Convertidor Reductor-Elevador (Buck-Boost)

Convertidor Reductor-Elevador (Buck-Boost)El convertidor reductor-elevador o tambin conocido como buck-boost suministra un voltaje de salida que puede ser mayor o menor al de la entrada, asi mismo la polaridad del voltaje de salida es inversa a la del voltaje de entrada.Convertidor Reductor-Elevador (Buck-Boost)Reductor: Vout < VinElevador: Vout > Vin

REDUCTORELEVADORVinVoutV1V1 = VinD

Es posible elevar y reducir con un convertidor?Posible solucin: conectar un reductor y un elevador en cascada

La tensin de salida con este sistema es: Si D < 0.5 la tensin de salida es menor que la de entada. Si D > 0.5 la tensin de salida es mayor que la de entrada.El convertidor tiene el doble de componentes que los convertidores en los que se basaEs posible obtener el mismo resultado sin aumentar el nmero de componentes?Inconveniente

El condensador intermedio lo podemos eliminar y unir las dos bobinas. Mismo ciclo de trabajo para los dos convertidoresLos dos interruptores se manejan simultneamenteInt. CerradosInt. AbiertosVinVoutVinVoutVL = VinVL = -VoutVinVoutVLILTDT-VoutVinM1M1M2M2M1M2

Durante D, la bobina queda en paralelo con la entrada Durante (1-D), la bobina queda en paralelo con la salida

VinD = Vout(1-D)Por tanto, para conseguir el mismo comportamiento debemos encontrar un circuito que maneje la bobina de una forma similar:

VinVoutS1S2 Cerrando S1 ponemos la bobina en paralelo con la entrada Cerrando S2 la ponemos en paralelo con la salida. Para desmagnetizar bobina debemos invertir la tensin de salida-+S1S2

Un transistor Un diodo Una bobina Un condensadorIntegracin de los dos convertidores en uno slo La tensin de salida puede ser mayor o menor que la de entrada. La tensin de salida est invertida respecto a la tensin de entrada.Convertidor Reductor-ElevadorVinVout-+Es necesario invertir la tensin de salida

Relacin de transformacin en MCC2 estados de funcionamiento en MCC Carga de la bobinaDescarga de la bobina

VinVout-+Interruptor cerradoInterruptor abierto12VoutVoutVinVinM1M1-+Formas de onda en MCCDurante DTDurante (1-D)TLa tensin media en la bobina debe ser nula:VLILTDT-VoutVinVinD = Vout(1-D)

La tensin de salida est invertida respecto a la de entrada

VinVoutVL=VinIL

VinVoutVL=-VoutILVLILTDTILpLa corriente de pico es:El valor medio de la corriente ID es la corriente de salida:Por tanto:La corriente est en el lmite entre MCC y MCDDado un valor de Iout, Qu valor de L consigue obtener esta corriente?Lmite entre MCC y MCD

-VoutVin

IoutIDSe cumple:

Operacin en MCDVLILVinTDT-Vout2THay 3 estados de funcionamientoDurante DTDurante 2TDurante (1-D- 2)TTDTIoutID

VinVoutILVL-+

VinVoutILVL-+

VinVoutVL-+-+iL=0Clculo de la relacin de transformacinEn general, cuando un convertidor se descarga pasa a operar en MCDVLILTDTVin-VoutILp2TEn MCD se cumple:Tensin media en L nula:La corriente de pico es:La corriente media de salida es:RL es la carga de salida

TDTIoutID

El ciclo de trabajo depende de la carga cuando el convertidor opera en MCDOperacin en MCD24681000.51MCCMCDVin = 12 VVin = 6 VVin = 24 VVout = 12 VL = 5 Hf = 100 kHzCorriente (A)DEl peor caso se da en condiciones de tensin de entrada mximaPeor caso: Vmax

El ciclo de trabajo necesario para obtener una cierta tensin de salida depende de la carga RL y del valor de L RL: Carga del convertidorOperacin en MCD24681000.20.40.6Corriente de salida (A)DVin = 12 VVout = 12 VL = 5 HL = 10 HL = 2.5 H

Si L es grande, el convertidor trabajar en MCC hasta cargas bajas Si L es pequea, el convertidor trabajar casi todo el tiempo en MCDEn MCD, D tambin depende del valor de LClculo del condensador-VoutVinCargaDescargaVLIDVC

VoutTDTEl rizado pico-pico en el condensador ser:Formas de ondaConocido el valor de L y tomando como dato Vout podemos calcular CIout

En rgimen permanente:Carga = Descarga En este caso resulta ms fcil basarse en la descarga (rea amarilla):

QEsfuerzos en los semiconductoresConvertidor Reductor-Elevador en MCC

VinVoutVMVDVMmax = Vin+VoutVDmax = Vin+VoutILTDTVMVDIMIDILpILpILpIoutVin+VoutVin+VoutEsfuerzos en los semiconductoresConvertidor Reductor-Elevador en MCD

VinVoutVMVDVMmax = Vin+VoutVDmax = Vin+VoutVMVDILTDTILpIout2TVinVoutIMIDILpILpVin+VoutVin+VoutRESUMENEl convertidor REDUCTOR-ELEVADORVout>Vin > Vout D Depende de la carga Valores de L bajos Corrientes elevadas VMmax = Vin VDmax = Vin D Independiente de la carga Valores de L altos Corrientes pequeas VMmax = Vin VDmax = VinTensin de salida invertida Clculo de bobina y condensador Aplicaciones2 modos de funcionamientoiLiLMCCMCD

VinVout-+

COMPARACIN DE TOPOLOGASLa eleccin de una topologa u otra va mucho ms all de una simple cuestin de magnitudes de tensin de entrada y de tensin de salida. Los convertidores tienen comportamientos reales distintos: unos son ms robustos, otros tienen mejor rendimiento, son ms sencillos de construir, etc. ReductorElevadorReductor-ElevadorVMOSFETIPMOSVDIODOIPDIODOVinVinVoutVoutVin+VoutVin+VoutI0I0I0/(1-D)I0/(1-D)I0/(1-D)I0/(1-D)El rizado de corriente se ha supuesto nulo.Ejemplo de comparacin:Especificaciones:Vin = 48 VVout = 12 VPmax = 100 WL = 50 HV0 = 2%ReductorReductor-ElevadorVMOSFETIPicoVDIODOiLC48 V48 V60 V60 V10.1 A12.2 A3.6 A7.7 A9.4 F277 FEspecificaciones:Vin = 12 VVout = 48 VPmax = 100 WL = 50 HV0 = 2%ElevadorReductor-ElevadorVMOSFETIPicoVDIODOiLC48 V48 V60 V60 V9.2 A11.4 A1.8 A1.9 A16.2 F17.3 FFuente : Universidad de Oviedo

Lecturas

http://www.eecs.mit.edu/spotlights/images/Main_dc-dc.pdfhttp://www.eecs.mit.edu/spotlights/images/Main_TRAN08_IEEEtran.pdf

Four Switch Buck-Boost Converter for Photovoltaic DC-DC power applicationshttp://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=5674983APLICACION2APLICACIONESAPLICACION1http://www.youtube.com/watch?v=FNUqA0TRyys&feature=related

http://www.national.com/pf/LM/LM3668.html#Overview23