convertidor de Ćuk

Tipo de convertidor de corriente eléctrica

Comparación de topologías de convertidores de CC a CC de conmutación no aislada: Buck , Boost , Buck-Boost , Ćuk. La entrada es del lado izquierdo, la salida con carga es del lado derecho. El interruptor suele ser un transistor MOSFET , IGBT o BJT .

El convertidor Ćuk ^[1] ( serbocroata: [tɕûːk] , inglés: / ˈ tʃ uː k / ) es un tipo de convertidor reductor-elevador con baja corriente de rizado . ^[2] Un convertidor Ćuk puede verse como una combinación de convertidor elevador y convertidor reductor , que tienen un dispositivo de conmutación y un condensador mutuo, para acoplar la energía.

De manera similar al convertidor reductor-elevador con topología inversora, el voltaje de salida del convertidor Ćuk no aislado generalmente está invertido, con valores más bajos o más altos con respecto al voltaje de entrada. Por lo general, en los convertidores de CC, el inductor se utiliza como componente principal de almacenamiento de energía. En un convertidor Ćuk, el principal componente de almacenamiento de energía es el condensador. Lleva el nombre de Slobodan Ćuk del Instituto de Tecnología de California , quien presentó el diseño por primera vez. ^[3]

Convertidor Ćuk no aislado

Existen variaciones del convertidor Ćuk básico. Por ejemplo, las bobinas pueden compartir un único núcleo magnético, lo que reduce la ondulación de salida y aumenta la eficiencia. Debido a que la transferencia de energía fluye continuamente a través del capacitor, este tipo de conmutador ha minimizado la radiación EMI . El convertidor Ćuk permite que la energía fluya bidireccionalmente mediante el uso de un diodo y un interruptor.

Principio de operación

Un convertidor Ćuk no aislado consta de dos inductores , dos condensadores , un interruptor (normalmente un transistor ) y un diodo . Su esquema se puede ver en la figura 1. Es un convertidor inversor, por lo que la tensión de salida es negativa respecto a la tensión de entrada.

La principal ventaja de este convertidor son las corrientes continuas en la entrada y salida del convertidor. La principal desventaja es la alta tensión de corriente en el interruptor. ^[4]

Fig. 1. Diagrama del circuito del convertidor Cuk.

El condensador C ₁ se utiliza para transferir energía. Se conecta alternativamente a la entrada y a la salida del convertidor mediante la conmutación del transistor y el diodo (ver figuras 2 y 3).

Los dos inductores L ₁ y L ₂ se utilizan para convertir respectivamente la fuente de voltaje de entrada ( V _s ) y el voltaje de salida ( V _o ) en fuentes de corriente. En una escala de tiempo corta, un inductor puede considerarse como una fuente de corriente ya que mantiene una corriente constante. Esta conversión es necesaria porque si el capacitor estuviera conectado directamente a la fuente de voltaje, la corriente estaría limitada únicamente por la resistencia parásita, lo que resultaría en una alta pérdida de energía. Cargar un condensador con una fuente de corriente (el inductor) evita la limitación de corriente resistiva y su pérdida de energía asociada.

Al igual que con otros convertidores ( convertidor reductor , convertidor elevador , convertidor reductor-elevador ), el convertidor Ćuk puede funcionar en modo de corriente continua o discontinua. Sin embargo, a diferencia de estos convertidores, también puede funcionar en modo de voltaje discontinuo (el voltaje a través del capacitor cae a cero durante el ciclo de conmutación).

Modo continuo

Fig. 2.: Los dos estados operativos de un convertidor Ćuk no aislado.

En estado estacionario, la energía almacenada en los inductores debe permanecer igual al principio y al final de un ciclo de conmutación. La energía en un inductor está dada por:

${\displaystyle E={\frac {1}{2}}LI^{2}}$

Esto implica que la corriente a través de los inductores debe ser la misma al principio y al final del ciclo de conmutación. Como la evolución de la corriente a través de un inductor está relacionada con el voltaje a través de él:

${\displaystyle V_{L}=L{\frac {dI}{dt}}}$

Se puede ver que el valor promedio de los voltajes del inductor durante un período de conmutación debe ser cero para satisfacer los requisitos de estado estacionario.

Si consideramos que los condensadores C ₁ y C ₂ son lo suficientemente grandes como para que la ondulación del voltaje a través de ellos sea insignificante, los voltajes del inductor se convierten en:

• en el estado apagado , el inductor L ₁ está conectado en serie con V _s y C ₁ (ver figura 2). Por lo tanto . Como el diodo D está polarizado directamente (consideramos caída de voltaje cero), L ₂ está conectado directamente al capacitor de salida. Por lo tanto ${\textstyle V_{L1}=V_{s}-V_{C1}}$ ${\displaystyle V_{L2}=V_{o}}$
• en el estado encendido , el inductor L ₁ está conectado directamente a la fuente de entrada. Por lo tanto . El inductor L ₂ está conectado en serie con C y el condensador de salida, por lo que ${\textstyle V_{L1}=V_{s}}$ ${\displaystyle V_{L2}=V_{o}+V_{C}}$

Fig. 3.: Los dos estados operativos de un convertidor Ćuk no aislado. En esta figura, el diodo y el interruptor se reemplazan por un cortocircuito cuando están encendidos o por un circuito abierto cuando están apagados. Se puede ver que cuando está en estado apagado, la fuente de entrada carga el condensador C a través del inductor L ₁ . Cuando está en estado encendido, el capacitor C transfiere la energía al capacitor de salida a través de la inductancia L ₂ .

El convertidor opera en estado encendido desde a ( D es el ciclo de trabajo ), y en estado apagado desde D·T a T (es decir, durante un período igual a ). Los valores medios de V _L1 y V _L2 son por tanto: ${\textstyle t=0}$ ${\textstyle t=DT}$ ${\textstyle (1-D)T}$

${\displaystyle {\bar {V}}_{L1}=D\cdot V_{s}+\left(1-D\right)\cdot \left(V_{s}-V_{C}\right)=\left(V_{s}-(1-D)\cdot V_{C}\right)}$

${\displaystyle {\bar {V}}_{L2}=D\left(V_{o}+V_{C}\right)+\left(1-D\right)\cdot V_{o}=\left(V_{o}+D\cdot V_{C}\right)}$

Como ambos voltajes promedio deben ser cero para satisfacer las condiciones de estado estacionario, usando la última ecuación podemos escribir:

${\displaystyle V_{C}=-{\frac {V_{o}}{D}}}$

Entonces el voltaje promedio en L ₁ se convierte en:

${\displaystyle {\bar {V}}_{L1}=\left(V_{s}+(1-D)\cdot {\frac {V_{o}}{D}}\right)=0}$

Que se puede escribir como:

${\displaystyle {\frac {V_{o}}{V_{s}}}=-{\frac {D}{1-D}}}$

Se puede observar que esta relación es la misma que la obtenida para el convertidor reductor-elevador .

Modo discontinuo

Como todos los convertidores CC/CC, los convertidores Ćuk dependen de la capacidad de los inductores del circuito para proporcionar corriente continua, de la misma manera que un condensador en un filtro rectificador proporciona voltaje continuo. Si este inductor es demasiado pequeño o está por debajo de la "inductancia crítica", entonces la pendiente de corriente del inductor será discontinua cuando la corriente llegue a cero. Este estado de operación generalmente no se estudia con mucha profundidad ya que generalmente no se usa más allá de demostrar por qué la inductancia mínima es crucial, aunque puede ocurrir cuando se mantiene un voltaje de reserva a una corriente mucho más baja que la para la que fue diseñado el convertidor.

La inductancia mínima viene dada por:

${\displaystyle L_{1}min={\frac {(1-D)^{2}R}{2Df_{s}}}}$

¿Dónde está la frecuencia de conmutación? ${\displaystyle f_{s}}$

Convertidor Ćuk aislado

Para la versión aislada del convertidor Ćuk, se debe agregar un transformador de CA y un capacitor adicional. ^[5] Debido a que el convertidor Ćuk aislado está aislado, la polaridad del voltaje de salida se puede elegir libremente.

Convertidor de Ćuk aislado con transformador de CA sin espacios.

Al igual que el convertidor Ćuk no aislado, el convertidor Ćuk aislado puede tener una magnitud de voltaje de salida mayor o menor que la magnitud del voltaje de entrada, incluso con un transformador de CA 1:1. Sin embargo, la relación de vueltas se puede controlar para reducir la tensión del dispositivo en el lado de entrada. Además, los elementos parásitos del transformador, a saber, la inductancia de fuga y la inductancia magnetizante, se pueden utilizar para modificar el circuito y convertirlo en un circuito convertidor resonante que tiene una eficiencia mucho mejor.

Estructuras relacionadas

Acoplamiento de inductores

En lugar de utilizar dos componentes inductores discretos, muchos diseñadores implementan un convertidor de inductor acoplado , utilizando un único componente magnético que incluye ambos inductores en el mismo núcleo. La acción del transformador entre los inductores dentro de ese componente proporciona un convertidor Ćuk de inductor acoplado con una ondulación de salida más baja que un convertidor Ćuk que utiliza dos componentes inductores discretos independientes. ^[6]

Convertidor zeta

Un convertidor zeta es una topología de fuente de alimentación reductora, no inversora y no aislada.

Convertidor de inductor primario de un solo extremo (SEPIC)

Un convertidor SEPIC puede aumentar o reducir el voltaje.

Patentes

• Patente estadounidense 4257087, ^[7] presentada en 1979, " Convertidor de conmutación de CC a CC con ondulación de corriente de entrada y salida cero y circuitos magnéticos integrados ", inventor Slobodan Ćuk .
• Patente estadounidense 4274133, ^[8] presentada en 1979, " Convertidor CC a CC con ondulación reducida sin necesidad de ajustes ", inventor Slobodan Ćuk y RD Middlebrook .
• Patente estadounidense 4184197, ^[9] presentada en 1977, " Convertidor de conmutación CC a CC ", inventor Slobodan Ćuk y RD Middlebrook .

Otras lecturas

• Electrónica de potencia, vol. 4: Promedio de estado-espacio y convertidores Ćuk ; Ćuk Slobodan; 378 páginas; 2016; ISBN  978-1519520289 .

Referencias

1. A veces se escribe incorrectamente Cuk , Čuk o Cúk .
2. Anushree, Anushree (3 de agosto de 2020). "¿Qué es un convertidor Ćuk?". eepower.com . Archivado desde el original el 3 de febrero de 2021 . Consultado el 28 de enero de 2021 .
3. Ćuk, Slobodan; Middlebrook, RD (8 de junio de 1976). Un enfoque general unificado para modelar etapas de potencia de convertidores de conmutación (PDF) . Actas de la Conferencia de especialistas en electrónica de potencia IEEE. Cleveland, Ohio. págs. 73–86 . Consultado el 31 de diciembre de 2008 .
4. Petrocelli, R. (2015). "Convertidores de potencia de modo conmutado de un cuadrante". En Bailey, R. (ed.). Actas de la Escuela de Aceleradores CAS-CERN: Convertidores de potencia. Ginebra: CERN . pag. 131. arXiv : 1607.02868 . doi :10.5170/CERN-2015-003. ISBN 9789290834151.
5. boostbuck.com: Diseño sencillo de la familia de convertidores de potencia Boostbuck (Cuk) de topología óptima: cómo diseñar el transformador en un convertidor Cuk
6. Las cuatro topologías de Boostbuck
7. Patente de EE. UU. 4257087: "Convertidor de conmutación de CC a CC con ondulación de corriente de entrada y salida cero y circuitos magnéticos integrados", presentada el 2 de abril de 1979, consultado el 15 de enero de 2017.
8. Patente de EE. UU. 4274133: "Convertidor de CC a CC que reduce la ondulación sin necesidad de ajustes", presentada el 20 de junio de 1979, consultado el 15 de enero de 2017.
9. Patente de EE. UU. 4184197: "Convertidor de conmutación de CC a CC", presentada el 28 de septiembre de 1977, consultado el 15 de enero de 2017.

enlaces externos

• Antecedentes de topología