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Título

Convertidores DC/DC tipo resonantes y cuk

Autores

Raúl Noboa

Christian Palacios

Cristian Changoluisa Estudiantes de la universidad ESPE en la facultad de ingeniería mecatrónica

Fecha 05/06/2013

Resumen

Existen convertidores resonantes que se los llama así porque utilizan arreglos L-C, que tienen

varias configuraciones. Estos circuitos resonantes necesariamente necesitan un rectificador de

media onda u onda completa dependiendo su aplicación debido a que los mismos nos entregarán

una onda muy cercana a una sinusoidal y necesita ser rectificada y filtrada. Para la subdivisión de

estos circuitos tenemos los convertidores con carga resonante los cuales tienen arreglos L-C que

nos generarán una frecuencia resonante fr la cual dependiendo de su valor y el de la frecuencia de

conmutación fs tendremos el control de potencia. Otro tipo de convertidores son los llamados

cuasi-resonantes o de llaves (switches) resonantes, los cuales tendrán varias configuraciones para

ser activados por corriente ZCR o por voltaje ZVR, estas son técnicas para suavizar los efectos que

tiene la conmutación en los transistores que harán las veces de switches y así evitar al máximo las

pérdidas por conmutación. Otro tipo de convertidores también DC/DC que utilizan arreglos L-C son

los llamados cuk, los cuales tendrán como objetivo entregar a la carga un voltaje de salida

regulado sin importar las variaciones de voltaje tanto en la carga como en la entrada, pero éste

será negativo.

Abstract

There resonant converters are so named because L-C arrangements and it have several

configurations. These devices need necessarily a half wave rectifier or full wave, it depends of its

applications because the output signal is sinusoidal. In the classification of these devices we have

resonant load converters which there are L-C arrangements. The L-C arrangements generate a

resonant frequency fr . We may control the output power depending of the resonant frequency

and the switching frequency. Another type of converters are called cuk, which will aim to deliver

a regulated output voltage regardless of variations in the load voltage or the input voltage

2

Palabras clave

ZVS : conmutación con cero de voltaje

ZCS: conmutación con cero de corriente

fr: frecuencia de resonancia

fs: frecuencia de conmutación

ton: tiempo de encendido

llaves: switches

MOS: tecnología para transistores de potencia

Introducción

Los convertidores DC-DC son circuitos

electrónicos de potencia que convierten una

tensión continua en otro nivel de tensión

continua y, normalmente, proporcionan una

salida regulada.

Los convertidores de potencia DC-DC se

utilizan en una gran variedad de aplicaciones,

incluyendo fuentes de alimentación para

computadores personales, equipos de

oficina, alimentación de sistemas de

navegación, equipos portátiles, y equipos de

telecomunicaciones, así como las unidades

de motores CD.

Los convertidores DC/DC resonantes y de

CUK son herramientas indispensables, para

el manejo de potencia DC. La cual hoy en día

tiene gran uso en la industrial sobre todo la

automovilística, ya que, con los motores de

auto híbridos en voltaje de 12V que se tiene

en la batería necesita ser elevado.

En principio se vio la necesidad de conocer el

funcionamiento general de convertidores DC,

así como su implementación. Esto se debe a

que la demanda de dispositivos electrónicos;

ya sean celulares, computadores portátiles o

maquinas de potencia como autos, necesitan

un voltaje menor o mayor al entregado por la

fuente. Y no solo eso sino que pueden existir

aplicaciones aun no analizadas las cuales con

una buena investigación pueden llegar a ser

de gran utilidad para estudiantes de

ingeniería en especial de eléctrica,

electrónica o mecatrónica, con la amplia

gama de aplicación.

Métodos materiales y análisis

Para recopilar toda la información acerca de

los convertidores DC/DC resonantes y CUK

hemos encontrado fuentes en diferentes

páginas web mayoritariamente como

archivos pdf.

1. Extrajimos toda la información

referente a estos temas tanto teoría,

fórmulas, cálculos y aplicaciones en

el campo de la ingeniería,

2. Clasificamos la información

dependiendo si eran convertidores

DC/DC resonantes o CUK y luego

fuimos organizando cada uno

respectivamente en teoría,

fórmulas, cálculos y en último lugar

las aplicaciones en las que podemos

emplear estos conocimientos

3. Sacamos nuestras propias

conclusiones haciendo referencia a

los conocimientos adquiridos tanto

en la teoría, como en la práctica

para tener un panorama más amplio

de sus aplicaciones pero

3

relacionados enteramente con la

ingeniería mecatrónica

No emplearemos experimentos en esta

investigación, trataremos a estos temas solo

de forma teórica entiendo su análisis y sus

aplicaciones para utilizarlas en un futuro

según sea necesario.

1) Convertidores resonantes

Las características de un convertidor

resonante se basan en los circuitos que

contengan elementos L-C con adecuadas

estrategias de conmutación lograrán que el

switch conmute con cero de voltaje (ZVS) o

cero de corriente (ZCS), durante la transición

de ON OFF y viceversa.

Clasificación de convertidores resonantes

a) Convertidor de carga resonante

(DC/DC)

b) Convertidor de llaves resonantes

(DC/DC)

c) Convertidor de enlace resonante

(DC/AC)

d) Convertidor con enlace de alta

frecuencia e integrador de

semiciclos (DC/AC)

a) Convertidores de carga resonante

Se constituyen de un inversor y un circuito

en serie o paralelo L-C. Nos genera una

forma de onda cuadrada próxima a una

sinusoidal a partir, de alimentación continua.

El control de potencia es realizado mediante

la variación de de frecuencia de conmutación

del convertidor, llamado control de potencia

por modulación de frecuencia. Estos se

clasifican a su vez:

1) Convertidores resonantes con

alimentación por tensión (Voltaje

source resonant converters VSRC) a

su vez, su clasificación es la

siguiente:

I. Convertidor de carga

resonante en serie (serie-

load resonant SRL)

Se reemplaza la resistencia de carga por un

circuito rectificador. El circuito rectificador ve

como fuente un generador de corriente

sinusoidal dado por el circuito resonante L-C

,cuando el convertidor opera con fs próxima

a fr.

Ilustración 1_Convertidor de cc/cc con carga

resonante serie1

El circuito equivalente queda definido por un

E igual a la diferencia de potencial entre Vcc

y la tensión de salida del convertidor Si C es

de elevado valor Vo es constante.

Ilustración 2_Forma de onda de la corriente IL2

1 Ilustración 1 extraída de “Course on Power

Electronics and Drives” 2 Ilustración 2 extraída de Electrónica de

Potencia-convertidores, aplicaciones y diseño

4

Las formas de onda de tensión y voltaje

resultantes dependen de la relación que

existe entre la frecuencia de conmutación fs

y de la frecuencia de resonancia del circuito

tanque fr.

Cuando fs es menor a fr/2, iL será discontinua

y cuando fs es mayor que fr/2 iL es continua

Modo discontinuo

, las llaves comienzan a conducir con

ceros de corriente en t0 se encienden los

transistores M1 y M4 cerrándose las llaves S1

y S4. La corriente alcanza un pico máximo y

luego decrece hasta cero, estableciéndose un

semiciclo de oscilación a la frecuencia fr.

Cuando se llega a t=T/2 la corriente iL se

invierte y circula a revés de los diodos S1 y

S4, bajo esta condición E cambia de valor

generándose una nueva oscilación que

completa el ciclo Tr. En este instante la

corriente vuelve a pasa por cero, mientras

M1 y M4 están desactivados, iL permanece

nula hasta el próximo semiciclo. En Ts/2 se

activan los transistores de S2 y S3

comenzando el semiciclo de conmutación

inverso.

Ilustración 3_Forma de onda de corriente IL

3

Modo continuo

En el instante de encender las llaves la

corriente es distinta de cero a diferencia del

3 Ilustración 3 extraída de “Electrónica de

Potencia-convertidores, aplicaciones y diseño”

caso discontinuo. Su signo depende de la

relación entre fs y fr diferenciando dos

modos de conmutación de las llaves del

convertidor. Si

la forma de

corriente del inductor será:

Ilustración 4_Forma de corriente IL

4

Cuando S1 y S4 son encendidos, la corriente

por el inductor es positiva y crece hasta un

valor máximo. Luego se invierte pasando por

D1 y D4 los transistores M2 y M3 son

encendidos en la mitad del ciclo de

conmutación cortando los diodos D1 y D4 e

iniciando el semiciclo inverso de corriente.

En el inicio de cada semiciclo de

conmutación, la corriente iL es conducida por

los transistores de las llaves conmutando en

forma forzada generándose pérdidas de

conmutación. Si reducimos el periodo de

conmutación hasta que fs > fr la forma de

onda será

Ilustración 5_Corriente por el inductor

5

4 Ilustración 4 extraída de “Electrónica de

Potencia-convertidores, aplicaciones y diseño” 5 Ilustración 5 extraída de “Electrónica de

Potencia”

5

II. Convertidor de carga

resonante paralelo (parallel-

load resonant PLR)

El circuito rectificador es conectado en

paralelo al capacitor C del circuito resonante.

Vc resultante (las llaves al conmutar, a una

frecuencia próxima a la de resonancia), es

rectificado y filtrado mediante el inductor Ls

y el capacitor Cs estableciendo tensión

continua aplicada a la carga resistiva.

Ilustración 6_Convertidor de cc/cc con resonante

paralelo6

Si Ls es elevado podemos considerar que

es constante. El circuito equivalente es válido

para todos los intervalos de conmutación. La

corriente ib 'b será cuando Vc sea mayor

que cero y cuando ib 'b será cuando Vc

sea menor que cero. Haciendo un análisis

estacionario también modo de conducción

continua y discontinua.

III. Convertidores resonantes

serie-paralelo (combinación

SRL-PLR)

2) Convertidores resonantes con

alimentación por corriente (Current

source resonant converters, CSRC)

3) Convertidores resonantes clase E

b) Convertidor de llaves resonantes

Las llaves operan en conmutación forzada,

pueden conformarse las formas de onda de

6 Ilustración 6 extraída de “Simulador Didáctico

de Circuitos de Electrónica de Potencia”

tensión y corriente sobre las llaves para

lograr una conmutación más suave, en modo

de operación ZVS o ZCS, mediante un circuito

L-C .Durante un intervalo de tiempo, del

periodo de conmutación existirá resonancia,

mientras que en el resto no, y debido a ello

los llaman convertidores cuasi-resonantes y

se clasifican en:

a) Convertidores resonantes DC/DC ZCS

b) Convertidores resonantes DC/DC ZVS

c) Convertidor ZVS con limitación de

tensión

Ilustración 7_a) Conmutado a corriente cero, b)

Conmutado a voltaje cero7

a) Convertidores resonantes DC/DC ZCS

La técnica de conmutación (ZCS) fue

propuesta para mejorar condiciones de

conmutación de los interruptores (llaves). El

convertidor ZCS se puede utilizar en

cualquier convertidor PWM sustituyendo el

interruptor semiconducotr por uno

resonante. Los interruptores casi-resonantes

de conmutación ZCS se activan y desactivan

en la corriente cero.

Ilustración 8_a) Configuración de interruptores para los convertidores, b) Media onda, c) onda completa

8

7 Ilustración 7 extraída de ” First Course on Power

Electronics and Drives” 8 Ilustración 8 extraída de “Electrónica de

Potencia”

6

Esta técnica es muy útil para los dispositivos

de conmutación como un tiristor de

desactivación de fuerza GTO, un BJT o

rectificador controlado SCR. Su desventaja es

que no pueden ser operados a frecuencias

más altas en comparación con el transistor

de efecto de campo MOSFET .

Ilustración 9_Señal de conmutación, corriente del inductor

y voltaje del capacitor resonante donde T1 representa la carga del inductor, T2 la descarga del inductor, T3 la etapa de marcha libre y T4 la carga del inductor a)media onda y

onda completa9

b) Convertidores resonantes DC/DC ZVS

Ésta técnica fue propuesta para eliminar las

pérdidas de abertura de la conmutación en

frecuencias altas. En un ZVS el condensador

resonante está conectado siempre en

9 Ilustración 9 extraída de ” First Course on Power

Electronics and Drives”

paralelo con el interruptor y el inductor

resonante en serie con el interruptor. El ZVS

se puede aplicar a cualquier convertidor

PWM. Similar al ZCS, el convertidor ZVS se

puede ejecutar en configuraciones de media

onda y onda completa.

Ilustración 10_a) Circuito convertidor casi resonante,

b) Circuito de media onda, c) Circuito de onda completa

10

a) Configuración de interruptores ZVS b) Media onda c) Onda

completa

Los convertidores ZVS se activan y desactivan

en voltaje cero.

10

Ilustración 10 extraída de “Simulador Didáctico de Circuitos de Electrónica de Potencia”

7

Ilustración 11_Señal conmutación, corriente del inductor

resonante y voltaje del capacitor resonante donde T1 representa la carga del capacitor, T2 es el modo resonante, T3 la descarga del inductor y T4 la etapa de marcha libre a)

Media onda b) Onda completa11

2) Convertidores CUK

Proporciona un voltaje de salida regulado

por polaridad negativa respecto al terminal

común de voltaje de entrada. La función de

este convertidor es mantener una tensión de

salida regulada frente a variaciones de la

tensión de entrada o de la carga. Éste puede

suministrar un voltaje menor o mayor al de

entrada, se le conoce como convertidor

inversor debido al voltaje negativo que

entrega.

Ilustración 12_Convertidor DC-DC tipo CUK

12

11

Ilustración 11 extraída de “Simulador Didáctico de Circuitos de Electrónica de Potencia” 12

Ilustración 12 extraída de “Electrónica de Potencia”

Modo de Conducción Continua

Cuando el interruptor se cierra la fuente se

conecta al inductor 1, al mismo tiempo el

diodo queda polarizado inversamente debido

a que la corriente circula por L1

almacenando energía. Al mismo tiempo el

voltaje del capacitor 1 polariza inversamente

al diodo El capacitor 1 descarga la energía

sobre el circuito donde están el capacitor 2,

la carga y el inductor 2.

Ilustración 13_Convertidor tipo CUK intervalo ton

13

Pasado ton el interruptor se abre, en ese

momento la energía almacenada por el

inductor 1 junto con la energía de la entrada

se transfiere al condensador 1. Durante este

periodo la fuente no entrega energía a la

salida ocasionando que el inductor 2 permita

la circulación de corriente al capacitor 2 y

hacia la salida. El diodo e interruptor

proporcionan una conmutación sincrónica.

Ilustración 14_Convertidor tipo CUK intervalo toff

14

El capacitor 1 es el medio principal para

almacenar y transferir energía de la entrada 13

Ilustración 13 extraída de “Electrónica de Potencia” 14

Ilustración 14 extraída de “Electrónica de Potencia”

8

a la salida por ello se toman los voltajes

medios de los inductores son cero

estableciéndose

Formas de onda del convertidor Cuk

Ilustración 15_Formas de onda convertidor CUK

15

La relación de entrada con la de salida se

tiene en la siguiente fórmula

Si no existe pérdida de energía se asume que

la potencia de entrada es igual a la de salida

y tenemos :

15

Ilustración 15 extraída de ” First Course on Power Electronics and Drives”

Aplicaciones

Convertidor Elevador (BOOST)

Ilustración 1616

Convertidor Reductor-Elevador (BUCK-

BOOST)

Ilustración 1717

16

Ilustración 16 extraído de http://metis.umh.es/jacarrasco/docencia/ep/Tema3/DCDC.pdf 17

Ilustración 17 extraído de http://metis.umh.es/jacarrasco/docencia/ep/Tema3/DCDC.pdf

9

Convertidor Forward

Ilustración 1818

Convertidor Flyback

Ilustración 1919

Conclusiones

Los circuitos resonantes son sencillos y

tienen una protección a corto circuito en la

carga puesto que una vez cargado el

capacitor no admite más corriente.

Se han destacado las características

principales de los convertidores VSRC

observando las condiciones de conmutación

de las llaves del convertidor, condicionadas

al valor de la caga y a la relación entre la

frecuencia de conmutación y la de

resonancia.

Uno de los fines más importantes que se

espera llegar con los convertidores

resonantes es reducir al máximo las pérdidas

de conmutación de las llaves (switches).

18

Ilustración 18 extraído de http://metis.umh.es/jacarrasco/docencia/ep/Tema3/DCDC.pdf 19

Ilustración 19 extraído de http://metis.umh.es/jacarrasco/docencia/ep/Tema3/DCDC.pdf

Cuando se implementan llaves (switches) del

convertidor con dispositivos MOS de

potencia, éstos poseen intrínsecamente un

diodo que puede ser empleado como tal

para el funcionamiento del convertidor sin la

necesidad de agregar dispositivos externos.

Así se evita el uso de diodos externos en

paralelo y serie, se reducen las pérdidas de

conmutación y de conducción sobre estos

dispositivos adicionales. Con ello reducimos

los costos de implementación de cada llave

(switch).

Bibliografía

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