Anàlisis de conversores

UDELAR-FI-IIE

CONVERSORES

DC-DC

Notas de apoyo para el curso básico de
Electrónica de Potencia I (Plan 91)

Instituto de Ingeniería Eléctrica
Facultad de Ingeniería

W. Uturbey
Junio, 1996.

Instituto de Ingeniería Eléctrica

Electrónica de Potencia

Los conversores conmutados en alta frecuencia son circuitos de potencia donde
los semiconductores, o llaves de potencia,conmutan a una frecuencia mucho mayor que
la de variación de las formas de onda de entrada y salida del conversor. Esto permite
emplear filtros pasa-bajos para eliminar los componentes armónicos no deseados. No
podemos usar la inversión de la forma de onda de entrada para bloquear los
semiconductores, como se hace con los conmutados por la red. Los interruptores
deberán entonces controlarse alconducir y bloquear. Los conversores DC-DC forman
parte de este grupo de convertidores, controlan el flujo de energía entre dos sistemas de
continua. Ejemplos de aplicación son: fuentes de alimentación CC (Switch Mode Power
Supplies, SMPS) para equipamiento electrónico, control de máquinas eléctricas de
corriente continua, etc.
La Fig. 1.(a) presenta la topología más simple para unconversor DCDC, una
carga resistiva se alimenta desde una fuente de tensión CC (Vi), interruptor S conmuta
a una frecuencia f=1/T.
S

Vi

Vi

Ro

VRo(t)
δT

0

T

Fig. 1 - Conversor DC-DC más simple, y forma de onda VRo.

La tensión en la resistencia Ro será rectangular, Fig. 1.(b). Su valor medio es:
VRo = δVi
donde δ se llama ciclo de trabajo (duty cycle), y es la fracción detiempo que conduce el
interruptor S. Se observa que la tensión y corriente en la carga presentan un alto
contenido armónico. Pocas aplicaciones aceptan una fuente con esas características.
Para obtener corriente y tensión en la carga constantes es necesario agregar un filtro,
Fig. 2. Encontramos así una de las topología básicas, el conversor BUCK, o
REDUCTOR o STEP-DOWN.
S
Vi

L
DRL

SRo

Vi

L
DRL

Co

Ro

Fig. 2 - Filtro de salida inductivo. Filtro de salida capacitivo e inductivo.

EL CONVERSOR BUCK
El circuito simplificado está representado en la Fig. 3. Vi es la tensión CC de
entrada, Vo es la tensión CC de salida, que suponemos constante (aproximación
razonable si el capacitor del filtro de salida, Fig 2.(b), es suficientemente grande). En
este conversorsiempre se cumple que Vo es menor o igual que Vi, razón por la que se le
llama “Reductor”. El interruptor S conmuta a una frecuencia f = 1/T. Se distingue dos
modos de operación, según la corriente por el inductor L se anule en el período de
operación T: modo de conducción contínua (MCC), cuando la mencionada corriente no
se anula, y modo de conducción discontínua (MCD), cuando la corrientepor L se anula
durante un intervalo.
1

Instituto de Ingeniería Eléctrica

+

Electrónica de Potencia

S

Vi
_

+
vD
_

L

+
Vo

DRL

_

Fig. 3 - Conversor Buck, circuito simplificado.

Modo de conducción contínua - CCM
En t=0 comienza a conducir el interruptor S, el circuito equivalente de esta etapa
está representado en la Fig. 4.(a). Como la tensión de salida Voes menor que Vi la
corriente por L será creciente durante este intervalo. La corriente que circula por S es
igual a la de L.
Un tiempo δT después se apaga el interruptor S. Se genera entonces una
sobretensión que hace conducir al diodo DRL (diodo de rueda libre) manteniendo así la
continuidad de la corriente por L. El nuevo circuito está representado en la Fig. 4.(b).
La corriente por L esahora decreciente.
La Fig. 5 presenta las formas de onda principales.
L

+
Vi

+
Vo
_

_

L

+
Vi

_

DRL

+
Vo
_

δ
Fig. 4 - (a) Circuito equivalente durante 0-δT, y (b) durante δT-T.

i L(t)
vL(t)

Vi-Vo
Vo
Vi

is=iL

i S(t)

is=0

vS(t)

iDrl=iL

iDrL(t)
iDrl=0

vD(t)
0

Vi

Vo= δ Vi

δT

T

T+ δ T

2T

Fig. 5 - Formas de onda...