SAAEI 2005

1
Electrónica Industrial
2do curso de Ingeniería Técnica Industrial
Especialidad Electricidad
Lección 17 Convertidores CC/CC
Profesor Diego González Lamar
Transparencias basadas en el material realizado
por Arturo Fernández y Jorge García García
2
Convertidores CC/CC
Índice de la Lección

• Introducción
• Fuentes lineales vs. Fuentes conmutadas
• Principio básico de los convertidores CC/CC
  conmutados
• Características de los convertidores conmutados
• Convertidor reductor (Buck)
• Modo de conducción continua (MCC)
• Modo de conducción discontinuo (MCD)
• Cálculo de bobina y condensador
• Convertidor Elevador (Boost)
• Convertidor Reductor-Elevador (Buck-Boost)
• Comparación de topologías
• Convertidores con aislamiento galvánico

Electrónica Industrial Lección 17
3
Convertidores CC/CC
Introducción
En general, a pesar de disponer de una tensión
continua, es necesario transformarla para poder
ser utilizada por la carga
Ejemplo Rectificador no controlado convencional
Electrónica Industrial Lección 17
Vin 230 V, 50 Hz
CONV. CC/CC
VC
V0
La carga demanda tensiones bien reguladas
VC
V0
Iin
12 V
CC/CC
4
Convertidores CC/CC
Introducción
Los convertidores CC/CC son equipos electrónicos
cuyo propósito es convertidor una tensión
continua en otra tensión continua pero de
distinto valor.
V2 ? V1
Electrónica Industrial Lección 17
En general, V1 no va a ser perfectamente
constante. El convertidor debe funcionar dentro
de un rango de tensión de entrada
V1
V2
V1MAX
V1MIN
5
Convertidores CC/CC
Introducción
Todos los equipos electrónicos funcionan con una
tensión continua. En general, todos los equipos
necesitan un convertidor CC/CC para alimentar su
circuitería a la tensión adecuada.
Ejemplos
Electrónica Industrial Lección 17

• Telecomunicaciones 48 V
• Microprocesadores 3.3 V, 1.5 V...
• Equipos para automóviles (Radio, CD, etc) 12 V,
  42 V.
• Equipos de audio 70 V
• Circuitos digitales en general 5 V, 12 V

6
Convertidores CC/CC
Fuentes lineales vs. Fuentes conmutadas
La forma más sencilla de convertir una tensión
continua en otra de distinto valor es mediante el
uso de un regulador lineal
iR1
7812
Electrónica Industrial Lección 17
VS
VE
7
Convertidores CC/CC
Principio básico de los convertidores CC/CC
conmutados
Idea básica Trocear la tensión continua
Vin
Voutmed
Vin
Vout
Electrónica Industrial Lección 17
DT
T
Fracción de tiempo respecto del periodo que un
interruptor está en conducción
Ciclo de trabajo (D)
Duty Cycle
Valor medio de la tensión de salida Voutmed
VinD
Actuando sobre D podemos elegir el valor de VOUT
8
Convertidores CC/CC
Principio básico de los convertidores CC/CC
conmutados
En conducción, la caída de tensión es nula En
corte, no hay circulación de corriente En ningún
momento conviven tensión y corriente en el
dispositivo
No hay disipación de energía en ningún componente
? ?100
Electrónica Industrial Lección 17
Vin
Tensión continua con un valor medio controlable
Vout
El rizado de la forma de onda es muy
grande Debemos reducir el contenido armónico de
esta forma de onda
9
Convertidores CC/CC
Principio básico de los convertidores CC/CC
conmutados
1da opción Filtro C
Vout
Vin
Electrónica Industrial Lección 17
El condensador no puede cargarse
bruscamente Debemos colocar una impedancia
intermedia
No es válida
2da opción Filtro LC
No es válida
La bobina no tiene por donde descargarse.
Debemos añadir un camino alternativo de descarga.
Vout
Vin
10
Convertidores CC/CC
Principio básico de los convertidores CC/CC
conmutados
Se coloca un diodo para permitir que la corriente
que circula por la bobina tenga un camino para
seguir circulando
Este diodo se llama diodo de libre circulación
Electrónica Industrial Lección 17
Con esto tenemos el convertidor reductor básico
Vin
Vout
11
Convertidores CC/CC
Características de los convertidores conmutados
Relación de transformación
Relación entre la tensión de salida y la tensión
de entrada
Supuestos

• Semiconductores ideales
• L y C sin pérdidas
• Fuente de entrada sin impedancia de salida
• Rizado de la tensión de salida despreciable

Electrónica Industrial Lección 17
En los convertidores CC/CC siempre hay un pequeño
rizado en la tensión de salida. Vamos a suponer
que es despreciable
Rizado
12
Convertidores CC/CC
Características de los convertidores conmutados
Modo de conducción continuo (MCC) y modo de
conducción discontinuo (MCD)
Depende de cómo sea la corriente que circula por
la bobina
Hay circulación de corriente durante todo el
periodo
MCC
Electrónica Industrial Lección 17
La corriente se hace cero en algún instante
MCD
13
Convertidores CC/CC
Características de los convertidores conmutados
En régimen permanente, cualquier elemento
magnético debe tener un valor medio de tensión
NULO.
Electrónica Industrial Lección 17
El área positiva debe ser igual a la negativa
V1T1 V2T2
Para que un convertidor opere correctamente debe
poder manejar un elemento magnético con una forma
de onda similar a esta, o al menos con valor
medio nulo.
14
Convertidores CC/CC
Convertidor reductor (Buck)
Modo de conducción continuo (MCC)
En MCC el circuito pasa por 2 estados distintos
Electrónica Industrial Lección 17
15
Convertidores CC/CC
Convertidor reductor (Buck)
En MCC, Vout no depende de la carga
Modo de conducción continuo (MCC)
Electrónica Industrial Lección 17
16
Convertidores CC/CC
Convertidor reductor (Buck)
Modo de conducción continuo (MCC)
0lttltTD
Electrónica Industrial Lección 17
TDlttltT
iP
imin
17
Convertidores CC/CC
Convertidor reductor (Buck)
Modo de conducción continuo (MCC)
Todos los elementos son ideales
No hay pérdidas
La potencia de entrada es igual a la potencia de
salida
Electrónica Industrial Lección 17
VinIin VoutIout
Vout VinD
Pin Pout
Transformador de tensión continua Relación de
transformación controlable por el ciclo de trabajo
-
18
Convertidores CC/CC
Convertidor reductor (Buck)
Modo de conducción continuo (MCC)
Electrónica Industrial Lección 17
Vin
Vout
19
Convertidores CC/CC
IL
Convertidor reductor (Buck)
Modo de conducción continuo (MCC)
Durante DT
VM
IL
VL
IM
Vout
Vin
Electrónica Industrial Lección 17
Vin
VD
ID
T
DT
20
Convertidores CC/CC
Convertidor reductor (Buck)
Modo de conducción discontinuo (MCD)
Electrónica Industrial Lección 17
21
Convertidores CC/CC
Convertidor reductor (Buck)
Vin-Vout
Modo de conducción discontinuo (MCD)
-Vout
0lttltTD
ILp
Electrónica Industrial Lección 17
Iout
IL
T
?2T
DT
TDlttlt?2T
?2T lttltT
22
Convertidores CC/CC
Convertidor reductor (Buck)
Vin-Vout
Modo de conducción discontinuo (MCD)
-Vout
ILp
Electrónica Industrial Lección 17
Iout
IL
T
?2T
DT
La corriente media de salida es
23
Convertidores CC/CC
Convertidor reductor (Buck)
Modo de conducción discontinuo (MCD)
Iout
Vin
Electrónica Industrial Lección 17
R
El ciclo de trabajo depende de la carga El valor
de L también influye en el ciclo de trabajo
24
Convertidores CC/CC
IL
Convertidor reductor (Buck)
Modo de conducción continuo (MCD)
VM
IM
Electrónica Industrial Lección 17
Vin
VD
(1-D-?2)T
ID
Vin
25
Convertidores CC/CC
Convertidor reductor (Buck)
Cálculo de bobina
La elección del valor de la bobina corre a cargo
del criterio del diseñador .En algún caso puede
ser necesario tener un rizado de corriente
específico
Electrónica Industrial Lección 17
Elección del punto límite entre MCD y MCC
Solución de compromiso

• Tamaño
• Rizado de corriente

Tamaño Valores de corriente
Tamaño Valores de corriente
Si L
Si L
Criterios de elección típicos son 1/3 ó 1/4 de
la potencia máxima.
26
Convertidores CC/CC
Convertidor reductor (Buck)
Cálculo de bobina
Objetivo Que el convertidor pase de MCD a MCC en
un cierto valor de potencia (Plim)
Electrónica Industrial Lección 17
0.8
0.8
MCC
MCD
0.6
0.6
Ciclo de trabajo
0.4
0.4
0.2
0.2
0
2
4
6
8
10
0
2
4
6
8
10
Corriente de salida (A)
27
Convertidores CC/CC
Convertidor reductor (Buck)
Cálculo del condensador de salida
Hasta ahora hemos asumido que el rizado de
tensión de salida era nulo

• ?IL circula en su totalidad por el condensador
• Por la carga únicamente circula el valor medio de
  IL

Suponemos
Electrónica Industrial Lección 17
28
Convertidores CC/CC
Convertidor reductor (Buck)
Formas de onda
Cálculo del condensador de salida
Vin-Vout
VL
El rizado de corriente por la bobina genera un
rizado de tensión en el condensador
DT
T
-Vout
IL
Electrónica Industrial Lección 17
Una de las especificaciones técnicas de un
convertidor CC/CC suele ser el rizado máximo
admisible
VC
29
Convertidores CC/CC
Conocido el valor de L y tomando como dato ?Vout
podemos calcular C
Convertidor reductor (Buck)
Cálculo del condensador de salida
IL
?iL
Electrónica Industrial Lección 17
T
VC
30
Convertidores CC/CC
Convertidor reductor (Buck)
Cálculo del condensador de salida
Conocido el valor de L y tomando como dato ?Vout
podemos calcular C
VC
Electrónica Industrial Lección 17
?Vout
Las especificaciones de rizado se deben cumplir
en cualquier condición de trabajo ? Debemos
diseñar C para el peor caso Dmin (Vmax)
Factores que influyen
31
Convertidores CC/CC
Convertidor reductor (Buck)
Comparación MCC y MCD
5 V
12 V
VD
Electrónica Industrial Lección 17
Los esfuerzos de tensión son los mismos que en MCC
32
Convertidores CC/CC
Convertidor reductor (Buck)
El Reductor tiene un gran número de aplicaciones
industriales

• Sencillo
• Robusto
• Buenas prestaciones dinámicas
• Muy eficiente

Electrónica Industrial Lección 17
Aplicaciones actuales

• Posreguladores de tensión
• Microprocesadores
• Automóvil
• Con tiristores se utiliza para grandes potencias

33
Convertidores CC/CC
Vin
Convertidor reductor (Buck)
Vout
Resumen
Vin gt Vout
Idealmente sin pérdidas
MCD
MCC
Electrónica Industrial Lección 17
Vout VinD

• 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

34
Convertidores CC/CC
Convertidor elevador (Boost)
Como hemos visto, el convertidor reductor
transforma una tensión continua en otra de valor
más pequeño.
Utilizando la misma filosofía podríamos intentar
hacer la operación inversa, es decir, transformar
una tensión continua en otra de valor más grande.
Electrónica Industrial Lección 17
Vout gt Vin
Vin
35
Convertidores CC/CC
Convertidor elevador (Boost)
Modo de conducción continuo (MCD)
VD
Vin
VM
Vout
Electrónica Industrial Lección 17
Iout
VL
Vin
Vin-Vout
IL
T
DT
36
Convertidores CC/CC
Vin lt Vout
Convertidor elevador (Boost)
Modo de conducción continuo (MCD)
Vout
Vin
VD
VM
Electrónica Industrial Lección 17
Vin
VL
Vin-Vout
IL
37
Convertidores CC/CC
Convertidor elevador (Boost)
El convertidor elevador tiene un gran número de
usos industriales

• Sistemas de potencias gt 1kW
• Tensión de entrada universal
• Corrección del Factor de Potencia

Electrónica Industrial Lección 17
Es, junto con el reductor, uno de los
convertidores más usados
Sus principales ventajas son

• Sencillez
• Robustez
• Rendimiento muy elevado (puede ser superior al
  96)
• Trabaja bien con rangos de tensión amplios

38
Convertidores CC/CC
Convertidor reductor-elevador (Buck-Boost)
-
Vout
Vin

Electrónica Industrial Lección 17
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.

39
Convertidores CC/CC
Convertidor reductor-elevador (Buck-Boost)
Modo de conducción continuo (MCC)
VD
Vin
Vout
VM
Electrónica Industrial Lección 17
Vin
VL
-Vout
IL
T
DT
40
Convertidores CC/CC
Convertidor reductor-elevador (Buck-Boost)
Modo de conducción discontinuo (MCD)
VD
Vin
Vout
VM
Electrónica Industrial Lección 17
Vin
VL
-Vout
IL
T
DT
?2T
41
Convertidores CC/CC
El rizado de corriente se ha supuesto nulo.
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
Electrónica Industrial Lección 17
Elevador
Reductor
VMOSFET
Vin
Vout
VinVout
IPMOS
I0
I0/(1-D)
I0/(1-D)
VDIODO
VinVout
Vin
Vout
IPDIODO
I0
I0/(1-D)
I0/(1-D)
42
Convertidores CC/CC
Comparación de topologías
Pmax 100 W
Especificaciones
Vin 48 V
?V0 2
Vout 12 V
L 50 ?H
Electrónica Industrial Lección 17
VMOSFET
IPico
VDIODO
?iL
C
48 V
48 V
10.1 A
3.6 A
9.4 ?F
Reductor
Reductor-Elevador
60 V
60 V
12.2 A
7.7 A
277 ?F
43
Convertidores CC/CC
Comparación de topologías
Especificaciones
Pmax 100 W
Vin 12 V
?V0 2
Vout 48 V
L 50 ?H
Electrónica Industrial Lección 17
VMOSFET
IPico
VDIODO
?iL
C
48 V
9.2 A
48 V
1.8 A
16.2 ?F
Elevador
Reductor-Elevador
60 V
60 V
11.4 A
17.3 ?F
1.9 A
44
Convertidores CC/CC
Comparación de topologías
Reductor - Elevador
Peor comportamiento

• Mayores esfuerzos en los semiconductores
• Mayor tamaño de los elementos pasivos

Electrónica Industrial Lección 17
Por tanto, el precio que se paga por poder
reducir y elevar la tensión con la misma
topología es bastante elevado.
Otras cuestiones importantes a tener en cuenta

• Transistores no referidos a masa necesidad de
  drivers más complejos
• Tamaño de los componentes pasivos condensadores
  y bobinas
• Corriente de entrada si está troceada se
  necesitarán filtros más grandes.

45
Convertidores CC/CC
Convertidores CC/CC con aislamiento galvánico
Necesidad de aislamiento galvánico
Seguridad
Ejemplo si en el convertidor que se muestra en
la figura se rompe el MOSFET quedando en
cortocircuito, y una persona toca la borna de
salida del convertidor, puede electrocutarse.
Electrónica Industrial Lección 17
325 V !!
325 V
230 V, 50 Hz
0V
48 V
0V
Si colocamos un transformador en el medio siempre
habrá un elemento que se interponga entre la red
y el usuario.
46
Convertidores CC/CC
Convertidores CC/CC con aislamiento galvánico
Convertidor Flyback
Podemos colocar un transformador IDEAL a uno de
los convertidores sin aislamiento el convertidor
Reductor-Elevador.
Electrónica Industrial Lección 17
Vin
Vin
Vout
Vout
Vin
Vout
Vout
Vin
47
Convertidores CC/CC
Convertidores CC/CC con aislamiento galvánico
ILp
IL
Convertidor Flyback
VD
Vo
IL
n1
VinV0n
VM
L
Vin
Electrónica Industrial Lección 17
IM
ILp
MOSFET cerrado
MCC
VD
IL
Vo
n1
L
Vin
ILpn
ID
Iout
VM
MOSFET abierto
T
DT
48
Convertidores CC/CC
Convertidores CC/CC con aislamiento galvánico
Convertidor Forward
N1
N3
N2
V0
Electrónica Industrial Lección 17
Vin
Convertidor en medio puente
N1
N2
V0
Vin
N2
49
Convertidores CC/CC
Convertidores CC/CC con aislamiento galvánico
Convertidor en puente completo
N1
N2
V0
Electrónica Industrial Lección 17
Vin
N2
Convertidor Push-Pull
N1
N2
V0
N1
N2
Vin