El convertidor de inductor primario de un solo extremo ( SEPIC ) es un tipo de convertidor CC / CC que permite que el potencial eléctrico ( voltaje ) en su salida sea mayor, menor o igual que el de su entrada. La salida del SEPIC está controlada por el ciclo de trabajo del interruptor de control (S1).
A SEPIC es esencialmente un convertidor elevador seguido de un invertida convertidor buck-boost , por lo tanto es similar a un tradicional convertidor buck-boost , pero tiene ventajas de tener no invertida de salida (la salida tiene la misma polaridad de la tensión como la de entrada), usar un condensador en serie para acoplar la energía de la entrada a la salida (y por lo tanto puede responder con más gracia a una salida de cortocircuito) y ser capaz de un verdadero apagado: cuando el interruptor S1 se apaga lo suficiente, la salida ( V 0 ) cae a 0 V, después de una descarga de carga transitoria bastante considerable. [1]
Los SEPIC son útiles en aplicaciones en las que el voltaje de la batería puede estar por encima o por debajo de la salida prevista del regulador. Por ejemplo, una sola batería de iones de litio normalmente se descarga de 4,2 voltios a 3 voltios; si otros componentes requieren 3.3 voltios, entonces el SEPIC sería efectivo.
Operación del circuito
El diagrama esquemático de un SEPIC básico se muestra en la Figura 1. Al igual que con otras fuentes de alimentación de modo conmutado (específicamente convertidores CC a CC ), el SEPIC intercambia energía entre los condensadores y los inductores para convertir de un voltaje a otro. La cantidad de energía intercambiada se controla mediante el interruptor S1, que normalmente es un transistor como un MOSFET . Los MOSFET ofrecen una impedancia de entrada mucho más alta y una caída de voltaje más baja que los transistores de unión bipolar ( BJT)) y no requieren resistencias de polarización, ya que la conmutación del MOSFET se controla mediante diferencias de voltaje en lugar de una corriente, como ocurre con los BJT.
Modo continuo
Se dice que un SEPIC está en modo de conducción continua ("modo continuo") si las corrientes a través de los inductores L1 y L2 nunca caen a cero durante un ciclo de funcionamiento. Durante la operación de estado estable de un SEPIC , el voltaje promedio a través del capacitor C1 ( V C1 ) es igual al voltaje de entrada ( V in ). Debido a que el condensador C1 bloquea la corriente continua (CC), la corriente promedio a través de él ( I C1 ) es cero, lo que hace que el inductor L2 sea la única fuente de corriente de carga de CC. Por lo tanto, la corriente promedio a través del inductor L2 ( I L2 ) es la misma que la corriente de carga promedio y, por lo tanto, es independiente del voltaje de entrada.
Mirando los voltajes promedio, se puede escribir lo siguiente:
Debido a que el voltaje promedio de V C1 es igual a V IN , V L1 = - V L2 . Por esta razón, los dos inductores se pueden enrollar en el mismo núcleo, que comienza a parecerse a un convertidor Flyback , la más básica de las topologías SMPS aisladas por transformador. Dado que los voltajes son iguales en magnitud, sus efectos sobre la inductancia mutua serán cero, asumiendo que la polaridad de los devanados es correcta. Además, dado que los voltajes son iguales en magnitud, las corrientes de ondulación de los dos inductores serán iguales en magnitud.
Las corrientes promedio se pueden sumar de la siguiente manera (las corrientes promedio de los capacitores deben ser cero):
Cuando se enciende el interruptor S1, la corriente I L1 aumenta y la corriente I L2 se vuelve más negativa. (Matemáticamente, disminuye debido a la dirección de la flecha). La energía para aumentar la corriente I L1 proviene de la fuente de entrada. Dado que S1 está brevemente cerrado y el voltaje instantáneo V L1 es aproximadamente V IN , el voltaje V L2 es aproximadamente - V C1 . Por lo tanto, D1 se abre y el condensador C1 suministra la energía para aumentar la magnitud de la corriente en I L2 y así aumentar la energía almacenada en L2. Yo Les suministrado por C2. La forma más fácil de visualizar esto es considerar los voltajes de polarización del circuito en un estado de cd y luego cerrar S1.
Cuando se apaga el interruptor S1, la corriente I C1 se vuelve la misma que la corriente I L1 , ya que los inductores no permiten cambios instantáneos en la corriente. La corriente I L2 continuará en dirección negativa, de hecho nunca invierte la dirección. Se puede ver en el diagrama que un I L2 negativo se agregará a la corriente I L1 para aumentar la corriente entregada a la carga. Usando la ley de la corriente de Kirchhoff , se puede demostrar que I D1 = I C1 - I L2. Entonces se puede concluir que mientras S1 está apagado, la energía se entrega a la carga tanto desde L2 como desde L1. Sin embargo, C1 está siendo cargado por L1 durante este ciclo de apagado (como C2 por L1 y L2) y, a su vez, recargará L2 durante el siguiente ciclo de encendido.
Debido a que el potencial (voltaje) a través del capacitor C1 puede invertir la dirección en cada ciclo, se debe usar un capacitor no polarizado. Sin embargo, en algunos casos se puede usar un capacitor electrolítico o de tantalio polarizado, [2] porque el potencial (voltaje) a través del capacitor C1 no cambiará a menos que el interruptor esté cerrado el tiempo suficiente para medio ciclo de resonancia con el inductor L2, y por esto tiempo, la corriente en el inductor L1 podría ser bastante grande.
El condensador C IN no tiene ningún efecto en el análisis del circuito ideal, pero se requiere en los circuitos reguladores reales para reducir los efectos de la inductancia parásita y la resistencia interna de la fuente de alimentación.
Las capacidades de aumento / reducción del SEPIC son posibles gracias al condensador C1 y al inductor L2. El inductor L1 y el interruptor S1 crean un convertidor elevador estándar , que genera un voltaje ( V S1 ) que es mayor que V IN , cuya magnitud está determinada por el ciclo de trabajo del interruptor S1. Dado que el voltaje promedio en C1 es V IN , el voltaje de salida ( V O ) es V S1 - V IN . Si V S1 es menor que el doble de V IN , entonces el voltaje de salida será menor que el voltaje de entrada. Si V S1es mayor que el doble de V IN , entonces el voltaje de salida será mayor que el voltaje de entrada.
Modo discontinuo
Se dice que un SEPIC está en modo de conducción discontinua o en modo discontinuo si se permite que la corriente a través de cualquiera de los inductores L1 o L2 caiga a cero durante un ciclo de funcionamiento.
Fiabilidad y eficiencia
La caída de voltaje y el tiempo de conmutación del diodo D1 son críticos para la confiabilidad y eficiencia de un SEPIC. El tiempo de conmutación del diodo debe ser extremadamente rápido para no generar picos de alto voltaje en los inductores, lo que podría dañar los componentes. Fast diodos convencionales o diodos Schottky se pueden utilizar.
Las resistencias en los inductores y los condensadores también pueden tener grandes efectos sobre la eficiencia del convertidor y la ondulación de salida. Los inductores con menor resistencia en serie permiten que se disipe menos energía como calor, lo que da como resultado una mayor eficiencia (una mayor parte de la potencia de entrada se transfiere a la carga). Los condensadores con baja resistencia en serie equivalente (ESR) también deben usarse para C1 y C2 para minimizar la ondulación y evitar la acumulación de calor, especialmente en C1, donde la corriente cambia de dirección con frecuencia.
Desventajas
- Al igual que el convertidor reductor-elevador, el SEPIC tiene una corriente de salida pulsante. El convertidor Ćuk similar no tiene esta desventaja, pero solo puede tener polaridad de salida negativa, a menos que se utilice el convertidor Ćuk aislado.
- Dado que el convertidor SEPIC transfiere toda su energía a través del condensador en serie, se requiere un condensador con alta capacidad y capacidad de manejo de corriente.
- La naturaleza de cuarto orden del convertidor también hace que el convertidor SEPIC sea difícil de controlar, por lo que solo es adecuado para aplicaciones de variación muy lenta.
Ver también
Referencias
- Maniktala, Sanjaya. Diseño y optimización de fuentes de alimentación conmutadas , McGraw-Hill, Nueva York 2005
- Ecuaciones SEPIC y clasificaciones de componentes , Maxim Integrated Products. Nota de apéndice 1051, 2005 .
- Convertidor TM SEPIC en PFC Pre-Regulator , STMicroelectronics. Nota de aplicación AN2435 . Esta nota de aplicación presenta la ecuación básica del convertidor SEPIC, además de un ejemplo de diseño práctico.
- Convertidores de potencia de alta frecuencia , Intersil Corporation. Nota de aplicación AN9208, abril de 1994 . Esta nota de aplicación cubre varias arquitecturas de convertidores de potencia, incluidos los distintos modos de conducción de los convertidores SEPIC.
- ^ Robert Warren, Erickson (1997). Fundamentos de la electrónica de potencia . Chapman y Hall.
- ^ Dongbing Zhang, Diseño de un convertidor Sepic. Mayo de 2006, revisada en abril de 2013 Anteriormente, Nota de aplicación nacional de semiconductores 1484, ahora Informe de aplicación de Texas Instruments SNVA168E.
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