fuentes conmutadas

ELECTRÓNICA DE POTENCIA (Dep. Ing. Electrónica) Curso 2011 - 2012 1

2.1 Introducción.

2.2 Configuraciones sin aislamiento.

2.3 Configuraciones con aislamiento.

2.4 Control de fuentes de alimentación conmutadas.

2.1 INTRODUCCIÓN


Control

Driver

+ +

--

Vi Vo

No regulada Troceada Regulada

Fuentes de alimentaciónFuentes de alimentación

2.1 INTRODUCCIÓN

• Concepto:Dispositivos que proporcionan potencia eléctrica en forma de tensión o corriente,normalmente continua.

+

- Energía Primaria: tensión alterna (red eléctrica)

• Diagrama de bloques:


vac+

Fuente no estabilizada Convertidor DC / DC

Vdc

+

-

Convertidor DC / DC

Vdc(o)Vdc(i)

+

-

- Energía Primaria: tensión continua (paneles solares, baterías, …)

Fuentes de alimentaciónFuentes de alimentación

• Tipos de convertidores DC / DC: - Lineales- Conmutados

2.1 INTRODUCCIÓN

• Especificaciones:

- Rendimiento: P

- Salida: Tensión, Corriente- Entrada: Tensión (rango), Corriente


- Rendimiento:

∫==

=

T

iii

L

oo

i

o

dtivT

PR

VP

P

P

0

21

;

(%)100η

- Regulación de carga: )/( AVI

VRDC

o

o

∆

∆=

- Regulación de línea: (%)100i

o

V

VRDL

∆∆

=

Fuente no estabilizadaFuente no estabilizada

Formas de onda (carga resistiva):Esquema (carga resistiva):

2.1 INTRODUCCIÓN

vn.e.

ir 0

vn.e.


Cf

IV

AVo

rizo2

)(=

Cf

IVV

AVo

oMAVo4

)(

)( −=

)()( AVoAVr II =

0)( =AVCI

- Transformador (N1 / N2).

- Rectificador de doble onda.

- Filtro por condensador.

ic 0

Convertidores DC/DC linealesConvertidores DC/DC linealesPrincipio de Funcionamiento

IC

V

Q

2.1 INTRODUCCIÓN


VCE

Transistor en zona activa

Características: - Circuito sencillo.- Rendimiento bajo.- Transformador grande.- Aplicaciones de media y baja potencia

( ) constantecontrolcto.Si .. oCEen VVv ⇒↑⇒↑

CEio VVV −=

Funcionamiento:

Principio de Funcionamiento

+ +

-

vn.e. Vo

Convertidores DC/DC conmutadosConvertidores DC/DC conmutados

2.1 INTRODUCCIÓN


Características: - Frecuencia de conmutación alta.- Rendimiento alto.- Transformador pequeño.- Emisión de interferencias electromagnéticas. (EMI).

Control

Driver

-


( ) constantecontrolcto.Si oi VV ⇒↓⇒↑ δ

Transistor entre conducción y no conducción

io VV δ=Funcionamiento:

ComparativaComparativaFUENTES LINEALES

Ventajas: - Bajo ruido EMI

Inconvenientes: - Bajo rendimiento (< 50%)

- Voluminosas

- Transformador de potencia a la frecuencia de red.

- Ecualización de corrientes con BJT en paralelo.

- Baja densidad de potencia.

2.1 INTRODUCCIÓN


FUENTES CONMUTADAS

Ventajas: -Más compactas que las lineales.

- Rendimiento elevado (> 80%).

- Mejor respuesta dinámica por su frecuencia de conmutación.

- Posibilidad de varias salidas.

- Facilidad de diseño de componentes pasivos (L y C).

Inconvenientes: - Fuerte emisión de EMI y RFI.

- Conceptualmente más complejas que las lineales.

- Las pérdidas crecen con la frecuencia de conmutación.

- Mayor fatiga de los semiconductores debido a las inductancias parásitas.

Corrector de factor de potencia

Convertidor Boost

Aplicaciones (1)Aplicaciones (1)

2.1 INTRODUCCIÓN


Aplicaciones (2)Aplicaciones (2)

Fuente de alimentación de TV

Convertidor Flyback de múltiples salidas

2.1 INTRODUCCIÓN


Núcleos magnéticosNúcleos magnéticosTamañoTamaño enen funciónfunción dede lala frecuenciafrecuencia dede conmutaciónconmutación

2.1 INTRODUCCIÓN


2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO.


Control

Driver

+ +

--

Vi Vo


ConvertidorConvertidor BUCKBUCK..

Funcionamiento:• (0 ≤ t ≤ δT) Q: ON ii = iL• (δT ≤ t ≤ T) Q: OFF, D: ON iA = iL

Vi

Q

D

L

C voRL

Filtro pasa baja

+

-

vL+ -iL io

vAB

+

-

ii

iA

iC

A

B

2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BUCK


ii

T

ABAVABO VVTT

dtvT

VV δδ ==== ∫11

0)(

VO independiente de la frecuencia

Reductora10

T

t cycle),(Duty trabajode Ciclo: ON

io VV ≤⇒≤≤

=

δ

δδ

Condiciones de funcionamiento: C → ∞; Conducción Continua

Semiconductores ideales

(0 ≤ t ≤ δT) Q: ONvL

)1(oiL VVv −=


Análisis del circuito (1)Análisis del circuito (1)


(δT ≤ t ≤ T) Q: OFF; D: ON

)2(oL Vv −=

Régimen estacionario → VL(AV) = 0

)(0

0)(1

)(1

21

0)(

−−−==−

=−+−= ∫∫

ooi

T

To

T

oiAVL

VT

TTVV

T

TSS

tdVT

tdVVT

V

δδ

δ

δtON

T

tOFF

Tδ

Vi - Vo

S1


Análisis del circuito (2)Análisis del circuito (2)


0=+−−→ oooi VVVV

TT

δδδTTδ

-Vo

S2t

iVV δ=→ 0

Corriente por la bobina de choque (1)Corriente por la bobina de choque (1)

Condiciones: C → ∞; Conducción Continua

vL

)1(1 tL

VVIiVV

td

idLv oi

minLLoiL

−+=→−==

tTδ0

iL

ILmin


(0 ≤ t ≤ δT) Q: ON


tTδ0

tTδ0

iL ILmax

T

)2()(2 TtL

VIiV

td

idLv o

maxLLoL δ−−=→−==(δT ≤ t ≤ T) Q: OFF; D: ON

vL

• Continuidad → IL1(δT-) = IL2(δT+) = ILMax

• Periodicidad → IL2(T-) = IL1(0+) = ILmin

VV

TTL

VII

TL

VVII

o

oMaxLL

oiLMaxL

δδ

δ=→

−−=

−+=

)()2(

)1(

min

min

→



<<

<<=

TtTi

Ttii

L

L

L δ

δ

,

0,

2

1


L →

t

iL

ILmin

ILMax

IO IL(riz)

Forma de onda:

Se supone:

rizLDCLL iii +=

=

=

CrizL

oDCL

ii

Ii


Rizado: TL

VT

L

VVIII ooi

MinLMaxLrizL )1()( δδ −=−

=−=

IL(riz) ↓ : si L ↑ ó f ↑

rizLIII +=

Valores máximo y mínimo :


Valor medio: 20)(

MinLMaxL

AVL

IIII

+==


Límite entre conducción continua y discontinua: Condición:

t

iL

ILmin

ILMax

IOmin IL(riz)

2

rizL

oMaxL II +=

2

rizL

oMinL

III −=

2

rizL

Mino

II =

0=MinLI

Diseño de la bobina de choqueDiseño de la bobina de choque

• Datos necesarios: - L (depende de IL(riz), Vi, Vo, y de fc)- Ip (corriente de pico por la bobina)- IRMS (corriente eficaz)

- fc (frecuencia de conmutación)

• Diseño: 1) Material del núcleo (ferrrita) y Bmax.



• Diseño: 1) Material del núcleo (ferrrita) y Bmax.2) Forma y tamaño del núcleo.3) Número de espiras.4) Sección del hilo.

5) Entrehierro.

NúcleosNúcleos dede ferritaferrita




BobinasBobinas yy transformadorestransformadores..


Condensador de filtro (1)Condensador de filtro (1)


Considerando C ideal

rizLDCLL iii +=

=

=

CrizL

oDCL

ii

Ii

dt

dvCIiii C

oLrizLC =−==


DCoLAVoDCo IRVV ⋅== )(

∫=≈ tdiC

vv CCrizo

1

TIC

ITTIT

CSS

Ctdi

CV rizL

rizLrizLt

tCrizo

8

1

222

1

222

11)(

1121)(

2

1

=

−+=+== ∫

δδ

Voriz ↓ : si C↑ ó f ↑ ó ILriz ↓

rizoDCoo vVv +=

CIDEAL

CIDEAL

CREAL

ESR

ESL

ESR≈ ≈


Considerando ESR del condensador

Condensador de filtro (2)Condensador de filtro (2)


CIDEAL

ESRvo riz

+

-

iL DC + iL riz

iL riz

Rizado debido a ESR >> Rizado debido a C ideal

Vo riz = IL riz · ESR

Diseño del condensador de salidaDiseño del condensador de salida

• Datos necesarios: - Vo (riz) (rizado máximo a la salida).- Vo (tensión de salida).- IC (RMS) (corriente eficaz por el condensador).

- fc (frecuencia de conmutación).

=

32

)(

)(

rizL

RMSC

II



• Especificaciones del Condensador:1) Valor de capacidad (C en Faradios) 2) Tensión nominal (VN)3) ESR (depende de C, VN, fc)4) IC (RMS) (depende de fc y de la Temperatura)


Hojas de datos de condensadores Hojas de datos de condensadores


Diseño de semiconductores (1)Diseño de semiconductores (1)

Transistor:


iD

vDSVi

vDS

+ -iD

+

-


• VDS = Vi - (-VF) = Vi + VF

• IDM = IL Max

• ID = δ Io• PD = PD(ON) + PD(C)

•td(on) + 2·tr + td(off) + 2·tf << T

-

<<+

<<=

TtTVV

Ttriv

Fi

onDSD

DS δ

δ0)(

<<

<<=

TtT

Ttii

L

D δ

δ

0

0

Diodo:


iA

vAK

0Vi

vAK

-

+

iA

+

-



• VRWM = Vi - VDS(on)

• IFM = IL Max

• IF(AV) = (1 - δ) IO

• trr << T

-

( )

<<

<<−−=

TtTV

TtVVv

F

onDSi

AK δ

δ

,

0,)(

<<

<<=

TtTi

Tti

L

A δ

δ

,

0,0

Características de la configuración buckCaracterísticas de la configuración buck

- Corriente de entrada a la fuente discontinua (pulsante).- Corriente de salida de la fuente continua (no pulsante).- La bobina no maneja toda la potencia de la carga.- El transistor tiene la referencia a tensión flotante.- Variante con aislamiento: configuración FORWARD.

- APLICACIÓN: Fuentes y convertidores CC/CC sin aislamiento.



- APLICACIÓN: Fuentes y convertidores CC/CC sin aislamiento.Potencia máxima: 200 W

Convertidor BOOST (elevador).Convertidor BOOST (elevador).

D

L

+ -vL iL

iAii

2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BOOST

Esquema:


ViS1

D

CVo

+

-

Funcionamiento:• (0 ≤ t ≤ δT) S: ON ii = iL = iS• (δT ≤ t ≤ T) S: OFF, D: ON ii = iL = iA

iL Vv =


Análisis (1)Análisis (1)

Condiciones de funcionamiento: C → ∞; Conducción Continua Semiconductores ideales

(0 ≤ t ≤ δT) Q: ON


oiL VVv −=


tON tOFF

Vi

S1

Régimen Estacionario → VL(AV) = 0

→=−−

+

=−+= ∫∫

0)()(

0)(1

)(1

0)(

oii

T

Toi

T

iAVL

VVT

TTV

T

T

tdVVT

tdVT

V

δδ

δ

δ




TTδ

Vi-Vo

S2t

→=+−+−→

→=−+

0

0)()(

iooii

oii

VVVVV

VVT

VT

δδδ

Elevadora1Como iO VV >⇒<δ

io VVδ−

=1

1




(0 ≤ t ≤ δT) Q: ONt

L

VIiVv i

LLiL +=→= min1

TL

VII i

LL δ+= minmax


(δT ≤ t ≤ T) Q: OFF; D: ON )(max2 TtL

VVIiVVv oi

LLoiL δ−−

+=→−=

TL

VVII oi

LmiinL )1(max δ−−

+=



Formas de onda:

<<

<<=

TtTi

Ttii

L

L

L δ

δ

2

1 0


Se supone:

rizLAVLL iIi 222 +=

=

=

CrizL

oAVL

ii

II

2

)(2


Rizado: TVVL

TVL

III oiiMinLMaxLrizL )1()(11

)( δδ −−==−=

IL(riz) ↓ : si L ↑ ó f ↑

Valores máximo y mínimo:


Valor medio de iL2: 2)1(

minmax

0)(2

LL

AVL

IIII

+−== δ


2121max

rizLoioL

IIT

L

VII +

−=+

−=

δδ

δ

Valores máximo y mínimo:

2121min

rizLoioL

IIT

L

VII −

−=−

−=

δδ

δ

Límite de conducción continua a discontinua:

rizLL III2

10 min0min

δ−=⇒=

Condensador de filtroCondensador de filtro

IRVV ⋅==


rizoDCoo vVv +=

Considerando C ideal:rizLAVLL iIi 222 +=

=

=

CrizD

oAVD

ii

Ii

oLrizLC Iiii −== 22

iC

0

Io

t

i2

0


DCOLAVODCO IRVV ⋅== )(

TIC

tdiC

tdiC

V o

t

tC

t

tCrizo δ

111 1

0

2

1)( =−== ∫∫

Vo riz ↓ : si C↑ ó f ↑

t

0

t

vo

0 TT

Vo(AV) Vo(riz)

-Io

Considerando la ESR del condensador:

Vo riz = IL max · ESR


Transistor:


iD

vDS


• IDM = IL max

• ID = δ IL AV

• PD = PD(ON) + PD(C)

• td(on) + 2·tr + td(off) + 2·tf << T

<<+−

=+

<<=

TtTVV

VV

Ttri

vF

iFo

onDSD

DSδ

δ

δ

1

0)(

<<

<<=

TtT

Ttii

L

D δ

δ

0

0

Fi

DS VV

V +−

=•δ1

Diodo:


iA

vAK

0



• VRWM = Vo - VDS(on)

• IFM = IL Max

• IF(AV) = IO

• trr << T

<<

<<−=

TtTV

TtVVv

F

oonDS

AK δ

δ0)(

<<

<<=

TtTi

Tti

L

A δ

δ00

Características de la configuración boostCaracterísticas de la configuración boost

- Corriente de entrada a la fuente no discontinua.- Corriente de salida de la fuente discontinua (pulsante).- La bobina no maneja toda la potencia de la carga.- El transistor tiene la referencia a masa.- Necesidad de limitación del ciclo de trabajo.



Convertidor BUCKConvertidor BUCK--BOOST (elevador BOOST (elevador -- reductor).reductor).

2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BUCK-BOOST

Esquema:


Funcionamiento:• (0 ≤ t ≤ δT) S: ON ii = iS = iL• (δT ≤ t ≤ T) S: OFF, D: ON iL = iA

Tensión de salida: polaridad invertida respecto a la entrada

iL Vv =




(0 ≤ t ≤ δT) Q: ON


oiL VVv −=


Régimen Estacionario → VL(AV) = 0

→=−−

+

−==−+= ∫∫

0)()(

0)(1

)(1

210

)(

oi

T

To

T

iAVL

VT

TTV

T

T

SStdVT

tdVT

V

δδ

δ

δ




→=−+→ 0ooi VVV

TT

δδTδ

Elevadora15.0Si

Reductora5.00Si

iO

iO

VV

VV

>⇒<<

<⇒<<

δ

δ

io VVδ

δ−

=1

Tensión de salida: polaridad invertida

Características de la configuración buckCaracterísticas de la configuración buck--boostboost

- Polaridad de la tensión de salida negativa.- Corriente de entrada a la fuente discontinua (pulsante).- Corriente de salida de la fuente discontinua.- La bobina maneja toda la potencia de la carga.- El transistor no tiene la referencia a masa.- Necesidad de limitación del ciclo de trabajo.



2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO.


Control

Driver

+ +

--

Vi Vo


Diagrama de bloquesDiagrama de bloques

• Convertidor DC / DC sin aislamiento:

Inconveniente: el transformador trabaja en baja frecuencia ⇒ Grande

2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO.


• Convertidor DC / DC con aislamiento:

Inconveniente: el transformador trabaja en baja frecuencia ⇒ Grande

Ventaja: el transformador trabaja en alta frecuencia ⇒ Pequeño

Convertidor forwardConvertidor forward

Esquema (transformador ideal):

• Variante con transformador del convertidor BUCK: mismas formas de onda decorriente en la bobina de choque y de tensión de salida

• Aislamiento galvánico entre la entrada y la salida; necesidad de desmagnetizar eltransformador

2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. FORWARD

Introducción:

Funcionamiento:

• (0 ≤ t ≤ δT) Q: ON


• (0 ≤ t ≤ δT) Q: ONv1 = Vi, iD1 = iL

• (δT ≤ t ≤ T) S: OFF, D2: ONiD2 = iL

Transformador ideal con carga:

1

2

2

1

2

1

i

i

v

v

N

N==

Análisis (considerando el transformador ideal)Análisis (considerando el transformador ideal)

(régimen estacionario, conducción continua, componentes ideales, C infinito):

Vi

+

N1 N2

-

D1

D2 C R vo

+

-

L

Q

v1

+

-v2

+

-

vL+ -• 0 < t < δδδδT:

oi

oL VNN

VVvv −=−=

21

2



-

• δδδδT < t < T:

N2

D1

D2 C R vo

+

-

L

v2

+

-

vL+ -

oL Vv −=

( ) ( ) ⇒=−−+

−= 01

21

)( ooi

AVL VVNN

VV δδ

Régimen estacionario: VL(AV) = 0:

io VNN

V δ21

1=

Corriente por la bobina de choqueCorriente por la bobina de choque

• Formas de onda de la corriente y latensión en la bobina de choque (igualque en el convertidor BUCK):



• Rizado de corriente: TL

VT

L

VNN

V

III o

oi

MinLMaxLrizL )1(21)( δδ −=

−=−=

t

iL

ILmin

ILMax

IO

t

iL

ILmin= 0

ILMax

I'O• Límite entre conducción continua y discontinua:

2

rizL

Mino

II =→= 0minLI

Tensión de salidaTensión de salida

Formas de onda de la corriente y la tensión de salida

• Condensador ideal no infinito (igual que en el convertidor BUCK):

DCoLAVoDCo IRVV ⋅== )(

∫=≈ tdiC

vv CCrizo

1

t

ItdiV11 2

== ∫



rizL

t

tCrizo I

Cftdi

CV

8

11 2

1)( == ∫

• Condensador con ESR (igual que en el convertidor BUCK):

Vo riz = IL riz · ESR

Desmagnetización del transformador (1)Desmagnetización del transformador (1)

Convertidor forward considerando elmodelo del transformador:

• Modelo del trasformador(real):


N1 N2:

Lmg

(ideal)

i1'

N1 N2:

Lmg

img

(ideal)D1

D2 C RVo

+

-

L

Vi

+

ii


21

21

1

'

'

NN

ii

iii mgi

=

+=

Necesidad de desmagnetización del transformador:

Durante tON la corriente img magnetiza el núcleo del transformador.Debe desmagnetizarse durante tOFF para evitar sobretensiones.

N1 N2:

-Q

Desmagnetización del transformador (2)Desmagnetización del transformador (2)

Convertidor forward (considerando el modelo del transformador):


Necesidad :

i1'

N N:

Lmg

img

(ideal)D1

D2 C Rvo

+

-

L

Vi

+

ii

img

i1'

t

- Vi

ImagM

I '

0 6T TT'

i1

I1M

I1'M

ImagM

Provoca

sobretensiones


tL

Vi

NN

iiiii

mg

imgmgi ==+= ;';'

21

211

N1 N2:

-Q

i2

I1 M

I2M

Redes de desmagnetización:• Disipativa: mediante diodo zéner• No disipativa: mediante devanado auxiliar

Red de desmagnetización no disipativa (1)Red de desmagnetización no disipativa (1)



tON) Conducción del transistor. El transformador se magnetiza

Funcionamiento:

tOFF) No conducción del transistor

( )'TtT <<δ Desmagnetización del transformador por el devanado auxiliar y D3

( )TtT <<' Transformador desmagnetizado

Como el intervalo de desmagnetización dura el mismo tiempo que el intervalo dedesmagnetización, si N3 = N1: ⇒ T’ = 2 δT < T ⇒ δ < 0.5

Normalmente: N3 = N1


Análisis:


13

31

ii

iiii

′−=

−=


tON) Conducción del transistor. El transformador se magnetiza

Análisis:

i

mgi

Vv

iiii

=

′+==

1

11

Red de desmagnetización no disipativa (3)Red de desmagnetización no disipativa (3)tOFF) No conducción del transistor

( )'TtT <<δ

i

mg

i

Vv

iii

ii

−=

=−=

−=

1

13

3

'

Desmagnetización del transformador


N1 N2

D1

D2C

R

Vo

+

-

L

Vi

+ i1’

v1

+

-

N3

D3

i3

img

Lmg

ii

Q

i2


( )TtT <<'

0

0

1

1

=

=

v

i

Transformador desmagnetizado

-Q

N1 N2

-

D1

D2C

R

Vo

+

-

L

Vi

+ i1’

v1

+

-

N3

D3

i3

img

Lmg

ii

Q

i2


Formas de onda:


<<

<<−

<<

=

TtT

TtTV

TtV

v i

i

'0

'

0

1 δ

δ

Expresiones:

<<+ Ttiimg δ0'1


<<

<<+=

TtT

Ttiii

mg

δ

δ

0

0'11

<<

<<

<<

=

TtT

TtTi

Tt

i mg

δ

δ

δ

'0

'

00

3

Con N3 = N1:


Ventaja: La energía debida a la magnetización del transformador sedevuelve hacia la entrada de la fuente conmutada (regeneración) ⇒rendimiento elevado.



Con N3 = N1:• Máximo ciclo de trabajo: 5.0max =δ

• Máxima tensión en el transistor: iDSmax V2V =

Formas de onda (1)Formas de onda (1)

Transistor (iD, vDS):tON tOFF


N1 N2

-

D1

D2 C R vo

+

-

L

Vi

+ i1

v1

+

-

N3

D3

iA3ii

Q

iA1

iDS

vAK3

+

-

iA2

vAK1

vAK2

+

-

+ -


2 Vi

Vi

<<

<<+=

TtT

TtiiNNi

mgL

D

δ

δ

0

021

1

<<

<<+

<<

=

TtTV

TtTVV

TtV

v

i

Fi

onDS

DS

'

'2

0)(

δ

δ

td(on) + 2·tr + td(off) + 2·tf << T


Diodo D1 (iA, vAK):


N1 N2

-

D1

D2 C R vo

+

-

L

Vi

+ i1

v1

+

-

N3

D3

iA3ii

Q

iA1

iDS

vAK3

+

-

iA2

vAK1

vAK2

+

-

+ -


<<

<<=

TtT

Ttii

L

A δ

δ

0

0

( )

<<

<<++−

<<

=

TtTV

TtTVVVNN

TtV

v

F

FFi

F

AK

'

'1

0

21

δ

δ

trr << T


Diodo D2 (iA, vAK):


N1 N2

-

D1

D2 C R vo

+

-

L

Vi

+ i1

v1

+

-

N3

D3

iA3ii

Q

iA1

iDS

vAK3

+

-

iA2

vAK1

vAK2

+

-

+ -


<<

<<=

TtTi

Tti

L

A δδ00

( )

<<

<<+−−=

TtTV

TtVVVNNv

F

FonDSi

AK

δ

δ021

1)(

trr << T


<< Tt00 δ

Diodo D3:


N1 N2

-

D1

D2 C R vo

+

-

L

Vi

+ i1

v1

+

-

N3

D3

iA3ii

Q

iA1

iDS

vAK3

+

-

iA2

vAK1

vAK2

+

-

+ -


<<

<<

<<

=

TtT

TtTi

Tt

i mgA

'0

'

00

δ

δ

<<−

<<

<<+−

=

TtTV

TtTV

TtVV

v

i

F

onDSi

AK

'

'

02 )(

δ

δ

trr << T

Diseño de semiconductores Diseño de semiconductores (red de desmagnetización, N3 = N1)

Transistor:

P = P(ON) + PC

TL

VVI

IIIII

NNI

VVV

mg

onDSi

Maxmg

rizL

oMaxLMaxmgMaxLDM

FiDS

δ)(;

2;

21

1

2

−=+=+=

+=


Ttttt1

22 ≤+++


D1 (rectificador):

( )

Tt

II

VVVNN

V

rr

MaxLFM

FFiRWM

100

1

21

1

≤

=

−+=

D2 (libre circulación):( )

Tt

II

VVVNN

V

rr

MaxLFM

FonDSiRWM

100

1

21

1)(

≤

=

−−=

D3 (desmagnetización):

Diodos:

Tt

II

VVV

rr

MaxmagnFM

onDSiRWM

100

1

2 )(

≤

=

−=

Ttttt foffdrond100

22 )()( ≤+++

Características generalesCaracterísticas generales

- Es la variante con aislamiento del convertidor BUCK

- Corriente de entrada a la fuente: discontinua (pulsante).

- Corriente de salida de la fuente: no discontinua (no pulsante).

- La bobina no maneja toda la potencia de la carga.

- Necesidad de desmagnetización del transformador.



- Necesidad de desmagnetización del transformador.

- Tensión en el transistor: elevada.

- APLICACIÓN: Fuentes y convertidores CC/CC con aislamiento.

Potencias: 20 W - 1000 W

Esquema:

2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. FLYBACK

Convertidor flybackConvertidor flyback


Funcionamiento:

• (0 ≤ t ≤ δT) Q: ON: i1 magnetiza el núcleo del transformador

D polarizado inversamente, i2 = 0

• (δT ≤ t ≤ T) S: OFF: v1, v2 cambian de polaridad

i2 circula hacia la salida

Análisis (1)Análisis (1)Condiciones: C → ∞, Conducción Continua, Semiconductores ideales(0 ≤ t ≤ δT) Q: ON

δ ≤ ≤

2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. FLYBACK

ii VNN

vVv21

21

1=→=



oVv −=2

Régimen estacionario: V2(AV) = 0: io VNN

Vδ

δ−

=1

1

21

⇒=−− 0)1(1

21

oi VVNN

δδ


Convertidor flyback considerando el modelo del transformador:



(0 ≤ t ≤ δT) Q: ON, D: OFF (δT ≤ t ≤ T) Q: OFF; D: ON


Corriente Corriente de entrada y de salida de entrada y de salida (1)(1)Condiciones: C → ∞; Conducción Continua, Semiconductores ideales

(0 ≤ t ≤ δT) Q: ON

mg

mg

ii it

L

VIiVv =+=→= min111

TL

VII

mg

i δ+= min1max1


(δT ≤ t ≤ T) Q: OFF; D: ON )(1

2

2

1max222 TtV

LN

NIiVv o

mg

o δ−

−=→=

TVLN

NII o

mg

)1(1

2

2

1max2min2 δ−

−=

min1

2

1min2max1

2

1max2 I

N

NII

N

NI ==

Corriente de entrada y de salida (2)Corriente de entrada y de salida (2)


Tδ

<<−

<<=

TtTV

TtVNNv

o

i

δ

δ01

211


Tδ

Tδ

Tδ

<<

<<=

TtT

Ttii

mg

δ

δ

0

01

<<

<<

=TtTi

N

N

Tt

img δ

δ

2

12

00

Rizado:

TVL

III i

mg

MinMaxriz δ1

11)(1 =−=


Valor medio de i2:2

)1(22

0)(2

MinMax

AV

IIII

+−== δ

Corriente Corriente de entrada y de salida de entrada y de salida (3)(3)

TVLN

NIII oMinMaxriz )1(

12

122)(2 δ−

=−=


I1(riz)↓ , I2(riz)↓ : si Lmg ↑ ó f ↑

TL

VI

NNI

mg

ioMax δ

δ 21

1

21

1 +−

=

Valores máximos y mínimos:

TL

VI

NNI

mg

io δδ 21

1

21

min1 −−

=

TVN

N

L

II o

mg

oMax )1(

2

1

1

2

2

12 δ

δ−

+

−=

TVN

N

L

II o

mg

o )1(2

1

1

2

2

1min2 δ

δ−

−

−=

TVLN

III o

mg

MinMaxriz )1(2

22)(2 δ−

=−=

Condensador de filtroCondensador de filtro

IRVV ⋅==


rizoDCoo vVv +=

Considerando C ideal:rizAV iIi 222 +=

=

=

CrizD

oAVD

ii

Ii

oDrizDC Iiii −==

iC

0

Io

t

i2

0


DCOLAVODCO IRVV ⋅== )(

TIC

tdiC

tdiC

V o

t

tC

t

tCrizo δ

111 1

0

2

1)( =−== ∫∫

Vo riz ↓ : si C↑ ó f ↑

t

0

t

vo

0 TT

Vo(AV) Vo(riz)

-Io

Considerando la ESR del condensador:

Vo riz = I2 max · ESR


Transistor:


iD

vDS


• VDS = Vi + (N1/N2)(Vo +VF)

• IDM = Img max

• ID = (N2 / N1) δ Io

• PD = PD(ON) + PD(C)

• td(on) + 2·tr + td(off) + 2·tf << T

( )

<<++

<<

=TtTVV

N

NV

Ttri

vFoi

onDSD

DS δ

δ

2

1

)( 0

<<

<<=

TtT

Ttii

mg

D δ

δ

0

0

Diodo:



iA

vAK0


•

• IFM = I2 max

• IF(AV) = (1 - δ) IO

• trr << T

( )

<<

<<−−−=

TtTV

TtVVVNNv

F

oonDSi

AK

δ

δ01

)(

21

<<

<<

=TtTi

N

N

Tt

img

A δ

δ

2

1

00

( ) oonDSiRWM VVVNN

V +−= )(

21

1

Características generalesCaracterísticas generales

- Es la variante con aislamiento del convertidor BUCK-BOOST

- Circuito sencillo

- El transformador hace también el papel de bobina

- Corriente de entrada: discontinua (pulsante).

- Corriente de salida: discontinua (pulsante).



- Corriente de salida: discontinua (pulsante).

- El transformador maneja toda la potencia de la carga, núcleo voluminoso.

- APLICACIÓN: Fuentes y convertidores CC/CC con aislamiento.

Potencia baja (< 200 W)

Alta tensión

Convertidor pushConvertidor push--pullpull

Esquema:

2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. PUSH-PULL

Funcionamiento:

• (0 ≤ t ≤ δT) Q1: ON, Q2: OFF

oiLi VVNN

vVv −=→−=21

11

1

• (δT ≤ t ≤ T/2) Q1: OFF, Q2: OFFoL Vv −=

• (T/2 ≤ t ≤ T/2 + δT) Q1: OFF, Q2: ON−=→=

1


Tδ

io VNN

V δ21

2=

Tensión de salida:

oiLi VVNN

vVv −=→=21

12

1

• (δT ≤ t ≤ T/2) Q1: OFF, Q2: OFFoL Vv −=

Convertidor puenteConvertidor puente

Esquema:

2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. PUENTE

+

Funcionamiento:

•(0 ≤ t ≤ δT) Q1, Q4: ON, Q2, Q3: OFF

oiLi VVNN

vVv −=→=211

1

1

• (δT ≤ t ≤ T/2) Q1, Q2, Q3, Q4: OFFoL Vv −=

• (0 ≤ t ≤ δT) Q1, Q4: OFF, Q2, Q3: ONVVvVv −=→−=

1


Tδ

io VNN

V δ211

2=

Tensión de salida:

oiLi VVNN

vVv −=→−=221

1

1

• (δT ≤ t ≤ T/2) Q1, Q2, Q3, Q4: OFF

oL Vv −=

2.4 CONTROL DE FUENTES DE ALIMENTACIÓN CONMUTADAS.


Control

Driver

+ +

--

Vi Vo


Objetivos del circuito de control:

• Mantener Vo constante frente a ∆Vi, ∆Io, ∆T⇒⇒⇒⇒ Lazo Cerrado

• Proporcionar respuesta transitoria adecuada y estabilidad.⇒⇒⇒⇒ Compensación

• Proteger frente a sobretensiones y sobrecorrientes.


Métodos de control:

IntroducciónIntroducción


tON 1

T

tON2

T

tON

T1

tON

T2

PWM: Modulación de ancho de impulso Modulación de frecuencia

Métodos de control:

Diagrama de bloques:

Vref +

-

Amplificadorde Error

+

-

ComparadorVE

Vt

Acondicionador

Etapa de Potencia

Vi VO

VC


PWM: Modulación de ancho de impulsoPWM: Modulación de ancho de impulso


Oscilador

Vt

Realimentación

OV⋅β

Si: VO ↑↑↑↑ →→→→ VE ↓↓↓↓ →→→→ tON ↓↓↓↓ →→→→ VO ↓↓↓↓ ⇒⇒⇒⇒ VO Constante

Funcionamiento de la realimentación:

Tensión de salida:reforefo VVVV

ββ

1=⇒=

Circuito integrado SG3524.Circuito integrado SG3524.Diagrama de bloques interno:



Formas de onda:



Circuito de test:



Fuente de alimentación conmutada tipo BUCK Fuente de alimentación conmutada tipo BUCK (Práctica 4)(Práctica 4)


12

Alimentacion

L1

250uH

Q1BDX54

+ C52200 uF

12

Salida

BYV28D3

BYV28D1

R9330 Ohm

TP0

TP4

TP5 TP6

GND

+Vcc

GND

+V0

C4C

R10R Ohm

BYV28D2

R210K Ohm


R32K2 Ohm

IN-1

IN+2

VREF16

VIN15

SHTDWN10

GND8

COMP9

CT7

RT6

OSCOUT3

+SENSE4

-SENSE5

EA11

EB14

CA12

CB13

U2

SG3524

34

R7

4K7 Ohm

TP2

C14.7 nF

TP1

TP3

R64K7 Ohm

R54K7 Ohm

R81K Ohm

R11 1K8 Ohm

12

J3

12

J4

R410K Ohm

3456

+

C3100 uF

C2100uF

R1250K Ohm

C61 nF

R1

100K Ohm

fuentes conmutadas

Documents