Convertidor Reductor Elevador (Buck Boost)

(1)

(2)

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.

(3)

Convertidor Reductor-Elevador (Buck-Boost )

Reductor: Vout < Vin Elevador: Vout > Vin

REDUCTOR _ELEVADOR

V

_in

V

₁

V

out V₁= V_in·D D 1 1 V V_out ₁ D V V_out _in

¿Es posible elevar y reducir con un convertidor?

(4)

D 1

D V

V_out _in

La tensión de salida con este sistema es:

• 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.

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?

(5)

El condensador intermedio lo podemos eliminar y unir las dos bobinas.

Mismo ciclo de trabajo para los dos convertidores Los dos interruptores se manejan simultáneamente

Int. Cerrados Int. Abiertos

V

_in

V

_out

V

_in

V

out

V

_L

= V

_in

V

_L

= -V

_out

V

_in

_V

out

V

_L

I

_L

T

DT

-V

_out

V

_in M₁ M₁ M₂ M₂ M₁ M₂

(6)

• Durante D, la bobina queda en paralelo con la entrada • Durante (1-D), la bobina queda en paralelo con la salida

D 1 D V V_out _in V_in·D = V_out(1-D)

Por tanto, para conseguir el mismo comportamiento debemos encontrar un circuito que maneje la bobina de una forma similar:

V

_in

V

_out

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

(7)

• Un transistor • Un diodo • Una bobina

• Un condensador

Integración de los dos convertidores en uno sólo

• 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.

Convertidor Reductor-Elevador

V

_in

V

_out

-+

(8)

Relación de transformación en MCC 2 estados de funcionamiento en MCC Carga de la bobina Descarga de la bobina

V

_in

V

_out

-+

Interruptor cerrado Interruptor abierto

1

2 V

_out

V

_out

V

_in

V

_in M₁ M₁

-+

(9)

Formas de onda en MCC Durante D·T

Durante (1-D)·T

La tensión media en la bobina debe ser nula: V_L I_L T DT

-V

_out

V

_in

V

_in

·D = V

_out

·(1-D)

D 1 D V V_out _in

V

_in

V

out

V

_L

=V

_in

I

_L

V

_in

V

out

V

_L

=-V

_out

I

_L

(10)

V_L

I_L

T DT

I_Lp La corriente de pico es:

El valor medio de la corriente I_D es la corriente de salida:

Por tanto:

La corriente está en el límite entre MCC y MCD

Dado un valor de I_out, ¿Qué valor de L consigue obtener esta corriente? Límite entre MCC y MCD T D V L 1 I_Lp _in

-V

_out

V

_in T D 1 D V L 2 1 ) D 1 ( I 2 1 I _D _Lp _in _ out

i

I

_out

I

_D Se cumple: D 1 D V V_out _in 2 out LIM D I 2 T V L 1

(11)

Operación en MCD V_L I_L V_in T DT -V_out ₂T

Hay 3 estados de funcionamiento

Durante D·T Durante ₂·T Durante (1-D- 2)·T T DT

I

_out

I

_D

V

_in

V

out

I

_L V_L

-+

V

_in

_V

_out

I

_L V_L

-+

V

_in V_L

_V

_out

-+

+

-i =0

(12)

Cálculo de la relación de transformación

En general, cuando un convertidor se descarga pasa a operar en MCD

V_L I_L T DT V_in -V_out I_Lp ₂T En MCD se cumple:

Tensión media en L nula:

La corriente de pico es:

La corriente media de salida es:

L out out R V I T D V L 1 I_Lp _in 2 Lp out I 2 1 I T DT

I

_out

I

_D 2 out in D V V T R L 2 V V D out

(13)

El ciclo de trabajo depende de la carga cuando el convertidor opera en MCD Operación en MCD 2 4 6 8 10 0 0.5 1 MCC MCD

V

_in

= 12 V

V

_in

= 6 V

V

_in

= 24 V

V_out = 12 V L = 5 H f = 100 kHz Corriente (A)

D

El peor caso se da en condiciones de tensión de entrada máxima

Peor caso: Vmax

T R L 2 V V D out

El ciclo de trabajo necesario para obtener una cierta tensión de salida depende de la carga R_L y del valor de L

(14)

Operación en MCD 2 4 6 8 10 0 0.2 0.4 0.6

Corriente de salida (A)

D

V_in = 12 V V_out = 12 V

L = 5



H

L = 10



H

L = 2.5



H

T R L 2 V V D out

• 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

(15)

Cálculo del condensador -V_out V_in Carga Descarga V_L I_D V_C C Q V_out 

V

_out T DT El rizado pico-pico en el condensador será: Formas de onda

Conocido el valor de L y tomando como dato V_out podemos calcular C

I

_out T D I C 1 C Q V_out _out En régimen permanente: Carga = Descarga

En este caso resulta más fácil basarse en la descarga (área amarilla): T D I V 1 C _out out Q

(16)

Esfuerzos en los semiconductores Convertidor Reductor-Elevador en MCC

V

_in

V

_out

V

_M

V

_D V_Mmax= V_in+V_out V_Dmax = V_in+V_out

I

_L

T

DT

V

_M

V

_D

I

_M

I

_D

I

_Lp

I

_Lp

I

_Lp

I

_out V_in+V_out V_in+V_out

(17)

Esfuerzos en los semiconductores Convertidor Reductor-Elevador en MCD

V

_in

V

_out

V

_M

V

_D V_Mmax= V_in+V_out V_Dmax = V_in+V_out

V

_M

V

_D

I

_L

T

I

_Lp

I

_out

V

_in V_out

I

_M

I

_D

I

_Lp

I

_Lp V_in+V_out V_in+V_out

(18)

R E S U M E N El convertidor REDUCTOR-ELEVADOR

V

_out

>V

_in

> V

_out • D Depende de la carga • Valores de L bajos • Corrientes elevadas • VMmax = Vin • VDmax = Vin • D Independiente de la carga • Valores de L altos • Corrientes pequeñas • VMmax = Vin • VDmax = Vin

Tensión de salida invertida

• Cálculo de bobina y condensador

2 modos de funcionamiento

i

_L

i

L MCC MCD

V

_in

_V

-

_out

+

T R L 2 V V D L in out D 1 D V V_out _in

(19)

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

Reductor-

_Elevador

V

_MOSFET

I

_PMOS

V

_DIODO

I

_PDIODO

V

_in

V

_in

V

_out

V

_out

V

_in

+V

_out

V

_in

+V

_out I₀ I₀ I₀/(1-D) I₀/(1-D) I₀/(1-D) I₀/(1-D)

(20)

Ejemplo de comparación:

Especificaciones: V_in = 48 V V_out = 12 V P_max = 100 W L = 50 H V₀ = 2% Reductor Reductor-Elevador

V

_MOSFET

V

_DIODO

I

_Pico _

_i

_L

_C

48 V

60 V

10.1 A

12.2 A

3.6 A

7.7 A

9.4



F

277



F

Especificaciones: V_in = 12 V V_out = 48 V P_max = 100 W L = 50 H V₀ = 2% Elevador

Reductor-V

_MOSFET

V

_DIODO

I

_Pico _

i

_L

_C

48 V

60 V

9.2 A

11.4 A

1.8 A

1.9 A

16.2



F

17.3 F

(21)

(22)

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

(23)

APLICACION2 APLICACIONES

APLICACION1

http://www.youtube.com/watch?v=FNUqA0TRyys&feature=related