Convertidor Boost

Convertidor de potencia CC a CC con un voltaje de salida mayor que su voltaje de entrada

Módulos conversores de bajo coste: dos buck y uno boost.

Convertidor elevador de una calculadora TI , que genera 9 V a partir de 2,4 V proporcionados por dos pilas AA recargables .

Un convertidor elevador es un convertidor de CC a CC que aumenta el voltaje , mientras disminuye la corriente , desde su entrada ( suministro ) hasta su salida ( carga ).

Se trata de una clase de fuente de alimentación conmutada (SMPS) que contiene al menos dos semiconductores, un diodo y un transistor , y al menos un elemento de almacenamiento de energía: un condensador , un inductor o los dos en combinación. Para reducir la ondulación de tensión , normalmente se añaden filtros compuestos por condensadores (a veces en combinación con inductores) a la salida (filtro del lado de la carga) y a la entrada (filtro del lado de la alimentación) de dicho convertidor.

Descripción general

La energía para el convertidor elevador puede provenir de cualquier fuente de CC adecuada, como baterías , paneles solares , rectificadores y generadores de CC . Un proceso que cambia un voltaje de CC a un voltaje de CC diferente se denomina conversión de CC a CC. Un convertidor elevador es un convertidor de CC a CC con un voltaje de salida mayor que el voltaje de la fuente. A veces, un convertidor elevador se denomina convertidor elevador, ya que "aumenta" el voltaje de la fuente. Dado que la potencia ( ) debe conservarse , la corriente de salida es menor que la corriente de la fuente. ${\textstyle P=U\cdot I}$

Historia

Para lograr una alta eficiencia, el interruptor de la fuente de alimentación en modo conmutado (SMPS) debe encenderse y apagarse rápidamente y tener bajas pérdidas. La aparición de un interruptor de semiconductor comercial en la década de 1950 representó un hito importante que hizo posible la creación de SMPS como el convertidor elevador. Los principales convertidores de CC a CC se desarrollaron a principios de la década de 1960, cuando los interruptores de semiconductores ya estaban disponibles. La necesidad de la industria aeroespacial de contar con convertidores de potencia pequeños, livianos y eficientes condujo al rápido desarrollo del convertidor.

Los sistemas conmutados como las fuentes de alimentación conmutadas son un desafío para el diseño, ya que sus modelos dependen de si un interruptor está abierto o cerrado. En 1977, RD Middlebrook de Caltech publicó los modelos para convertidores de CC a CC que se utilizan en la actualidad. Middlebrook promedió las configuraciones del circuito para cada estado del interruptor en una técnica llamada promediado del espacio de estados. Esta simplificación redujo dos sistemas a uno. El nuevo modelo condujo a ecuaciones de diseño perspicaces que ayudaron al crecimiento de las fuentes de alimentación conmutadas.

Aplicaciones

Sistemas de energía por batería

Los sistemas de alimentación por batería suelen apilar celdas en serie para lograr un voltaje más alto. Sin embargo, en muchas aplicaciones de alto voltaje no es posible apilar suficientes celdas debido a la falta de espacio. Los convertidores elevadores pueden aumentar el voltaje y reducir la cantidad de celdas. Dos aplicaciones alimentadas por batería que utilizan convertidores elevadores se utilizan en vehículos eléctricos híbridos (HEV) y sistemas de iluminación.

El modelo NHW20 del Toyota Prius HEV utiliza un motor de 500 V. Sin un convertidor elevador, el Prius necesitaría casi 417 celdas para alimentar el motor. Sin embargo, un Prius en realidad utiliza solo 168 celdas ^[1] y aumenta el voltaje de la batería de 202 V a 500 V. Los convertidores elevadores también alimentan dispositivos en aplicaciones de menor escala, como sistemas de iluminación portátiles. Un LED blanco normalmente requiere 3,3 V para emitir luz, y un convertidor elevador puede aumentar el voltaje de una sola celda alcalina de 1,5 V para alimentar la lámpara.

Ladrón de julios

Un convertidor elevador no regulado se utiliza como mecanismo de aumento de voltaje en el circuito conocido como " ladrón de Joule ", basado en conceptos de oscilador de bloqueo . Esta topología de circuito se utiliza con aplicaciones de batería de baja potencia y está orientada a la capacidad de un convertidor elevador de "robar" la energía restante en una batería. De lo contrario, esta energía se desperdiciaría ya que el bajo voltaje de una batería casi agotada la hace inutilizable para una carga normal. De lo contrario, esta energía permanecería sin aprovechar porque muchas aplicaciones no permiten que fluya suficiente corriente a través de una carga cuando el voltaje disminuye. Esta disminución de voltaje ocurre a medida que las baterías se agotan y es una característica de la ubicua batería alcalina . Dado que la ecuación para la potencia es , y R tiende a ser estable, la potencia disponible para la carga disminuye significativamente a medida que disminuye el voltaje. ${\textstyle P={\frac {V^{2}}{R}}}$

Células fotovoltaicas

En los sistemas solares fotovoltaicos (PV) se utilizan convertidores elevadores especiales denominados convertidores elevadores de tipo de elevación de tensión. Estos convertidores de potencia suman los componentes pasivos (diodo, inductor y condensador) de un convertidor elevador tradicional para mejorar la calidad de la energía y aumentar el rendimiento de todo el sistema fotovoltaico. ^[2]

Análisis de circuitos

Fig. 1. Esquema del convertidor elevador

Fig. 2. Los dos caminos de corriente de un convertidor elevador, dependiendo del estado del interruptor S

Operación

Animación del convertidor Boost.

El principio clave que impulsa al convertidor elevador es la tendencia de un inductor a resistir los cambios de corriente, ya sea aumentando o disminuyendo la energía almacenada en el campo magnético del inductor. En un convertidor elevador, el voltaje de salida siempre es mayor que el voltaje de entrada. En la Figura 1 se muestra un esquema de una etapa de potencia elevadora.

• Cuando el interruptor está cerrado (en estado encendido), la corriente fluye a través del inductor en el sentido de las agujas del reloj y el inductor almacena algo de energía generando un campo magnético. La polaridad del lado izquierdo del inductor es positiva.
• Cuando se abre el interruptor (estado apagado), el campo magnético creado previamente se reducirá en energía para mantener la corriente a través del inductor. La polaridad del inductor se invertirá, lo que significa que el lado izquierdo del inductor se volverá negativo. Como resultado, la corriente tanto de la fuente de voltaje como del inductor en serie se sumarán y se redirigirán a través del diodo "D" ahora polarizado directamente hacia la carga.

Si el interruptor se activa con la suficiente rapidez, el inductor no se descargará por completo entre las etapas de carga y la carga siempre verá un voltaje mayor que el de la fuente de entrada sola cuando se abre el interruptor. Además, mientras el interruptor está abierto, el capacitor, en paralelo con la carga, se carga a este voltaje combinado. Cuando el interruptor se cierra y el lado derecho se cortocircuita desde el lado izquierdo, el capacitor puede, por lo tanto, proporcionar el voltaje y la energía a la carga. Durante este tiempo, el diodo de bloqueo evita que el capacitor se descargue a través del interruptor. Por supuesto, el interruptor debe abrirse nuevamente con la suficiente rapidez para evitar que el capacitor se descargue demasiado.

El principio básico de un convertidor elevador consta de dos estados distintos (ver Figura 2):

• En el estado encendido, el interruptor S (ver Figura 1) está cerrado, lo que produce un aumento en la corriente del inductor;
• En el estado apagado, el interruptor está abierto y el único camino ofrecido a la corriente del inductor es a través del diodo flyback D , el capacitor C y la carga R. Esto da como resultado la transferencia de la energía acumulada durante el estado encendido al capacitor.
• La corriente de entrada es la misma que la corriente del inductor, como se muestra en la figura 2. Por lo tanto, no es discontinua como en el convertidor reductor , y los requisitos del filtro de entrada son más relajados en comparación con un convertidor reductor.

Modo continuo

Cuando un convertidor elevador funciona en modo continuo, la corriente que pasa por el inductor ( ) nunca cae a cero. La figura 3 muestra las formas de onda típicas de la corriente y el voltaje del inductor en un convertidor que funciona en este modo. ${\displaystyle I_{L}}$

Fig. 3. Formas de onda de la corriente y el voltaje del inductor en un convertidor elevador que opera en modo continuo.

En estado estable, el voltaje de CC (promedio) a través del inductor debe ser cero para que después de cada ciclo, el inductor regrese al mismo estado porque el voltaje a través del inductor es proporcional a la tasa de cambio de la corriente a través de él (explicado con más detalle a continuación). Observe en la Figura 1 que el lado izquierdo de L está en , y el lado derecho de L ve la forma de onda de voltaje de la Figura 3. El valor promedio de es , donde D es el ciclo de trabajo de la forma de onda que impulsa el interruptor. A partir de esto obtenemos la función de transferencia ideal : ${\displaystyle V_{i}}$ ${\displaystyle V_{s}}$ ${\displaystyle V_{s}}$ ${\displaystyle (1-D)V_{o}}$

${\displaystyle V_{i}=(1-D)V_{o}}$

o

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

Obtenemos el mismo resultado de un análisis más detallado como sigue: El voltaje de salida se puede calcular de la siguiente manera en el caso de un convertidor ideal (es decir, que utiliza componentes con un comportamiento ideal) que opera en condiciones estables: ^[3]

Durante el estado encendido, el interruptor S está cerrado, lo que hace que el voltaje de entrada ( ) aparezca a través del inductor, lo que provoca un cambio en la corriente ( ) que fluye a través del inductor durante un período de tiempo ( t ) según la fórmula: ${\displaystyle V_{i}}$ ${\displaystyle I_{L}}$

${\displaystyle {\frac {\Delta I_{L}}{\Delta t}}={\frac {V_{i}}{L}}}$

Donde L es el valor del inductor.

Al final del estado activo, el aumento de IL es _por lo tanto:

${\displaystyle \Delta I_{L_{\text{On}}}={\frac {1}{L}}\int _{0}^{DT}V_{i}dt={\frac {DT}{L}}V_{i}}$

D es el ciclo de trabajo. Representa la fracción del período de conmutación T durante el cual el interruptor está encendido. Por lo tanto, D varía entre 0 ( S nunca está encendido) y 1 ( S siempre está encendido).

_{Durante el estado de apagado, el interruptor S está abierto, por lo que la corriente del inductor fluye a través de la carga} . Si consideramos una caída de tensión cero en el diodo y un condensador lo suficientemente grande como para que su tensión permanezca constante, la evolución de IL es:

${\displaystyle V_{i}-V_{o}=L{\frac {dI_{L}}{dt}}}$

Por lo tanto, la variación de IL _durante el periodo Off es:

${\displaystyle \Delta I_{L_{\text{Off}}}=\int _{DT}^{T}{\frac {\left(V_{i}-V_{o}\right)dt}{L}}={\frac {\left(V_{i}-V_{o}\right)\left(1-D\right)T}{L}}}$

Como consideramos que el convertidor opera en condiciones de estado estacionario , la cantidad de energía almacenada en cada uno de sus componentes tiene que ser la misma al inicio y al final de un ciclo de conmutación. En particular, la energía almacenada en el inductor viene dada por:

${\displaystyle E={\frac {1}{2}}LI_{L}^{2}}$

Por lo tanto, la corriente del inductor debe ser la misma al principio y al final del ciclo de conmutación. Esto significa que el cambio total de la corriente (la suma de los cambios) es cero:

${\displaystyle \Delta I_{L_{\text{On}}}+\Delta I_{L_{\text{Off}}}=0}$

Sustituyendo y por sus expresiones se obtiene: ${\displaystyle \Delta I_{L_{\text{On}}}}$ ${\displaystyle \Delta I_{L_{\text{Off}}}}$

${\displaystyle \Delta I_{L_{\text{On}}}+\Delta I_{L_{\text{Off}}}={\frac {V_{i}DT}{L}}+{\frac {\left(V_{i}-V_{o}\right)\left(1-D\right)T}{L}}=0}$

Esto se puede escribir así:

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

La ecuación anterior muestra que el voltaje de salida siempre es mayor que el voltaje de entrada (a medida que el ciclo de trabajo va de 0 a 1) y que aumenta con D, teóricamente hasta el infinito a medida que D se acerca a 1. Es por esto que a este convertidor a veces se lo denomina convertidor elevador .

Reorganizando la ecuación se revela que el ciclo de trabajo es:

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

Modo discontinuo

Si la amplitud de ondulación de la corriente es demasiado alta, el inductor puede descargarse completamente antes de que finalice todo un ciclo de conmutación. Esto suele ocurrir con cargas ligeras. En este caso, la corriente que pasa por el inductor cae a cero durante parte del período (consulte las formas de onda en la Figura 4). Aunque la diferencia es leve, tiene un fuerte efecto en la ecuación de voltaje de salida.

Fig. 4. Formas de onda de la corriente y el voltaje del inductor en un convertidor elevador que opera en modo discontinuo.

La ganancia de voltaje se puede calcular de la siguiente manera:

Como la corriente del inductor al comienzo del ciclo es cero, su valor máximo (en ) es ${\displaystyle I_{L_{\text{Max}}}}$ ${\displaystyle t=DT}$

${\displaystyle I_{L_{\text{Max}}}={\frac {V_{i}DT}{L}}}$

_Durante el período de inactividad, IL cae a cero después de : ${\displaystyle \delta T}$

${\displaystyle I_{L_{\text{Max}}}+{\frac {\left(V_{i}-V_{o}\right)\delta T}{L}}=0}$

Utilizando las dos ecuaciones anteriores, δ es:

${\displaystyle \delta ={\frac {V_{i}D}{V_{o}-V_{i}}}}$

La corriente de carga I _o es igual a la corriente media del diodo ( I _D ). Como se puede ver en la Figura 4, la corriente del diodo es igual a la corriente del inductor durante el estado apagado. El valor medio de I _o se puede descomponer geométricamente a partir de la Figura 4. Por lo tanto, la corriente de salida se puede escribir como:

${\displaystyle I_{o}={\bar {I}}_{D}={\frac {I_{L_{max}}}{2}}\delta }$

Reemplazando I _Lmax y δ por sus respectivas expresiones se obtiene:

${\displaystyle I_{o}={\frac {V_{i}DT}{2L}}\cdot {\frac {V_{i}D}{V_{o}-V_{i}}}={\frac {V_{i}^{2}D^{2}T}{2L\left(V_{o}-V_{i}\right)}}}$

Por lo tanto, la ganancia de voltaje de salida se puede escribir de la siguiente manera:

${\displaystyle {\frac {V_{o}}{V_{i}}}=1+{\frac {V_{i}D^{2}T}{2LI_{o}}}}$

En comparación con la expresión de la ganancia de tensión de salida para el modo continuo, esta expresión es mucho más complicada. Además, en el funcionamiento discontinuo, la ganancia de tensión de salida no solo depende del ciclo de trabajo ( D ), sino también del valor del inductor ( L ), la tensión de entrada ( V _i ), el período de conmutación ( T ) y la corriente de salida ( I _o ).

Sustituyendo en la ecuación ( R es la carga), la ganancia de voltaje de salida se puede reescribir como: ${\textstyle I_{0}={\frac {V_{0}}{R}}}$

${\displaystyle {\frac {V_{o}}{V_{i}}}={\frac {1+{\sqrt {1+{\frac {4D^{2}}{K}}}}}{2}}}$

dónde

${\textstyle K={\frac {2L}{RT}}}$^[4]

Véase también

• Ladrón de julios
• Convertidor Buck
• Convertidor Buck-Boost
• Topología split-pi
• Transformador
• Vibrador (electrónico)
• Duplicador de voltaje
• Multiplicador de voltaje
• El ariete hidráulico puede considerarse análogo a un convertidor elevador, utilizando la analogía electrónico-hidráulica . ^{[5] [6]}

Lectura adicional

• Mohan, Ned; Undeland, Tore M.; Robbins, William P. (2003). Electrónica de potencia . Hoboken: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-42908-1.
• Basso, Christophe (2008). Fuentes de alimentación conmutadas: simulaciones SPICE y diseños prácticos . Nueva York: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-150858-2.

Referencias

1. "Baterías híbridas: todo lo que necesitas saber".
2. Sharma, Kalyani; B., Raj Kiran (noviembre de 2016). "Análisis de simulación de convertidor elevador de tipo voltaje-elevación para sistema solar fotovoltaico" (PDF) . Revista internacional de ciencia e investigación . 5 (11): 1899–1903 – vía IJSR.
3. "Funcionamiento del convertidor elevador".Manual de diseño LT1070, Carl Nelson y Jim Williams
4. http://www.ti.com/lit/an/slva061/slva061.pdf Texas Instruments Understanding Boost Power Stages in Switchmode Power Supplies - Informe de aplicación (marzo de 1999 SLVA061)
5. Kypuros, Javier A.; Longoria, Raul G. (2004-01-29). "Síntesis de modelos para el diseño de sistemas conmutados mediante una formulación de sistema de estructura variable". Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control . 125 (4): 618–629. doi :10.1115/1.1636774. ISSN  0022-0434. La bomba de ariete hidráulico... la estructura es paralela a la del convertidor elevador, lo que la convierte en un análogo hidráulico.
6. Longoria, RG; Kypuros, JA; Raynter, HM (1997). "Gráfico de enlaces y modelos de dispersión de ondas de conversión de potencia conmutada". Conferencia internacional IEEE de 1997 sobre sistemas, hombre y cibernética. Cibernética computacional y simulación . Vol. 2. págs. 1522–1526. doi :10.1109/ICSMC.1997.638209. ISBN . 978-0-7803-4053-4. S2CID  58941781. De hecho, esta bomba autónoma tiene mucho que ofrecer en un estudio paralelo con su prima eléctrica.

Enlaces externos

• Explicación del comportamiento no lineal, modelado y linealización del convertidor CC/CC boost
• Operación de máxima potencia de salida del convertidor elevador para recolección de energía