convertidores de corriente continua y tÉcnicas de...

SASE 2010SASE 2010

CONVERTIDORES DE CORRIENTE CONTINUA CORRIENTE CONTINUA Y TÉCNICAS DE BAJO Y TÉCNICAS DE BAJO

CONSUMO

H á E THernán E. Tacca

UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRESÍFACULTAD DE INGENIERÍA

1

TEMARIO

1. Estructuras de conversión y modos de operacióny p

2. Circuitos habituales

3. Almacenamiento de energía

4 Técnicas de bajo consumo y retención de la información4. Técnicas de bajo consumo, y retención de la información

5. Relevadores y ahorro de energía

2

REGULADOR ANALÓGICO SERIE

IO RS

VOV VOVE

3

REGULADOR CONMUTADO

 iO

S

vO VE

  0 1

E

2 2 

V

vO

  1 2  

0

2 2 

VE

√

t D T (1-D) T

4 T

filtrado resistivo

iO = IOS

PLS

R iO IO

iC

RSS

vO VE RO

iS

CF

1 11   

1 00

5

BOMBAS DE CARGA  + VCC

D

V+ inversora

VE - VCC

(1- D)

inversora

masa

+ 2 VE2 VE

D +

VE

masa

(1- D)

bootstrap

6

masa

limitación de corriente no disipativa 

VO V

S

RvL

iL L

primera opción

VE RO CF

sobretensión destructiva en la llave !!!

segunda opción

S iL

DL

¿puede funcionar?VO VE RO

vL

iL

CF

+

CF

S iLL

tercera opciónVO VE RO

vL

L

CF

DL

7

CF

TROCEADOR SERIE 

VO

S

vL

iL L

VOVE RO

L

CF

DL

tensión media nula sobre el inductor

(VE - VO)

vL

tensión media nula sobre el inductor

1

( E O)

t

D T (1 - D) T

- VO

8T

D T (1 D) T

APLICACIÓN DE REGLAS DE TRANSFORMACIÓN DE CARGA A UN TROCEADOR SERIE

VEVO

VE VO

VEIO PODRÍA SER UN MOTOR DE

CORRIENTE CONTINUA

9

LFTr

BUCKCFDL VoVi

LBDB

Tr CF VoVi

BOOST

Tr

LB

CF

DBVo

Vi BUCK - BOOST

TOPOLOGÍAS BÁSICAS SIN AISLACIÓNTOPOLOGÍAS BÁSICAS SIN AISLACIÓN

iOiS D + Vp

nP nS CF Vo

iP RL

Vo

iB

TTr

VERSIONES CON AISLACIÓN: CONVERTIDOR FLYBACK

V

DFB2

nS2

IO2RS2VO2

VP

I

S2

VO1

DFB1

nS1

nP

IO1RS1

iP(t)

RP

DOBLE CONVERTIDOR FLYBACK

Troceador elevador con rectificación sincrónica

VCC(a la carga)

C

Bat

TROCEADOR SERIE MULTIPLEXADOVCC 

VCC VO 

VCC 

14

V

VCE

iC

VOVE VR

iCCONMUTACIONES

inductivaresistiva

VCE

suave

15

PÉRDIDAS DE CONMUTACIÓN

iCi

vCE iCi

vCEresistiva inductiva

vCE

iCvCE

iC

t ttrv tfi

trvtfi

tq

t tC offtC off C off

( ) swoffConCCCEC fttIVp += max61 ( ) swoffConCCCEC fttIVp += max2

1( ) swoffConCCCEC fp max6( ) swoffConCCCEC fp max2

16

CONVERTIDORES CUASI RESONANTESInterruptor ZCS monocomandado unidireccional en corriente, (a) secuencia

de fases de operación, (b) diagrama de tiempos de las variables de estado, (c) tipo de interruptor clásico utilizado.

Fase 1 Fase 2 Fase 3 Fase 4

C

L

is

VC

L

vs

is

VC

L

vs

is

VC

L

vs

is

VvC

vs

L

IO

Vi

IO

ViL

IO

ViL

IO

Vi

(a)

Vdt

diLV L

i =0

2

2=+

dtvd

LCv CC

Idt

dvCI

O

CO =

iC

L

Vvi

== 0

( )

tL

Vi iL =

dtt

CI

v OC =

17

iL

CL

vs

is

VvCI

L

L

IO

Vi

t

IO

0

is

Vi

vC

vs

disparot

- Vi

TIRISTOR

1 2 3 4

disparo bloqueo

(b) (c)

Interruptor ZCS monocomandado unidireccional en corriente, (b) diagrama de

(b) (c)

p , ( ) gtiempos de las variables de estado, (c) tipo de interruptor clásico utilizado.

18

C

L

LViC IOVi

IO

(a) (b)

Variantes topológicas, (a) estructura tipo M , (b) estructura tipo L.p g ( ) p ( ) p

19

FLYBACK ZCS MULTIPULSO

VO 

Circuito básico con LZCS CzcsVi 

interruptor ZCS de tipo M

 lf S 

Ci i b d i

Czcs P  VO 

Vi

LM 

Circuito basado en un interruptor ZCS de tipo L, aprovechando los elementos parásitos

lf P i 

CP

20

elementos parásitos

FLYBACK ZVS MULTIPULSOST L6565 - NOTA DE APLICACIÓN AN 1326ST L6565 - NOTA DE APLICACIÓN AN 1326

21

AMPLIFICADORES DE AISLAMIENTO CON MICROTRANSFORMADORESMICROTRANSFORMADORES

22

CIRCUITOS CON MICROTRANSFORMADORES INTEGRADOS

23

COMPONENTES PARA COMPONENTES PARA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA

• PILAS PRIMARIAS

• PILAS SECUNDARIAS (baterías) densidad( )

• SUPERCAPACITORESdensidad de energía

• CAPACITORES ELECTROLÍTICOS

24

COMPARACIÓN DE COSTOS ENTRE DIFERENTES Í ÍTECNOLOGÍAS DE BATERÍAS

PlTIPO Plomo –ácido Ni-MH Litio - Ion

VIDA MEDIA(años) 2,5 – 4 5 - 7 5 -10

COSTO(U S $/ kWh) 100 – 150 300 - 500 >> 1000(U.S. $/ kWh) 100 150 300 500 >> 1000

COSTO ANUALCOSTO ANUAL(costo / vida

media)25 – 60 43 - 100 100 - >> 200

Type Zinc Air Battery

Coin type Manganese

Dioxide Lithium Battery

Wound type Manganese

Dioxide Lithium Battery

Thionyl Chloride

Lithium Batteryy yDesignation PR CR CR ER

Nominal Voltage 1.4V 3V 3V 3.6V

Positive Electrode Air Manganese Dioxide Manganese Dioxide Thionyl Chloride

Electrolyte Solution Potassium Hydroxide Organic Electrolyte Organic Electrolyte Non aqueous Inorganic

N ti El t d Zi Lithi Lithi LithiNegative Electrode Zinc Lithium Lithium Lithium

Discharge Characteristics

V l t i 1150Wh/l 750Wh/l 670Wh/l 900Wh/lEnergy Density

Volumetric 1150Wh/l 750Wh/l 670Wh/l 900Wh/l

Gravimetric 390Wh/kg 260Wh/kg 330Wh/kg 500Wh/kg

Temp. Range -10 to 60 deg.C -20 to 85 deg.C -40 to 60 deg.C -55 to 85 deg.C

•For Heavy and Continuous Use• Stable

•High 3V Voltage • Stable

•For Heavy Duty Use • Wide Usable

•High 3.6V Voltage • Flat

Strong Points

• Stable Discharge Curve • Excellent Anti-leakage • High Energy Density

• Stable Discharge Curve • High Energy Density • Wide Usable Temperature

• Wide Usable Temperature • Stable Discharge Curve • Low Self-discharge

• Flat Discharge Performance • High Energy Density • Wide Usable TemperatureDensity Temperature.

• Superior Long-term Reliability

discharge• Excellent Anti-leakage

Temperature.• Superior Long-term Reliability

•Hearing Aids • Pagers

•Memory Backup

•Cameras • Automatic

•Automatic Meter Reading

Applications

• Wrist Watches • PDAs • Electric Games • Cameras

Meter Reading• Measuring Instruments

• Memory Backup • Security/Alarm System • RF-ID Tag

26

• Thermometers

• Digital Set Top Boxes • Measuring Instruments

Type Sealed Lead Acid Battery

Nickel-Cadmium Battery

Nickel-Metal Hydride BatteryBattery Battery Hydride Battery

Designation — — —

Nominal Voltage 2V 1.2V 1.2V

Positive Electrode Lead Dioxide Nickel Hydroxide Nickel Hydroxide

Electrolyte Solution Dilute Sulfuric acid Potassium Hydroxide Potassium Hydroxide Hydrogen AbsorbingNegative Electrode Lead Cadmium Hydrogen Absorbing

Alloy

Discharge Characteristics

Energy Density

Volumetric 100Wh/l 100Wh/l 260Wh/l

Gravimetric 30Wh/kg 30Wh/kg 80Wh/kg

Temp. Range -20 to 60 deg.C -20 to 60 deg.C -20 to 60 deg.C

•For Heavy Duty Use

•For Heavy Duty Use

•For Heavy Duty Use

Strong Points

Use• Superior Long-term Reliability • Economical • Easy to recycle

Use• High Mechanical Strength • High Efficiency Charge • Charge cycle:

Use• No Heavy metal Use • High Capacity • Charge cycle: 500 times

500 times• Easy to recycle

•Radiotelegraphic Apparatus • Portable AV Equipment

•Portable OA Equipment • Portable AV Equipment

•Portable OA Equipment • Portable AV Equipment

Applications

Equipment• Vacuum Cleaners• Power Tools • Medical Instruments • Electric

Equipment• Walkie-talkies • Power Tools • Medical Instruments • Electric Bicycles

Equipment• Walkie-talkies • Power Tools • Medical Instruments • Electric

27

Motorcars Motorcars

Type

Manganese Dioxide Lithium Rechargeable

Titanium Carbon Lithium

Rechargeable Lithium ion

Battery Battery Battery

Designation ML TC —

Nominal Voltage 3V 1.5V 3.7V

Positive Electrode Manganese Dioxide Lithium Titanium Oxide Lithium Cobalt Oxide

Electrolyte Solution Organic Electrolyte Organic Electrolyte Organic ElectrolyteElectrolyte Solution Organic Electrolyte Organic Electrolyte Organic Electrolyte

Negative Electrode Lithium-Aluminum Carbon Carbon

Discharge Characteristics

Energy Density

Volumetric 160Wh/l 50Wh/l 370Wh/l

Gravimetric 54Wh/kg 18Wh/kg 170Wh/kg

Temp. Range -20 to 60 deg.C -20 to 60 deg.C -20 to 60 deg.C

Strong Points

•For Back-up Use• Stable Discharge Curve • Excellent Anti-leakage

L Lif

•Excellent Cycle Performance • Wide Chargeable Voltage • Excellent E d f

•For Heavy Duty Use • High 3.7V Voltage • No Memory Eff t• Long Life Endurance for

Overcharge Effect• Low Self-discharge

•Mobile Phones • Memory Backup f N t PC

•Wrist Watches • PDAs

RTC B k

•Portable OA Equipment

P t bl AV

Applications

for Note PCs• AV, OA Equipment • Wrist Watches

• RTC Backup• Mobile Phones

• Portable AV Equipment • Radiotelegraphic Apparatus • Cameras

28

• Cameras• Electric Motorcars

DESCARGA DE BATERÍAS DE PLOMO ÁCIDODESCARGA DE BATERÍAS DE PLOMO-ÁCIDO

DESCARGA DE BATERÍAS DE NIQUEL CADMIODESCARGA DE BATERÍAS DE NIQUEL-CADMIO

Ragone Plots and Specific Energy If Specific Energy in either Wh kg-1 or Wh m-3 is plotted against Specific Power in either W kg-1 or Wh m-3 using logarithmic scales comparisons can be made over a much wider rangekg or Wh m , using logarithmic scales, comparisons can be made over a much wider range.

31Ragone plot illustrating the energy-power characteristics of various electrochemical power sources.

CARGA A TENSIÓN CONSTANTECARGA A TENSIÓN CONSTANTE

CARGA A INTENSIDAD CONSTANTE

CARGA A INTENSIDAD Y TENSIÓN CONSTANTECARGA A INTENSIDAD Y TENSIÓN CONSTANTE

Supercapacitor y convertidor integrado

35

36

BLINDAJES

CONEXIÓN DE LA PANTALLA ELECTROESTÁTICA

DISPOSICIÓN DE LADISPOSICIÓN DE LA PANTALLA ELECTROMAGNÉTICA

AHORRO DE ENERGÍA• Desconexión de subsistemas (modo “sleep”)

(considerar la acción del “watch-dog”)

R d ió d l ió d li ió• Reducción de la tensión de alimentacióna los valores mínimos suficientes para retener la información

R d ió d l f i d l l k• Reducción de la frecuencia del clock- conmutar de oscilador a cristal a oscilador de relajación- intercalar un contador divisor de frecuencia en la salida del oscilador a cristal - intercalar un contador divisor de frecuencia en la salida del oscilador a cristal externo

• Almacenamiento en memoria no volátilNVRAM, EEPROM, FLASH, FRAM (memorias ferroeléctricas)

• Uso de dispositivos electromecánicospContadores electromecánicos, llaves BCD, potenciómetros y relés biestables

• Empleo de LEDs en modo pulsado (alimentarlos con p pconvertidores conmutados de alto rendimiento)

38

EMPLEO DE RELEVADORES

relé clásicorelé clásico

contactos

39

relé biestable polarizado

40

41

vista del relé tipo C switchingvista del relé tipo C-switching

42

RECOMENDACIONES ÚTILES• Colocar el convertidor próximo a la carga• Emplear convertidores encapsulados con blindaje yEmplear convertidores encapsulados con blindaje y

emplear planos de tierra donde sea posible• Para cargas pulsantes debe utilizarse reguladores g p g

rápidos• Con baterías de electrolito orgánico (inflamables) debe

c idarse especialmente la protección contracuidarse especialmente la protección contra cortocircuitos

• Se debe prestar especial atención a la colocación de lasSe debe prestar especial atención a la colocación de las pantallas vinculándolas siempre a la masa del sistema o circuito que puede ser perturbado

• Para cargas y conexiones externas, verificar siempre que existan protecciones de fuerza bruta (crowbar, protección de batería inversa, etc.).protección de batería inversa, etc.).