2.1 Introducción. 2.2 Configuraciones sin aislamiento. 2.3 Configuraciones con aislamiento. 2.4 Control de fuentes de alimentación conmutadas.
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1
2.1 INTRODUCCIÓN
+
+
Vi
Vo -
No regulada
Regulada
Troceada Driver Control
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2
2.1 INTRODUCCIÓN
+
+
Vi
Vo -
No regulada
Regulada
Troceada Driver Control
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2
2.1 INTRODUCCIÓN
Fuentes de alimentación • Concepto: Dispositivos que proporcionan potencia eléctrica en forma de tensión o corriente, normal normalmen mente te contin continua. ua.
Diag agra ram ma de blo bloques ques:: • Di - Ene Energía rgía Pr Prim imar aria ia:: ten tensión sión alte altern rnaa (red (red elé eléctri ctrica ca)) vac
+
V dc dc -
Fuente no estabilizada
Convertidor DC / DC
- Ener Energí gíaa Pr Prim imaaria ria: tens tensió iónn con continu tinuaa (pa (panele neless sola solare res, s, bater atería ías, s, …) +
V dc(i) dc(i)
V dc(o) dc(o) -
Convertidor DC / DC
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3
2.1 INTRODUCCIÓN
Fuentes de alimentación - Line Lineal ales es - Conm Conmut utad ados os
• Tipos de convertidores DC / DC: • Especificaciones:
- Sali Salida da:: Tensi ensión ón,, Corr Corrie ient ntee - Entr Entrad ada: a: Tensi ensión ón (ran (rango go), ), Corr Corriiente ente - Rend Rendim imie ient nto: o:
η =
o
P i
P o =
100 (%)
V o
2
R L
; P i =
1
T
∫ v i
T 0
- Regulación de carga:
RDC =
- Regulación de línea:
RDL =
i
∆V o ∆ I o ∆V o ∆V i
i
dt
(V / A)
100 (%)
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4
2.1 INTRODUCCIÓN
Fuente no estabilizada Esquema (carga resistiva):
Formas de onda (carga resistiva): vn.e.
vn.e.
- Transformador (N1 / N2). - Rectificador de doble onda. - Filtro por condensador.
ir
0
ic
0
V o riz =
I o ( AV )
I r ( AV ) = I o ( AV )
2 f C
V o ( AV ) = V oM −
I o ( AV )
I C ( AV ) = 0
4 f C
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5
2.1 INTRODUCCIÓN
Convertidores DC/DC lineales Principio de Funcionamiento IC
Q
VCE
Transistor en zona activa V o = V i − V CE
Funcionamiento: Características:
Si vn.e. ↑ ⇒ V CE ↑ (cto. control ) ⇒ V o constante
- Circuito sencillo. - Rendimiento bajo. - Transformador grande. - Aplicaciones de media y baja potencia
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6
2.1 INTRODUCCIÓN
Convertidores DC/DC conmutados Principio de Funcionamiento
+
+
vn.e.
V o -
No regulada
Regulada
Troceada Driver Control
Transistor entre conducción y no conducción
Funcionamiento: V o = δ V i Si V i ↑ ⇒ δ ↓ (cto. control ) ⇒ V o constante Características: - Frecuencia de conmutación alta. - Rendimiento alto. - Transformador pequeño. - Emisión de interferencias electromagnéticas. (EMI). ELECTRÓNICA DE POTENCIA (Dep. Ing. Electrónica) Curso 2011 - 2012
7
2.1 INTRODUCCIÓN
Comparativa FUENTES 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.
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.
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8
2.1 INTRODUCCIÓN
Aplicaciones (1) Corrector de factor de potencia Convertidor Boost
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9
2.1 INTRODUCCIÓN
Aplicaciones (2) Fuente de alimentación de TV Convertidor Flyback de múltiples salidas
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10
2.1 INTRODUCCIÓN
Núcleos magnéticos Tamaño en función de la frecuencia de conmutación
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11
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO.
+
+
Vi
Vo -
No regulada
Regulada
Troceada Driver Control
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12
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BUCK
Convertidor BUCK. Convertidor BUCK . ii
A
+
Q V i
i L
v AB
D i A
+
v L L
io
-
C
B
+
iC R L
vo
Funcionamiento: • (0 ≤ t ≤ δT) Q: ON ii = i L • (δT ≤ t ≤ T) Q: OFF, D: ON iA = iL
Filtro pasa baja
V O = V AB ( AV ) =
1
T
T ∫ 0
v AB dt =
1
T
δ T V i = δ V i
δ : Ciclo de trabajo (Duty cycle), δ = 0 ≤ δ ≤ 1 ⇒ V o ≤ V i
Reductora
VO independiente de la frecuencia ELECTRÓNICA DE POTENCIA (Dep. Ing. Electrónica) Curso 2011 - 2012
13
t ON T
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BUCK
Análisis del circuito (1) Condiciones de funcionamiento: C → ∞; Conducción Continua Semiconductores ideales (0 ≤ t ≤ δT) Q: ON vL
v L = V i − V o
(1)
(δT ≤ t ≤ T) Q: OFF; D: ON v L = − V o
( 2)
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14
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BUCK
Análisis del circuito (2) Régimen estacionario → VL(AV) = 0 tON
tOFF
V L ( AV ) =
Vi - V o S1 S2 -V o
t
1
δ T
∫
1
T
∫
(−V o ) d t = 0 T δ T δ T T − δ T (V i − V o ) − S 1 − S 2 = 0 = V o T T → δ V i − δ V o − V o + δ V o = 0
T
0
(V i − V o ) d t +
→ V 0 = δ V i
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15
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BUCK
Corriente por la bobina de choque (1) Condiciones: C → ∞; Conducción Continua d i = V i − V o v L = L (0 ≤ t ≤ δT) Q: ON
→
i L1 = I L min +
d t
vL
V i − V o L
t
(1)
iL ILmin 0
(δT ≤ t ≤ T) Q: OFF; D: ON
v L = L
d i d t
= − V o
→
δ T
i L 2 = I L max −
t
V o L
(t − δ T )
vL
ILmax
iL
0
δ T
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T t
16
( 2)
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BUCK
Corriente por la bobina de choque (2) i L1 , 0 < t < δ T i L = i L 2 , δ T < t < T • Continuidad → IL1
(δT-)
= IL2
(δT+)
= ILMax
• Periodicidad → IL2(T-) = IL1(0+) = ILmin
Forma de onda:
(1 ) I L Max = I L min + ( 2 ) I L min
V i − V o
δ T
L → V o = δ V V o = I L Max − (T − δ T ) L
ILMax
iL
IO
ILmin
IL(riz)
t
i L = i L DC + i L riz
Se supone:
i L DC = I o i L riz = iC
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17
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BUCK
Corriente por la bobina de choque (3) I L ( AV ) = I 0 =
Valor medio: Rizado:
I L Max + I L Min 2
I L ( riz ) = I L Max − I L Min =
V i − V o L
δ T =
V o L
(1 − δ ) T
IL(riz) ↓ : si L ↑ ó f ↑ Valores máximo y mínimo : L Max
I L riz
=
o
I L Min = I o −
2 I L riz 2
Límite entre conducción continua y discontinua: Condición: I L Min = 0 iL ILmin
ILMax IOmin
IL(riz)
I o Min =
I L riz 2
t
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18
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BUCK
Diseño 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)
•
2) Forma y tamaño del núcleo. 3) Número de espiras. 4) Sección del hilo.
max.
5) Entrehierro.
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19
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BUCK
Núcleos de Núcleos de ferrita
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20
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BUCK
Bobinas y Bobinas y transformadores. transformadores .
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21
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BUCK
Condensador de filtro (1) Considerando C ideal i L = i L DC + i L riz
i L DC = I o i L riz = iC
iC = i L riz = i L − I o = C
dvC dt
vo = V o DC + vo riz V o DC = V o ( AV ) = R L ⋅ I o DC 1 vo riz ≈ vC = iC d t C
∫
V o ( riz ) =
1
t 2
C ∫ t 1
iC d t =
1 C
( S 1 + S 2 ) =
1 1 δ T I L riz
C 2 2
2
+
1 T − δ T I L riz 2
2
1
= I L riz T 2 8 C
Voriz ↓ : si C↑ ó f ↑ ó ILriz ↓ ELECTRÓNICA DE POTENCIA (Dep. Ing. Electrónica) Curso 2011 - 2012
22
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BUCK
Condensador de filtro (2) Considerando ESR del condensador ESR CREAL ≈
CIDEAL
≈
ESR CIDEAL
ESL
Rizado debido a ESR >> Rizado debido a C ideal iL DC + iL riz + ESR CIDEAL
iL riz
vo riz
Vo riz = IL riz · ESR
-
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23
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BUCK
Diseño 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).
I L ( riz ) I = C ( RMS ) 2 3
• Especificaciones del Condensador:
1) Valor de capacidad (C en Faradios) 2) Tensión nominal (VN) 3) ESR (depende de C, V N, fc) 4) IC (RMS) (depende de fc y de la Temperatura)
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24
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BUCK
Hojas de datos de condensadores
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25
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BUCK
Hojas de datos de condensadores
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26
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BUCK
Diseño de semiconductores (1) Transistor: i D
v DS + -
i D
+ v DS
V i -
i D r DS ( on )
v DS = V i + V F
0 < t < δ T
δ T < t < T iL 0 < t < δ T i D = 0 δ T < t < T
• 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
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27
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BUCK
Diseño de semiconductores (2) Diodo: i A + V i -
v AK
i A
v AK 0
+
− V i − V DS (on ) , 0 < t < δ T v AK = δ T < t < T V F , 0, 0 < t < δ T i A = i L , δ T < t < T
• VRWM = Vi -
VDS(on)
• IFM = IL Max • IF(AV) = (1 - δ) IO • trr << T
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28
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BUCK
Características 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. - APLICACI N: Fuentes y convertidores CC/CC sin aislamiento. Potencia máxima: 200 W
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29
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BOOST
Convertidor BOOST (elevador). Esquema: +
i i
V i
v L
-
i L
L i A
D
+
S1
C
V o -
Funcionamiento: • (0 ≤ t ≤ δT) S: ON • (δT ≤ t ≤ T) S: OFF, D: ON
ii = iL = iS ii = iL = iA
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30
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BOOST
Análisis (1) Condiciones de funcionamiento: C → ∞; Conducción Continua Semiconductores ideales (0 ≤ t ≤ δT) Q: ON
v L = V i
(δT ≤ t ≤ T) Q: OFF; D: ON
v L = V i − V o
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31
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BOOST
Análisis (2) Régimen Estacionario → VL(AV) = 0 tON
tOFF
V L ( AV ) =
Vi
1
T ∫
δ T
S1
δ T
T S2 Vi-Vo
t
δ T
0
(V i ) d t +
V +
T − δ T
1
T
T ∫ δ
T
(V i − V o ) d t = 0
V − V o = 0
T T → δ V i − δ V i + δ V o − V o + V i = 0 → V o =
1 1−
Como
V i
δ < 1 ⇒ V O > V i Elevadora
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32
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BOOST
Corriente por la bobina de choque (1) Condiciones de funcionamiento: C → ∞; Conducción Continua Semiconductores ideales (0 ≤ t ≤ δT) Q: ON
v L = V i
→ i L1 = I L min +
V i
t
I L max = I L min +
(δT ≤ t ≤ T) Q: OFF; D: ON
v L = V i − V o
V i
→ i L 2 = I L max +
δ T
V i − V o
I L miin = I L max +
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(t − δ T )
V i − V o
33
(1 − δ ) T
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BOOST
Corriente por la bobina de choque (2) i L1 i L = i L 2
0 < t < δ T
δ T < t < T
Formas de onda:
i L 2 = I L 2 AV + i L 2 riz
I L 2 ( AV ) = I o Se supone: i L 2 riz = iC ELECTRÓNICA DE POTENCIA (Dep. Ing. Electrónica) Curso 2011 - 2012
34
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BOOST
Corriente por la bobina de choque (3) Valor medio de iL2: Rizado:
I L 2 ( AV ) = I 0 = (1 − δ )
I L ( riz ) = I L Max − I L Min =
1
L
I L max + I L min 2
V iδ T =
1
L
(V i − V o ) (1 − δ ) T
IL(riz) ↓ : si L ↑ ó f ↑
I L max = I L min =
I o 1 − δ
I o 1 − δ
+
V i 2 L
−
V i 2 L
δ T = δ T =
I o 1 − δ
I o 1 − δ
+
I L riz 2
−
I L riz 2
Límite de conducción continua a discontinua: 1 − δ I L min = 0 ⇒ I 0 min =
2
I L riz
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35
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BOOST
Condensador de filtro Considerando C ideal: i
i D AV = I o i D riz = iC
i L 2 = I L 2 AV + i L 2 riz
iC = i L 2 riz = i L 2 − I o
2
I o 0
vo = V o DC + vo riz
t
i
C
V O DC = V O ( AV ) =
0
-I o
⋅ I O DC
t
v
o
V o(riz)
V o(AV)
0
L
T
T
t
V o ( riz ) =
1
C
t 2
∫ t 1
iC d t = −
1
C
t 1
∫ t 0
iC d t =
1
I o δ T C
Vo riz ↓ : si C↑ ó f ↑
Considerando la ESR del condensador: V o riz = I L max · ESR ELECTRÓNICA DE POTENCIA (Dep. Ing. Electrónica) Curso 2011 - 2012
36
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BOOST
Diseño de semiconductores (1) Transistor: i D
v DS
0 < t < δ T i D r DS ( on ) v DS = V i V o + V F = δ + V F δ T < t < T 1−
iL 0 < t < δ T i D = 0 δ T < t < T
• V DS =
V i 1 − δ
+ V F
• I DM = I L max • I D = δ I L AV • P D = P D(ON) + P D(C) • t d(on) + 2·t r + t d(off) + 2·t f << T
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37
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BOOST
Diseño de semiconductores (2) Diodo: i A v AK 0
V DS ( on) − V o 0 < t < δ T v AK = δ T < t < T V F 0 0 < t < δ T i A = i L δ T < t < T
• V RWM = V o - V DS(on) • I FM = I L Max • I F(AV) = I O
• t rr << T
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38
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BOOST
Características 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.
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39
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BUCK-BOOST
Convertidor BUCK- BUCK -BOOST BOOST (elevador (elevador - - reductor). Esquema:
Funcionamiento: • (0 ≤ t ≤ δT) S: ON • (δT ≤ t ≤ T) S: OFF, D: ON
ii = iS = iL iL = iA
Tensión de salida: polaridad invertida respecto a la entrada ELECTRÓNICA DE POTENCIA (Dep. Ing. Electrónica) Curso 2011 - 2012
40
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BUCK-BOOST
Análisis (1) Condiciones de funcionamiento: C → ∞; Conducción Continua Semiconductores ideales (0 ≤ t ≤ δT) Q: ON
v L = V i
(δT ≤ t ≤ T) Q: OFF; D: ON
v L = V i − V o
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41
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BUCK-BOOST
Análisis (2) Régimen Estacionario → VL(AV) = 0 V L ( AV ) =
1
T ∫
δ T
δ T
δ T
0
(V i ) d t +
(V i ) +
1
T
T ∫ δ
T
(−V o ) d t = 0 = S 1 − S 2
T − δ T
(−V o ) = 0 T T → δ V i + δ V o − V o = 0 →
→
V o =
δ V i 1 − δ
Si
0 < δ < 0.5 ⇒ V O < V i
Reductora
Si
0.5 < δ < 1 ⇒ V O > V i
Elevadora
Tensión de salida: polaridad invertida ELECTRÓNICA DE POTENCIA (Dep. Ing. Electrónica) Curso 2011 - 2012
42
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. BUCK-BOOST
Características de la configuración buck- buck -boost boost - 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.
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43
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO.
+
+
Vi
Vo -
No regulada
Regulada
Troceada Driver Control
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44
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO.
Diagrama de bloques • Convertidor
DC / DC sin aislamiento:
• Convertidor
DC / DC con aislamiento:
Ventaja: el transformador trabaja en alta frecuencia ⇒ Pequeño ELECTRÓNICA DE POTENCIA (Dep. Ing. Electrónica) Curso 2011 - 2012
45
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. FORWARD
Convertidor forward Introducción: • Variante
con transformador del convertidor BUCK: mismas formas de onda de corriente en la bobina de choque y de tensión de salida • Aislamiento
galvánico entre la entrada y la salida; necesidad de desmagnetizar el transformador Esquema (transformador ideal):
Funcionamiento:
• (0 ≤ t ≤ δT) Q: ON v1 = Vi, iD1 = iL • (δT ≤ t ≤ T) S: OFF, D2: ON iD2 = iL Transformador ideal con carga: N 1 N 2
=
v1 v2
=
i2 i1
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46
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. FORWARD
Análisis (considerando el transformador ideal) (régimen estacionario, conducción continua, componentes ideales, C infinito): • 0 < t < δT:
+
D1
+
vL +
L
Vi
+ v1 -
+ v2 -
N1
D2
C
R
N2
vo
v L = v2 − V o =
V i N 1 N 2
− V o
-
Q
-
• δT
D1
< t < T:
+
vL +
L
+ v2 -
D2
N2
C
R
v L = −V o
vo -
Régimen estacionario: VL(AV) = 0: V i − V o + (1 − δ ) (− V o ) = 0 ⇒ V L ( AV ) = δ N 1 N 2
V o =
1
N 1 N 2
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δ V i 47
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. FORWARD
Corriente por la bobina de choque • Formas
de onda de la corriente y la tensión en la bobina de choque (igual que en el convertidor BUCK):
V i I L ( riz ) = I L Max − I L Min =
• Rizado de corriente: • Límite entre conducción continua y discontinua: I L min = 0
→ I o Min =
N 1 N 2
I L riz
iL
L
ILMax
− V o
δ T =
V o L
(1 − δ ) T
iL ILMax
IO
ILmin t
I' O
ILmin= 0
t
2
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48
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. FORWARD
Tensión de salida • Condensador ideal no infinito (igual
que en el convertidor BUCK): Formas de onda de la corriente y la tensión de salida V o DC = V o ( AV ) = R L ⋅ I o DC vo riz ≈ vC = V o ( riz ) =
• Condensador con ESR (igual
1
C 2
C
t 1
∫ i
C
d t
iC d t =
8 f C
I L riz
que en el convertidor BUCK):
Vo riz = IL riz · ESR
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49
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. FORWARD
Desmagnetización del transformador (1) • Modelo
Convertidor forward considerando modelo del transformador:
del trasformador
(real):
ii (ideal)
i1' (ideal)
+
D1
el
L
+
img Lmg
Lmg
D2
C
V i
R
V o -
N 1 : N 2 Q
-
ii = i1 ' + img i1 ' =
i2 N 1 N 2
Necesidad de desmagnetización del transformador: Durante tON la corriente img magnetiza el núcleo del transformador. Debe desmagnetizarse durante t OFF para evitar sobretensiones.
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50
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. FORWARD
Desmagnetización del transformador (2) i 1
Necesidad :
I 1M I magM
Convertidor forward (considerando el modelo del transformador): ii
i1'
D1
(ideal)
+
I 1' M
0
T
T'
T
t
Provoca sobretensiones
- V i
L
+
img
i mg I magM
Lmg
D2
C
R
V i
vo -
1
:
2
i 1' 1' M
Q
-
i 2 I 2M
ii = i1 ' + img ; i1 ' =
i2 N 1 N 2
; img =
V i Lmg
t
Redes de desmagnetización: • Disipativa: mediante diodo zéner • No disipativa: mediante devanado auxiliar ELECTRÓNICA DE POTENCIA (Dep. Ing. Electrónica) Curso 2011 - 2012
51
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. FORWARD
Red de desmagnetización no disipativa (1)
Funcionamiento:
Normalmente: N3 = N1
tON) Conducción del transistor. El transformador se magnetiza tOFF) No conducción del transistor (δ T < t < T ') Desmagnetización del transformador por el devanado auxiliar y D 3 (T ' < t < T ) Transformador desmagnetizado Como el intervalo de desmagnetización dura el mismo tiempo que el intervalo de desmagnetización, si N3 = N1: ⇒ T’ = 2 δ T < T ⇒ δ < 0.5 ELECTRÓNICA DE POTENCIA (Dep. Ing. Electrónica) Curso 2011 - 2012
52
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. FORWARD
Red de desmagnetización no disipativa (2)
ii = i1 − i3 i3 = − i1′
Análisis:
tON) Conducción del transistor. El transformador se magnetiza ii = i1 = img + i1′ v1 = V i
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53
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. FORWARD
Red de desmagnetización no disipativa (3) tOFF) No conducción del transistor (δ T < t < T ') Desmagnetización del transformador ii
i3
+ + img
i1’
i2
D 1
L
D2
v1
C
ii = −i3
V o
i3 = − i1 ' = img
R
Lmg
V i
+ D3
-
N 1
v1 = − V i
N 3 N 2
-
(T ' < t < T )
Transformador desmagnetizado ii
i3
+ + img
i2
D1
+ i1’
D3 D2
v1 Lmg
V i
L
C
V o R
-
N 1
i1 = 0 v1 = 0
N 3 N 2
Q
-
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54
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. FORWARD
Red de desmagnetización no disipativa (4) Expresiones: 0 < t < δ T
V i v1 = − V i 0 mg
i1 = 0
Formas de onda:
δ T < t < T ' T ' < t < T '1
δ T < t < T
0 i3 = img 0
0 < t < δ T
δ T < t < T ' T ' < t < δ T
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55
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. FORWARD
Red de desmagnetización no disipativa (5) Ventaja: La energía debida a la magnetización del transformador se devuelve hacia la entrada de la fuente conmutada (regeneración) ⇒ rendimiento elevado. Con N3 = N1: • Máximo ciclo de trabajo:
δ max = 0.5
• Máxima tensión en el transistor:
V DSmax = 2 V i
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56
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. FORWARD
Formas de onda (1) ii
+
i A3
+
i A1
v AK3 + D3
i1
v1 V i
tON
v AK1 -
L
+
D 1 i A2
v AK2 +
D 2
C
R
-
vo -
i DS
Transistor (iD, vDS):
+
N 1
N 3 N 2
Q
-
tOFF
1 i L + img 0 < t < δ T i D = N 1 N 2 0 δ T < t < T 2 Vi Vi
V DS ( on ) v DS = 2 V i + V F V i
0 < t < δ T
δ T < t < T ' T ' < t < T
td(on) + 2·tr + td(off) + 2·tf << T ELECTRÓNICA DE POTENCIA (Dep. Ing. Electrónica) Curso 2011 - 2012
57
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. FORWARD
Formas de onda (2) ii
+
i A3
+
i A1
v AK3 + D3
i1
v1 V i
+
v AK1 -
L
+
D 1 i A2
v AK2 +
D 2
-
C
R
vo -
i DS
N 1
N 3 N 2
Q
-
Diodo D1 (iA, vAK): iL i A = 0
0 < t < δ T
δ T < t < T
V F 1 (V i + V F ) + V F v AK = − N N 1 2 V F
0 < t < δ T
δ T < t < T ' T ' < t < T
trr << T ELECTRÓNICA DE POTENCIA (Dep. Ing. Electrónica) Curso 2011 - 2012
58
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. FORWARD
Formas de onda (3) ii
+
i A3
+
i A1
v AK3 + D3
i1
v1 V i
+
v AK1 -
L
+
D 1 i A2
v AK2 +
D 2
C
R
-
vo -
i DS
N 1
N 3 N 2
Q
Diodo D2 (iA, vAK):
-
0 i A = i L
0 < t < δ T
δ T < t < T
1 (V i − V DS (on) ) + V F 0 < t < δ T − 1 2 N N v AK = V δ T < t < T F
trr << T
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59
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. FORWARD
Formas de onda (4) ii
+
i A3
+
i A1
v AK3 + D3
i1
v1 V i
+
v AK1 -
L
+
D 1 i A2
v AK2 +
D 2
-
C
R
vo -
i DS
N 1
N 3 N 2
Q
Diodo D3:
-
i A = img
0
δ T < t < T ' T ' < t < T
− 2 V i + V DS ( on) 0 < t < δ T δ T < t < T ' v AK = V F − V T ' < t < T i trr << T ELECTRÓNICA DE POTENCIA (Dep. Ing. Electrónica) Curso 2011 - 2012
60
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. FORWARD
Diseño de semiconductores (red de desmagnetización, N3 = N1) Transistor: V DS = 2 V i + V F I DM =
I L riz
1
I L Max + I mg Max ; I L Max = I o + ; I mg Max = 2 N 1 N 2
V i − V DS ( on ) Lmg
δ T
P = P (ON) + P C
1 d ( on )
r
d ( off )
f
100
Diodos: D1 (rectificador): V RWM =
1 N 1 N 2
I FM = I L Max t rr ≤
1 100
T
(V i + V F ) − V F
D2 (libre circulación): D3 (desmagnetización): 1 V RWM = 2 V i − V DS ( on ) (V − V ) − V V = RWM
N 1 N 2
I FM = I L Max t rr ≤
1 100
T
i
DS ( on )
F
I FM = I magn Max t rr ≤
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1 100
T
61
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. FORWARD
Características 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. - Tensión en el transistor: elevada. - APLICACIÓN:
Fuentes y convertidores CC/CC con aislamiento. Potencias: 20 W - 1000 W
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62
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. FLYBACK
Convertidor flyback Esquema:
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 ELECTRÓNICA DE POTENCIA (Dep. Ing. Electrónica) Curso 2011 - 2012
63
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. FLYBACK
Análisis (1) Condiciones: C → ∞, Conducción Continua, Semiconductores ideales (0 ≤ t ≤ δT) Q: ON v1 = V i → v2 =
1
N 1 N 2
V i
(δT ≤ t ≤ T) Q: OFF; D: ON v2 = − V o
Régimen estacionario: V2(AV) = 0:
1
N 1 N 2
δ V i − (1 − δ ) V o = 0 ⇒ V o =
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δ V i N 1 N 2 1 − δ 1
64
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. FLYBACK
Análisis (2) Convertidor flyback considerando el modelo del transformador:
(0 ≤ t ≤ δT) Q: ON, D: OFF
(δT ≤ t ≤ T) Q: OFF; D: ON
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65
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. FLYBACK
Corriente de entrada y de salida Corriente salida (1) Condiciones: C → ∞; Conducción Continua, Semiconductores ideales (0 ≤ t ≤ δT) Q: ON v1 = V i
→ i1 = I 1min +
V i Lmg
I 1 max = I 1min +
(δT ≤ t ≤ T) Q: OFF; D: ON
t = img V i Lmg
δ T
2
v2 = V o
N 1 → i2 = I 2 max − 1 V o (t − δ T ) N L 2 mg 2
I 2 min I 2 max =
N 1 = I 2 max − 1 V o (1 − δ ) T N L 2 mg
N 1 N 2
I 1 max
I 2 min =
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N 1 N 2 66
I 1 min
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. FLYBACK
Corriente de entrada y de salida (2) 1 V v1 = N 1 N 2 − V o
img i1 = 0
0 < t < δ T i δ T
δ T < t < T
0 < t < δ T
δ T
δ T < t < T
0 < t < δ T 0 i2 = N 1 N img δ T < t < T 2
δ T
δ T
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67
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. FLYBACK
Corriente de entrada y de salida Corriente salida (3) Valor medio de i 2 :
I 2 ( AV ) = I 0 = (1 − δ )
I 2 Max + I 2 Min 2
Rizado: I 1( riz ) = I 1Max − I 1Min = I
=
1
Lmg
V iδ T
N = 1 N 2
− I
2
1
V 1 − δ T
mg
I1(riz)↓ , I2(riz)↓ : si Lmg ↑ ó f ↑ Valores máximos y mínimos: I 1Max = I 1min =
1
I o
N 1 N 2 1 − δ 1
I o
N 1 N 2 1 − δ
+
V i 2 Lmg
−
V i 2 Lmg
δ T δ T
2
N 1 V o (1 − δ ) T + I 2 Max = 1 − δ 2 Lmg N 2 2 I o 1 N 1 V o (1 − δ ) T I 2 min = − 1 − δ 2 Lmg N 2 I o
1
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68
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. FLYBACK
Condensador de filtro Considerando C ideal: i
i D AV = I o i D riz = iC
i2 = I 2 AV + i2 riz
iC = i D riz = i D − I o
2
I o 0
vo = V o DC + vo riz
t
i
C
V O DC = V O ( AV ) =
0
-I o
⋅ I O DC
t
v
o
V o(riz)
V o(AV)
0
L
T
T
t
V o ( riz ) =
1
C
t 2
∫ t 1
iC d t = −
1
C
t 1
∫ t 0
iC d t =
1
I o δ T C
V o riz ↓ : si C↑ ó f ↑
Considerando la ESR del condensador: V o riz = I 2 max · ESR ELECTRÓNICA DE POTENCIA (Dep. Ing. Electrónica) Curso 2011 - 2012
69
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. FLYBACK
Diseño de semiconductores (1) Transistor: i D
v DS
0 < t < δ T i D r DS ( on ) v DS = N 1 + V i N (V o + V F ) δ T < t < T 2
img 0 < t < δ T i D = 0 δ T < t < T
• V DS = V i + (N 1 /N 2 )(V o +V F ) • I DM = I mg max • I D = (N 2 / N 1 ) δ I o • P D = P D(ON) + P D(C) • t d(on) + 2·t r + t d(off) + 2·t f << T
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70
2.2 CONFIGURACIONES SIN AISLAMIENTO. FLYBACK
Diseño de semiconductores (2) Diodo: i A
v AK
1 (V i − V DS ( on) ) − V o 0 < t < δ T − v AK = N 1 N 2 V δ T < t < T F 0 < t < δ T 0 i A = N 1 N img δ T < t < T 2
0
• V RWM =
1
N 1 N 2
(V − V i
DS ( on )
) + V
o
• I FM = I 2 max ) I O • I F(AV) = (1 - δ
• t rr << T
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71
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. FLYBACK FLYBACK
Características generales - Es la variante con aislamiento del convertidor BUCK-BOOST - Ci Circ rcui uito to senci sencilllloo - El transformador transformador hace también también el papel de bobina - Corriente Corriente de entrada: entrada: discontinua discontinua (pulsante). (pulsante). - Corriente Corriente de salida: salida: discontinua discontinua (pulsante) (pulsante).. - El transformador transformador maneja toda toda la potencia de la la carga, núcleo núcleo voluminoso. voluminoso. - APLICACIÓN: APLICACIÓN:
Fuentes y convertidores convertidores CC/CC con aislamiento. aislamiento. Potencia baja (< 200 W) Alta tensión
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72
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. PUSH-PULL
Convertidor push- push -pull pull
Funcionamiento:
Esquema:
• (0 ≤ t ≤ δT) Q1: ON, Q2: OFF v11 = −V i → v L =
1
N 1 N 2
V i − V o
• (δT ≤ t ≤ T/2) Q1: OFF, Q2: OFF v L = − V o
• (T/2 ≤ t ≤ T/2 + δT) Q1: OFF, Q2: ON v12 = V i → v L =
N 1 N 2
V i − V o
• (δT ≤ t ≤ T/2) Q1: OFF, Q2: OFF v L = − V o
Ten ens sió ión n de sal alid ida: a: δ T
V o =
2
N 1 N 2
δ V i
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73
2.3 CONFIGURACIONES CON AISLAMIENTO. PUENTE
Convertidor puente
Funcionamiento:
Esquema:
•(0 ≤ t ≤ δT) Q1, Q4: ON, Q2, Q3: OFF v1 = V i → v L =
1 N 1 N 21
V i − V o
• (δT ≤ t ≤ T/2) Q1, Q2, Q3, Q4: OFF
+
v L = − V o
•
(0 ≤ t ≤ δT) Q1, Q4: OFF, Q2, Q3: ON v1 = −V i → v L =
N 1 N 22
V i − V o
• (δT ≤ t ≤ T/2) Q1, Q2, Q3, Q4: OFF v L = − V o
Tens nsió ión n de sa sali lida da: : δ T
V o =
2
N 1 N 21
δ V i
ELECTRÓNICA DE POTENCIA (Dep. (Dep. Ing. Electrónica) Curso Curso 2011 2011 - 2012
74
2.4 CONTROL DE FUENTES DE ALIMENTACIÓN ALIMENTACIÓN CONMUT CONMUTADAS. ADAS.
+
+
Vi
Vo -
No regulada
Regulada
Troceada Driver Control
ELECTRÓNICA DE POTENCIA (Dep. (Dep. Ing. Electrónica) Curso Curso 2011 2011 - 2012
75
2.4 CONTROL DE FUENTES DE ALIMENTACIÓN CONMUTADAS.
Introducción 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. PWM: Modulación de ancho de impulso
Modulación de frecuencia
T tON 1
T1 tON
tON2
tON T
T2
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76
2.4 CONTROL DE FUENTES DE ALIMENTACIÓN CONMUTADAS.
PWM: Modulación de ancho de impulso Diagrama de bloques:
Vi
VO Etapa de Potencia
Amplificador de Error V ref
+
Acondicionador
Comparador
VE
+ VC
t
Oscilador
Realimentación
β ⋅ V
O
Funcionamiento de la realimentación: Si: VO ↑ → VE ↓ → tON ↓ → VO ↓ ⇒ VO Constante
Tensión de salida:
β V o = V ref ⇒ V o =
1
β
V ref
ELECTRÓNICA DE POTENCIA (Dep. Ing. Electrónica) Curso 2011 - 2012
77
2.4 CONTROL DE FUENTES DE ALIMENTACIÓN CONMUTADAS.
Circuito integrado SG3524. Diagrama de bloques interno:
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78
2.4 CONTROL DE FUENTES DE ALIMENTACIÓN CONMUTADAS.
Formas de onda:
ELECTRÓNICA DE POTENCIA (Dep. Ing. Electrónica) Curso 2011 - 2012
79
2.4 CONTROL DE FUENTES DE ALIMENTACIÓN CONMUTADAS.
Circuito de test:
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