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Título Convertidores DC/DC tipo resonantes y cuk Autores

Raúl Noboa Christian Palacios Cristian Changoluisa Estudiantes de la universidad ESPE en la facultad de ingeniería mecatrónica Fecha 05/06/2013

Resumen Existen convertidores resonantes que se los llama así porque utilizan arreglos L-C, que tienen varias configuraciones. Estos circuitos resonantes necesariamente necesitan un rectificador de media onda u onda completa dependiendo su aplicación debido a que los mismos nos entregarán una onda muy cercana a una sinusoidal y necesita ser rectificada y filtrada. Para la subdivisión de estos circuitos tenemos los convertidores con carga resonante los cuales tienen arreglos L-C que nos generarán una frecuencia resonante fr la cual dependiendo de su valor y el de la frecuencia de conmutación fs tendremos el control de potencia. Otro tipo de convertidores son los llamados cuasi-resonantes o de llaves (switches) resonantes, los cuales tendrán varias configuraciones para ser activados por corriente ZCR o por voltaje ZVR, estas son técnicas para suavizar los efectos que tiene la conmutación en los transistores que harán las veces de switches y así evitar al máximo las pérdidas por conmutación. Otro tipo de convertidores también DC/DC que utilizan arreglos L-C son los llamados cuk, los cuales tendrán como objetivo entregar a la carga un voltaje de salida regulado sin importar las variaciones de voltaje tanto en la carga como en la entrada, pero éste será negativo.

Abstract There resonant converters are so named because L-C arrangements and it have several configurations. These devices need necessarily a half wave rectifier or full wave, it depends of its applications because the output signal is sinusoidal. In the classification of these devices we have resonant load converters which there are L-C arrangements. The L-C arrangements generate a resonant frequency fr . We may control the output power depending of the resonant frequency and the switching frequency. Another type of converters are called cuk, which will aim to deliver a regulated output voltage regardless of variations in the load voltage or the input voltage 1

Palabras clave ZVS : conmutación con cero de voltaje ZCS: conmutación con cero de corriente fr: frecuencia de resonancia fs: frecuencia de conmutación ton: tiempo de encendido llaves: switches MOS: tecnología para transistores de potencia Introducción Los convertidores DC-DC son circuitos electrónicos de potencia que convierten una tensión continua en otro nivel de tensión continua y, normalmente, proporcionan una salida regulada.

de gran utilidad para estudiantes de ingeniería en especial de eléctrica, electrónica o mecatrónica, con la amplia gama de aplicación.

Métodos materiales y análisis

Los convertidores de potencia DC-DC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, incluyendo fuentes de alimentación para computadores personales, equipos de oficina, alimentación de sistemas de navegación, equipos portátiles, y equipos de telecomunicaciones, así como las unidades de motores CD.

Para recopilar toda la información acerca de los convertidores DC/DC resonantes y CUK hemos encontrado fuentes en diferentes páginas web mayoritariamente como archivos pdf. 1. Extrajimos toda la información referente a estos temas tanto teoría, fórmulas, cálculos y aplicaciones en el campo de la ingeniería, 2. Clasificamos la información dependiendo si eran convertidores DC/DC resonantes o CUK y luego fuimos organizando cada uno respectivamente en teoría, fórmulas, cálculos y en último lugar las aplicaciones en las que podemos emplear estos conocimientos 3. Sacamos nuestras propias conclusiones haciendo referencia a los conocimientos adquiridos tanto en la teoría, como en la práctica para tener un panorama más amplio de sus aplicaciones pero

Los convertidores DC/DC resonantes y de CUK son herramientas indispensables, para el manejo de potencia DC. La cual hoy en día tiene gran uso en la industrial sobre todo la automovilística, ya que, con los motores de auto híbridos en voltaje de 12V que se tiene en la batería necesita ser elevado. En principio se vio la necesidad de conocer el funcionamiento general de convertidores DC, así como su implementación. Esto se debe a que la demanda de dispositivos electrónicos; ya sean celulares, computadores portátiles o maquinas de potencia como autos, necesitan un voltaje menor o mayor al entregado por la fuente. Y no solo eso sino que pueden existir aplicaciones aun no analizadas las cuales con una buena investigación pueden llegar a ser 2

relacionados enteramente con la ingeniería mecatrónica

1) Convertidores resonantes con alimentación por tensión (Voltaje source resonant converters VSRC) a su vez, su clasificación es la siguiente: I. Convertidor de carga resonante en serie (serieload resonant SRL) Se reemplaza la resistencia de carga por un circuito rectificador. El circuito rectificador ve como fuente un generador de corriente sinusoidal dado por el circuito resonante L-C ,cuando el convertidor opera con fs próxima a fr.

No emplearemos experimentos en esta investigación, trataremos a estos temas solo de forma teórica entiendo su análisis y sus aplicaciones para utilizarlas en un futuro según sea necesario. 1) Convertidores resonantes Las características de un convertidor resonante se basan en los circuitos que contengan elementos L-C con adecuadas estrategias de conmutación lograrán que el switch conmute con cero de voltaje (ZVS) o cero de corriente (ZCS), durante la transición de ON OFF y viceversa. Clasificación de convertidores resonantes a) Convertidor de carga resonante (DC/DC) b) Convertidor de llaves resonantes (DC/DC) c) Convertidor de enlace resonante (DC/AC) d) Convertidor con enlace de alta frecuencia e integrador de semiciclos (DC/AC) a) Convertidores de carga resonante Se constituyen de un inversor y un circuito en serie o paralelo L-C. Nos genera una forma de onda cuadrada próxima a una sinusoidal a partir, de alimentación continua. El control de potencia es realizado mediante la variación de de frecuencia de conmutación del convertidor, llamado control de potencia por modulación de frecuencia. Estos se clasifican a su vez:

Ilustración 1_Convertidor de cc/cc con carga 1 resonante serie

El circuito equivalente queda definido por un E igual a la diferencia de potencial entre Vcc y la tensión de salida del convertidor Si C es de elevado valor Vo es constante.

Ilustración 2_Forma de onda de la corriente IL

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Ilustración 1 extraída de “Course on Power Electronics and Drives” 2 Ilustración 2 extraída de Electrónica de Potencia-convertidores, aplicaciones y diseño

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Las formas de onda de tensión y voltaje resultantes dependen de la relación que existe entre la frecuencia de conmutación fs y de la frecuencia de resonancia del circuito tanque fr.

caso discontinuo. Su signo depende de la relación entre fs y fr diferenciando dos modos de conmutación de las llaves del convertidor. Si

la forma de

corriente del inductor será:

Cuando fs es menor a fr/2, iL será discontinua y cuando fs es mayor que fr/2 iL es continua Modo discontinuo , las llaves comienzan a conducir con ceros de corriente en t0 se encienden los transistores M1 y M4 cerrándose las llaves S1 y S4. La corriente alcanza un pico máximo y luego decrece hasta cero, estableciéndose un semiciclo de oscilación a la frecuencia fr. Cuando se llega a t=T/2 la corriente iL se invierte y circula a revés de los diodos S1 y S4, bajo esta condición E cambia de valor generándose una nueva oscilación que completa el ciclo Tr. En este instante la corriente vuelve a pasa por cero, mientras M1 y M4 están desactivados, iL permanece nula hasta el próximo semiciclo. En Ts/2 se activan los transistores de S2 y S3 comenzando el semiciclo de conmutación inverso.

Ilustración 3_Forma de onda de corriente IL

Ilustración 4_Forma de corriente IL

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Cuando S1 y S4 son encendidos, la corriente por el inductor es positiva y crece hasta un valor máximo. Luego se invierte pasando por D1 y D4 los transistores M2 y M3 son encendidos en la mitad del ciclo de conmutación cortando los diodos D1 y D4 e iniciando el semiciclo inverso de corriente. En el inicio de cada semiciclo de conmutación, la corriente iL es conducida por los transistores de las llaves conmutando en forma forzada generándose pérdidas de conmutación. Si reducimos el periodo de conmutación hasta que fs > fr la forma de onda será

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Ilustración 5_Corriente por el inductor

Modo continuo En el instante de encender las llaves la corriente es distinta de cero a diferencia del

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Ilustración 4 extraída de “Electrónica de Potencia-convertidores, aplicaciones y diseño” 5 Ilustración 5 extraída de “Electrónica de Potencia”

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Ilustración 3 extraída de “Electrónica de Potencia-convertidores, aplicaciones y diseño”

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II.

Convertidor de carga resonante paralelo (parallelload resonant PLR) El circuito rectificador es conectado en paralelo al capacitor C del circuito resonante. Vc resultante (las llaves al conmutar, a una frecuencia próxima a la de resonancia), es rectificado y filtrado mediante el inductor Ls y el capacitor Cs estableciendo tensión continua aplicada a la carga resistiva.

tensión y corriente sobre las llaves para lograr una conmutación más suave, en modo de operación ZVS o ZCS, mediante un circuito L-C .Durante un intervalo de tiempo, del periodo de conmutación existirá resonancia, mientras que en el resto no, y debido a ello los llaman convertidores cuasi-resonantes y se clasifican en: a) Convertidores resonantes DC/DC ZCS b) Convertidores resonantes DC/DC ZVS c) Convertidor ZVS con limitación de tensión

Ilustración 7_a) Conmutado a corriente cero, b) 7 Conmutado a voltaje cero

a) Convertidores resonantes DC/DC ZCS La técnica de conmutación (ZCS) fue propuesta para mejorar condiciones de conmutación de los interruptores (llaves). El convertidor ZCS se puede utilizar en cualquier convertidor PWM sustituyendo el interruptor semiconducotr por uno resonante. Los interruptores casi-resonantes de conmutación ZCS se activan y desactivan en la corriente cero.

Ilustración 6_Convertidor de cc/cc con resonante 6 paralelo

Si Ls es elevado podemos considerar que es constante. El circuito equivalente es válido para todos los intervalos de conmutación. La corriente ib 'b será cuando Vc sea mayor que cero y cuando ib 'b será cuando Vc sea menor que cero. Haciendo un análisis estacionario también modo de conducción continua y discontinua. III. Convertidores resonantes serie-paralelo (combinación SRL-PLR) 2) Convertidores resonantes con alimentación por corriente (Current source resonant converters, CSRC) 3) Convertidores resonantes clase E

Ilustración 8_a) Configuración de interruptores para 8 los convertidores, b) Media onda, c) onda completa

b) Convertidor de llaves resonantes Las llaves operan en conmutación forzada, pueden conformarse las formas de onda de

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Ilustración 7 extraída de ” First Course on Power Electronics and Drives” 8 Ilustración 8 extraída de “Electrónica de Potencia”

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Ilustración 6 extraída de “Simulador Didáctico de Circuitos de Electrónica de Potencia”

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Esta técnica es muy útil para los dispositivos de conmutación como un tiristor de desactivación de fuerza GTO, un BJT o rectificador controlado SCR. Su desventaja es que no pueden ser operados a frecuencias más altas en comparación con el transistor de efecto de campo MOSFET .

paralelo con el interruptor y el inductor resonante en serie con el interruptor. El ZVS se puede aplicar a cualquier convertidor PWM. Similar al ZCS, el convertidor ZVS se puede ejecutar en configuraciones de media onda y onda completa.

Ilustración 10_a) Circuito convertidor casi resonante, b) Circuito de media onda, c) Circuito de onda 10 completa a) Configuración de interruptores ZVS b) Media onda c) Onda completa

Los convertidores ZVS se activan y desactivan en voltaje cero.

Ilustración 9_Señal de conmutación, corriente del inductor y voltaje del capacitor resonante donde T1 representa la carga del inductor, T2 la descarga del inductor, T3 la etapa de marcha libre y T4 la carga del inductor a)media onda y onda completa9

b) Convertidores resonantes DC/DC ZVS Ésta técnica fue propuesta para eliminar las pérdidas de abertura de la conmutación en frecuencias altas. En un ZVS el condensador resonante está conectado siempre en 9

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Ilustración 9 extraída de ” First Course on Power Electronics and Drives”

Ilustración 10 extraída de “Simulador Didáctico de Circuitos de Electrónica de Potencia”

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Modo de Conducción Continua Cuando el interruptor se cierra la fuente se conecta al inductor 1, al mismo tiempo el diodo queda polarizado inversamente debido a que la corriente circula por L1 almacenando energía. Al mismo tiempo el voltaje del capacitor 1 polariza inversamente al diodo El capacitor 1 descarga la energía sobre el circuito donde están el capacitor 2, la carga y el inductor 2. Ilustración 11_Señal conmutación, corriente del inductor resonante y voltaje del capacitor resonante donde T1 representa la carga del capacitor, T2 es el modo resonante, T3 la descarga del inductor y T4 la etapa de marcha libre a) Media onda b) Onda completa11

2) Convertidores CUK Proporciona un voltaje de salida regulado por polaridad negativa respecto al terminal común de voltaje de entrada. La función de este convertidor es mantener una tensión de salida regulada frente a variaciones de la tensión de entrada o de la carga. Éste puede suministrar un voltaje menor o mayor al de entrada, se le conoce como convertidor inversor debido al voltaje negativo que entrega.

Ilustración 12_Convertidor DC-DC tipo CUK

Ilustración 13_Convertidor tipo CUK intervalo ton

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Pasado ton el interruptor se abre, en ese momento la energía almacenada por el inductor 1 junto con la energía de la entrada se transfiere al condensador 1. Durante este periodo la fuente no entrega energía a la salida ocasionando que el inductor 2 permita la circulación de corriente al capacitor 2 y hacia la salida. El diodo e interruptor proporcionan una conmutación sincrónica.

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Ilustración 14_Convertidor tipo CUK intervalo toff

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El capacitor 1 es el medio principal para almacenar y transferir energía de la entrada 11

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Ilustración 11 extraída de “Simulador Didáctico de Circuitos de Electrónica de Potencia” 12 Ilustración 12 extraída de “Electrónica de Potencia”

Ilustración 13 extraída de “Electrónica de Potencia” 14 Ilustración 14 extraída de “Electrónica de Potencia”

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a la salida por ello se toman los voltajes medios de los inductores son cero estableciéndose

Aplicaciones Convertidor Elevador (BOOST)

Formas de onda del convertidor Cuk

Ilustración 16

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Convertidor Reductor-Elevador (BUCKBOOST) Ilustración 15_Formas de onda convertidor CUK

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La relación de entrada con la de salida se tiene en la siguiente fórmula

Si no existe pérdida de energía se asume que la potencia de entrada es igual a la de salida y tenemos :

Ilustración 17

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Ilustración 16 extraído de http://metis.umh.es/jacarrasco/docencia/ep/Te ma3/DCDC.pdf 17 Ilustración 17 extraído de http://metis.umh.es/jacarrasco/docencia/ep/Te ma3/DCDC.pdf

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Ilustración 15 extraída de ” First Course on Power Electronics and Drives”

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Cuando se implementan llaves (switches) del convertidor con dispositivos MOS de potencia, éstos poseen intrínsecamente un diodo que puede ser empleado como tal para el funcionamiento del convertidor sin la necesidad de agregar dispositivos externos. Así se evita el uso de diodos externos en paralelo y serie, se reducen las pérdidas de conmutación y de conducción sobre estos dispositivos adicionales. Con ello reducimos los costos de implementación de cada llave (switch).

Convertidor Forward

Ilustración 18

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Convertidor Flyback

Ilustración 19

Bibliografía - Mohan, Ned, First Course on Power Electronics and Drives, edición 2003. - Rashid, Muhammad, Electrónica de Potencia, Tercera edición, 2004. - Mohan, Ned, Undelan, Tore, Robbins, William, Electrónica de Potencia-convertidores, aplicaciones y diseño, Tercera edición. - Casaravilla, Chaer R., “Simulador Didáctico de Circuitos de Electrónica de Potencia”, http://www3.euitt.upm.es/taee/Con gresov2/1994/papers/1991S1D05.pd f - http://cde05.etse.urv.es/pub/pdf/19 7pub.pdf - http://tec.upc.es/el/TEMA1%20EP%20(v1).pdf - http://iie.fing.edu.uy/ense/asing/elp ot1/dcdc.pdf

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Conclusiones Los circuitos resonantes son sencillos y tienen una protección a corto circuito en la carga puesto que una vez cargado el capacitor no admite más corriente. Se han destacado las características principales de los convertidores VSRC observando las condiciones de conmutación de las llaves del convertidor, condicionadas al valor de la caga y a la relación entre la frecuencia de conmutación y la de resonancia. Uno de los fines más importantes que se espera llegar con los convertidores resonantes es reducir al máximo las pérdidas de conmutación de las llaves (switches).

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Ilustración 18 extraído de http://metis.umh.es/jacarrasco/docencia/ep/Te ma3/DCDC.pdf 19 Ilustración 19 extraído de http://metis.umh.es/jacarrasco/docencia/ep/Te ma3/DCDC.pdf

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