Un convertidor de CC a CC es un circuito electrónico o dispositivo electromecánico que convierte una fuente de corriente continua (CC) de un nivel de voltaje a otro. Es un tipo de convertidor de energía eléctrica . Los niveles de potencia varían desde muy bajos (baterías pequeñas) hasta muy altos (transmisión de energía de alto voltaje).
Antes del desarrollo de los semiconductores de potencia, una forma de convertir el voltaje de un suministro de CC a un voltaje más alto, para aplicaciones de baja potencia, era convertirlo a CA mediante el uso de un vibrador , luego mediante un transformador elevador y, finalmente, un rectificador . [1] [2] Cuando se necesitaba mayor potencia, a menudo se usaba una unidad de motor-generador , en la que un motor eléctrico impulsaba un generador que producía el voltaje deseado. (El motor y el generador podían ser dispositivos separados o podían combinarse en una única unidad "dinamotor" sin eje de potencia externo). Estos diseños relativamente ineficientes y costosos se utilizaban sólo cuando no había alternativa, como para alimentar la radio de un automóvil. (que luego utilizó válvulas (tubos) termoiónicos que requieren voltajes mucho más altos que los disponibles en una batería de automóvil de 6 o 12 V). [1] La introducción de semiconductores de potencia y circuitos integrados los hizo económicamente viables mediante el uso de técnicas que se describen a continuación. Por ejemplo, lo primero es convertir la fuente de alimentación de CC a CA de alta frecuencia como entrada de un transformador (es pequeño, liviano y económico debido a la alta frecuencia) que cambia el voltaje que se rectifica nuevamente a CC. [3] Aunque en 1976 los receptores de radio de transistores para automóviles no requerían altos voltajes, algunos radioaficionados continuaron usando suministros de vibración y dinamotores para transceptores móviles que requerían altos voltajes, aunque había fuentes de alimentación transistorizadas disponibles. [4]
Si bien era posible derivar un voltaje más bajo a partir de uno más alto con un regulador lineal o incluso una resistencia, estos métodos disipaban el exceso en forma de calor; La conversión energéticamente eficiente sólo fue posible con circuitos de modo conmutado de estado sólido.
Los convertidores de CC a CC se utilizan en dispositivos electrónicos portátiles, como teléfonos móviles y ordenadores portátiles , que se alimentan principalmente de baterías . Estos dispositivos electrónicos suelen contener varios subcircuitos , cada uno con su propio requisito de nivel de tensión diferente del suministrado por la batería o una fuente de alimentación externa (a veces superior o inferior a la tensión de alimentación). Además, el voltaje de la batería disminuye a medida que se agota la energía almacenada. Los convertidores conmutados de CC a CC ofrecen un método para aumentar el voltaje a partir de un voltaje de batería parcialmente reducido, ahorrando así espacio en lugar de utilizar varias baterías para lograr lo mismo.
La mayoría de los circuitos convertidores de CC a CC también regulan el voltaje de salida. Algunas excepciones incluyen las fuentes de energía LED de alta eficiencia , que son una especie de convertidor de CC a CC que regula la corriente a través de los LED, y bombas de carga simples que duplican o triplican el voltaje de salida.
Los convertidores de CC a CC que están diseñados para maximizar la cosecha de energía para sistemas fotovoltaicos y turbinas eólicas se denominan optimizadores de energía .
Los transformadores utilizados para la conversión de voltaje a frecuencias de red de 50 a 60 Hz deben ser grandes y pesados para potencias que exceden unos pocos vatios. Esto los encarece y están sujetos a pérdidas de energía en sus devanados y a corrientes parásitas en sus núcleos. Las técnicas de CC a CC que utilizan transformadores o inductores funcionan a frecuencias mucho más altas y solo requieren componentes bobinados mucho más pequeños, livianos y baratos. En consecuencia, estas técnicas se utilizan incluso cuando se podría utilizar un transformador de red; por ejemplo, para los aparatos electrónicos domésticos es preferible rectificar el voltaje de la red eléctrica a CC, utilizar técnicas de modo conmutado para convertirlo a CA de alta frecuencia al voltaje deseado y luego, normalmente, rectificar a CC. Todo el circuito complejo es más económico y eficiente que un simple circuito transformador de red de la misma salida. Los convertidores de CC a CC se utilizan ampliamente para aplicaciones de microrredes de CC, en el contexto de diferentes niveles de voltaje.
Los convertidores de conmutación o convertidores de CC a CC de modo conmutado almacenan la energía de entrada temporalmente y luego liberan esa energía a la salida a un voltaje diferente, que puede ser mayor o menor. El almacenamiento puede realizarse en componentes de almacenamiento de campo magnético (inductores, transformadores) o en componentes de almacenamiento de campo eléctrico (condensadores). Este método de conversión puede aumentar o disminuir el voltaje. La conversión de conmutación suele ser más eficiente energéticamente (la eficiencia típica es del 75 % al 98 %) que la regulación de voltaje lineal, que disipa la energía no deseada en forma de calor. Para lograr eficiencia se requieren tiempos rápidos de subida y bajada de los dispositivos semiconductores; sin embargo, estas transiciones rápidas se combinan con efectos parásitos del diseño para hacer que el diseño de circuitos sea un desafío. [5] La mayor eficiencia de un convertidor de modo conmutado reduce el disipador de calor necesario y aumenta la resistencia de la batería de los equipos portátiles. La eficiencia ha mejorado desde finales de la década de 1980 debido al uso de FET de potencia , que pueden conmutar de manera más eficiente con menores pérdidas de conmutación a frecuencias más altas que los transistores bipolares de potencia , y utilizan circuitos de accionamiento menos complejos. Otra mejora importante en los convertidores DC-DC es la sustitución del diodo flyback por rectificación síncrona [6] utilizando un FET de potencia, cuya "resistencia de encendido" es mucho menor, reduciendo las pérdidas de conmutación. Antes de la amplia disponibilidad de semiconductores de potencia, los convertidores síncronos de CC a CC de baja potencia consistían en un vibrador electromecánico seguido de un transformador elevador de voltaje que alimentaba un tubo de vacío o un rectificador semiconductor, o contactos de rectificador síncrono en el vibrador.
La mayoría de los convertidores de CC a CC están diseñados para mover la energía en una sola dirección, desde la entrada dedicada hasta la salida. Sin embargo, todas las topologías de reguladores de conmutación pueden hacerse bidireccionales y pueden mover energía en cualquier dirección reemplazando todos los diodos con rectificación activa controlada independientemente . Un convertidor bidireccional es útil, por ejemplo, en aplicaciones que requieren frenado regenerativo de vehículos, donde la potencia se suministra a las ruedas mientras se conduce, pero las ruedas la suministran al frenar.
Aunque requieren pocos componentes, los convertidores de conmutación son electrónicamente complejos. Como todos los circuitos de alta frecuencia, sus componentes deben especificarse y disponerse físicamente cuidadosamente para lograr un funcionamiento estable y mantener el ruido de conmutación ( EMI/RFI ) en niveles aceptables. [7] Su costo es más alto que el de los reguladores lineales en aplicaciones de caída de voltaje, pero su costo ha ido disminuyendo con los avances en el diseño de chips.
Los convertidores de CC a CC están disponibles como circuitos integrados (CI) que requieren pocos componentes adicionales. Los convertidores también están disponibles como módulos de circuito híbrido completos , listos para usar dentro de un conjunto electrónico.
Los reguladores lineales que se utilizan para generar una CC estable independientemente del voltaje de entrada y la carga de salida de una entrada más alta pero menos estable al disipar el exceso de voltamperios en forma de calor , podrían describirse literalmente como convertidores de CC a CC, pero esto no es habitual. uso. (Lo mismo podría decirse de una resistencia cuentagotas de voltaje simple , estabilizada o no por un regulador de voltaje posterior o un diodo Zener ).
También existen circuitos duplicadores de voltaje capacitivos simples y multiplicadores Dickson que utilizan diodos y capacitores para multiplicar un voltaje de CC por un valor entero, y generalmente entregan solo una pequeña corriente.
En estos convertidores de CC a CC, la energía se almacena periódicamente dentro de un campo magnético y se libera de él en un inductor o transformador , normalmente dentro de un rango de frecuencia de 300 kHz a 10 MHz. Al ajustar el ciclo de trabajo del voltaje de carga (es decir, la relación entre los tiempos de encendido/apagado), se puede controlar más fácilmente la cantidad de energía transferida a una carga, aunque este control también se puede aplicar a la corriente de entrada, la corriente de salida o para mantener una potencia constante. Los convertidores basados en transformadores pueden proporcionar aislamiento entre la entrada y la salida. En general, el término convertidor CC a CC se refiere a uno de estos convertidores de conmutación. Estos circuitos son el corazón de una fuente de alimentación de modo conmutado . Existen muchas topologías. Esta tabla muestra los más comunes.
Además, cada topología puede ser:
Los convertidores magnéticos de CC a CC pueden funcionar de dos modos, según la corriente en su componente magnético principal (inductor o transformador):
Un convertidor puede diseñarse para funcionar en modo continuo a alta potencia y en modo discontinuo a baja potencia.
Las topologías de medio puente y flyback son similares en que la energía almacenada en el núcleo magnético debe disiparse para que el núcleo no se sature. La transmisión de energía en un circuito flyback está limitada por la cantidad de energía que se puede almacenar en el núcleo, mientras que los circuitos directos generalmente están limitados por las características I/V de los interruptores.
Aunque los interruptores MOSFET pueden tolerar corriente y voltaje completos simultáneos (aunque el estrés térmico y la electromigración pueden acortar el MTBF ), los interruptores bipolares generalmente no requieren el uso de un amortiguador (o dos).
Los sistemas de alta corriente suelen utilizar convertidores multifásicos, también llamados convertidores entrelazados. [9] [10] [11] Los reguladores multifásicos pueden tener una mejor ondulación y mejores tiempos de respuesta que los reguladores monofásicos. [12]
Muchas placas base de computadoras portátiles y de escritorio incluyen reguladores reductores entrelazados, a veces como un módulo regulador de voltaje . [13]
Lo específico de estos convertidores es que la energía fluye en ambas direcciones del convertidor. Estos convertidores se usan comúnmente en diversas aplicaciones y están conectados entre dos niveles de voltaje CC, donde la energía se transfiere de un nivel a otro. [14]
También se utilizan comúnmente múltiples convertidores bidireccionales de CC a CC aislados en los casos en que se necesita aislamiento galvánico . [15]
Los convertidores de condensadores conmutados se basan en la conexión alternativa de condensadores a la entrada y a la salida en diferentes topologías. Por ejemplo, un convertidor reductor de condensador conmutado podría cargar dos condensadores en serie y luego descargarlos en paralelo. Esto produciría la misma potencia de salida (menos que la perdida por una eficiencia inferior al 100%) a, idealmente, la mitad del voltaje de entrada y el doble de la corriente. Debido a que operan con cantidades discretas de carga, a veces también se les llama convertidores de bomba de carga . Por lo general, se utilizan en aplicaciones que requieren corrientes relativamente pequeñas, ya que a corrientes más altas la mayor eficiencia y el tamaño más pequeño de los convertidores de modo conmutado los convierten en una mejor opción. [16] También se utilizan en voltajes extremadamente altos, ya que el magnetismo se descompondría en tales voltajes.
Un grupo motogenerador, de interés principalmente histórico, consta de un motor eléctrico y un generador acoplados entre sí. Un dinamotor combina ambas funciones en una sola unidad con bobinas para las funciones del motor y del generador enrolladas alrededor de un solo rotor; Ambas bobinas comparten las mismas bobinas o imanes de campo exterior. [4] Normalmente, las bobinas del motor son accionadas desde un conmutador en un extremo del eje, cuando las bobinas del generador salen a otro conmutador en el otro extremo del eje. Todo el conjunto de rotor y eje es más pequeño que un par de máquinas y es posible que no tenga ejes de transmisión expuestos.
Los motogeneradores pueden convertir entre cualquier combinación de voltaje CC y CA y estándares de fase. Los grandes conjuntos de motor-generador se utilizaron ampliamente para convertir cantidades industriales de energía, mientras que se utilizaron unidades más pequeñas para convertir la energía de la batería (6, 12 o 24 V CC) a un alto voltaje CC, que era necesario para operar equipos de tubos de vacío (válvulas termoiónicas). .
Para requisitos de menor potencia a voltajes superiores a los suministrados por la batería de un vehículo, se utilizaron fuentes de alimentación con vibradores o "zumbadores". El vibrador oscilaba mecánicamente, con contactos que cambiaban la polaridad de la batería muchas veces por segundo, convirtiendo efectivamente CC en CA de onda cuadrada , que luego podía alimentarse a un transformador del voltaje de salida requerido. [1] Emitió un zumbido característico.
Otro medio de conversión de CC a CC en el rango de kilovatios a megavatios se presenta mediante el uso de baterías de flujo redox , como la batería redox de vanadio .
Los convertidores de CC a CC están sujetos a diferentes tipos de dinámicas caóticas , como bifurcación , [17] crisis e intermitencia . [18] [19]
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