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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 1 Vout  V1  1 D

D 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  i D

-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:

L LIM 

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

1   Vin  D  T L

IL

La corriente media de salida es: 1 V Iout  ILp   2 Iout  out 2 RL

V D  out Vin

-Vout

2L R LT

ILp

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 DT

Q  C

En régimen permanente:

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 Vin

2L R LT

• 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