Convertidor elevador
El convertidor elevador[1][2] o convertidor boost (del inglés boost converter) es un convertidor DC a DC que obtiene a su salida una tensión continua mayor que a su entrada.
Es un tipo de fuente de alimentación conmutada que contiene al menos dos interruptores semiconductores (diodo y transistor), y al menos un elemento para almacenar energía (condensador, bobina o combinación de ambos).
Frecuentemente se añaden filtros construidos con inductores y condensadores para mejorar el rendimiento.
Un conector de suministro de energía habitual no se puede conectar directamente a dispositivos como ordenadores, relojes o teléfonos.
La energía también puede provenir de fuentes DC como baterías, paneles solares, rectificadores y generadores DC, pero ser de niveles inadecuados.
El proceso de cambiar una tensión de continua a otra diferente es llamado conversión DC a DC.
Los interruptores semiconductores pueden conmutar rápidamente y ser más duraderos que otros conmutadores como válvulas de vacío o relés electromecánicos.
El mayor desarrollo de los convertidores DC a DC se produjo a principios de la década de 1960 cuando los interruptores semiconductores fueron dispositivos accesibles, además se aplicaron en la industria aeroespacial, que necesitaba pequeños, ligeros y eficientes convertidores.
Middlebrook (CalTech) publicó los modelos para convertidores DC a DC usados hoy en día usando el modelo del espacio de estados.
2): Existen dos situaciones de funcionamiento: Modo continuo (toda la energía se transfiere a la carga, sin llegar a que la corriente se anule), y Modo Discontinuo (la carga consume menos de lo que el circuito puede entregar en un ciclo).
Cuando un convertidor elevador opera en modo continuo, la corriente a través del inductor (IL) nunca llega a cero.
El voltaje de salida se puede calcular como sigue, en el caso de un convertidor ideal (es decir, que usa componentes con comportamiento ideal), operando en condiciones estacionarias: Durante el estado ON, el conmutador S está cerrado, lo que hace que el voltaje de entrada (Vi) aparezca entre los extremos del inductor, lo que causa un cambio de corriente (IL) a través del mismo durante un período (t), según la fórmula:
Durante el estado OFF, el conmutador S está abierto, y la corriente del inductor fluye a través de la carga.
Si consideramos que no hay caída de tensión en el diodo (necesario para que el condensador no devuelva corriente hacia atrás), y un condensador suficientemente grande en voltaje para mantener este constante, la evolución de IL es:
Por tanto, la variación de IL durante el periodo OFF es:
Si consideramos que el convertidor opera en condiciones estacionarias, la cantidad de energía almacenada en cada uno de sus componentes, debe ser la misma al principio y al final del ciclo completo de conmutación.
En particular, la energía almacenada en el inductor está dada por:
Así pues, es obvio que la corriente de inductor tiene que ser la misma al principio y al final del ciclo de conmutación.
De esta expresión, se puede ver que el voltaje de salida es siempre mayor que el de entrada (ya que el factor activo D va entre 0 y 1), y que se incrementa con D, teóricamente hasta el infinito según D se acerca a 1.
Esto es por lo que normalmente este convertidor a veces se llama "step-up converter" (convertidor que sube un escalón).
En algunas situaciones, la cantidad de energía requerida por la carga es suficientemente pequeña como para ser transferida en un tiempo menor que el tiempo total del ciclo de conmutación.
En este caso, la corriente a través del inductor cae hasta cero durante parte del periodo.
La única diferencia en el principio descrito antes para el modo continuo, es que el inductor se descarga completamente al final del ciclo de conmutación (ver formas de onda de la figura 4).
Sin embargo, esta pequeña variación en el funcionamiento, tiene un fuerte efecto en la ecuación del voltaje de salida, que puede calcularse como sigue: Como la corriente del inductor al principio del ciclo es cero, su máximo valor
Durante el tiempo OFF, IL cae hasta cero después de un tiempo δ.T:
Como se puede observar en la figura 4, la corriente del diodo es igual a la corriente del inductor durante el estado OFF.
Reemplazando ILmax y δ por sus expresiones respectivas tenemos:
Por tanto, la ganancia del voltaje de salida es:
Sin embargo a veces no es posible conectar varias baterías en serie por razones de peso o espacio.
Algunas aplicaciones que usan convertidores elevadores son vehículos híbridos (por ejemplo el Toyota Prius) y sistemas de alumbrado.
