La necesidad de convertir un voltaje de CC a otro voltaje de CC suele ser el núcleo de muchas aplicaciones en los sectores industrial, médico e incluso doméstico. Dispositivos más o menos complejos llamados convertidores DC-DC realizan el cambio de voltaje DC de un nivel a otro. El voltaje puede subir o bajar. En este capítulo se describen los enfoques más utilizados.
Tensión de alimentación de CC variable: convertidor CC-CC
Una de las principales razones por las que la electricidad se distribuye alternativamente en los hogares es la simplicidad de conversión. Un transformador es suficiente para subir o bajar de manera muy fácil y segura el voltaje de la red de CA. Desafortunadamente para los voltajes de CC no es tan simple. La transformación es más compleja, requiriendo estrategias especiales, metodologías y componentes electrónicos de alta complejidad. La conversión de un voltaje de CC a otro voltaje de CC se usa en una variedad de aplicaciones de energía. Por ejemplo, el control de motores en vehículos eléctricos o cualquier otra aplicación en la que la velocidad de rotación deba variarse continuamente mientras se mantienen los parámetros de par y fuerza. Intacto.y conversión CC-CCes muy fácil tener una fuente de alimentación sofisticada que podría funcionar con diferentes voltajes de suministro si se desea.
bajar (buck)
Los circuitos de conmutación CC-CC utilizan interruptores y componentes electrónicos que se activan correctamente para almacenar y convertir energía. Un convertidor reductor, también llamado reductor, es un convertidor de potencia CC-CC que reduce el voltaje de entrada para proporcionar un voltaje de salida más bajo. La tecnología de punta de hoy en día encapsula toda una estructura de circuito complejo en una sola carcasa. Si bien en teoría es posible usar resistencias de potencia grandes o divisores de potencia para reducir el voltaje de entrada, la energía desperdiciada innecesariamente en calor es enorme y tales soluciones son solo un pequeño porcentaje eficiente.La base de un circuito de conmutación es un interruptor electrónico (BJT, Mosfet, etc.) que se encienden y apagan alternativamente a frecuencias muy altas (ver Figura 1). Las frecuencias de conmutación son más altas que las frecuencias ultrasónicas (>20 kHz).
La señal de conmutación permite la selección del voltaje de salida simplemente cambiando el ciclo de trabajo
Figura 1: Una señal de conmutación permite seleccionar el voltaje de salida simplemente cambiando el ciclo de trabajo
Si el interruptor SW está cerrado por un tiempo t1, hay un voltaje Vs a través de la carga R. Por el contrario, si este interruptor está abierto durante el tiempo t2, el voltaje es de 0 V en la carga R. Una sucesión rápida de estos pulsos produce un voltaje entre 0 V y Vs en la carga. Este último es variable entre 0% y 100% (PWM) en función del ciclo de trabajo. Si la señal es generada por una onda cuadrada u onda cuadrada, este voltaje es
En todos los demás casos la tensión será:
Convertidor CC-CC reductor con carga de resistencia e inductor
La figura 2 muestra el esquema general y el principio de funcionamiento de un circuito reductor con carga tipo LC. Este convertidor DC-DC proporciona un voltaje de salida que es más bajo que el voltaje de entrada. Se compone principalmente de un Mosfet como interruptor SW y un diodo D. La red del filtro de salida consiste en el inductor L, el capacitor C y la resistencia de carga R. Mosfet puede ser controlado por un modulador de ancho de pulso (PWM). Su funcionamiento es muy sencillo. Se suministra un voltaje de CC V al circuito. Un interruptor electrónico produce una señal rectangular con un valor de voltaje distinto de cero y un parámetro de ciclo de trabajo adecuado. La salida es la tensión media entre 0 V y Vs, según parámetros fijados por el porcentaje de encendido de la señal. Las siguientes señales se pueden observar en el oscilograma que se muestra.
- IVA): es el voltaje de entrada de CC que alimenta todo el circuito de conversión.
- v (Suiza): es una señal rectangular (tren de pulsos) suministrada por un sistema controlado por interruptores electrónicos.
- enfermedad venérea): La señal presente a través del diodo. Como puedes ver, está sujeto a picos y oscilaciones que saturan la señal con interferencias (EMI).
- v(fuera): La señal de salida es más baja que la señal de entrada. Esto puede estar sujeto a vibraciones y se amplifica intencionalmente en el diagrama. El uso de una gran capacitancia de salida generalmente alivia este problema de manera significativa.
FIGURA 2: CONVERTIDOR REDUCTOR CON CARGA DE RESISTENCIA E INDUCTOR
Aquí podemos observar las acciones y funciones realizadas por los componentes electrónicos durante las dos fases diferentes del funcionamiento del convertidor DC-DC: cuando el interruptor está en la posición ON y cuando está en la posición OFF.
- Si el interruptor está cerrado, la corriente fluirá normalmente y no pasará por el diodo de polaridad inversa. Entonces el capacitor se carga con esta corriente. En otras palabras, el interruptor está en conducción normal y la corriente normalmente fluye desde el generador de voltaje hasta la carga.
- Tan pronto como se abre el interruptor, el inductor invierte el voltaje a través de él, lo que hace que el diodo conduzca. Este componente también suprime las sobretensiones que pueden ocurrir cuando se abre el interruptor. Esto significa que el interruptor no conducirá y la corriente de carga fluirá a través del diodo de recirculación.
La corriente promedio del inductor es aproximadamente igual a la corriente de salida. Durante la fase de “encendido”, la corriente en el MOSFET es igual a la corriente promedio en el inductor más la ondulación. Por el contrario, en la fase de “apagado”, la corriente a través del diodo es igual a la corriente promedio del inductor más la corriente ondulada. Si el inductor y el capacitor fueran ideales, la eficiencia de este circuito sería del 100%. El número real es de alrededor del 94%. La eficiencia del circuito depende de manera muy importante del ciclo de trabajo de la señal PWM. Especialmente cuando el voltaje de salida es mucho más bajo que el voltaje de entrada, se establecen grandes transitorios de corriente en el interruptor, lo que genera un desperdicio de energía innecesario. Como puede verse en el gráfico de la Figura 3, cuando el ciclo de trabajo es bajo, la eficiencia del convertidor CC-CC también es baja. Por lo tanto, para lograr relaciones de reducción altas, se debe evitar diseñar convertidores con un ciclo de trabajo inferior al 20 %. Tenga en cuenta que las dos escalas que se muestran en el gráfico se expresan como porcentajes.
La eficiencia de un convertidor reductor depende en gran medida del ciclo de trabajo PWM, la velocidad a la que el voltaje de salida disminuye con la misma carga.
FIGURA 3: La eficiencia de un convertidor reductor depende en gran medida del ciclo de trabajo de PWM con la misma carga, la velocidad a la que disminuye el voltaje de salida.
La siguiente tabla muestra los valores del ciclo de trabajo del interruptor y los valores de eficiencia del sistema correspondientes. Por supuesto, estos son datos típicos y pueden variar ligeramente dependiendo de muchos parámetros del circuito.
La señal procesada por este tipo de convertidor DC-DC no es muy limpia y algunos armónicos están presentes en la señal como se ve en el espectrograma de la Figura 4. El primer espectrograma de arriba muestra los armónicos presentes en el diodo y el segundo espectrograma muestra los armónicos presentes después del inductor. Por lo tanto, los diseñadores deben implementar buenos sistemas de filtrado que eliminen o reduzcan este tipo de señales no deseadas tanto como sea posible.
este artículo Publicado por primera vez en la revista hermana Power Electronics News