Convertidor Reductor-Elevador (Buck
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Transcript Convertidor Reductor-Elevador (Buck
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
¿Es posible elevar y reducir con un convertidor?
Posible solución: conectar un reductor y un elevador en cascada
Vin
Vout
V1
REDUCTOR
V1 = Vin·D
Vout Vin
ELEVADOR
Vout V1
D
1 D
1
1 D
La tensión de salida con este sistema es:
Vout Vin
D
1 D
• 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.
Inconveniente
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?
El condensador intermedio lo podemos eliminar y unir las dos bobinas.
Vin
M1
Vout
M2
Mismo ciclo de trabajo para los dos convertidores
Los dos interruptores se manejan simultáneamente
Int. Cerrados
VL
VL = Vin
M1
Vin
M2
Vin
Vout
-Vout
Int. Abiertos
IL
VL = -Vout
M1
Vin
M2
Vout
DT
T
• Durante D, la bobina queda en paralelo con la entrada
• Durante (1-D), la bobina queda en paralelo con la salida
Vout Vin
Vin·D = Vout(1-D)
D
1 D
Por tanto, para conseguir el mismo comportamiento debemos encontrar un
circuito que maneje la bobina de una forma similar:
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
Vin
S1
S2
Vout
+
• Un transistor
• Un diodo
• Una bobina
Convertidor Reductor-Elevador
• Un condensador
Vin
Vout
+
Integración de los dos convertidores en uno sólo
Es necesario invertir la tensión de salida
• 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.
Relación de transformación en MCC
Vout
Vin
+
2 estados de funcionamiento en MCC
M1
1
Interruptor
cerrado
Vin
Vout
Carga de la
bobina
Vout
Descarga de
la bobina
2
Vin
Interruptor
abierto
M1
+
Formas de onda en MCC
Durante D·T
VL=Vin
VL
Vin
Vin
Vout
IL
-Vout
Durante (1-D)·T
IL
VL=-Vout
Vin
IL
Vout
DT
La tensión media en la bobina debe ser nula:
Vin·D = Vout·(1-D)
Vout Vin
La tensión de salida está invertida respecto a la de entrada
D
1 D
T
Límite entre MCC y MCD
La corriente está en el límite entre MCC y MCD
Dado un valor de Iout, ¿Qué valor de L consigue obtener esta corriente?
VL
La corriente de pico es:
ILp
Vin
1
Vin D T
L
El valor medio de la corriente ID es la
corriente de salida:
_
Iout iD
-Vout
IL
1
1
ILp (1 D)
Vin D 1 D T
2
2L
Se cumple:
Vout Vin
D
1 D
ILp
ID
Iout
Por tanto:
LLIM
Vout T
2
1 D
2 Iout
DT
T
Operación en MCD
Hay 3 estados de funcionamiento
Durante D·T
IL
+ -
VL
Vin
Vin
Vout
VL
Durante 2·T
-Vout
IL
IL
+ Vin
Vout
VL
2 T
DT
Durante (1-D- 2)·T
+ Vin
T
ID
Iout
+ Vout
VL
iL=0
DT
T
Cálculo de la relación de transformación
En general, cuando un convertidor se descarga pasa a operar en MCD
En MCD se cumple:
VL
Tensión media en L nula:
Vin
Vin D Vout 2
La corriente de pico es:
ILp
-Vout
1
Vin D T
L
IL
ILp
La corriente media de salida es:
Iout
1
ILp 2
2
Iout
V
2L
D out
Vin R L T
Vout
RL
2 T
DT
ID
T
Iout
DT
RL es la carga de salida
T
Operación en MCD
El ciclo de trabajo necesario para obtener una cierta tensión de salida
depende de la carga RL y del valor de L
El peor caso se da en condiciones de tensión de entrada máxima
D
1
Vout = 12 V
MCC
L = 5 H
Vin = 6 V
MCD
f = 100 kHz
Vin = 12 V
0.5
Vin = 24 V
Peor caso: Vmax
0
2
4
6
8
10
Corriente (A)
El ciclo de trabajo depende de la carga cuando el convertidor opera en MCD
D
Vout
Vin
2L
RLT
RL: Carga del convertidor
Operación en MCD
En MCD, D también depende del valor de L
• 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
D
0.6
Vin = 12 V
Vout = 12 V
0.4
L = 10 H
L = 5 H
0.2
L = 2.5 H
0
2
4
6
Corriente de salida (A)
D
Vout
Vin
2L
RLT
8
10
Cálculo del condensador
Formas de onda
El rizado pico-pico en el
condensador será:
Vout
VL
Vin
Q
C
En régimen permanente:
DT
ID
T
-Vout
Q
Iout
Carga = Descarga
En este caso resulta más fácil
basarse en la descarga (área
amarilla):
Vout
C
Q 1
Iout D T
C
C
1
Iout D T
Vout
VC
Vout
Descarga
Carga
Conocido el valor de L y tomando como dato Vout podemos calcular C
Esfuerzos en los semiconductores
Convertidor Reductor-Elevador en MCC
ILp
IL
VM
VD
Vout
Vin
IM
ILp
VD
Vin+Vout
ID
VMmax = Vin+Vout
VDmax = Vin+Vout
Vin+Vout
VM
ILp
Iout
DT
T
Esfuerzos en los semiconductores
Convertidor Reductor-Elevador en MCD
IL
VM
ILp
VD
VM
Vin+Vout
Vout
Vin
Vin
IM
VD
ILp
Vin+Vout
ID
ILp
VMmax = Vin+Vout
VDmax = Vin+Vout
Vout
DT
2T
Iout
T
El convertidor REDUCTOR-ELEVADOR
Vout>Vin > Vout
Vin
Vout
+
Tensión de salida invertida
2 modos de funcionamiento
MCD
MCC
iL
iL
RESUMEN
Vout Vin
D
1 D
D
Vout 2L
Vin R L T
• D Independiente de la carga
• D Depende de la carga
• Valores de L altos
• Valores de L bajos
• Corrientes pequeñas
• Corrientes elevadas
• VMmax = Vin
• VMmax = Vin
• VDmax = Vin
• VDmax = Vin
• Cálculo de bobina y condensador
• Aplicaciones
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
Elevador
VMOSFET
Vin
Vout
IPMOS
I0
I0/(1-D)
VDIODO
Vin
IPDIODO
I0
Vout
I0/(1-D)
ReductorElevador
Vin+Vout
I0/(1-D)
Vin+Vout
I0/(1-D)
El rizado de corriente se ha supuesto nulo.
Ejemplo de comparación:
Especificaciones:
Vin = 48 V
Pmax = 100 W
Vout = 12 V
L = 50 H
VMOSFET VDIODO
V0 = 2%
IPico
iL
C
Reductor
48 V
48 V
10.1 A
3.6 A
9.4 F
ReductorElevador
60 V
60 V
12.2 A
7.7 A
277 F
Especificaciones:
Vin = 12 V
Pmax = 100 W
Vout = 48 V
L = 50 H
VMOSFET VDIODO
V0 = 2%
IPico
iL
C
Elevador
48 V
48 V
9.2 A
1.8 A
16.2 F
ReductorElevador
60 V
60 V
11.4 A
1.9 A
17.3 F
Fuente : Universidad de Oviedo
Lecturas
http://www.eecs.mit.edu/spotlights/images/Main_dc-dc.pdf
http://www.eecs.mit.edu/spotlights/images/Main_TRAN08_IEEEtran.pdf
Four Switch Buck-Boost Converter for Photovoltaic DC-DC power
applications
http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=5674983
APLICACIONES
APLICACION1
APLICACION2
http://www.youtube.com/watch?v=FNUqA0TRyys&feature=related
http://www.national.com/pf/LM/LM3668.html#Overview