Convertidor de carga

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

Módulos convertidores de bajo costo: dos dólares y un impulso.

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

Un convertidor elevador o 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 ).

Es una clase de fuente de alimentación de modo conmutado (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 del voltaje , normalmente se agregan filtros hechos de capacitores (a veces en combinación con inductores) a la salida (filtro del lado de carga) y a la entrada (filtro del lado de suministro) 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 llama 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 fuente. Un convertidor elevador a veces se denomina convertidor elevador porque "aumenta" el voltaje de la fuente. Dado que se debe conservar la energía ( ) , la corriente de salida es menor que la corriente de fuente. ${\textstyle P=U\cdot I}$

Historia

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

Los sistemas conmutados como los SMPS son un desafío de diseñar ya que sus modelos dependen de si un interruptor está abierto o cerrado. RD Middlebrook de Caltech publicó en 1977 los modelos de 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 promedio del espacio de estados. Esta simplificación redujo dos sistemas en uno. El nuevo modelo generó ecuaciones de diseño interesantes que ayudaron al crecimiento de SMPS.

Aplicaciones

Sistemas de energía de batería

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

El modelo NHW20 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 usa solo 168 celdas ^{[ cita necesaria ]} y aumenta el voltaje de la batería de 202 V a 500 V. Los convertidores Boost 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

Como mecanismo de aumento de voltaje se utiliza un convertidor elevador no regulado en el circuito conocido como " ladrón de julios ", basado en conceptos de oscilador de bloqueo . Esta topología de circuito se utiliza con aplicaciones de baterías de baja potencia y tiene como objetivo 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 explotar porque muchas aplicaciones no permiten que fluya suficiente corriente a través de una carga cuando el voltaje disminuye. Esta disminución de voltaje se produce cuando las baterías se agotan y es una característica de las omnipresentes pilas alcalinas . 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. ${\textstyle P={\frac {V^{2}}{R}}}$

Celdas fotovoltaicas

El tipo especial de convertidores elevadores llamados convertidores elevadores de voltaje se utilizan en sistemas solares fotovoltaicos (PV). 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 del sistema fotovoltaico completo. ^[1]

Análisis de circuitos

Fig. 1. Esquema del convertidor elevador

Fig. 2. Las dos rutas de corriente de un convertidor elevador, según el estado del interruptor S

Operación

Impulsar la animación del convertidor.

El principio clave que impulsa el convertidor elevador es la tendencia de un inductor a resistir cambios en la corriente 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 de refuerzo.

• 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 el interruptor está abierto (estado apagado), la corriente se reducirá a medida que la impedancia sea mayor. El campo magnético creado previamente se reducirá en energía para mantener la corriente hacia la carga. Por lo tanto, la polaridad se invertirá (lo que significa que el lado izquierdo del inductor se volverá negativo). Como resultado, dos fuentes estarán en serie, lo que provocará que un voltaje más alto cargue el capacitor a través del diodo D.

Si el interruptor se activa lo suficientemente rápido, el inductor no se descargará completamente entre las etapas de carga y la carga siempre verá un voltaje mayor que el de la fuente de entrada sola cuando se abra el interruptor. Además, mientras el interruptor está abierto, el condensador en paralelo con la carga se carga a este voltaje combinado. Cuando el interruptor se cierra y el lado derecho se cortocircuita con respecto al lado izquierdo, el condensador puede proporcionar voltaje y energía a la carga. Durante este tiempo, el diodo de bloqueo evita que el condensador se descargue a través del interruptor. Por supuesto, es necesario volver a abrir el interruptor lo suficientemente rápido para evitar que el condensador se descargue demasiado.

El principio básico de un convertidor elevador consta de 2 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 estado apagado, el interruptor está abierto y el único camino que se ofrece a la corriente del inductor es a través del diodo de retorno D , el condensador C y la carga R. Esto da como resultado la transferencia de la energía acumulada durante el estado de encendido al capacitor.
• La corriente de entrada es la misma que la corriente del inductor, como se puede ver en la figura 2. Por lo tanto, no es discontinua como en el convertidor reductor y los requisitos del filtro de entrada son 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 corriente y voltaje del inductor en un convertidor que opera en este modo. ${\displaystyle I_{L}}$

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

En estado estable, el voltaje 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 (se explica con más detalle a continuación). ). Tenga en cuenta 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 acciona el interruptor. 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

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

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 funciona en condiciones estables: ^[2]

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.

Por lo tanto , al final del estado on, el aumento de _IL es :

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

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 oscila entre 0 ( S nunca está encendido) y 1 ( S siempre está encendido).

Durante el estado 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 nula en el diodo y un condensador lo suficientemente grande como para que su tensión permanezca constante, la evolución de I _L es:

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

Por tanto, la variación de I _L durante el período 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 tanto, la corriente del inductor debe ser la misma al inicio y al final del ciclo de conmutación. Esto significa que el cambio general en 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 como:

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

La ecuación anterior muestra que el voltaje de salida es siempre 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 eso que a veces se hace referencia a este convertidor como convertidor elevador .

Reorganizando la ecuación 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 ocurre comúnmente bajo cargas ligeras. En este caso, la corriente a través del inductor cae a cero durante parte del período (ver formas de onda en la figura 4). Aunque la diferencia es leve, tiene un fuerte efecto en la ecuación del voltaje de salida.

Figura 4 . Formas de onda de corriente y voltaje del inductor en un convertidor elevador que funciona 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, I _L cae a cero después de : ${\displaystyle \delta T}$

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

Usando 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 promedio 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 promedio de I _o se puede ordenar geométricamente en 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 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 voltaje de salida para el modo continuo, esta expresión es mucho más complicada. Además, en funcionamiento discontinuo, la ganancia de tensión de salida no sólo 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 ( Yo _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

${\textstyle K={\frac {2L}{RT}}}$^[3]

Ver también

• ladrón de julios
• convertidor de moneda
• Convertidor reductor-elevador
• Topología pi dividida
• Transformador
• Vibrador (electrónico)
• Duplicador de voltaje
• Multiplicador de voltaje
• El ariete hidráulico puede verse como análogo a un convertidor de refuerzo, utilizando la analogía electrónico-hidráulica . ^{[4] [5]}

Otras lecturas

• 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 de modo conmutado: simulaciones SPICE y diseños prácticos . Nueva York: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-150858-2.

Referencias

1. Sharma, Kalyani; B., Raj Kiran (noviembre de 2016). "Análisis de simulación de convertidor elevador de tipo tensión-elevación para sistema solar fotovoltaico". Revista Internacional de Ciencia e Investigación . 5 (11): 1899–1903 - vía IJSR.
2. "Operación del convertidor de impulso".Manual de diseño LT1070, Carl Nelson y Jim Williams
3. http://www.ti.com/lit/an/slva061/slva061.pdf ^{[ URL básica PDF ]}
4. Kypuros, Javier A.; Longoria, Raúl G. (29 de enero de 2004). "Síntesis de modelos para el diseño de sistemas conmutados utilizando una formulación de sistema de estructura variable". Revista de sistemas dinámicos, medición y control . 125 (4): 618–629. doi :10.1115/1.1636774. ISSN  0022-0434. La estructura de la bomba de ariete hidráulico... es paralela a la del convertidor de refuerzo, lo que la convierte en un análogo hidráulico.
5. Longoria, RG; Kypuros, JA; Raynter, HM (1997). "Gráfico de enlaces y modelos de dispersión de ondas de conversión de energía conmutada". 1997 Conferencia internacional IEEE 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 automática tiene mucho que ofrecer en un estudio paralelo con su prima eléctrica.

enlaces externos

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