con la entrada
• Cerrando S2 la ponemos en paralelo con la salida.
Para desmagnetizar bobina debemos invertir la tensión de salida
-
+
S1 S2
• Un transistor
• Un diodo
• Una bobina
• Un condensador
Integración de los dos convertidores en uno sólo
• La tensión de salida puede ser mayor o menor que la de entrada.
• La tensión de salida está invertida respecto a la tensión de entrada.
Convertidor Reductor-Elevador
VinVout
-
+
Es necesario invertir la tensión de salida
Relación de transformación en MCC
2 estados de funcionamiento en MCC
Carga de la bobina
Descarga de la bobina
VinVout
-
+
Interruptor cerrado
Interruptor abierto
1
2
Vout
Vout
Vin
Vin
M1
M1-
+
Formas de onda en MCC
Durante D·T
Durante (1-D)·T
La tensión media en la bobina debe ser nula:
VL
IL
TDT
-Vout
Vin
Vin·D = Vout·(1-D)D1
DVV inout
La tensión de salida está invertida respecto a la de entrada
VinVout
VL=Vin
IL
VinVout
VL=-Vout
IL
VL
IL
TDT
ILp
La corriente de pico es:
El valor medio de la corriente ID es la corriente de salida:
Por tanto:
La corriente está en el límite entre MCC y MCD
Dado un valor de Iout, ¿Qué valor de L consigue obtener esta corriente?
Límite entre MCC y MCD
TDVL
1I inLp
-Vout
Vin
TD1DVL2
1)D1(I
2
1I inLpD
_
out i
Iout
IDSe cumple:
D1
DVV inout
2
out
outLIM D1
I2
TVL
Operación en MCD
VL
IL
Vin
TDT
-Vout
2T
Hay 3 estados de funcionamiento
Durante D·T
Durante 2·T
Durante (1-D- 2)·T
TDT
Iout
ID
VinVout
IL
VL
-+
Vin Vout
IL
VL
-+
Vin VoutVL
-+ -+
iL=0
Cálculo de la relación de transformación
En general, cuando un convertidor se descarga pasa a operar en MCD
VL
IL
TDT
Vin
-Vout
ILp
2T
En MCD se cumple:
Tensión media en L nula:
La corriente de pico es:
La corriente media de salida es:
RL es la carga de salida
L
outout R
VI
TDVL
1I inLp
2Lpout I2
1I
TDT
Iout
ID
2outin VDV
TR
L2
V
VD
Lin
out
El ciclo de trabajo depende de la carga cuando el convertidor opera en MCD
Operación en MCD
2 4 6 8 100
0.5
1MCC
MCD
Vin = 12 V
Vin = 6 V
Vin = 24 V
Vout = 12 VL = 5 H
f = 100 kHz
Corriente (A)
D
El peor caso se da en condiciones de tensión de entrada máxima
Peor caso: Vmax
TR
L2
V
VD
Lin
out
El ciclo de trabajo necesario para obtener una cierta tensión de salida depende de la carga RL y del valor de L
RL: Carga del convertidor
Operación en MCD
2 4 6 8 10
0
0.2
0.4
0.6
Corriente de salida (A)
DVin = 12 V
Vout = 12 V
L = 5 H
L = 10 H
L = 2.5 H
TR
L2
V
VD
Lin
out
• Si L es grande, el convertidor trabajará en MCC hasta cargas bajas
• Si L es pequeña, el convertidor trabajará casi todo el tiempo en MCD
En MCD, D también depende del valor de L
Cálculo del condensador
-Vout
Vin
CargaDescarga
VL
ID
VC
C
QVout
Vout
TDT
El rizado pico-pico en el condensador será:
Formas de onda
Conocido el valor de L y tomando como dato Vout podemos calcular C
Iout
TDIC
1
C
QV outout
En régimen permanente:
Carga = Descarga
En este caso resulta más fácil basarse en la descarga (área amarilla):
TDIV
1C out
out
Q
Esfuerzos en los semiconductores
Convertidor Reductor-Elevador en MCC
Vin Vout
VMVD
VMmax = Vin+Vout
VDmax = Vin+Vout
IL
TDT
VM
VD
IM
ID
ILp
ILp
ILp
Iout
Vin+Vout
Vin+Vout
Esfuerzos en los semiconductores
Convertidor Reductor-Elevador en MCD
Vin Vout
VMVD
VMmax = Vin+Vout
VDmax = Vin+Vout
VM
VD
IL
TDT
ILp
Iout
2T
Vin
Vout
IM
ID
ILp
ILp
Vin+Vout
Vin+Vout
RE
SU
ME
NEl convertidor REDUCTOR-ELEVADOR
Vout>Vin > Vout
• D Depende de la carga
• Valores de L bajos
• Corrientes elevadas
• VMmax = Vin
• VDmax = Vin
• D Independiente de la carga
• Valores de L altos
• Corrientes pequeñas
• VMmax = Vin
• VDmax = Vin
Tensión de salida invertida
• Cálculo de bobina y condensador
• Aplicaciones
2 modos de funcionamiento
iL iLMCC MCD
Vin Vout
-
+
TR
L2
V
VD
Lin
outD1
DVV inout
COMPARACIÓN DE TOPOLOGÍAS
La elección de una topología u otra va mucho más allá de una simple cuestión de magnitudes de tensión de entrada y de tensión de salida. Los convertidores tienen comportamientos reales distintos: unos son más robustos, otros tienen mejor rendimiento, son más sencillos de construir, etc.
Reductor ElevadorReductor-Elevador
VMOSFET
IPMOS
VDIODO
IPDIODO
Vin
Vin
Vout
Vout Vin+Vout
Vin+Vout
I0
I0
I0/(1-D)
I0/(1-D)
I0/(1-D)
I0/(1-D)
El rizado de corriente se ha supuesto nulo.
Ejemplo de comparación:
Especificaciones: Vin = 48 V
Vout = 12 V
Pmax = 100 W
L = 50 H
V0 = 2%
Reductor
Reductor-Elevador
VMOSFET IPicoVDIODO iL C
48 V 48 V
60 V 60 V
10.1 A
12.2 A
3.6 A
7.7 A
9.4 F
277 F
Especificaciones: Vin = 12 V
Vout = 48 V
Pmax = 100 W
L = 50 H
V0 = 2%
Elevador
Reductor-Elevador
VMOSFET IPicoVDIODO iL C
48 V 48 V
60 V 60 V
9.2 A
11.4 A
1.8 A
1.9 A
16.2 F
17.3 F
Fuente : Universidad de Oviedo
Lecturas
http://www.eecs.mit.edu/spotlights/images/Main_dc-dc.pdfhttp://www.eecs.mit.edu/spotlights/images/Main_TRAN08_IEEEtran.pdf
Four Switch Buck-Boost Converter for Photovoltaic DC-DC power applicationshttp://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=5674983
APLICACION2
APLICACIONES
APLICACION1
http://www.youtube.com/watch?v=FNUqA0TRyys&feature=related
http://www.national.com/pf/LM/LM3668.html#Overview