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Universidad Autónoma de

San Luis Potosí

Dr. Ciro Alberto Núñez Gutiérrez Electrónica de Potencia

CONVERTIDORES CD-CD


San Luis Potosí


Objetivo de los convertidores CD-CD


San Luis Potosí


Tipos de convertidores:

Convertidores básicos sin aislamiento galvánico y un solo

interruptor:

•Reductor (Buck)

•Elevador (Boost)

•Reductor-elevador (Buck-boost)

•Cuk


San Luis Potosí


Tipos de convertidores:

Convertidores con aislamiento galvánico

•Tipo puente

•Flyback

•Forward


San Luis Potosí


Principio de operación

Ts=ton+toff

D=tonTs

Vo= 1Ts

vo(t)dt= 1Ts

Vd

dt0

tonò + 0dt

ton

Tsò

0

Tsò

Vo= 1Ts

Vd

ton+0toff

æ

è

çç

ö

ø

÷÷

Vo=Vd

tonTs

=DVd


San Luis Potosí


Principio de operación: cómo se logra la conmutación?

D=tonTs

=V

controlVst

Vo= DVd

=V

dVst

Vcontrol

=kVcontrol


San Luis Potosí


Pero la señal de salida es cuadrada con un valor promedio, ¿cómo recuperar el valor promedio?

ESQUEMA DE FILTRADO DE SEGUNDO ORDEN, DE AQUÍ SE

DERIVAN LAS TOPOLOGÍAS BÁSICAS


San Luis Potosí


CONVERTIDOR REDUCTOR (BUCK)

Esquema básico

Interruptor abierto

Interruptor cerrado


San Luis Potosí


CONVERTIDOR REDUCTOR (BUCK) Cuando a un inductor se le alimenta con CD su voltaje en terminales es cero.

VL

t( )dt = Vd

-Vo( )dt + -V

o( )dt = 0ton

Ts

ò0

ton

ò0

Ts

ò

Vd

-Vo( ) t

on=V

oT

s- t

on( )V

o

Vd

=ton

Ts

= D

P =VoI

o=V

dI

dÞ

Io

Id

=1

D


San Luis Potosí


CONVERTIDOR REDUCTOR (BUCK)

Armónicos de una forma de onda cuadrada en función de D


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Voltage scaling to:

~0.8V by 2014

Currents scaling to:

~175A by 2014

Source: Intel and 2005 International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)

Currents Calculated from ITRS 2005

0

50

100

150

200

250

300

2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014

Year

Icc

(A

)

0

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

Vc

c (

V)

¿Qué retos hay?


San Luis Potosí


POSS(S1,SR) = ½*(QOSS_S1+QOSS_SR)Vin*f

switching loss

PS1_cond = IS1_rms2 *RS1 conduction loss

PSR_cond = ISR_rms2 * RSR conduction loss

PL_cond = IL_rms2 * RL conduction loss

Prr = Vin*Qrr*f switching loss

PS1_driving = QG_S1*VG*f driving loss

PSR_driving = QG_SR*VG*f driving loss

fI

QIVP

ONG

SWoinonS

_

_12

fI

QIVP

OFFG

SWoinoffS

_

_12

SRVin

Io

RLCo

Lo

vo

+

-

iL

S1

RS1

RSR

RL

Cgs_SR

Cgd_SR

Cgd_S1 Cgs_S1

Coss_SR

Coss_S1

DRIVER

switching loss

¿Qué retos hay?


San Luis Potosí


¿Qué retos hay?

efficiency

load power

today’s

ideal System Battery Life vs. VR Efficiency

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

Ba

tte

ry L

ife

(H

rs)

70%

90%

70%

90%

43%

29%

15WHr 5WHr

Opportunity: Battery life

increases with VR efficiency

enhancement across a broad

load range

Example: LPIA platform (P_avg ~ 5W, 5” LCD)


San Luis Potosí


Frequency variation significantly improve light load efficiency, since frequency related losses are reduced

Voltage ripple increases at light load if frequency is linearly reduced

0 0.5 1 1.5 20

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

x Io( )

y Io( )

z Io( )

Io0.5 1 1.5 2

Io (A)

Outp

ut

volt

age

ripple

20mV

30mV

40mV

10mV

CCM fixed frequency

MH fixed frequency

Linear variable frequency w/ MH 50mV

00

Vin= 5V

Vo=3.3V

Lo=1uH

Co=50uF

f=500kHz

0.1 1 100.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

11

.7

a1 Io( )

a2 Io( )

a3 Io( )

10.1 Io101

75

95

100

0.1

% E

ffic

ien

cy

Io (A)

Linear variable frequency w/ MH

CCM only

80

85

90

MH

Eficiencia vs. rizo de voltaje


San Luis Potosí


Modo de conducción discontinua

Vo

Vd

=D

2

D2+

1

4

Io

ILB,max

æ

èç

ö

ø÷


San Luis Potosí


Relación de ganancia del convertidor reductor en MCC y MCD con Vd constante


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¿Hay guías para la selección de elementos pasivos?

Formas de onda típicas


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CONVERTIDOR ELEVADOR (BOOST)

Interruptor cerrado

Interruptor abierto


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CONVERTIDOR ELEVADOR (BOOST)

Vdton

+ (Vd

-Vo)t

off= 0

VdD + (V

d-V

o)(1- D) = 0

VdD +V

d-V

o-V

dD +V

oD = 0

Vd

+Vo(D -1) = 0

Vd

=Vo(1- D)

Vo

Vd

=1

1- D


San Luis Potosí


Q

D

VCD

L

C RL

+

-

+

-

VO

ANÁLISIS DEL CONVERTIDOR ELEVADOR

Circuito original

V CD

L

C R L

+

-

+

-

V O

D

V CD

L

C R L

+

-

+

-

V O

d=1

d=0


San Luis Potosí


MODELO MATEMÁTICO NO LINEAL DEL SISTEMA

CDVLx

x

RCC

dL

d

x

x

0

1

1)1(

)1(0

2

1

2

1

d=[0,1]

Con:

VCD = 12V

Vo = 24V

L = 1mH

C = 100uF

R = 20

Con d =0.5

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0

5

10

15

20

25

30 Vout

Vin

x1


San Luis Potosí


MODELO MATEMÁTICO NO LINEAL DEL SISTEMA

CDVLx

x

RCC

dL

d

x

x

0

1

1)1(

)1(0

2

1

2

1 Con: d={0,1}

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0

0.5

1

1.5

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0

5

10

15

20

25

30 Vout = x2

iL = x1

Vin

d


San Luis Potosí


MODELO MATEMÁTICO LINEALIZADO DEL SISTEMA

inVLd

C

xL

x

x

x

RCC

DL

D

x

x

0

1

1)1(

)1(0

10

20

2

1

2

1

5e006 -------------------------------

s2 + 500 s + 2.5e006

-1.2e004 s + 1.2e008 ------------------------------

s2 + 500 s + 2.5e006

X2(s)/Vin(s) X2(s)/d(s)

2.4e004 s + 1.8e007 --------------------------------

s2 + 500 s + 2.5e006

X1(s)/d(s)


San Luis Potosí


¿DONDE QUEDARON LOS POLOS Y CEROS DEL SISTEMA?

-300 -250 -200 -150 -100 -50 0 -4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000 Root Locus

Real Axis

Imagin

ary

Axis

5e006 -------------------------------

s2 + 500 s + 2.5e006

Caso 1: X2(s)/Vin(s)


San Luis Potosí



-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

x 10 4

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5 x 10

4 Root Locus

Real Axis

Imagin

ary

Axis

-1.2e004 s + 1.2e008 ------------------------------

s2 + 500 s + 2.5e006

Caso 2:

X2(s)/d(s)


San Luis Potosí



-3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 -2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000 Root Locus

Real Axis

Imagin

ary

Axis

2.4e004 s + 1.8e007 --------------------------------

s2 + 500 s + 2.5e006

Caso 3:

X1(s)/d(s)


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DC / DC DC / AC

M1

DC / AC

M2

Source

¿QUÉ RETOS HAY?

Aplicación al manejo de energía en Vehículos Eléctricos


San Luis Potosí


Z

Z Z

M2

A B

B´

C

C

a

a´

b

b´

c

c´A

L1

L2

CmV V

outin A B

Z

Z Z

M1

Interleaved Boost

Inverter 1 Inverter 2

SC

Fuel Cell

¿QUÉ RETOS HAY?


San Luis Potosí


0 100 200 300 400 500 600 700 8000

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

Tiempo (s)

Pot

enci

a (W

)

¿QUÉ RETOS HAY?

0 100 200 300 400 500 600 700 800-5,000

0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

Tiempo (s)

Pot

enci

a (W

)

Dinámica de la potencia mecánica requerida en las llantas

CICLO DE MANEJO ECE-R15 CON PENDIENTE DEL 10%

CICLO DE MANEJO CITY-II CON PENDIENTE DEL 10%


San Luis Potosí


7

DC/DC

DC/DC

Load

Battery

Fuel cell

Mode 5

DC/DC

DC/DC

Load

Battery

Fuel cell

Mode 6

DC/DC

DC/DC

Load

Battery

Fuel cell

Mode 7

¿QUÉ RETOS HAY?

UNIDIRECCIONAL

BIDIRECCIONAL

DC/DC

DC/DC

Load

Battery

Fuel cell

Bidirectional converter

Unidirectional converter

Polarization curve of the FC

5

Power curve of the FC


San Luis Potosí


Requerimientos

1. Capaz de operar en todo le rango de voltaje de entrada.

2. Tener una eficiencia superior al 90% en todo el rango de carga.

3. Que el controlador sea simple.

L1

L2

CmV

in A B

Interleaved Boost

Fuel Cell

¿QUÉ RETOS HAY?


San Luis Potosí


CONVERTIDOR REDUCTOR-ELEVADOR

Interruptor cerrado

Interruptor abierto


San Luis Potosí


CONVERTIDOR REDUCTOR-ELEVADOR

VdDT

S+(-V

o)(1-D)T

S=0

Vo

Vd

=D

1-D

Io

Id

=1-D

D

Ecuaciones de ganancia del convertidor


San Luis Potosí


CONVERTIDOR TIPO CUK

Interruptor cerrado

Interruptor abierto


San Luis Potosí




San Luis Potosí



L1

:VdDTs +(V

d-VC1

)(1-D)Ts =0ÞVC1Vd

=1

1-D

L2

:(VC1

-Vo)DTs +(-Vo)(1-D)Ts =0ÞVC1Vo

=1D

VoVd

=D

1-D

Siseconsidera:

IL1

= Id

IL2

= Io

IoId

=1-DD


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CONVERTIDORES CON AISLAMIENTO GALVÁNICO

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