El convertidor reductor-elevador es un tipo de convertidor de CC a CC que tiene una magnitud de voltaje de salida mayor o menor que la magnitud de voltaje de entrada. Es equivalente a un convertidor flyback que usa un solo inductor en lugar de un transformador. [1]
Dos topologías diferentes se denominan convertidor reductor-elevador . Ambos pueden producir un rango de voltajes de salida, que van desde mucho más grande (en magnitud absoluta) que el voltaje de entrada, hasta casi cero.
- La topología inversora
- La tensión de salida es de polaridad opuesta a la de entrada. Esta es una fuente de alimentación de modo conmutado con una topología de circuito similar al convertidor elevador y al convertidor reductor . El voltaje de salida es ajustable según el ciclo de trabajo del transistor de conmutación. Un posible inconveniente de este convertidor es que el interruptor no tiene un terminal a tierra; esto complica el circuito de conducción. Sin embargo, este inconveniente no tiene importancia si la fuente de alimentación está aislada del circuito de carga (si, por ejemplo, la fuente es una batería) porque la fuente y la polaridad del diodo pueden simplemente invertirse. Cuando se pueden invertir, el interruptor puede estar en el lado de tierra o en el lado de suministro.
- Un convertidor reductor (reductor) combinado con un convertidor elevador (elevador)
- El voltaje de salida es típicamente de la misma polaridad de la entrada y puede ser menor o mayor que la entrada. Tal convertidor reductor-elevador no inversor puede usar un solo inductor que se usa tanto para el modo inductor reductor como para el modo inductor elevador, usando interruptores en lugar de diodos, [2] [3] a veces llamado "cuatro interruptores reductores convertidor boost " , [4] puede usar múltiples inductores pero solo un interruptor como en las topologías SEPIC y Ćuk .
Principio de funcionamiento de la topología inversora
El principio básico del convertidor reductor-elevador inversor es bastante simple (ver figura 2):
- mientras está en el estado encendido, la fuente de voltaje de entrada está conectada directamente al inductor (L). Esto da como resultado la acumulación de energía en L. En esta etapa, el capacitor suministra energía a la carga de salida.
- mientras está en el estado apagado, el inductor está conectado a la carga de salida y al condensador, por lo que la energía se transfiere de L a C y R.
En comparación con los convertidores reductor y elevador , las características del convertidor reductor-elevador inversor son principalmente:
- la polaridad del voltaje de salida es opuesta a la de la entrada;
- el voltaje de salida puede variar continuamente de 0 a (para un convertidor ideal). Los rangos de voltaje de salida para un convertidor reductor y elevador son respectivamente a 0 y a .
Resumen conceptual
Al igual que los convertidores reductor y elevador, el funcionamiento del reductor elevador se comprende mejor en términos de la "reticencia" del inductor para permitir un cambio rápido de corriente. Desde el estado inicial en el que no se carga nada y el interruptor está abierto, la corriente a través del inductor es cero. Cuando el interruptor se cierra por primera vez, el diodo de bloqueo evita que la corriente fluya hacia el lado derecho del circuito, por lo que toda debe fluir a través del inductor. Sin embargo, dado que el inductor no permite un cambio rápido de corriente, inicialmente mantendrá la corriente baja al reducir la mayor parte del voltaje proporcionado por la fuente. Con el tiempo, el inductor permitirá que la corriente aumente lentamente al disminuir su propia resistencia. En un circuito ideal, la caída de voltaje a través del inductor permanecería constante. Cuando se tiene en cuenta la resistencia inherente de los cables y el interruptor, la caída de voltaje a través del inductor también disminuirá a medida que aumenta la corriente. También durante este tiempo, el inductor almacenará energía en forma de campo magnético.
Modo continuo
Si la corriente a través del inductor L nunca cae a cero durante un ciclo de conmutación, se dice que el convertidor funciona en modo continuo. Las formas de onda de corriente y voltaje en un convertidor ideal se pueden ver en la Figura 3.
De a , el convertidor está en estado activado, por lo que el interruptor S está cerrado. La tasa de cambio en la corriente del inductor ( I L ) viene dada por
Al final del estado activado, el aumento de I L es por lo tanto:
D es el ciclo de trabajo. Representa la fracción del período de conmutación T durante el cual el interruptor está encendido. Por lo tanto, D varía entre 0 ( S nunca está encendido) y 1 ( S siempre está encendido).
Durante el estado apagado, el interruptor S está abierto, por lo que la corriente del inductor fluye a través de la carga. Si asumimos una caída de voltaje cero en el diodo y un capacitor lo suficientemente grande como para que su voltaje permanezca constante, la evolución de I L es:
Por lo tanto, la variación de I L durante el período de inactividad es:
Como consideramos que el convertidor opera en condiciones de estado estacionario, la cantidad de energía almacenada en cada uno de sus componentes tiene que ser la misma al inicio y al final de un ciclo de conmutación. Como la energía en un inductor viene dada por:
es obvio que el valor de I L al final del estado de apagado debe ser el mismo que el valor de I L al comienzo del estado de encendido, es decir, la suma de las variaciones de I L durante el encendido y el apagado los estados deben ser cero:
Sustituyendo y por sus expresiones rinde:
Esto se puede escribir como:
Esto a cambio produce que:
De la expresión anterior se puede ver que la polaridad del voltaje de salida es siempre negativa (porque el ciclo de trabajo va de 0 a 1), y que su valor absoluto aumenta con D, teóricamente hasta menos infinito cuando D se acerca a 1. Aparte de la polaridad, este convertidor es elevador (un convertidor elevador) o reductor (un convertidor reductor). Por eso se le denomina convertidor reductor-elevador.
Modo discontinuo
En algunos casos, la cantidad de energía requerida por la carga es lo suficientemente pequeña como para ser transferida en un tiempo menor que todo el período de conmutación. En este caso, la corriente a través del inductor cae a cero durante parte del período. La única diferencia en el principio descrito anteriormente es que el inductor se descarga completamente al final del ciclo de conmutación (ver formas de onda en la figura 4). Aunque leve, la diferencia tiene un fuerte efecto en la ecuación del voltaje de salida. Se puede calcular de la siguiente manera:
Debido a que la corriente del inductor al comienzo del ciclo es cero, su valor máximo (a ) es
Durante el período de inactividad , I L cae a cero después de δ.T:
Usando las dos ecuaciones anteriores, δ es:
La corriente de carga es igual a la corriente media del diodo (). Como se puede ver en la figura 4, la corriente del diodo es igual a la corriente del inductor durante el estado apagado. Por lo tanto, la corriente de salida se puede escribir como:
Reemplazo y δ por sus respectivas expresiones da como resultado:
Por lo tanto, la ganancia de voltaje de salida se puede escribir como:
En comparación con la expresión de la ganancia de voltaje de salida para el modo continuo, esta expresión es mucho más complicada. Además, en funcionamiento discontinuo, la tensión de salida no solo depende del ciclo de trabajo, sino también del valor del inductor, la tensión de entrada y la corriente de salida.
Límite entre modos continuo y discontinuo
Como se dijo al principio de esta sección, el convertidor funciona en modo discontinuo cuando la carga consume poca corriente, y en modo continuo a niveles de corriente de carga más altos. El límite entre los modos discontinuo y continuo se alcanza cuando la corriente del inductor cae a cero exactamente al final del ciclo de conmutación. con las notaciones de la figura 4, esto corresponde a:
En este caso, la corriente de salida (la corriente de salida en el límite entre los modos continuo y discontinuo) viene dada por:
Reemplazo por la expresión dada en la sección de modo discontinuo produce:
Como es la corriente en el límite entre los modos de operación continuo y discontinuo, satisface las expresiones de ambos modos. Por lo tanto, usando la expresión del voltaje de salida en modo continuo, la expresión anterior se puede escribir como:
Introduzcamos ahora dos notaciones más:
- el voltaje normalizado, definido por . Corresponde a la ganancia de voltaje del convertidor;
- la corriente normalizada, definida por . El terminoes igual al aumento máximo de la corriente del inductor durante un ciclo; es decir, el aumento de la corriente del inductor con un ciclo de trabajo D = 1. Entonces, en el funcionamiento en estado estable del convertidor, esto significa que es igual a 0 para ninguna corriente de salida y 1 para la corriente máxima que puede entregar el convertidor.
Usando estas notaciones, tenemos:
- en modo continuo, ;
- en modo discontinuo, ;
- la corriente en el límite entre el modo continuo y discontinuo es . Por lo tanto, el lugar del límite entre los modos continuo y discontinuo está dado por.
Estas expresiones se han representado en la figura 5. La diferencia de comportamiento entre los modos continuo y discontinuo puede verse claramente.
Principios de funcionamiento de la topología de 4 conmutadores
El convertidor de 4 interruptores combina los convertidores reductor y elevador. Puede operar en el [[Buck_converter | buck] o en el modo boost . En cualquier modo, solo un interruptor controla el ciclo de trabajo, otro es para conmutación y debe operarse inversamente al anterior, y los dos interruptores restantes están en una posición fija. Se puede construir un convertidor reductor-elevador de 2 interruptores con dos diodos, pero actualizar los diodos a interruptores de transistores FET no cuesta mucho más, mientras que debido a la menor caída de voltaje, la eficiencia mejora.
Circuito no ideal
Efecto de las resistencias parasitarias
En el análisis anterior, no se han considerado elementos disipativos ( resistencias ). Eso significa que la potencia se transmite sin pérdidas desde la fuente de voltaje de entrada a la carga. Sin embargo, existen resistencias parásitas en todos los circuitos, debido a la resistividad de los materiales de los que están hechos. Por tanto, una fracción de la potencia gestionada por el convertidor es disipada por estas resistencias parásitas.
En aras de la simplicidad, consideramos aquí que el inductor es el único componente no ideal y que es equivalente a un inductor y una resistencia en serie. Esta suposición es aceptable porque un inductor está hecho de una pieza larga de alambre enrollada, por lo que es probable que exhiba una resistencia parásita no despreciable ( R L ). Además, la corriente fluye a través del inductor tanto en el estado de encendido como en el de apagado.
Usando el método de promediado del espacio de estados, podemos escribir:
dónde y son respectivamente la tensión media a través del inductor y el conmutador del ciclo de conmutación. Si consideramos que el convertidor opera en estado estable, la corriente promedio a través del inductor es constante. El voltaje promedio a través del inductor es:
Cuando el interruptor está encendido, . Cuando está apagado, el diodo está polarizado hacia adelante (consideramos el funcionamiento en modo continuo), por lo tanto. Por lo tanto, el voltaje promedio a través del interruptor es:
La corriente de salida es opuesta a la corriente del inductor durante el estado apagado. la corriente media del inductor es por tanto:
Suponiendo que la corriente y el voltaje de salida tienen una ondulación insignificante, la carga del convertidor puede considerarse puramente resistiva. Si R es la resistencia de la carga, la expresión anterior se convierte en:
Usando las ecuaciones anteriores, el voltaje de entrada se convierte en:
Esto se puede escribir como:
Si la resistencia del inductor es cero, la ecuación anterior se vuelve igual a la del caso ideal . Pero cuando aumenta R L , la ganancia de voltaje del convertidor disminuye en comparación con el caso ideal. Además, la influencia de R L aumenta con el ciclo de trabajo. Esto se resume en la figura 6.
Ver también
Referencias
- ^ The Flyback Converter - Apuntes de conferencias - ECEN4517 - Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática - Universidad de Colorado, Boulder.
- ^ ST AN2389: "Un convertidor reductor-elevador no inversor de bajo costo basado en MCU para cargadores de batería"
- ^ Semiconductor de Motorola. "Nota de aplicación AN954: Una configuración de convertidor única proporciona funciones de aumento / disminución" . 1985. "... se puede crear una configuración única de aumento / disminución ... que todavía emplea un solo inductor para la transformación de voltaje".
- ^ Abanico de Haifeng. "Amplio VIN y desafíos de alta potencia con convertidores Buck-Boost" . 2015.
Otras lecturas
- Daniel W. Hart, "Introducción a la electrónica de potencia", Prentice Hall, Upper Saddle River, Nueva Jersey, EE. UU., 1997 ISBN 0-02-351182-6
- Christophe Basso, fuentes de alimentación conmutadas: simulaciones SPICE y diseños prácticos . McGraw-Hill. ISBN 0-07-150858-9 .
- Frede Blaabjerg, Análisis, control y diseño de un convertidor reductor-elevador no inversor: un control PI difuso T – S de dos niveles sin golpes . Transacciones ISA. ISSN 0019-0578 .