1CONVERTIDORES RESONANTES PORCONMUTACIN A VOLTAJE CERO (ZVS) .

Servio Loayza .sloayzam@est.ups.edu.ec.

Juan Loja .jloja@est.ups.edu.ec.Jonarhan Macas.

jmacas@est.ups.edu.ec.Luis Mizquero.

lmizquero@est.ups.edu.ec.Juan Ochoa.

jochoaju@est.ups.edu.ec.Luis Ortega .

lortegao@est.ups.edu.ec.Claudio Patio.

cpatino@est.ups.edu.ec.

Universidad Politcnica Salesiana.Carrera de Ingeniera Elctrica Sede Cuenca.

ELECTRONICA DE POTENCIA II.

ResumenEn el siguiente documento se analiza el ConvertidorResonante por Conmutacin a Voltaje Cero (ZVS: Zero VoltageSwitching) de 1 y 2 cuadrantes, de los cuales se estudia sufuncionamiento, circuitos equivalentes respecto a sus modos defuncionamiento, formas de onda, ecuaciones que lo representany por ultimo las ventajas que este tipo de Convertidor presentanante los problemas que se originan por el control mediante laModulacin de Ancho de Pulso (PWM).

Index TermsConvertidor Resonante, Modulacin de Anchode PulsoPWM.

I. INTRODUCCIN.

DUrante todo el tiempo el modificar la seal de entraday obtener una seal de salida diferente con Voltajes yFrecuencias variables mediante Convertidores ha repercutidoque se originen ciertos problemas que hacen a este tipo demtodo ineficiente. Tal es el caso de la tcnica de controlpor Modulacin de Ancho de Pulso (PWM), la cual enConvertidores permite la activacin y desactivacin de losinterruptores (elementos semiconductores: MOSFET, SCR,IGBT aun cuando la Corriente en la Carga tiene un valordi/dt muy alto, perdidas de potencia por conmutacin, granesfuerzo dielctrico, etc. Entonces tomando en cuenta estasdesventajas han surgido mltiples tipos de Convertidores quebuscan ser ms eficientes y por ende minimizar las desventajasque presenta el control por PWM. Para nuestro punto deestudio nos centramos en los Convertidores Resonantes porConmutacin a Voltaje Cero (ZVS: Zero-Voltage-Switching),los cuales nicamente permiten la activacin y desactivacinde los interruptores cuando su voltaje sea cero, en donde dichacaracterstica se logra mediante un Circuito LC Resonante.

II. OBJETIVOS

II-A. General.

INVESTIGAR SOBRE CONVERTIDORES RESONANTESPOR CONMUTACIN A VOLTAJE CERO (ZVS)

II-B. Especficos

Entender el principio de funcionamiento de un Conver-tidor Resonante ZVS de 1 y 2 cuadrantes.Analizar los diferentes circuitos equivalentes en base asu modo de operacinDestacar la principal diferencia entre un ConvertidorResonante ZVS y ZCS.

III. MARCO TERICO.

III-A. CONVERTIDORES RESONANTES POR CONMUTA-CIN A VOLTAJE CERO (ZVS)

Estos convertidores resonantes tienen la particularidad deque los interruptores se activan y desactivan a voltaje cero

Figura 1.

Para lograr la conmutacin a voltaje cero, el capacitor Cse conecta en paralelo con el interruptor S1. La capacitancia

2interna de conmutacin Cj se aade a la del capacitor C, ysolo afecta la frecuencia resonante, contribuyendo por lo tantoa que no exista excitacin de potencia en el interruptor. Si elinterruptor est organizado con un transistor Q1 y un diodoD1 antiparalelo, tal y como se muestra en la siguiente figura.[3]

Figura 2.

El voltaje a travez de C permanece fijo mediante D1, y elinterruptor opera en una configuracin de media onda. Si eldiodo D1 se conecta en serie con Q1 tal y como se muestraen la siguiente figura.

Figura 3.

El voltaje a travs de C podr oscilar libremente y el inte-rruptor operara entonces en configuracin de onda completa.En la figura 11-19a tenemos un convertidor resonante ZVS.Este es el dual de un convertidor resonante ZCS de tipo M,pueden aplicarse, siempre que Im sea reemplazado por Vcy viceversa, L por C y viceversa, as como Vs por IO yviceversa. La operacin del circuito puede dividirse en cincomodos, los circuitos equivalentes aparecen en la figura 11-29b.Definiremos el origen del tiempo, t=0, al principio de cada unode los modos. [3]Modo 1.Este modo es vlido para0 t t1. El interruptor S1 y

el diodo Dm estn apagados. El capacitor C se carga con unacorriente constante de carga I0. El voltaje vc , que aumenta,en el capacitor es

vc = (Io/C)t

Este modo termina en t = t1, cuando vc(t = t1) = Vs. Estoes, t1 = (VsC)/I0

Figura 4.

Modo 2.

Este modo es vlido para 0 t t2 El interruptor S1 sigueapagado, pero el diodo Dm se activa. El voltaje que pasa por

el capacitor es vc = Vmsenw0t+ Vs

Donde Vm = I0LC. El voltaje pico en el interruptor, que

ocurre cuando t = (pi2 )LC es

V T (pico) = VC(pico) = I0(L/C + Vs)

La corriente iL en el inductor es

il = i0 cos (wt)Este modo termina en t = t2, cuando vc(t = t2) = Vs, e

iL(t = t2) = I0, por consiguiente,t2 = piLC

Figura 5.

Modo 3.Este modo es vlido para 0 t t3, el voltaje en el

capacitor baja de Vs a cero, y es

vc = Vs Vmsenw0t.La corriente en el inductor, iL, es

il = i0 cos (wt)Este modo termina en t = t3, cuando vc(t = t3) = 0 e

iL(t = t3) = IL3. Asi

t3 =LCsen1x

de donde

x = VsVm = (VsI0)

CL

3Figura 6.

Modo 4

Este modo es vlido para 0 t t4. El interruptor S1 seactiva y el diodo Dm permanece activado. La corriente en elinductor, que aumenta en forma lineal de IL3 a I0 es

iL = IL3 + Vs/Lt

Este modo termina en t = t4, cuando iL(t = t4) = 0 Asit4 = (I0 IL3)(LVs) Tenga en cuenta que IL3 es un valornegativo.

Figura 7.

Modo 5

Este modo es vlido para 0 t t5 El interruptor S1 estaactivado, pero el diodo Dm esta desactivado. La corriente I0en la carga pasa por el interruptor. Este modo termina en elmomento t = t5, cuando el interruptor S1se desactiva de nuevoy el ciclo se repite. Esto es, t5 = T (t1 + t2 + t3 + t4).

Esto tambin podemos observar el comportamiento de cadamodo con sus formas de onda para iL y vc

Figura 8.

sto tambin podemos observar el comportamiento de cadamodo con sus formas de onda para iL y vc

Figura 9.

La ecuacinV T (pico) = VC(pico) = I0

(L/C + Vs)

indica que el voltaje pico de conmutacin depende de lacorriente I0 en la carga.

Por consiguiente una gran variacin de la corriente en lacarga produce una gran variacin en el voltaje de conmutacin.Por esa razn, los convertidores ZVS solo se usan en aplica-ciones con carga constante. El interruptor debe desactivarsesolo a voltaje cero. De no ser as, la energa almacenada enC puede disiparse en el interruptor. Para evitar este caso, eldiodo en anti-paralelo D1 debe conducir antes de activar elinterruptor.[3]

III-B. Comparacin entre convertidores resonantes ZCS yZVS

Estos covertidores dependen del uno Como del otro, comoes el caso del ZCS este convertidor resonante elimina prdidaspor conmutacion (en desactivacin) teniendo ceirtos limites ensu caso.

La energa almacenada en la capacitancia del dispositivo sedispara durante la activacion de la compuerta aumentando asilas perdidas por conmutacion y ruido. En su mayoria tiendea tener este problema ya que al momento de la conmutacinestan bajo el esfuerzo de la conmutacin resultando mayorperdidas en al moento de conmutar.

Se puede resaltar que en cambio tienen una eficacia en loque se trata enperdidas por conmutacion en (IGBTs) ya quetienen un largo periodo de desactivacion.

Teniendo una corriente pico de conmutacion mayor a unaonda cuadrada, mientras que al estar desactivada existe un altovoltaje en el interruptor despues de la oscilacin resonante.

Al encontrarse la energia alamcenada en el capacitor desalida se descarga atravez del interruptor una gran perdida depotencias a grandes frecuencias y a altos voltajes.

A todo estas perdidas de conmutacion que encontramos enlos conevertidores ZCS lo podemos reducir dichas perdidasmediante un covertidor ZVS ya que estos eliminan la prdidacapacitiva por activacin ya que estos operan en altas frecuen-cias.

Sin interferir fijadores de voltajes los interruptores puedenestar sometidos a demasiados esfuerzos dialectricos que es aproporcin de la carga

En pocas palabras para estos converidores ZCS y ZVSpodemos lograr el control del voltaje de salida tan solovariando la frecuencia ya que en los ZCS operan con un

4control de tiempo activo constante, en tanto que los ZVS estosoperan con un control de tiempo inactivo constante.

En tanto como hemos notado un ZCS (de corriente cero)moldea la forma de onda de corriente de conmutacin durantesu tiempo de condicin de corriente cero, para la desactivacindel interruptor.

Mientras que el ZVS moldea la forma de onda de voltaje deconmutacin durante el tiempo de apagado-desactivacin, paracrear una condicin de voltaje cero para que el interruptor seactive. [3]

III-C. Convertidores Resonantes ZVS de dos cuadrantes

El concepto de la ZVS mencionado anteriormente, se puedeenfocar en un convertidor de dos cuadrantes como se apreciaen la siguiente figura

Figura 10.

Los capacitores C+ y C son iguales a C2 , el inductorL posee un valor determinado que forma un circuito deresonancia. La frecuencia de Resonancia esf0 =

12piLC

la cual es de valor mucho mayor a la frecuencia de conmu-tacin fs.

Suponiendo que la capacitancia Cedel filtro es elevada, lacarga se sustituye por un voltaje cd, denominado vcd, comose observa a continuacin:

Figura 11.

Figura 12.

Mod 1El interruptor S est activado suponiendo que la corriente

inicial IL0 = 0. La corriente IL en el inductor viene dadapor il = (vs/l) t Este modo termina cuando el voltaje en elcapacitor C+ es cero y se desactivara S+ el voltaje en es V s

Figura 13.

Mod 2Los interruptores s+ y s estn desactivados. Este modo

comienza cuando C+ tiene voltaje cero y el voltaje C esV s el equivalente de este modo se puede simplificar a uncircuito resonante de C y L con una corriente inicial IL1 enel inductor la corriente IL se puede representar de la formaaproximada[1]

il = vs V dc(L/C)senW0t+ iL1El voltaje V0 se puede aproximar como bajando en forma

lineal de vs a 0

V o = V s V sC/il1 tEste modo termina cuando V 0 llega a cero y se desactiva

el diodo D

Figura 14.

5Mod 3El diodo D se desactiva. La corriente IL baja en forma

lineal desde Il2(= IL1) hasta 0

Figura 15.

Modo 4El interruptor S se active cuando tantoiL como v0 tienen

un valor igual a cero. La corriente iL en el inductor continuabajando, en direccin negativa, hasta IL4, hasta que el voltajeen el interruptor llegue a cero; entonces Sse desactiva.[1]

Figura 16.

Modo 5Los interruptores S+ y Sestn desactivados. Este modo se

inicia cuando C tiene un voltaje cero y C+ un voltaje Vs.El voltaje v0 se puede considerar que aproximadamente subeen forma lineal desde 0 hasta Vs. Este modo termina cuandov0 tiende a ser mayor que Vs y el diodo D+ se activa. [2]

Figura 17.

Modo 6El inicio de esta configuracin es cuando el diodo D+ se

activa, mientras que iL baja en forma lineal desde IL5 hastacero. Este modo termina cuando iL = 0, luego de esto elinterruptor S+se activara y se repetir un nuevo ciclo.

Figura 18.

Consideraciones:

Para una ZVS iL debe circular en ambas direcciones paraque el diodo conduzca antes de que su interruptor seactive.Seleccionando una f01fs lograremos que el voltaje desalida sea casi en su totalidad una Onda Cuadrada.El Voltaje de salida se puede regular mediante el controlde frecuencia.El voltaje de conmutacin del Interruptor se fija solo has-ta Vs, sin embargo estos conducen una iL que contienegrandes cantidades de rizos y picos mayores que la I0en la carga.Para obtener la forma de onda deseada para iL, al con-vertidor se lo puede hacer operar en Modo de Regulacinde Corriente.[4]

III-D. Inversores Resonantes a partir del Convertidor Reso-nante ZVS de 2 cuadrantes

Si al Convertidor Resonante ZVS de 2 cuadrantes le am-pliamos mediante un anlisis, podemos obtener los siguientestipos de Inversores:

Inversor Resonante ZVS monofsico de medio puente.

Figura 19.

Inversor ZVS Trifsico.

6Figura 20.

Si nos fijamos en el circuito anterior no existe una induc-tancia L, por lo que el Circuito Resonante LC se completaracuando se conecta la carga, la misma que obviamente tendruna Inductancia L, tal como se muestra en la siguiente Figura:

Figura 21.

IV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

Los convertidores ZVS y ZCS se estn difundiendo cadavez ms por la caracterstica de activarse o desactivarsea corriente o voltaje cero eliminando as las perdidas porconmutacinLa operacin de los convertidores ZVS en general nos dala opcin de tener un voltaje variable a la salida medianteun control de tiempo inactivo constante y su anlisis sepuede enfocar en la operacin en dos cuadrantes quepresenta distintos modos de funcionamiento.

REFERENCIAS[1] Anlisis de sistemas elctricos de potencia y calidad de la energa, 2001[2] E. BALLESTER AND R. PIQU, "ELECTRONICA DE POTENCIA:

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES Y ESTRUCTURAS BSICAS",[3] MUHAMMAD H RASHID - ELECTRONICA DE POTENCIA -

TECERA EDICION - MEXICO - 2004[4] ENRIQUEZ HARPER GILBERTO, ELECTRNICA DE POTENCIA

BSICA, LIMUSA, 2010

Servio Xavier Loayza Montalvn, Naci en SantoDomingo-Ecuador, en 1990, realiz sus estudios enel Colegio Tcnico Industrial Jaime Rolds Aguilerade la ciudad de Santo Domingo de los Coloradosdesde el ao 2001 hasta el 2007. Obtuvo bachilleratoTcnico Industrial en la especialidad de ElectricidadInici su formacin en la Empresa Elctrica CNELSD. Sus estudios de tercer nivel los realiza en laUniversidad Politcnica Salesiana sede Cuenca, enla carrera de Ingeniera Elctrica

Jonathan Rodrigo Macas Sandoval naci enMachala-El Oro - Ecuador, en1989, recibi el Ttulode Bachiller en el Instituto Tecnolgico El Oro, dela ciudad de Machala , actualmente Estudiante deIngeniera Elctrica en la Universidad PolitcnicaSalesiana de la ciudad de Cuenca..

Luis Gerardo Mizquero Zarate Naci enCuencaAzuay-Ecuador, recibio el titulo de BachillerTecnico en el Colegio Tcnico Salesiano en laciudad de Cuenca, actualmente estudiante de laIngenieria Electrica en la Universidad

Juan Diego Ochoa Juca Naci en Cuenca Ecuador en 1988, Recibi el Ttulo de TcnicoIndustrial Especializacin Electrnica en el colegioFrancisco Febres Cordero. Actualmente est ha-ciendo sus Estudios en la Universidad PolitcnicaSalesiana de la carrera de ingeniera Elctrica yElectrnica.

Luis Alfredo Ortega Ortega Luis Alfredo OrtegaOrtega naci en Sigsig-Azuay - Ecuador, en1990,recibi el Ttulo de Bachiller en Colegio Tcnico In-dustrial Gualaceo, del cantn Gualaceo, actualmenteEstudiante de Ingeniera Elctrica en la UniversidadPolitcnica Salesiana sede Cuenca

Claudio Vinicio Patio Guiracocha naci enCuenca Ecuador en1990, recibi el Ttulo deTcnico Electricista en el Centro de CapacitacinProfesional SECAP en la ciudad de Cuenca, ac-tualmente estudiante de Ingeniera Elctrica en laUniversidad Politcnica Salesiana de la ciudad deCuenca

I Introduccin.II ObjetivosII-A General.II-B Especficos

III Marco Terico.III-A CONVERTIDORES RESONANTES POR CONMUTACIN A VOLTAJE CERO (ZVS) III-B Comparacin entre convertidores resonantes ZCS y ZVS III-C Convertidores Resonantes ZVS de dos cuadrantesIII-D Inversores Resonantes a partir del Convertidor Resonante ZVS de 2 cuadrantes

IV Conclusiones y Recomendaciones.ReferenciasBiographiesServio Xavier Loayza Montalvn, Jonathan Rodrigo Macas Sandoval Luis Gerardo Mizquero ZarateJuan Diego Ochoa JucaLuis Alfredo Ortega OrtegaClaudio Vinicio Patio Guiracocha