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CONVERTIDORES CD-CD
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Objetivo de los convertidores CD-CD
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Tipos de convertidores:
Convertidores básicos sin aislamiento galvánico y un solo
interruptor:
•Reductor (Buck)
•Elevador (Boost)
•Reductor-elevador (Buck-boost)
•Cuk
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Tipos de convertidores:
Convertidores con aislamiento galvánico
•Tipo puente
•Flyback
•Forward
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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
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Principio de operación: cómo se logra la conmutación?
D=tonTs
=V
controlVst
Vo= DVd
=V
dVst
Vcontrol
=kVcontrol
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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
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CONVERTIDOR REDUCTOR (BUCK)
Esquema básico
Interruptor abierto
Interruptor cerrado
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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
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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?
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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?
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¿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)
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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
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Modo de conducción discontinua
Vo
Vd
=D
2
D2+
1
4
Io
ILB,max
æ
èç
ö
ø÷
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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
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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
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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
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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
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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)
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¿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)
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¿DONDE QUEDARON LOS POLOS Y CEROS DEL SISTEMA?
-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)
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¿DONDE QUEDARON LOS POLOS Y CEROS DEL SISTEMA?
-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
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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?
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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%
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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
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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?
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CONVERTIDOR REDUCTOR-ELEVADOR
Interruptor cerrado
Interruptor abierto
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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
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CONVERTIDOR TIPO CUK
Interruptor cerrado
Interruptor abierto
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CONVERTIDOR TIPO CUK
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CONVERTIDOR TIPO CUK
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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