estudio y análisis de soluciones topológicas de convertidores cc - cc ...
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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID<br />
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES<br />
ESTUDIO Y ANÁLISIS DE SOLUCIONES<br />
TOPOLÓGICAS DE CONVERTIDORES CC - CC<br />
BIDIRECCIONALES PARA SU APLICACIÓN EN<br />
VEHÍCULOS HÍBRIDOS<br />
TESIS DOCTORAL<br />
LUIS ALEJANDRO FLORES OROPEZA<br />
Ingeniero Eléctrico por el Instituto Tecnológico <strong>de</strong> Aguascalientes, México<br />
Para la obtención <strong>de</strong>l Grado <strong>de</strong> Doctor Ingeniero Industrial<br />
2004
DEPARTAMENTO DE AUTOMÁTICA, INGENIERÍA<br />
ELECTRÓNICA E INFORMÁTICA INDUSTRIAL<br />
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES<br />
ESTUDIO Y ANÁLISIS DE SOLUCIONES<br />
TOPOLÓGICAS DE CONVERTIDORES CC - CC<br />
BIDIRECCIONALES PARA SU APLICACIÓN EN<br />
VEHÍCULOS HÍBRIDOS<br />
AUTOR: LUIS ALEJANDRO FLORES OROPEZA<br />
Ingeniero Eléctrico por el Instituto Tecnológico <strong>de</strong> Aguascalientes, México<br />
DIRECTOR:<br />
ÓSCAR GARCÍA SUÁREZ<br />
Doctor Ingeniero Industrial por la Universidad Politécnica <strong>de</strong> Madrid
Tribunal<br />
Tribunal nombrado por el Magfco. Y Excmo. Sr. Rector <strong>de</strong> la Universidad<br />
Politécnica <strong>de</strong> Madrid, el día 16 <strong>de</strong> diciembre <strong>de</strong> 2004.<br />
Presi<strong>de</strong>nte:<br />
Vocales:<br />
Dr. Javier Uceda Antolín<br />
Dr. Joseph Bordonau Farrerons<br />
Dr. Juan Manuel Carrasco Solís<br />
Dr. Arturo Fernán<strong>de</strong>z González<br />
Secretario:<br />
Suplentes:<br />
Dr. Andrés Barrado Bautista<br />
Dr.<br />
Dr.<br />
Realizado el acto <strong>de</strong> <strong>de</strong>fensa y lectura <strong>de</strong> la tesis el día 26 <strong>de</strong> enero <strong>de</strong> 2005<br />
en la E.T.S. Ingenieros Industriales.<br />
CALIFICACIÓN:<br />
EL PRESIDENTE<br />
LOS VOCALES<br />
EL SECRETARIO
A ti Sandra,<br />
Gracias por compartir a mi lado y al lado <strong>de</strong> nuestras hijas los momentos <strong>de</strong><br />
felicidad y porque sin tu apoyo, amor y consejos en los momentos difíciles, no<br />
lo hubiera logrado.<br />
Te Ama<br />
t.m.h.l.m.<br />
A mis hijas Alexandra Valentina y Samanta Jacqueline, quienes solo<br />
tenían papá por las noches y a veces fines <strong>de</strong> semana.<br />
Papá<br />
A mis padres María y Luis Rey, a mis hermanos Carlos, Lucy, Caro y Pepe<br />
quienes toda la vida han creído en mí.<br />
Gracias, también a mi segunda familia, en especial a Titi, Paty, Chela, a mis<br />
suegros Celestina y Arnulfo a Isaías, a Ron, Pillo. A todos mis cuñados y<br />
cuñadas sobrinos y sobrinas en México y en L.A. ya que también se<br />
emocionaron como nosotros siempre que estuvimos en Madrid.<br />
A nuestros amigos mexicanos y extranjeros con los que vivimos experiencias<br />
inolvidables en este país. Gracias a todos.<br />
A Dios que nunca se olvidó <strong>de</strong> nosotros.
Agra<strong>de</strong>cimientos<br />
Quiero agra<strong>de</strong>cer a todo el personal <strong>de</strong> la DIE porque siempre me dieron un trato<br />
que me hacia sentir como en casa. Siempre lo dije a mis amigos, en éste<br />
<strong>de</strong>partamento se vive como una familia, “La familia <strong>de</strong> la DIE”.<br />
Quiero agra<strong>de</strong>cer enormemente a mi director <strong>de</strong> tesis Oscar, gracias por tus consejos<br />
comentarios y apoyo. Te agra<strong>de</strong>zco todo el tiempo que me brindaste, ya que a pesar<br />
<strong>de</strong> tus múltiples ocupaciones, siempre tuviste un espacio para mí. Admiro en ti, tu<br />
alegría y sabiduría para conducir a las personas. Siempre tendrás en mí a un buen<br />
amigo, gracias por todo.<br />
Agra<strong>de</strong>zco a todos los profesores <strong>de</strong>l <strong>de</strong>partamento José Antonio, Roberto, Pedro<br />
Alou, Jesús, Tere, Edu (que por fin <strong>de</strong>scansa <strong>de</strong> mis fotografías), Aparicio, Yago y a<br />
los maestros <strong>de</strong> laboratorio Justo, Pedro y Alfonso. Gracias a Yolanda y Nieves por<br />
su ayuda en todo momento. Gracias a Javier Uceda por su apoyo, confianza y<br />
amistad, haré todo lo posible porque se sientan orgullosos <strong>de</strong> este estudiante.<br />
Un especial agra<strong>de</strong>cimiento a mis compañeros doctorándos por su ayuda y paciencia<br />
Miguelón, Andrés, Ahmed, Pablo, Cristina, Marina, Ana, Mario, Fernando, Susana,<br />
Yaser Arafat, Cony, Eduardo, Yana, Vlado y Jorge.<br />
Quiero agra<strong>de</strong>cer también la ayuda invaluable <strong>de</strong> José Manuel, juntos vivimos los<br />
momentos más difíciles <strong>de</strong>l proyecto HEV que dio como resultado una parte <strong>de</strong> mi<br />
tesis.<br />
No puedo <strong>de</strong>jar este espacio sin mencionar a cinco <strong>de</strong> los más cercanos amigos con<br />
los que compartimos muchos momentos <strong>de</strong> angustia y felicidad. Almu<strong>de</strong>na y Jesús,<br />
Ángel y María y por último el amigo que siempre <strong>de</strong>jó <strong>de</strong> hacer lo que hacia para<br />
ayudarme a mí y a mi familia, Felipe. No olvidaré los momentos que compartimos<br />
juntos, gracias por las muestras <strong>de</strong> cariño cuando lo necesitamos y gracias por<br />
siempre estar ahí, a pie <strong>de</strong> cañón.<br />
Agra<strong>de</strong>zco la hospitalidad <strong>de</strong> su país España, en el cual <strong>de</strong>jamos una parte <strong>de</strong><br />
nuestras vidas.<br />
Agra<strong>de</strong>zco también al gobierno <strong>de</strong> México por el apoyo brindado para realizar estos<br />
<strong>estudio</strong>s a través <strong>de</strong> los programas <strong>de</strong> becas para posgrado.<br />
Madrid a 26 <strong>de</strong> enero <strong>de</strong> 2005
Índice<br />
Índice<br />
1 CONVERTIDORES BIDIRECCIONALES Y SU APLICACIÓN EN LOS<br />
SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN DE VEHÍCULOS HÍBRIDOS .................................... 1<br />
1.1 CONVERTIDORES BIDIRECCIONALES ............................................................................ 1<br />
1.1.1 Convertidor bidire<strong>cc</strong>ional sin aislamiento galvánico ......................................... 1<br />
1.1.2 Convertidor bidire<strong>cc</strong>ional con aislamiento galvánico ........................................ 2<br />
1.1.3 Convertidor bidire<strong>cc</strong>ional para altas potencias.................................................. 3<br />
1.2 SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICO EN VEHÍCULOS HÍBRIDOS ................................ 4<br />
1.2.1 Sistema <strong>de</strong> distribución basado en celdas <strong>de</strong> combustible (Fuel Cells).............. 5<br />
1.2.2 Sistema <strong>de</strong> distribución basado en baterías ........................................................ 6<br />
1.2.3 Sistema <strong>de</strong> distribución basado en banco <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores "Ultra<br />
con<strong>de</strong>nsador" ...................................................................................................................... 6<br />
1.2.4 Modos <strong>de</strong> funcionamiento eléctrico <strong>de</strong> vehículos híbridos ................................. 7<br />
1.3 EVOLUCIÓN DEL CONSUMO DE POTENCIA EN LOS VEHÍCULOS...................................... 9<br />
1.4 PROBLEMÁTICA DEL BUS DE BAJA TENSIÓN Y ALTA POTENCIA .................................... 9<br />
1.5 MOTIVACIÓN DE LA TESIS .......................................................................................... 10<br />
2 ESTADO DE LA TÉCNICA EN CONVERTIDORES BIDIRECCIONALES......... 11<br />
2.1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 11<br />
2.2 REPASO DE CONVERTIDORES BIDIRECCIONALES ........................................................ 11<br />
2.2.1 Convertidor doble puente completo bidire<strong>cc</strong>ional sin bobina .......................... 12<br />
2.2.2 Convertidor doble medio puente bidire<strong>cc</strong>ional................................................. 14<br />
2.2.3 Puente completo bidire<strong>cc</strong>ional con esquema unificado para conmutaciones<br />
suaves y capacidad <strong>de</strong> arranque <strong>de</strong>s<strong>de</strong> tensión cero en modo elevador ........................... 16<br />
2.2.4 Convertidor medio puente y push-pull bidire<strong>cc</strong>ional ........................................ 18<br />
2.2.5 Convertidor Flyback bidire<strong>cc</strong>ional ................................................................... 19<br />
2.3 RESUMEN Y COMPARACIÓN ....................................................................................... 21<br />
2.4 CONCLUSIONES.......................................................................................................... 25<br />
3 CONVERTIDOR REDUCTOR–PUENTE BIDIRECCIONAL................................. 27<br />
3.1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 27<br />
3.2 CONVERTIDOR REDUCTOR-PUENTE “MODO REDUCTOR” .......................................... 28<br />
3.2.1 Topología y formas <strong>de</strong> onda.............................................................................. 28<br />
3.2.2 Funcionamiento en modo reductor ................................................................... 32<br />
3.2.3 Corriente magnetizante en el transformador TR............................................... 33<br />
3.2.4 Función <strong>de</strong> transferencia en modo reductor ..................................................... 38<br />
3.2.5 Control <strong>de</strong>l convertidor en modo reductor........................................................ 40<br />
3.3 CONVERTIDOR REDUCTOR-PUENTE “MODO ELEVADOR”.......................................... 42<br />
3.3.1 Etapa <strong>de</strong> arranque............................................................................................. 44<br />
3.3.2 Etapa permanente o normal.............................................................................. 48<br />
I
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
3.3.3 Transición Etapa <strong>de</strong> arranque - Etapa normal ................................................. 52<br />
3.3.4 Función <strong>de</strong> transferencia en modo elevador..................................................... 57<br />
3.3.5 Control <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador ....................................................... 60<br />
3.4 CONVERTIDOR REDUCTOR-PUENTE “BIDIRECCIONAL" ............................................. 62<br />
3.4.1 Análisis <strong>de</strong> la topología..................................................................................... 63<br />
3.4.2 Penalización <strong>de</strong> la bidire<strong>cc</strong>ionalidad................................................................ 64<br />
3.4.3 Diseño <strong>de</strong>l convertidor para funcionar bidire<strong>cc</strong>ionalmente ............................. 65<br />
3.4.4 Frecuencia <strong>de</strong> conmutación .............................................................................. 66<br />
3.4.5 Cálculo <strong>de</strong> tensiones ......................................................................................... 66<br />
3.4.6 Cálculo <strong>de</strong> la relación <strong>de</strong> transformación n TR ................................................... 67<br />
3.4.7 Cálculo <strong>de</strong> corrientes ........................................................................................ 68<br />
3.4.8 Cálculo <strong>de</strong> los con<strong>de</strong>nsadores........................................................................... 69<br />
3.4.9 Cálculo <strong>de</strong>l transformador y la bobina ............................................................. 70<br />
3.4.10 Control <strong>de</strong>l convertidor bidire<strong>cc</strong>ional............................................................... 71<br />
3.5 DISEÑO Y PARTICULARIZACIÓN DEL CONCEPTO BIDIRECCIONAL ............................... 74<br />
3.5.1 Cálculo <strong>de</strong> la relación <strong>de</strong> transformación n TR ................................................... 75<br />
3.6 RESULTADOS EXPERIMENTALES 1 ER PROTOTIPO......................................................... 82<br />
3.6.1 Resultados experimentales modo Reductor....................................................... 84<br />
3.6.2 Resultados experimentales modo elevador ....................................................... 89<br />
3.7 RESULTADOS EXPERIMENTALES DEL 2 O PROTOTIPO ................................................... 95<br />
3.7.1 Resultados modo reductor................................................................................. 97<br />
3.7.2 Resultados modo elevador .............................................................................. 103<br />
3.7.3 Resumen <strong>de</strong>l capítulo ...................................................................................... 108<br />
3.8 COMPARACIÓN DEL CONVERTIDOR REDUCTOR-PUENTE BIDIRECCIONAL CON EL<br />
ESTADO DE LA TÉCNICA ....................................................................................................... 110<br />
3.9 CONCLUSIONES Y APORTACIONES DEL CAPÍTULO .................................................... 113<br />
4 CONVERTIDOR PUENTE COMPLETO Y RECTIFICADOR DOBLADOR DE<br />
CORRIENTE BIDIRECCIONAL ...................................................................................... 115<br />
4.1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 115<br />
4.2 PUENTE COMPLETO Y RECTIFICADOR DOBLADOR DE CORRIENTE "MODO REDUCTOR"<br />
115<br />
4.2.1 Topología y formas <strong>de</strong> onda............................................................................ 116<br />
4.2.2 Corriente en las bobinas ................................................................................. 119<br />
4.2.3 Control <strong>de</strong>l convertidor en modo reductor...................................................... 119<br />
4.3 PUENTE COMPLETO Y RECTIFICADOR DOBLADOR DE CORRIENTE "MODO ELEVADOR"<br />
122<br />
4.3.1 Antece<strong>de</strong>ntes <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador............................................. 122<br />
4.3.2 Topología y formas <strong>de</strong> onda............................................................................ 123<br />
4.3.3 Funcionamiento modo "Normal" .................................................................... 124<br />
4.3.4 Funcionamiento modo "Arranque" ................................................................. 130<br />
4.3.5 Funcionamiento modo "Arranque – Normal" ................................................. 150<br />
4.4 PUENTE COMPLETO Y RECTIFICADOR DOBLADOR DE CORRIENTE “BIDIRECCIONAL” 159<br />
4.4.1 Análisis <strong>de</strong> la topología................................................................................... 160<br />
II
Índice<br />
4.4.2 Penalización <strong>de</strong> la bidire<strong>cc</strong>ionalidad.............................................................. 161<br />
4.4.3 Devanados auxiliares en modo reductor......................................................... 162<br />
4.4.4 Diseño <strong>de</strong>l convertidor para funcionar bidire<strong>cc</strong>ionalmente ........................... 163<br />
4.4.5 Cálculo <strong>de</strong> la relación <strong>de</strong> transformación n p .................................................. 163<br />
4.4.6 Cálculo <strong>de</strong> tensiones ....................................................................................... 164<br />
4.4.7 Cálculo <strong>de</strong> corrientes ...................................................................................... 165<br />
4.4.8 Cálculo <strong>de</strong> los con<strong>de</strong>nsadores......................................................................... 166<br />
4.4.9 Cálculo <strong>de</strong> transformadores............................................................................ 166<br />
4.5 DISEÑO Y PARTICULARIZACIÓN DEL CONCEPTO BIDIRECCIONAL ............................. 167<br />
4.5.1 Cálculo <strong>de</strong> las relaciones <strong>de</strong> transformación n p y n f ....................................... 168<br />
4.5.2 Sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong>l arranque en modo elevador ...................................................... 174<br />
4.5.3 Control <strong>de</strong>l convertidor bidire<strong>cc</strong>ional............................................................. 175<br />
4.6 RESULTADOS EXPERIMENTALES .............................................................................. 177<br />
4.6.1 Resultados modo reductor............................................................................... 179<br />
4.6.2 Resultados <strong>de</strong>l funcionamiento permanentemente en el arranque .................. 184<br />
4.6.3 Resultados modo elevador .............................................................................. 189<br />
4.6.4 Resumen <strong>de</strong>l capítulo ...................................................................................... 194<br />
4.7 COMPARACIÓN DEL CONVERTIDOR PUENTE COMPLETO Y RECTIFICADOR DOBLADOR<br />
DE CORRIENTE CON EL ESTADO DE LA TÉCNICA ................................................................... 197<br />
4.8 CONCLUSIONES Y APORTACIONES DEL CAPÍTULO .................................................... 200<br />
5 CONCLUSIONES......................................................................................................... 203<br />
5.1 APORTACIONES ORIGINALES.................................................................................... 203<br />
5.2 SUGERENCIAS PARA FUTUROS TRABAJOS................................................................. 206<br />
6 REFERENCIAS............................................................................................................ 209<br />
ANEXO I HOJA DE CÁLCULO CAPÍTULO 3 ............................................................... 215<br />
ANEXO II HOJA DE CÁLCULO CAPÍTULO 4.............................................................. 255<br />
ANEXO III ESQUEMÁTICOS Y LISTA DE COMPONENTES DE LOS<br />
CONVERTIDORES DISEÑADOS ..................................................................................... 295<br />
III
Índice <strong>de</strong> Figuras<br />
Índice <strong>de</strong> Figuras<br />
Figura 1.1 Convertidor reductor.................................................................................................. 2<br />
Figura 1.2 Convertidor reductor bidire<strong>cc</strong>ional............................................................................ 2<br />
Figura 1.3 Convertidor <strong>de</strong> retroceso "Flyback" .......................................................................... 3<br />
Figura 1.4 Convertidor <strong>de</strong> retroceso "Flyback" bidire<strong>cc</strong>ional..................................................... 3<br />
Figura 1.5 Convertidor bidire<strong>cc</strong>ional <strong>de</strong> alta potencia alimentado en corriente.......................... 4<br />
Figura 1.6 Sistema <strong>de</strong> distribución eléctrico en vehículos híbridos ............................................ 5<br />
Figura 1.7 Celda <strong>de</strong> combustible para bus <strong>de</strong> alta tensión (Cortesía Ballard Power Systems).... 6<br />
Figura 1.8 Evolución <strong>de</strong> potencia en vehículos [8]..................................................................... 9<br />
Figura 2.1 Convertidor bidire<strong>cc</strong>ional doble puente sin bobina ................................................. 13<br />
Figura 2.2 Convertidor bidire<strong>cc</strong>ional basado en dos medios puentes ....................................... 15<br />
Figura 2.3 Convertidor puente completo bidire<strong>cc</strong>ional con esquema unificado para<br />
conmutaciones suaves y capacidad <strong>de</strong> arranque <strong>de</strong>s<strong>de</strong> tensión cero en modo elevador.... 17<br />
Figura 2.4 Convertidor Medio Puente y Push-Pull Bidire<strong>cc</strong>ional............................................. 18<br />
Figura 2.5 Convertidor Flyback bidire<strong>cc</strong>ional .......................................................................... 20<br />
Figura 3.1 Diagrama <strong>de</strong> bloques con los tres niveles <strong>de</strong> tensión V C , V bus y V B .......................... 28<br />
Figura 3.2 Esquema <strong>de</strong>l convertidor Reductor-Puente modo reductor ..................................... 29<br />
Figura 3.3 Formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l convertidor Reductor-Puente en modo reductor...................... 30<br />
Figura 3.4 Ganancia <strong>de</strong>l convertidor en modo reductor en función <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo d y para<br />
distintos valores <strong>de</strong> n TR ...................................................................................................... 31<br />
Figura 3.5 Circuito equivalente <strong>de</strong>l transformador para <strong>de</strong>terminar la corriente magnetizante 34<br />
Figura 3.6 Diagrama <strong>de</strong> bloques para estimar la corriente magnetizante I mag en TR................. 36<br />
Figura 3.7 Circuito para estimar indirectamente la corriente magnetizante (I mag ) .................... 36<br />
Figura 3.8 Señales <strong>de</strong>l circuito para estimar la corriente magnetizante en el transformador TR y<br />
para resetear el control <strong>de</strong>l convertidor ............................................................................. 38<br />
Figura 3.9 Convertidor Reductor-Puente con el transformador consi<strong>de</strong>rado como una ganancia<br />
constante ........................................................................................................................... 39<br />
Figura 3.10 a) Con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida C Bp referido en V p <strong>de</strong> TR b) Circuito equivalente <strong>de</strong>l<br />
convertidor para obtener la función <strong>de</strong> transferencia ........................................................ 40<br />
Figura 3.11 Diagrama <strong>de</strong> bloques para controlar el convertidor Reductor-Puente modo reductor<br />
.......................................................................................................................................... 41<br />
Figura 3.12 Diagrama <strong>de</strong> bloques <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador con los tres niveles <strong>de</strong><br />
tensión V B , V C y V bus .......................................................................................................... 42<br />
Figura 3.13 Circuito <strong>de</strong>l nuevo convertidor en modo elevador................................................. 43<br />
Figura 3.14 Circuito equivalente para la etapa <strong>de</strong> arranque en modo elevador......................... 45<br />
Figura 3.15 Formas <strong>de</strong> onda en el arranque <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador........................ 46<br />
Figura 3.16 Ganancia <strong>de</strong>l convertidor en el arranque <strong>de</strong>l modo elevador................................. 47<br />
Figura 3.17 Convertidor en modo elevador, etapa permanente ó normal ................................. 50<br />
Figura 3.18 Formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l convertidor etapa permanente o normal, modo elevador....... 50<br />
Figura 3.19 Ganancia <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador para la etapa permanente o normal k N<br />
en función <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo y para distintas n TR ........................................................... 51<br />
V
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Figura 3.20 Ganancia <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador, etapa <strong>de</strong> arranque y etapa permanente<br />
.......................................................................................................................................... 53<br />
Figura 3.21 Ganancia <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador, etapa <strong>de</strong> arranque y etapa permanente<br />
separadas y con distinta relación <strong>de</strong> transformación n TR ................................................... 54<br />
Figura 3.22 Circuito electrónico para <strong>de</strong>terminar la señal “M” a partir <strong>de</strong> un comparador con<br />
histéresis <strong>de</strong> dos niveles <strong>de</strong> tensión y <strong>de</strong> un circuito combinacional................................. 56<br />
Figura 3.23 Activación <strong>de</strong> la señal lógica <strong>de</strong> control “M” en función <strong>de</strong> los niveles <strong>de</strong> tensión<br />
V B y V C y con el circuito comparador <strong>de</strong> dos niveles <strong>de</strong> tensión....................................... 56<br />
Figura 3.24 Diagrama <strong>de</strong> bloques para el control <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador............... 62<br />
Figura 3.25 Convertidor Reductor-Puente Bidire<strong>cc</strong>ional.......................................................... 63<br />
Figura 3.26 Control <strong>de</strong>l convertidor Reductor-Puente Bidire<strong>cc</strong>ional........................................ 72<br />
Figura 3.27 Pulsos <strong>de</strong> control <strong>de</strong>l convertidor Reductor-Puente Bidire<strong>cc</strong>ional en Modo<br />
Reductor............................................................................................................................ 73<br />
Figura 3.28 Pulsos <strong>de</strong> control <strong>de</strong>l convertidor Reductor-Puente Bidire<strong>cc</strong>ional en Modo<br />
Elevador ............................................................................................................................ 73<br />
Figura 3.29 Esquema eléctrico <strong>de</strong>l circuito <strong>de</strong> disparo para los MOSFETs M1 y M2.............. 74<br />
Figura 3.30 Fotografía <strong>de</strong> la cara anterior y posterior <strong>de</strong>l circuito <strong>de</strong> disparo <strong>de</strong> M1 y M2...... 74<br />
Figura 3.31 Excursión <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo para distintos valores <strong>de</strong> n TR .................................. 78<br />
Figura 3.32 Máxima tensión <strong>de</strong> bloqueo para M3 - M6 y M11 en el convertidor Reductor-<br />
Puente Bidire<strong>cc</strong>ional ......................................................................................................... 79<br />
Figura 3.33 Pérdidas para 100kHz y n TR = 7............................................................................. 81<br />
Figura 3.34 Pérdidas para 100kHz y n TR = 12........................................................................... 81<br />
Figura 3.35 Aspecto <strong>de</strong>l 1 er prototipo a) Vista lateral <strong>de</strong>l convertidor en la que se aprecian los<br />
MOSFETs <strong>de</strong> potencia b) Vista superior en la que se aprecian el transformador TR<br />
(izquierda arriba) y la bobina L (<strong>de</strong>recha arriba)............................................................... 82<br />
Figura 3.36 Aspecto <strong>de</strong> la tarjeta <strong>de</strong> control con los controladores UC3825 y UC3823 <strong>de</strong> Texas<br />
Instrument. ........................................................................................................................ 83<br />
Figura 3.37 Etapa <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l prototipo experimental realizado con la topología Reductor-<br />
Puente Bidire<strong>cc</strong>ional ......................................................................................................... 83<br />
Figura 3.38 Señales <strong>de</strong> control para funcionar en modo reductor. Ch1(10V/div, 5µs/div) =<br />
V GSM1 , Ch2(10V/div, 5µs/div) = V GSM3 y 6 y Ch3(10V/div, 5µs/div) = V GSM4 y 5 ............... 85<br />
Figura 3.39 Señales <strong>de</strong> control y rectificación síncrona para el transformador en modo reductor.<br />
Ch1(10V/div, 5µs/div) = V GSM3 y 6 y Ch2(10V/div, 5µs/div) = V GSM4 y 5 Ch3(10V/div,<br />
5µs/div) = V GSM7 y 10 y Ch4(10V/div, 5µs/div) = V GSM8 y 9 ................................................ 86<br />
Figura 3.40 Señales <strong>de</strong>l convertidor en modo reductor. Ch1(20V/div, 5µs/div) = V GSM6 ,<br />
Ch2(10V/div, 5µs/div) = V GSM3 , Ch3(20V/div, 5µs/div) = V S , Ch4(2A/div, 5µs/div) = i L 88<br />
Figura 3.41 Rendimiento <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> potencia en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada y <strong>de</strong> la<br />
potencia <strong>de</strong> salida.............................................................................................................. 89<br />
Figura 3.42 Señales <strong>de</strong> control <strong>de</strong>l convertidor Reductor-Puente en modo elevador.<br />
Ch1(10V/div, 5µs/div) = V GSM7 y 10 , Ch2(10V/div, 5µs/div) = V GSM8 y 9 , Ch3(10V/div,<br />
5µs/div) = V GSM2 ............................................................................................................... 90<br />
Figura 3.43 Señales <strong>de</strong> control <strong>de</strong>l puente completo y señales <strong>de</strong> la rectificación síncrona.<br />
Ch1(10V/div, 5µs/div) = V GSM7 y 10 , Ch2(10V/div, 5µs/div) = V GSM8 y 9 , Ch3(10V/div,<br />
5µs/div) = V GSM3 y 6 , Ch4(10V/div, 5µs/div) = V GSM4 y 5 ................................................... 91<br />
VI
Índice <strong>de</strong> Figuras<br />
Figura 3.44 Arranque <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador. Ch1(20V/div, 500ms/div) = V GSM11 ,<br />
Ch2(100V/div, 500ms/div) = V C , Ch3(500mA/div, 500ms/div) = i L ................................ 92<br />
Figura 3.45 Arranque <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador. Ch1(20V/div, 500ms/div) = V GSM11 ,<br />
Ch2(100V/div, 500ms/div) = V C , Ch3(5A/div, 500ms/div) = i B ....................................... 92<br />
Figura 3.46 Régimen permanente en modo elevador. Ch1(2A/div, 10µs/div) = i L , Ch2(25V/div,<br />
10µs /div) = V s , Ch3(10A/div, 10µs /div) = i s , Ch4(10A/div, 10µs /div) = i p ................... 93<br />
Figura 3.47 Régimen permanente en modo elevador. Ch1(20V/div, 10µs/div) = V GSM2 ,<br />
Ch2(25V/div, 10µs /div) = V C , Ch4(2A/div, 10µs /div) = i L ........................................... 93<br />
Figura 3.48 Rendimiento <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> potencia en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada y <strong>de</strong> la<br />
potencia <strong>de</strong> salida.............................................................................................................. 94<br />
Figura 3.49 Aspecto <strong>de</strong> la tarjeta <strong>de</strong> control <strong>de</strong>l 2º prototipo.................................................... 96<br />
Figura 3.50 Fotografía <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l 2º prototipo. Al centro se observa la bobina<br />
L y a la <strong>de</strong>recha se observa el transformador <strong>de</strong> potencia TR............................................ 97<br />
Figura 3.51 Formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l 2º prototipo en Modo Reductor en un punto <strong>de</strong> operación .... 98<br />
Figura 3.52 Gráfica <strong>de</strong> rendimiento para 400V <strong>de</strong> entrada ..................................................... 101<br />
Figura 3.53 Gráfica <strong>de</strong> rendimiento para 350V <strong>de</strong> entrada ..................................................... 101<br />
Figura 3.54 Gráfica <strong>de</strong> rendimiento para 300V <strong>de</strong> entrada ..................................................... 102<br />
Figura 3.55 Gráfica <strong>de</strong> rendimiento para 260V <strong>de</strong> entrada ..................................................... 102<br />
Figura 3.56 formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l prototipo 2º en un punto <strong>de</strong> operación <strong>de</strong>l Modo levador..... 103<br />
Figura 3.57 Gráfica <strong>de</strong> rendimiento <strong>de</strong>l convertidor para V B = 16V y distintas tensiones <strong>de</strong><br />
salida V C en Modo Elevador ........................................................................................... 106<br />
Figura 3.58 Gráfica <strong>de</strong> rendimiento <strong>de</strong>l convertidor para V B = 14V y distintas tensiones <strong>de</strong><br />
salida V C en Modo Elevador ........................................................................................... 106<br />
Figura 3.59 Gráfica <strong>de</strong> rendimiento <strong>de</strong>l convertidor para V B = 12V y distintas tensiones <strong>de</strong><br />
salida V C en Modo Elevador ........................................................................................... 107<br />
Figura 3.60 Gráfica <strong>de</strong> rendimiento <strong>de</strong>l convertidor para V B = 10V y distintas tensiones <strong>de</strong><br />
salida V C en Modo Elevador ........................................................................................... 107<br />
Figura 4.1 Convertidor puente completo con rectificador doblador <strong>de</strong> corriente.................... 116<br />
Figura 4.2 Formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l convertidor puente completo con rectificador doblador <strong>de</strong><br />
corriente Modo reductor ................................................................................................. 117<br />
Figura 4.3 Variación <strong>de</strong> la ganancia <strong>de</strong>l convertidor en función <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo y para<br />
distintos valores <strong>de</strong> n p ..................................................................................................... 118<br />
Figura 4.4 Mo<strong>de</strong>lo en pequeña señal <strong>de</strong>l convertidor puente completo con rectificador doblador<br />
<strong>de</strong> corriente en modo reductor aplicando la técnica <strong>de</strong> corriente promediada................. 120<br />
Figura 4.5 Diagrama <strong>de</strong> bloques <strong>de</strong> control para modo reductor ............................................ 121<br />
Figura 4.6 Puente completo con rectificador doblador <strong>de</strong> corriente, modo elevador.............. 123<br />
Figura 4.7 Formas <strong>de</strong> onda rectificador doblador <strong>de</strong> corriente elevador modo normal........... 124<br />
Figura 4.8 Ganancia <strong>de</strong>l rectificador doblador <strong>de</strong> corriente en modo elevador....................... 125<br />
Figura 4.9 a) Formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong> la fuente <strong>de</strong> tensión V DSM5 y <strong>de</strong> la fuente <strong>de</strong> corriente I L b)<br />
Circuito equivalente para la bobina c) Circuito equivalente para el con<strong>de</strong>nsador........... 126<br />
Figura 4.10 Puente completo con rectificador doblador <strong>de</strong> corriente, modo elevador............ 131<br />
Figura 4.11 Devanados auxiliares colocados en las bobinas L 1 y L 2 que se utilizan para el<br />
arranque <strong>de</strong>l convertidor ................................................................................................. 133<br />
Figura 4.12 Formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l Arranque I............................................................................ 134<br />
VII
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Figura 4.13 Formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l convertidor con "Arranque II"............................................. 138<br />
Figura 4.14 Intervalos <strong>de</strong> operación en "Arranque II"............................................................ 140<br />
Figura 4.15 Curvas <strong>de</strong> ganancia <strong>de</strong>l convertidor en el Arranque II consi<strong>de</strong>rando n p = 1 y para<br />
distintos valores <strong>de</strong> n f ...................................................................................................... 142<br />
Figura 4.16 Curvas <strong>de</strong> ganancia <strong>de</strong>l convertidor en el Arranque II consi<strong>de</strong>rando n f = 1 y para<br />
distintos valores <strong>de</strong> n p ..................................................................................................... 142<br />
Figura 4.17 Esquema <strong>de</strong>l circuito con el Arranque II para ser simulado en PSpice................ 145<br />
Figura 4.18 En or<strong>de</strong>n <strong>de</strong>scen<strong>de</strong>nte, Señal <strong>de</strong> control <strong>de</strong> M5, Tensión drenador fuente <strong>de</strong> M5,<br />
Corriente que fluye a través <strong>de</strong> L 1 y Corriente que fluye a través <strong>de</strong>l diodo Flyback D5 146<br />
Figura 4.19 En or<strong>de</strong>n <strong>de</strong>scen<strong>de</strong>nte, Tensión en primario <strong>de</strong>l transformador principal TR,<br />
Tensión aplicada a la bobina L 1 , Corriente magnetizante que fluye a través <strong>de</strong> TF1<br />
(corriente que crea el flujo Φ TF1 ) y Tensión drenador fuente <strong>de</strong> M5............................... 147<br />
Figura 4.20 Ganancia <strong>de</strong>l convertidor utilizando el Arranque I y consi<strong>de</strong>rando n f = 2n p ........ 153<br />
Figura 4.21 Ganancia <strong>de</strong>l convertidor utilizando el Arranque I y consi<strong>de</strong>rando n f ≠ 2n p ....... 155<br />
Figura 4.22 Ganancia <strong>de</strong>l convertidor utilizando el Arranque II y consi<strong>de</strong>rando n f = 2n p con lo<br />
que el convertidor en el arranque se comporta como un convertidor reductor................ 157<br />
Figura 4.23 Ganancia <strong>de</strong>l convertidor utilizando el Arranque II y consi<strong>de</strong>rando n f = n p con lo<br />
que el convertidor en el arranque se comporta como un convertidor Flyback................ 158<br />
Figura 4.24 Esquema <strong>de</strong>l convertidor puente completo cor rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
bidire<strong>cc</strong>ional ................................................................................................................... 160<br />
Figura 4.25 Valores que pue<strong>de</strong> adoptar n p para a) Modo reductor y b) Modo elevador ......... 170<br />
Figura 4.26 Valores <strong>de</strong> n f en función <strong>de</strong> n p y <strong>de</strong> las tensiones <strong>de</strong> operación para cumplir con la<br />
condición <strong>de</strong> bidire<strong>cc</strong>ionalidad en el convertidor............................................................ 171<br />
Figura 4.27 Tensión <strong>de</strong> bloqueo para los diodos D F1 y D F2 para los posibles valores <strong>de</strong> n p .... 172<br />
Figura 4.28 Tensión <strong>de</strong> bloqueo crítica en M5 y M6 para modo reductor y elevador ............ 173<br />
Figura 4.29 Tensión <strong>de</strong> bloqueo crítica en M5 y M6 para modo arranque (Flyback)............. 173<br />
Figura 4.30 Diagrama <strong>de</strong> bloques para el control en modo elevador...................................... 176<br />
Figura 4.31 Formas <strong>de</strong> onda para el modo elevador utilizando el Arranque II a partir <strong>de</strong> dos<br />
controladores UC3825 .................................................................................................... 177<br />
Figura 4.32 Aspecto <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l convertidor Puente completo y rectificador<br />
doblador <strong>de</strong> corriente ...................................................................................................... 178<br />
Figura 4.33 Etapa <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l prototipo experimental realizado con la topología puente<br />
completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente bidire<strong>cc</strong>ional........................................... 178<br />
Figura 4.34 Circuito disparador utilizado para MOSFETs <strong>de</strong> alta tensión (cara anterior y<br />
posterior <strong>de</strong> la placa <strong>de</strong>l disparador) ............................................................................... 180<br />
Figura 4.35 Señales <strong>de</strong> control para los MOSFETs <strong>de</strong> alta tensión Ch1=M1, Ch2=M2,<br />
Ch3=M3 y Ch4=M4........................................................................................................ 180<br />
Figura 4.36 Señales <strong>de</strong> control para la rectificación síncrona Ch1=M1, Ch2=M2, Ch3=M5 y<br />
Ch4=M6 .......................................................................................................................... 180<br />
Figura 4.37 (5µs/div) Ch1(10V/div) = Disparo en M1, Ch2(500V/div) = Tensión en V p ,<br />
Ch3(5A/div) = Corriente en L 1 Ch4(5A/div) = Corriente en L 2 ..................................... 181<br />
Figura 4.38 (5µs/div) Ch1(10V/div) = Disparo en M1, Ch2(500V/div) = Tensión en V p ,<br />
Ch3(10A/div) = Corriente en L 1 Ch4(10A/div) = Corriente en L 2 ................................. 181<br />
VIII
Índice <strong>de</strong> Figuras<br />
Figura 4.39 (10µs/div) Ch1(2A/div) = Corriente i p , Ch2(500V/div) = Tensión en V p ,<br />
Ch3(10A/div) = Corriente en L 1 Ch4(10A/div) = Corriente en L 2 ................................. 182<br />
Figura 4.40 Rendimiento <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> potencia en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada y <strong>de</strong> la<br />
potencia <strong>de</strong> salida............................................................................................................ 183<br />
Figura 4.41 Etapa <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l prototipo experimental realizado con la topología puente<br />
completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente para funcionar permanentemente con el<br />
Arranque II...................................................................................................................... 184<br />
Figura 4.42 Señales <strong>de</strong> control para funcionar permanentemente en el arranque. Ch1(10V/div,<br />
2µs/div) = V GSM5 , Ch2(10V/div, 2µs/div) = V GSM6 ......................................................... 185<br />
Figura 4.43 Señales <strong>de</strong>l convertidor al funcionar permanentemente en el arranque. Ch1<br />
(20V/div, 2µs/div) = V GSM5 , Ch2 (20V/div, 2µs/div) = V DSM5 , Ch3 (2A/div, 5µs/div) = i L1 ,<br />
Ch4 (500mA/div, 5µs/div) = i DF1 .................................................................................... 186<br />
Figura 4.44 Señales <strong>de</strong>l convertidor para d = 45%. Ch1 (20V/div, 2µs/div) = V GSM5 , Ch2<br />
(50V/div, 2µs/div) = V DSM5 , Ch3 (5A/div, 5µs/div) = i L1 , Ch4 (500mA/div, 5µs/div) = i DF1<br />
........................................................................................................................................ 187<br />
Figura 4.45 Señales <strong>de</strong>l convertidor para d = 51%. Ch1 (20V/div, 2µs/div) = V GSM5 , Ch2<br />
(50V/div, 2µs/div) = V DSM5 , Ch3 (5A/div, 5µs/div) = i L1 , Ch4 (500mA/div, 5µs/div) = i DF1<br />
........................................................................................................................................ 187<br />
Figura 4.46 Rendimiento <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> potencia en función <strong>de</strong> la potencia <strong>de</strong> salida............ 189<br />
Figura 4.47 Etapa <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l prototipo experimental realizado con la topología puente<br />
completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente para funcionar permanentemente en modo<br />
elevador........................................................................................................................... 190<br />
Figura 4.48 Transición <strong>de</strong>l convertidor <strong>de</strong>l Arranque al modo Normal <strong>de</strong> operación<br />
Ch1(100V/div, 500ms/div) = V C , Ch2(5A/div, 500ms/div) = i B ..................................... 191<br />
Figura 4.49 Corriente en las bobinas L 1 y L 2 para la transición <strong>de</strong>l convertidor Ch1(100V/div,<br />
500ms/div) =V C , Ch3(5A/div, 500ms/div) = i L1 Ch4(5A/div, 500ms/div) = i L1 .............. 192<br />
Figura 4.50 Formas <strong>de</strong> onda en modo elevador normal Ch1(500V/div, 5µs/div) = Vp,<br />
Ch2(2A/div, 5µs/div) = i p Ch3(5A/div, 5µs /div) = i L1 , Ch4(5A/div, 5µs /div) = i L2 ...... 193<br />
Figura 4.51 Rendimiento <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> potencia en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada y <strong>de</strong> la<br />
potencia <strong>de</strong> salida............................................................................................................ 194<br />
IX
Índice <strong>de</strong> Tablas<br />
Índice <strong>de</strong> Tablas<br />
Tabla I Resumen <strong>de</strong> aspectos físicos <strong>de</strong> las topologías en el estado <strong>de</strong> la técnica .................... 22<br />
Tabla II Resumen y comparación cualitativa <strong>de</strong> las topologías bidire<strong>cc</strong>ionales ....................... 23<br />
Tabla III Ganancia <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador para la etapa <strong>de</strong> arranque y la etapa<br />
permanente o normal......................................................................................................... 52<br />
Tabla IV Tensiones <strong>de</strong> bloqueo en los componentes <strong>de</strong>l convertidor en modo reductor y modo<br />
elevador............................................................................................................................. 65<br />
Tabla V Especificaciones <strong>de</strong> diseño <strong>de</strong>l convertidor Reductor-Puente Bidire<strong>cc</strong>ional............... 75<br />
Tabla VI MOSFETs utilizados para el análisis <strong>de</strong> pérdidas en el convertidor.......................... 80<br />
Tabla VII Condiciones <strong>de</strong> corrientes, tensiones y rendimiento <strong>de</strong>l convertidor en Modo<br />
Reductor para la medida <strong>de</strong> las formas <strong>de</strong> onda en régimen permanente <strong>de</strong>l 1 er prototipo 87<br />
Tabla VIII Rendimientos medidos sobre el prototipo en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada y <strong>de</strong> la<br />
potencia <strong>de</strong> salida.............................................................................................................. 89<br />
Tabla IX Rendimientos medidos sobre el prototipo en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada y <strong>de</strong> la<br />
potencia <strong>de</strong> salida.............................................................................................................. 94<br />
Tabla X Rendimiento con 400V <strong>de</strong> entrada y distintas tensiones <strong>de</strong> salida .............................. 99<br />
Tabla XI Rendimiento con 350V <strong>de</strong> entrada y distintas tensiones <strong>de</strong> salida............................. 99<br />
Tabla XII Rendimiento con 300V <strong>de</strong> entrada y distintas tensiones <strong>de</strong> salida ......................... 100<br />
Tabla XIII Rendimiento con 260V <strong>de</strong> entrada y distintas tensiones <strong>de</strong> salida ........................ 100<br />
Tabla XIV Rendimiento con 16V <strong>de</strong> entrada y distintas tensiones <strong>de</strong> salida.......................... 104<br />
Tabla XV Rendimiento con 14V <strong>de</strong> entrada y distintas tensiones <strong>de</strong> salida ........................... 104<br />
Tabla XVI Rendimiento con 12V <strong>de</strong> entrada y distintas tensiones <strong>de</strong> salida.......................... 105<br />
Tabla XVII Rendimiento con 10V <strong>de</strong> entrada y distintas tensiones <strong>de</strong> salida......................... 105<br />
Tabla XVIII Comparación <strong>de</strong>l convertidor Reductor-Puente con el estado e la técnica......... 111<br />
Tabla XIX Comparación cualitativa <strong>de</strong>l convertidor Reductor-Puente con el estado <strong>de</strong> la<br />
técnica ............................................................................................................................. 112<br />
Tabla XX Parámetros para la simulación <strong>de</strong>l Arranque II ...................................................... 145<br />
Tabla XXI Tensión <strong>de</strong> salida <strong>de</strong>l convertidor para los distintos modos <strong>de</strong> operación............. 151<br />
Tabla XXII Ciclo <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong>l convertidor para los distintos modos <strong>de</strong> operación.............. 151<br />
Tabla XXIII Ganancia <strong>de</strong>l convertidor para los distintos modos <strong>de</strong> operación....................... 151<br />
Tabla XXIV Tensiones <strong>de</strong> bloqueo en los componentes <strong>de</strong>l convertidor ............................... 162<br />
Tabla XXV Tensiones críticas <strong>de</strong> bloqueo <strong>de</strong>l convertidor puente completo con rectificador<br />
doblador <strong>de</strong> corriente bidire<strong>cc</strong>ional................................................................................. 165<br />
Tabla XXVI Especificaciones <strong>de</strong> diseño <strong>de</strong>l convertidor Bidire<strong>cc</strong>ional Puente Completo y<br />
Rectificador Doblador <strong>de</strong> Corriente ................................................................................ 168<br />
Tabla XXVII Rendimientos medidos sobre el prototipo en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada y <strong>de</strong><br />
la potencia <strong>de</strong> salida ........................................................................................................ 183<br />
Tabla XXVIII Valores <strong>de</strong>l rendimiento <strong>de</strong>l convertidor operando <strong>de</strong> manera permanente en la<br />
etapa <strong>de</strong> arranque. Las tensiones son: V B =14V y V C = 100V ........................................ 188<br />
Tabla XXIX Valores con los que fueron tomadas las formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l convertidor para la<br />
transición <strong>de</strong>l modo arranque al modo normal................................................................ 190<br />
XI
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Tabla XXX Rendimientos medidos sobre el prototipo en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada y <strong>de</strong><br />
la potencia <strong>de</strong> salida ........................................................................................................ 194<br />
Tabla XXXI Comparación <strong>de</strong>l convertidor Puente completo y rectificador Doblador <strong>de</strong><br />
corriente con el estado e la técnica.................................................................................. 198<br />
Tabla XXXII Comparación cualitativa <strong>de</strong>l convertidor Puente completo y Rectificador<br />
doblador <strong>de</strong> corriente con el estado <strong>de</strong> la técnica............................................................ 199<br />
XII
Planteamiento y resumen <strong>de</strong> la tesis<br />
Planteamiento y resumen <strong>de</strong> la tesis<br />
La sustitución <strong>de</strong> los "Vehículos <strong>de</strong> Combustión Interna" (VCI) por "Vehículos<br />
Eléctricos" (VE) es una realidad que se está dando <strong>de</strong>s<strong>de</strong> hace algunos años. Esta<br />
sustitución se hace, entre otras cosas, con la intención <strong>de</strong> salvaguardar el medio<br />
ambiente y fomentar la utilización <strong>de</strong> las energías renovables. Este proceso <strong>de</strong> cambio<br />
no se dará <strong>de</strong> la noche a la mañana, sino que se prevé que durará a lo largo <strong>de</strong> los<br />
próximos años. Mientras esto ocurre, se está pasando por un período <strong>de</strong> transición en<br />
el cual <strong>de</strong>ben convivir la tecnología <strong>de</strong> los vehículos <strong>de</strong> combustión interna y la<br />
tecnología <strong>de</strong> los vehículos eléctricos, dando paso a su vez a un nuevo tipo <strong>de</strong><br />
vehículos llamados, "Vehículos Híbridos" (VH).<br />
Uno <strong>de</strong> los <strong>convertidores</strong> que integran los vehículos híbridos (VH) presenta unos<br />
requerimientos que, <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el punto <strong>de</strong> vista <strong>de</strong> la electrónica <strong>de</strong> potencia, son difíciles<br />
<strong>de</strong> satisfacer. De estos requerimientos, los más importantes y que se <strong>de</strong>ben consi<strong>de</strong>rar,<br />
para el diseño <strong>de</strong> esta nueva fuente <strong>de</strong> alimentación se mencionan a continuación:<br />
• Niveles <strong>de</strong> tensión. Es necesario introducir un bus <strong>de</strong> alta tensión <strong>de</strong> entre<br />
260V y 416V para los sistemas <strong>de</strong> arranque y tra<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong>l vehículo. Se<br />
conservan 12V para los sistemas <strong>de</strong> iluminación, frenado, aire acondicionado,<br />
control, etc.<br />
• Bidire<strong>cc</strong>ionalidad. La fuente <strong>de</strong> alimentación <strong>de</strong>be ser bidire<strong>cc</strong>ional para<br />
permitir que el flujo <strong>de</strong> energía vaya en ambos sentidos. Para arrancar el<br />
vehículo se toma energía <strong>de</strong> la batería <strong>de</strong> 12V para a su vez cargar un banco<br />
<strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores o alimentar un sistema <strong>de</strong> celdas <strong>de</strong> combustible (Fuel<br />
Cells); <strong>de</strong>spués se recarga la batería mientras el vehículo se encuentra en<br />
marcha, alimentado por el motor <strong>de</strong> explosión.<br />
• Aislamiento. Es necesario aislamiento galvánico entre los niveles <strong>de</strong> alta<br />
tensión (260V-420V) y baja tensión (12V) por seguridad.<br />
• Potencia. La potencia en los vehículos se ha incrementado notablemente,<br />
<strong>de</strong>mandando actualmente <strong>de</strong> 1kW a 1,5kW en promedio.<br />
XIII
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
• Tiempo <strong>de</strong> carga <strong>de</strong>l banco <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores. Si se utiliza un banco <strong>de</strong><br />
con<strong>de</strong>nsadores en el lado <strong>de</strong> alta tensión, éste se <strong>de</strong>be cargar en un tiempo<br />
muy reducido que ocasiona mayores esfuerzos <strong>de</strong> corriente en el convertidor.<br />
De los cinco requerimientos anteriores, se <strong>de</strong>duce que la sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> la topología para<br />
este tipo <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales no es nada sencilla, <strong>de</strong>bido a que se<br />
tienen que administrar corrientes <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> 125A en la batería. Este valor <strong>de</strong><br />
corriente promedio en la batería es muy elevado y <strong>de</strong>pendiendo <strong>de</strong> la topología que se<br />
utilice, se pue<strong>de</strong>n producir pérdidas muy elevadas por condu<strong>cc</strong>ión, ya que estas<br />
<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>n <strong>de</strong>l cuadrado <strong>de</strong> la corriente eficaz. De ahí la importancia para sele<strong>cc</strong>ionar<br />
a<strong>de</strong>cuadamente la topología o proponer nuevas topologías <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong><br />
bidire<strong>cc</strong>ionales, que sean capaces <strong>de</strong> manejar valores tan elevados <strong>de</strong> corriente y<br />
tensión causando un mínimo <strong>de</strong> pérdidas. Asimismo, conviene distinguir entre<br />
aplicaciones en que el bus <strong>de</strong> alta tensión esté soportado por un sistema <strong>de</strong> baterías o<br />
células <strong>de</strong> combustible o simplemente por con<strong>de</strong>nsadores. La diferencia es que estos<br />
últimos pue<strong>de</strong>n estar <strong>de</strong>scargados completamente. Las topologías, <strong>de</strong>pendiendo <strong>de</strong>l<br />
sistema que se tenga en el bus <strong>de</strong> alta tensión, pue<strong>de</strong>n ser diferentes para cada caso.<br />
El tema resulta <strong>de</strong> gran interés para la industria <strong>de</strong> la automoción, ya que en los<br />
últimos años se han propuesto algunas <strong>soluciones</strong> para resolver la problemática <strong>de</strong><br />
diseño <strong>de</strong> este nuevo tipo <strong>de</strong> fuentes <strong>de</strong> alimentación, aunque no existe una solución<br />
que sea claramente la que mejores prestaciones tenga.<br />
La presente Tesis doctoral se centra en el <strong>estudio</strong> y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong><br />
topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para satisfacer las<br />
necesida<strong>de</strong>s que se presentan en los Vehículos Híbridos (12V-400V). Se<br />
analizan y comparan cualitativamente las distintas <strong>soluciones</strong> existentes para<br />
esta aplicación y también se proponen dos nuevas topologías <strong>de</strong> convertidotes<br />
bidire<strong>cc</strong>ionales que satisfacen estos nuevos requerimientos. Se diseñan y<br />
construyen prototipos para validar la funcionalidad <strong>de</strong> estas nuevas topologías.<br />
En el primer capítulo, se presenta una breve introdu<strong>cc</strong>ión a los <strong>convertidores</strong><br />
bidire<strong>cc</strong>ionales, el modo <strong>de</strong> operación y algunas <strong>de</strong> las aplicaciones más comunes <strong>de</strong><br />
estos <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales. También se presenta una introdu<strong>cc</strong>ión a los<br />
sistemas <strong>de</strong> alimentación <strong>de</strong> los vehículos híbridos (VH) y la evolución <strong>de</strong>l consumo<br />
<strong>de</strong> potencia <strong>de</strong> los vehículos en los últimos años.<br />
XIV
Planteamiento y resumen <strong>de</strong> la tesis<br />
En el segundo capítulo, se muestra un resumen <strong>de</strong> las topologías <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong><br />
bidire<strong>cc</strong>ionales que se han presentado para aplicaciones <strong>de</strong> vehículos híbridos (VH) y<br />
algunas otras que por sus características pue<strong>de</strong>n ser validas para esta aplicación en<br />
particular. En este capítulo, se hace una valoración <strong>de</strong> las topologías que el autor<br />
consi<strong>de</strong>ra más relevantes.<br />
En el tercer capítulo, se presenta <strong>de</strong> manera original la primera topología <strong>de</strong><br />
convertidor bidire<strong>cc</strong>ional propuesta para esta aplicación. Esta topología, correspon<strong>de</strong> a<br />
un convertidor reductor seguido <strong>de</strong> un puente completo que opera al 50% cada una <strong>de</strong><br />
sus ramas. En este capítulo, se analiza el funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor en modo<br />
reductor, en modo elevador y la operación <strong>de</strong> la topología bidire<strong>cc</strong>ionalmente. Para<br />
cada una <strong>de</strong> las etapas <strong>de</strong> funcionamiento <strong>de</strong>l nuevo convertidor, se incluyen las<br />
ecuaciones <strong>de</strong> diseño y formas <strong>de</strong> onda correspondientes. Los resultados prácticos <strong>de</strong><br />
un prototipo experimental se incluyen para verificar el correcto funcionamiento <strong>de</strong><br />
este nuevo convertidor bidire<strong>cc</strong>ional.<br />
En el cuarto capítulo, también se presenta <strong>de</strong> manera original la segunda topología <strong>de</strong><br />
convertidor bidire<strong>cc</strong>ional propuesta. Esta topología, correspon<strong>de</strong> a un convertidor<br />
puente completo con rectificador doblador <strong>de</strong> corriente. Lo novedoso <strong>de</strong> ésta<br />
topología, es su funcionamiento como convertidor bidire<strong>cc</strong>ional y el sistema <strong>de</strong><br />
arranque implementado en modo elevador. En éste capítulo, se analiza el<br />
funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor en modo reductor, en modo elevador y la operación <strong>de</strong><br />
la topología bidire<strong>cc</strong>ionalmente. Al igual que para la primera topología, en cada una<br />
<strong>de</strong> las etapas <strong>de</strong> funcionamiento <strong>de</strong>l nuevo convertidor, se incluyen las ecuaciones <strong>de</strong><br />
diseño y formas <strong>de</strong> onda correspondientes. En esta nueva topología, <strong>de</strong>pendiendo <strong>de</strong>l<br />
sistema con el que se cuente en el bus <strong>de</strong> alta tensión (Celdas <strong>de</strong> combustible, baterías<br />
o con<strong>de</strong>nsadores), serán las consi<strong>de</strong>raciones que se hagan para que opere<br />
correctamente como convertidor elevador. La verificación <strong>de</strong>l modo <strong>de</strong><br />
funcionamiento, las ecuaciones <strong>de</strong> diseño y los resultados experimentales <strong>de</strong> un<br />
prototipo <strong>de</strong> laboratorio se presentan para validar esta nueva topología <strong>de</strong> convertidor<br />
bidire<strong>cc</strong>ional.<br />
En el quinto capítulo, se presentan las conclusiones y aportaciones <strong>de</strong>l trabajo <strong>de</strong> tesis<br />
realizado. Se incluyen también, las líneas futuras <strong>de</strong> investigación que a juicio <strong>de</strong>l<br />
autor resultaría interesante investigar a partir <strong>de</strong> este trabajo <strong>de</strong> tesis doctoral.<br />
XV
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Por último, se presentan las referencias <strong>de</strong> la tesis, y los anexos necesarios para el<br />
cálculo y diseño <strong>de</strong> los <strong>convertidores</strong> propuestos por el autor.<br />
XVI
Convertidores bidire<strong>cc</strong>ionales y su aplicación en los sistemas <strong>de</strong> alimentación <strong>de</strong> vehículos<br />
híbridos<br />
1 Convertidores bidire<strong>cc</strong>ionales y su aplicación<br />
en los sistemas <strong>de</strong> alimentación <strong>de</strong> vehículos<br />
híbridos<br />
La necesidad <strong>de</strong> reducir la contaminación y el consumo <strong>de</strong> combustibles carburantes,<br />
así como ofrecer nuevas prestaciones, ha dado paso a la utilización <strong>de</strong> una alternativa<br />
distinta al vehículo convencional, esta alternativa se trata <strong>de</strong> los vehículos híbridos [1]<br />
y [2]. Algunas empresas <strong>de</strong> automoción ya han sacado al mercado vehículos <strong>de</strong><br />
propulsión eléctrica pero que no han evolucionado con la velocidad <strong>de</strong>seada <strong>de</strong>bido a<br />
los elevados costos <strong>de</strong> fabricación <strong>de</strong> este nuevo tipo <strong>de</strong> vehículos [3].<br />
En éste capítulo se presenta una breve introdu<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> los <strong>convertidores</strong><br />
bidire<strong>cc</strong>ionales, su aplicación y problemática <strong>de</strong> diseño para ser implementados como<br />
fuentes <strong>de</strong> alimentación en vehículos híbridos y la evolución <strong>de</strong>l consumo <strong>de</strong> potencia<br />
en los vehículos en los últimos 30 años.<br />
1.1 Convertidores bidire<strong>cc</strong>ionales<br />
Un convertidor bidire<strong>cc</strong>ional es aquel que tiene la capacidad <strong>de</strong> transferir energía en<br />
ambos sentidos, es <strong>de</strong>cir, <strong>de</strong> la entrada a la salida y viceversa únicamente efectuando<br />
un cambio <strong>de</strong> sentido en la corriente. La mayoría <strong>de</strong> las topologías <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong><br />
continua-continua que existen con y sin aislamiento galvánico pue<strong>de</strong>n ser utilizadas<br />
como <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales, lo único que se <strong>de</strong>be hacer es sustituir el o los<br />
diodos rectificadores que se encuentren en la topología por transistores MOSFETs<br />
controlados que permitan el flujo <strong>de</strong> la corriente en ambas dire<strong>cc</strong>iones [4]. Esto<br />
permite que básicamente casi cualquier convertidor sea capaz <strong>de</strong> transferir energía en<br />
ambos sentidos <strong>de</strong> operación.<br />
1.1.1 Convertidor bidire<strong>cc</strong>ional sin aislamiento galvánico<br />
El ejemplo más sencillo <strong>de</strong> convertidor bidire<strong>cc</strong>ional sin aislamiento galvánico se<br />
explica con el convertidor reductor "Buck" (Figura 1.1) ya que al sustituir el diodo <strong>de</strong><br />
libre circulación D1 por un MOSFET M2, y controlar los disparos <strong>de</strong> ambos<br />
1
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
interruptores complementariamente (d 1 y d 2 ), se obtiene un convertidor bidire<strong>cc</strong>ional<br />
(Figura 1.2). En este convertidor bidire<strong>cc</strong>ional, si la corriente circula <strong>de</strong> V C hacia V B se<br />
transfiriere energía como en un convertidor reductor, si la corriente circula <strong>de</strong> V B hacia<br />
V C la energía se transfiere como en un convertidor elevador "Boost". Una <strong>de</strong> las<br />
aplicaciones que tiene este convertidor bidire<strong>cc</strong>ional, <strong>de</strong>pendiendo <strong>de</strong> las tensiones <strong>de</strong><br />
alimentación y <strong>de</strong> salida al igual que <strong>de</strong> la potencia, es <strong>de</strong> un cargador/<strong>de</strong>scargador <strong>de</strong><br />
batería para sistemas <strong>de</strong> satélite [5]. Este convertidor también es muy utilizado para<br />
aplicaciones <strong>de</strong> automoción en el sistema dual <strong>de</strong> baterías.<br />
M1<br />
L<br />
M1<br />
L<br />
V C<br />
d 1<br />
D1<br />
CB<br />
V B<br />
V C<br />
d 1<br />
d 2<br />
M2<br />
V B<br />
Figura 1.1 Convertidor reductor<br />
Figura 1.2 Convertidor reductor<br />
bidire<strong>cc</strong>ional<br />
1.1.2 Convertidor bidire<strong>cc</strong>ional con aislamiento galvánico<br />
Al igual que en el convertidor reductor, el ejemplo más sencillo con el que se ilustra el<br />
concepto <strong>de</strong> bidire<strong>cc</strong>ionalidad en los <strong>convertidores</strong> con aislamiento galvánico, se<br />
aplica al convertidor <strong>de</strong> retroceso "Flyback". En este convertidor al igual que en el<br />
convertidor reductor, basta con sustituir el diodo rectificador DF por un transistor MF<br />
para conseguir la bidire<strong>cc</strong>ionalidad [21]. La Figura 1.3 y Figura 1.4, muestran un<br />
convertidor <strong>de</strong> retroceso normal, y un convertidor <strong>de</strong> retroceso bidire<strong>cc</strong>ional<br />
respectivamente. En este caso, tanto para transferir energía <strong>de</strong> V C a V B como <strong>de</strong> V B a<br />
V C , el convertidor que resulta es un convertidor <strong>de</strong> retroceso "Flyback".<br />
2
Convertidores bidire<strong>cc</strong>ionales y su aplicación en los sistemas <strong>de</strong> alimentación <strong>de</strong> vehículos<br />
híbridos<br />
Lm<br />
1<br />
n F<br />
DF<br />
C B<br />
V B<br />
Lm<br />
1<br />
n F<br />
d 2<br />
MF<br />
V B<br />
V C<br />
V C<br />
M1<br />
d 1<br />
d 1<br />
M1<br />
Figura 1.3 Convertidor <strong>de</strong> retroceso<br />
"Flyback"<br />
Figura 1.4 Convertidor <strong>de</strong> retroceso<br />
"Flyback" bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Las aplicaciones <strong>de</strong> éste convertidor <strong>de</strong>pendiendo <strong>de</strong> las potencias y <strong>de</strong> las tensiones<br />
son muy diversas y van <strong>de</strong>s<strong>de</strong> cargadores <strong>de</strong> baterías, sistemas <strong>de</strong> alimentación<br />
ininterrumpidos, sistemas <strong>de</strong> cómputo, sistemas aeroespaciales y circuitos para control<br />
<strong>de</strong> motores [20].<br />
1.1.3 Convertidor bidire<strong>cc</strong>ional para altas potencias<br />
Los <strong>convertidores</strong> utilizados para manejar altas potencias son los <strong>convertidores</strong><br />
basados en las topologías <strong>de</strong> "Medio Puente", "Puente Completo" y Push-Pull. En<br />
[25]-[39] se encuentran topologías <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> diseñadas para alcanzar altos<br />
valores <strong>de</strong> potencia.<br />
Al igual que los <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales explicados en los apartados 1.1.1 y<br />
1.1.2, también los <strong>convertidores</strong> para altas potencias pue<strong>de</strong>n ser utilizados como<br />
<strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales. Se <strong>de</strong>be sustituir <strong>de</strong> igual forma, la etapa <strong>de</strong><br />
rectificación por interruptores que permitan el flujo <strong>de</strong> corriente en ambas dire<strong>cc</strong>iones.<br />
La Figura 1.5 muestra el esquema <strong>de</strong> un convertidor bidire<strong>cc</strong>ional <strong>de</strong> alta potencia, si<br />
la bobina se encuentra en la entrada <strong>de</strong>l convertidor, a éste se le llama "Convertidor<br />
alimentado en corriente", si la bobina se encuentra en la salida, entonces a éste<br />
convertidor se le llama "Convertidor alimentado en tensión".<br />
3
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
L<br />
L disp 1:n<br />
V B<br />
V C<br />
Figura 1.5 Convertidor bidire<strong>cc</strong>ional <strong>de</strong> alta potencia alimentado en corriente<br />
En éste caso, la Figura anterior muestra un convertidor alimentado en corriente,<br />
<strong>de</strong>bido a que la bobina se encuentra en la entrada (parte izquierda <strong>de</strong> la figura). Por la<br />
constru<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong>l mismo, se representa una inductancia <strong>de</strong> dispersión (L disp ) que es<br />
proporcionada por el transformador <strong>de</strong> la topología. Es <strong>de</strong>seable, que el lado <strong>de</strong>l<br />
convertidor que <strong>de</strong>ba administrar más corriente, sea el lado en el que esté colocada la<br />
bobina L.<br />
1.2 Sistema <strong>de</strong> distribución eléctrico en vehículos híbridos<br />
Usualmente, un vehículo propulsado por motores eléctricos, pue<strong>de</strong> estar alimentado<br />
por baterías, por celdas <strong>de</strong> combustible o por un banco <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong> alta<br />
tensión [4]. El sistema <strong>de</strong> distribución eléctrico en un vehículo híbrido básicamente<br />
esta formado por dos buses <strong>de</strong> tensión, uno <strong>de</strong> alto voltaje que varia <strong>de</strong> entre 260V y<br />
416V y otro <strong>de</strong> que varía entre 10V y 16V que normalmente funciona con una batería<br />
<strong>de</strong> 12V. La Figura 1.6 muestra el sistema clásico <strong>de</strong> distribución eléctrico en vehículos<br />
híbridos.<br />
4
Convertidores bidire<strong>cc</strong>ionales y su aplicación en los sistemas <strong>de</strong> alimentación <strong>de</strong> vehículos<br />
híbridos<br />
CELDAS DE<br />
COMBUSTIBLE<br />
BATERÍAS<br />
BANCO DE<br />
CONDENSADORES<br />
260V - 416V<br />
12V<br />
BATERÍA<br />
ACTIVACIÓN DE<br />
ALTA TENSIÓN<br />
INVERSOR<br />
CONVERTIDOR<br />
BIDIRECCIONAL<br />
ILUMINACIÓN<br />
CONTROL<br />
ELECTRÓNICO<br />
TRACCIÓN<br />
AMORTIGUACIÓN<br />
Y FRENADO<br />
DOBLE BUS<br />
Figura 1.6 Sistema <strong>de</strong> distribución eléctrico en vehículos híbridos<br />
El bus <strong>de</strong> alta tensión cuenta con un sistema <strong>de</strong> activación <strong>de</strong> la propia alta tensión, un<br />
inversor para controlar el sistema <strong>de</strong> tra<strong>cc</strong>ión y otras cargas <strong>de</strong> alta tensión. El bus <strong>de</strong><br />
baja tensión provee la energía a los sistemas <strong>de</strong> iluminación, sistemas <strong>de</strong> control,<br />
sistemas <strong>de</strong> amortiguamiento y frenado, etc. [7].<br />
1.2.1 Sistema <strong>de</strong> distribución basado en celdas <strong>de</strong> combustible (Fuel<br />
Cells)<br />
Las celdas <strong>de</strong> combustible son por ahora la opción más utilizada para formar parte <strong>de</strong>l<br />
sistema <strong>de</strong> alimentación <strong>de</strong> vehículos híbridos. Estas celdas <strong>de</strong> combustible o "Fuel<br />
Cells" generan energía eléctrica a través <strong>de</strong> un proceso electroquímico en el que<br />
intervienen hidrógeno y oxígeno resultando agua, la cual es más fácil <strong>de</strong> tratar a<br />
diferencia <strong>de</strong> la contaminación producida por la quema <strong>de</strong> carburantes. Directamente<br />
los niveles <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> las celdas <strong>de</strong> combustible van <strong>de</strong>s<strong>de</strong> 260V hasta 420V lo cual<br />
es idóneo para el funcionamiento <strong>de</strong>l sistema eléctrico <strong>de</strong>l vehículo híbrido. La Figura<br />
1.7 muestra una celda <strong>de</strong> combustible para el bus <strong>de</strong> alta tensión <strong>de</strong> un vehículo<br />
híbrido.<br />
5
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Figura 1.7 Celda <strong>de</strong> combustible para bus <strong>de</strong> alta tensión (Cortesía Ballard Power<br />
Systems)<br />
1.2.2 Sistema <strong>de</strong> distribución basado en baterías<br />
En la actualidad es posible tener baterías para vehículos híbridos, pero la mayoría <strong>de</strong><br />
ellas está en fase <strong>de</strong> investigación y <strong>de</strong>sarrollo. Los principales inconvenientes que<br />
presentan estas baterías son elevados costos, muy bajo rendimiento en sus celdas,<br />
elevada auto <strong>de</strong>scarga y la necesidad <strong>de</strong> una infraestructura para su reciclaje.<br />
1.2.3 Sistema <strong>de</strong> distribución basado en banco <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores<br />
"Ultra con<strong>de</strong>nsador"<br />
No menos importante es el sistema eléctrico <strong>de</strong>l vehículo híbrido basado en un banco<br />
<strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores. Éste al igual que las celdas <strong>de</strong> combustible y que las baterías, se<br />
encarga <strong>de</strong> almacenar la energía <strong>de</strong>l bus <strong>de</strong> alta tensión. A pesar <strong>de</strong> que el<br />
funcionamiento <strong>de</strong>l sistema eléctrico en los tres casos es básicamente el mismo, en el<br />
caso <strong>de</strong>l banco <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores existe un matiz importante que lo hace distinto <strong>de</strong> los<br />
otros. Esta diferencia consiste en que cada vez que arranca el vehículo, los<br />
con<strong>de</strong>nsadores se encuentran totalmente <strong>de</strong>scargados lo cual implica que se <strong>de</strong>be<br />
cargar este banco <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong>s<strong>de</strong> 0V hasta la tensión nominal <strong>de</strong>l bus <strong>de</strong><br />
alta tensión. Esto pue<strong>de</strong> ocasionar problemas si la topología que se utiliza es una<br />
topología elevadora o <strong>de</strong>rivada <strong>de</strong> ella, ya que con estas topologías se presentan<br />
valores <strong>de</strong> sobre corriente al cargar un banco <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores antes <strong>de</strong> llegar al<br />
régimen permanente don<strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> salida es mayor que la <strong>de</strong> entrada.<br />
6
Convertidores bidire<strong>cc</strong>ionales y su aplicación en los sistemas <strong>de</strong> alimentación <strong>de</strong> vehículos<br />
híbridos<br />
1.2.4 Modos <strong>de</strong> funcionamiento eléctrico <strong>de</strong> vehículos híbridos<br />
El sistema eléctrico <strong>de</strong> un Vehículo Híbrido (VH) tiene básicamente dos modos <strong>de</strong><br />
funcionamiento Modo Marcha y Modo Recarga. Estos modos <strong>de</strong> funcionamiento se<br />
refieren a la forma en que opera el convertidor bidire<strong>cc</strong>ional <strong>de</strong> la Figura 1.6 cuando el<br />
vehículo comienza a funcionar y la forma en la que <strong>de</strong>spués funciona una vez que el<br />
vehículo ya está en operación permanente.<br />
1.2.4.1 Modo Marcha<br />
Para que el sistema eléctrico <strong>de</strong> un Vehículo Híbrido se ponga en funcionamiento, lo<br />
<strong>de</strong>be hacer tomando energía <strong>de</strong> la batería <strong>de</strong> baja tensión. La manera <strong>de</strong> conseguirlo,<br />
es utilizando el convertidor que en éste caso eleva la tensión. La tensión llega hasta un<br />
nivel en el que el sistema eléctrico <strong>de</strong> alta tensión se pueda poner en marcha. Pue<strong>de</strong>n<br />
existir restri<strong>cc</strong>iones <strong>de</strong> tiempo <strong>de</strong> carga que dificulten el diseño <strong>de</strong>l convertidor.<br />
La puesta en marcha <strong>de</strong>l vehículo, también <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong>l tipo <strong>de</strong> sistema que se tenga<br />
en el lado <strong>de</strong> alta tensión (baterías, con<strong>de</strong>nsadores o celdas <strong>de</strong> combustible). A<br />
continuación se explica la puesta en marcha <strong>de</strong>l sistema en cada uno <strong>de</strong> los casos:<br />
• Puesta en marcha con celdas <strong>de</strong> combustible.- En el sistema que cuenta con<br />
celdas <strong>de</strong> combustible, el hidrógeno está almacenado en un contenedor a alta<br />
presión. Para inicializar éste sistema, la energía almacenada en la batería <strong>de</strong><br />
baja tensión es transferida al bus <strong>de</strong> alta tensión a través <strong>de</strong>l convertidor<br />
bidire<strong>cc</strong>ional. Con ésta transferencia <strong>de</strong> energía se pone a funcionar un<br />
compresor <strong>de</strong> aire que libera oxígeno a la celda <strong>de</strong> combustible. El oxígeno<br />
interactúa con el hidrógeno que provee el contenedor <strong>de</strong> alta presión y se<br />
genera el voltaje para el bus <strong>de</strong> alta tensión. Durante éste proceso, para poner<br />
en marcha el vehículo, la energía se transfiere <strong>de</strong>l bus <strong>de</strong> baja tensión hacia el<br />
bus <strong>de</strong> alta tensión y el convertidor funciona como un convertidor elevador<br />
"Boost".<br />
• Puesta en marcha con batería <strong>de</strong> alta tensión.- Aunque no se utiliza por<br />
ahora, utilizar batería en el lado <strong>de</strong> alta tensión sería una forma a<strong>de</strong>cuada <strong>de</strong><br />
operar el Vehículo Híbrido. Esta batería <strong>de</strong> alta tensión por si misma podría<br />
poner en marcha el vehículo. El convertidor solo se utilizaría en el caso <strong>de</strong> que<br />
7
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
la batería <strong>de</strong> alta tensión no tuviera la carga suficiente para conseguir poner en<br />
marcha el vehículo. Esta configuración resultaría muy cómoda, ya que al<br />
contar con batería en ambos lados <strong>de</strong>l convertidor, la topología que se utilice<br />
no tendría que trabajar con tensiones <strong>de</strong> salida <strong>de</strong> 0V.<br />
• Banco <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores (Ultra con<strong>de</strong>nsador).- Para el sistema que cuenta<br />
con un banco <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores, el funcionamiento es similar en cuanto a que<br />
la energía se toma <strong>de</strong> la batería <strong>de</strong> baja tensión. La diferencia consiste en<br />
cargar los con<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong> alta tensión <strong>de</strong>s<strong>de</strong> 0V hasta la tensión nominal.<br />
Aunque aparentemente el modo <strong>de</strong> funcionamiento es muy parecido, en<br />
realidad este proceso <strong>de</strong> cargar un banco <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores resulta más<br />
complicado <strong>de</strong> lo que parece. Esto se <strong>de</strong>be a que al utilizar una topología<br />
elevadora, la bobina se carga con la tensión <strong>de</strong> entrada, y se <strong>de</strong>scarga con la<br />
diferencia <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada y la tensión <strong>de</strong> salida. Si la tensión <strong>de</strong><br />
salida en el arranque vale 0V, significa que la corriente aumentará sin control<br />
cada ciclo <strong>de</strong> conmutación hasta que la tensión <strong>de</strong> salida alcance su valor<br />
nominal. Por lo tanto, para éste sistema <strong>de</strong> puesta en marcha <strong>de</strong>l vehículo, se<br />
<strong>de</strong>be incluir un mecanismo para cargar los con<strong>de</strong>nsadores y evitar que se<br />
presenten elevados estreses <strong>de</strong> corriente. Una problemática adicional que se<br />
presenta en el caso <strong>de</strong> utilizar con<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong> alta tensión, es que la carga<br />
<strong>de</strong> éstos, se <strong>de</strong>be hacer en muy poco tiempo (<strong>de</strong> 5 a 6 segundos aprox.), lo que<br />
obliga a aumentar los esfuerzos <strong>de</strong> corriente.<br />
1.2.4.2 Modo recarga<br />
Este modo <strong>de</strong> operación se presenta una vez que el vehículo ya ha inicializado su<br />
marcha y es movido por el motor <strong>de</strong> explosión. Una vez que el vehículo se pone en<br />
movimiento, existe una regeneración <strong>de</strong> energía por parte <strong>de</strong>l sistema mecánico <strong>de</strong>l<br />
vehículo que <strong>de</strong>vuelve energía tanto al bus <strong>de</strong> alta tensión como a la batería <strong>de</strong> baja<br />
tensión. En el caso <strong>de</strong> la recarga <strong>de</strong> la batería <strong>de</strong> baja tensión, se hace a través <strong>de</strong>l<br />
mismo convertidor que en un principio se utilizó para poner en marcha el vehículo.<br />
Este proceso <strong>de</strong> carga <strong>de</strong> la batería <strong>de</strong> baja tensión, obliga que el convertidor <strong>de</strong>ba ser<br />
bidire<strong>cc</strong>ional. Durante este proceso <strong>de</strong> carga <strong>de</strong> la batería <strong>de</strong> baja tensión, el<br />
convertidor funciona como un convertidor reductor "Buck".<br />
8
Convertidores bidire<strong>cc</strong>ionales y su aplicación en los sistemas <strong>de</strong> alimentación <strong>de</strong> vehículos<br />
híbridos<br />
1.3 Evolución <strong>de</strong>l consumo <strong>de</strong> potencia en los vehículos<br />
La evolución <strong>de</strong>l consumo <strong>de</strong> potencia en los vehículos normales se ha incrementado<br />
notablemente en las últimas décadas. Éste incremento, se <strong>de</strong>be principalmente al<br />
incluir en los vehículos cada vez más elementos <strong>de</strong> control y al sustituir los sistemas<br />
mecánicos <strong>de</strong> frenado por sistemas electrónicos, al igual que la inye<strong>cc</strong>ión electrónica<br />
<strong>de</strong>l combustible (fuel injection). Otra causa que ha ocasionado que el consumo <strong>de</strong><br />
potencia haya incrementado, es la inclusión <strong>de</strong> elementos <strong>de</strong> comodidad como aire<br />
acondicionado, así como <strong>de</strong> sistemas <strong>de</strong> localización, entre otros [8] y [9].<br />
Es importante conocer la evolución y el consumo <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong> los vehículos para<br />
saber en torno a qué valores oscila el manejo <strong>de</strong> potencia que <strong>de</strong>be suministrar el<br />
convertidor bidire<strong>cc</strong>ional <strong>de</strong> los vehículos híbridos (sin incluir el consumo <strong>de</strong> los<br />
motores eléctricos). La Figura 1.8 muestra la evolución <strong>de</strong>l consumo <strong>de</strong> los vehículos<br />
y la ten<strong>de</strong>ncia en los últimos 30 años.<br />
Potencia (W)<br />
Año<br />
Figura 1.8 Evolución <strong>de</strong> potencia en vehículos [8]<br />
1.4 Problemática <strong>de</strong>l bus <strong>de</strong> baja tensión y alta potencia<br />
De la Figura 1.8 se observa que la potencia promedio que <strong>de</strong>be proporcionar el<br />
convertidor bidire<strong>cc</strong>ional <strong>de</strong>be ser <strong>de</strong> entre 1,5kW y 2kW lo que ocasiona que por el<br />
bus <strong>de</strong> baja tensión circulen corrientes <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> entre 125A y 166A que pue<strong>de</strong>n<br />
9
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
producir elevadas pérdidas por condu<strong>cc</strong>ión ya que éstas <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>n <strong>de</strong>l cuadrado <strong>de</strong> la<br />
corriente. Estas características <strong>de</strong> funcionamiento, hacen que la ele<strong>cc</strong>ión y diseño <strong>de</strong> la<br />
topología a utilizar para manejar estos valores tan elevados <strong>de</strong> corriente no sea tan<br />
sencillo ni tan evi<strong>de</strong>nte como en algunas otras aplicaciones <strong>de</strong> menor potencia como<br />
en los casos <strong>de</strong> los apartados 1.1.1 y 1.1.2. A<strong>de</strong>más, esa topología, <strong>de</strong>be <strong>de</strong> trabajar<br />
con tensiones muy altas, manteniendo un rendimiento razonable.<br />
1.5 Motivación <strong>de</strong> la tesis<br />
Aunque lentamente, los vehículos híbridos van apareciendo en los mercados<br />
mundiales, algunas empresas <strong>de</strong> automoción han sacado ya al mercado mo<strong>de</strong>los <strong>de</strong><br />
Vehículos Híbridos (VH) como Honda y Toyota. Sin embargo, los <strong>estudio</strong>s y mejoras<br />
<strong>de</strong> los sistemas <strong>de</strong> alimentación siguen avanzando y proponiendo nuevos esquemas <strong>de</strong><br />
<strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales para ser implementados en éste tipo <strong>de</strong> vehículos. Sólo<br />
pocas <strong>soluciones</strong> se han propuesto en los últimos años tal como lo reflejan las<br />
publicaciones que se hacen en los congresos más importantes <strong>de</strong> electrónica <strong>de</strong><br />
potencia. En los últimos años, en congresos como APEC y PESC, se han abierto<br />
sesiones especiales <strong>de</strong>dicadas a los temas relacionados con la automoción. Lo anterior<br />
indica, que el tema que se esta tratando es <strong>de</strong> actualidad, y que aportaciones que se<br />
hagan al respecto pue<strong>de</strong>n resultar muy interesantes <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el punto <strong>de</strong> vista <strong>de</strong> la<br />
innovación tecnológica.<br />
Problemas aún sin resolver, como lo son encontrar topologías bidire<strong>cc</strong>ionales que sean<br />
capaces <strong>de</strong> manejar altas potencias y que cuenten con aislamiento galvánico para<br />
separar los niveles <strong>de</strong> alta y baja tensión. Topologías que puedan funcionar<br />
correctamente con un banco <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong> alta tensión, y que sirvan para<br />
trabajar con niveles <strong>de</strong> tensión tan dispares como lo es en esta aplicación en particular,<br />
hacen que el <strong>estudio</strong> <strong>de</strong> esta aplicación en particular resulte altamente interesante.<br />
Por las razones anteriores, en la presente tesis se propone un ESTUDIO Y<br />
ANÁLISIS DE SOLUCIONES TOPOLÓGICAS DE CONVERTIDORES CC -<br />
CC BIDIRECCIONALES PARA SU APLICACIÓN EN VEHÍCULOS<br />
HÍBRIDOS.<br />
10
Estado <strong>de</strong> la técnica en <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales aplicados a vehículos híbridos<br />
2 Estado <strong>de</strong> la técnica en <strong>convertidores</strong><br />
bidire<strong>cc</strong>ionales<br />
2.1 Introdu<strong>cc</strong>ión<br />
Tal como se explicó en el capitulo anterior, casi cualquier topología <strong>de</strong> convertidor<br />
unidire<strong>cc</strong>ional se pue<strong>de</strong> hacer bidire<strong>cc</strong>ional al cambiar los diodos que estén en la<br />
topología por interruptores controlados. En la actualidad, se han presentado distintas<br />
topologías <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales con aislamiento galvánico que pue<strong>de</strong>n ser<br />
utilizadas para las aplicaciones <strong>de</strong> Vehículos Híbridos (VH) [11]-[19]. En éste<br />
capítulo, se presentan las topologías más importantes consi<strong>de</strong>radas por el autor, <strong>de</strong><br />
éstas se explican las principales ventajas y <strong>de</strong>sventajas con las que cuenta cada una <strong>de</strong><br />
ellas.<br />
2.2 Repaso <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales<br />
Recor<strong>de</strong>mos que la fuente <strong>de</strong> alimentación para Vehículos Híbridos <strong>de</strong>be ser capaz <strong>de</strong><br />
trabajar con dos buses <strong>de</strong> tensión, uno <strong>de</strong> alto voltaje para celdas <strong>de</strong> combustible,<br />
baterías o un banco <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores, y un bus <strong>de</strong> bajo voltaje y alta corriente que es<br />
utilizado actualmente por las baterías <strong>de</strong> los coches.<br />
En éste apartado, se hace un repaso <strong>de</strong> las <strong>soluciones</strong> que hasta el día <strong>de</strong> hoy han sido<br />
propuestas <strong>de</strong> los <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales y que podrían ser utilizadas para VH.<br />
Este repaso, se hace principalmente con los siguientes criterios <strong>de</strong> revisión:<br />
• Tamaño.- El tamaño <strong>de</strong> la topología es importante, ya que <strong>de</strong>berá ir<br />
alojada <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> los vehículos.<br />
• Coste.- El coste es un elemento <strong>de</strong> comparación que resulta importante<br />
para industrializar. En éste trabajo <strong>de</strong> investigación, no se hace un <strong>estudio</strong><br />
exhaustivo <strong>de</strong> costes <strong>de</strong> los <strong>convertidores</strong>, sin embargo, se asume que a<br />
mayores elementos <strong>de</strong> control y <strong>de</strong> potencia, mayores resultaran los costos<br />
<strong>de</strong> una topología frente a otra <strong>de</strong> menores elementos.<br />
11
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
• Fiabilidad.- La fiabilidad, es un elemento que resulta muy importante a la<br />
hora <strong>de</strong> construir cualquier equipo electrónico. En ocasiones, se sacrifican<br />
el tamaño y el coste <strong>de</strong>l convertidor para asegurar una mayor fiabilidad.<br />
Dependiendo <strong>de</strong>l tipo <strong>de</strong> aplicación que se trate, la fiabilidad pue<strong>de</strong><br />
resultar el elemento <strong>de</strong> <strong>de</strong>cisión. En este caso, al tratarse <strong>de</strong> aplicaciones<br />
<strong>de</strong> automoción, y que es el convertidor para la fuente principal <strong>de</strong><br />
alimentación para el vehículo, es importante asegurar una alta fiabilidad<br />
<strong>de</strong>l funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor.<br />
• Complejidad <strong>de</strong> diseño.- Este apartado se refiere a la complejidad o<br />
sencillez que se tenga para diseñar fuente <strong>de</strong> alimentación, éste es un<br />
elemento <strong>de</strong> comparación subjetivo, ya que <strong>de</strong>pendiendo <strong>de</strong> la topología<br />
que se trate, pue<strong>de</strong> resultar más fácil o difícil el diseño <strong>de</strong>l convertidor.<br />
• Aislamiento.- En este resumen, solo se han consi<strong>de</strong>rado las topologías <strong>de</strong><br />
<strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales que tengan incluido aislamiento galvánico.<br />
• Rendimiento.- Este es un parámetro <strong>de</strong> comparación que pue<strong>de</strong> resultar<br />
<strong>de</strong>cisivo <strong>de</strong>pendiendo <strong>de</strong> la aplicación y <strong>de</strong> las potencias que se traten. De<br />
manera general, una topología que presente altos rendimientos, será mejor<br />
candidata que otra que tenga bajo rendimiento.<br />
A continuación se presentan las topologías <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales que el<br />
autor ha consi<strong>de</strong>rado más importantes <strong>de</strong> las que se encuentran en el estado <strong>de</strong> la<br />
técnica.<br />
2.2.1 Convertidor doble puente completo bidire<strong>cc</strong>ional sin bobina<br />
Este convertidor está propuesto por Kheraluwala et al.[11]. Fundamentalmente, éste<br />
autor propone construir un convertidor bidire<strong>cc</strong>ional utilizando dos puentes completos<br />
y un transformador. La característica principal <strong>de</strong> éste convertidor es que no tiene<br />
bobina, en este caso, la única impedancia inductiva que aparece en el convertidor<br />
aparte <strong>de</strong> la inductancia magnetizante <strong>de</strong>l transformador, es la inductancia <strong>de</strong><br />
dispersión con la que cuente el propio transformador. El flujo <strong>de</strong> energía se controla<br />
con ésta inductancia <strong>de</strong> dispersión, y la manera <strong>de</strong> hacerlo es implementando un<br />
control por <strong>de</strong>splazamiento <strong>de</strong> fase entre el puente <strong>de</strong>l primario y el puente <strong>de</strong>l<br />
12
Estado <strong>de</strong> la técnica en <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales aplicados a vehículos híbridos<br />
secundario y también variando la frecuencia. En la Figura 2.1 se muestra la topología<br />
<strong>de</strong>l convertidor doble puente sin bobina.<br />
Figura 2.1 Convertidor bidire<strong>cc</strong>ional doble puente sin bobina<br />
En el artículo que presenta el autor ésta topología, no menciona que tipo <strong>de</strong> aplicación<br />
se trata, y en ningún momento aborda la problemática que se pueda tener en el<br />
convertidor para funcionar en modo elevador, aunque parece un convertidor simétrico.<br />
Las principales ventajas <strong>de</strong> ésta topología son:<br />
• Reducida cantidad <strong>de</strong> elementos en el convertidor, ya que únicamente cuenta<br />
con los interruptores <strong>de</strong> ambos puentes y con dos filtros por con<strong>de</strong>nsador.<br />
• Las tensiones <strong>de</strong> estrés en los interruptores está fijada por las respectivas<br />
tensiones <strong>de</strong> entrada y <strong>de</strong> salida, esto permite sele<strong>cc</strong>ionar los mejores<br />
interruptores sin preocuparse por la relación <strong>de</strong> transformación u otro elemento<br />
que condicione la sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> los interruptores.<br />
• Facilidad para implementar el control <strong>de</strong>l convertidor al tratarse <strong>de</strong> un sistema<br />
dinámico <strong>de</strong> primer or<strong>de</strong>n.<br />
• Se pue<strong>de</strong>n tener conmutaciones a tensión cero (ZVS) para una razonable tensión<br />
<strong>de</strong> entrada y un amplio rango <strong>de</strong> carga <strong>de</strong> salida<br />
• Alta <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong> potencia, ya que esta topología ha sido utilizada por el autor en<br />
aplicaciones <strong>de</strong> <strong>de</strong>cenas <strong>de</strong> kilovatios.<br />
Las principales <strong>de</strong>sventajas encontradas en ésta topología son:<br />
13
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
• Complicado diseño <strong>de</strong>l transformador, ya que se tiene que utilizar alguna<br />
técnica avanzada para asegurar la obtención <strong>de</strong> la inductancia <strong>de</strong> dispersión<br />
<strong>de</strong>seada. Esto ocasiona que se tenga que pagar un alto costo en el diseño <strong>de</strong>l<br />
transformador.<br />
• Frecuencia variable lo cual supone mayores problemas <strong>de</strong> EMI y que a<strong>de</strong>más en<br />
algunas aplicaciones no se permite su utilización (por ejemplo en automoción).<br />
2.2.2 Convertidor doble medio puente bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Este convertidor está propuesto por Hiu Lu et al. [12]-[15]. Esta nueva topología <strong>de</strong><br />
convertidor bidire<strong>cc</strong>ional está basada en la utilización <strong>de</strong> dos <strong>convertidores</strong> <strong>de</strong> medio<br />
puente. En ésta topología, el autor preten<strong>de</strong> minimizar al máximo los elementos que se<br />
utilizan en un convertidor bidire<strong>cc</strong>ional con dos puentes completos. En ésta topología,<br />
se pue<strong>de</strong>n tener conmutaciones a tensión y corriente cero (ZVZCS). Con lo anterior es<br />
posible alcanzar altos rendimientos. Esta topología tiene una <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong> potencia<br />
mayor, ya que comparado con un convertidor puente completo, al entregar ambos<br />
<strong>convertidores</strong> la misma potencia, éste último tiene la mitad <strong>de</strong> componentes. El<br />
principio <strong>de</strong> funcionamiento <strong>de</strong> éste convertidor, al igual que el convertidor puente<br />
completo, consiste en controlar simétricamente los interruptores <strong>de</strong>l primario y <strong>de</strong>l<br />
secundario con ciclos <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong>l 50%. Al hacer esto, la entrada <strong>de</strong>l convertidor<br />
funciona como un convertidor elevador con ciclo <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong>l 50% imponiendo la<br />
tensión <strong>de</strong> entrada en cada uno <strong>de</strong> los con<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong>l primario. Después se utiliza<br />
control por <strong>de</strong>splazamiento <strong>de</strong> fase y variación <strong>de</strong> la frecuencia entre ambos medios<br />
puentes <strong>de</strong>l convertidor para conseguir variar la tensión <strong>de</strong> salida. Se utiliza la<br />
inductancia <strong>de</strong> dispersión <strong>de</strong>l transformador como único elemento para almacenar y<br />
transferir el flujo <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l convertidor <strong>de</strong>l primario al secundario. En la Figura<br />
2.2 se muestra la topología <strong>de</strong>l convertidor bidire<strong>cc</strong>ional basado en dos medios<br />
puentes.<br />
14
Estado <strong>de</strong> la técnica en <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales aplicados a vehículos híbridos<br />
Figura 2.2 Convertidor bidire<strong>cc</strong>ional basado en dos medios puentes<br />
El autor menciona que es factible utilizar esta nueva topología en aplicaciones <strong>de</strong><br />
Vehículos Híbridos que tengan un bus <strong>de</strong> alta tensión con celdas <strong>de</strong> combustible. Por<br />
lo tanto, no aborda ninguna problemática para el arranque <strong>de</strong>l convertidor cuando<br />
funciona en modo elevador., siendo esto necesario en aquellos casos en que el bus <strong>de</strong><br />
alta tensión es soportado por un banco <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores.<br />
De entre las principales ventajas <strong>de</strong> ésta topología se pue<strong>de</strong>n mencionar las siguientes:<br />
• Reducida cantidad <strong>de</strong> elementos en el convertidor, consiguiendo que el costo<br />
por componentes <strong>de</strong> potencia sea muy bajo<br />
• Se pue<strong>de</strong>n tener conmutaciones a tensión y corriente cero (ZVZCS) sin la<br />
necesidad <strong>de</strong> más elementos en el convertidor.<br />
• Alta <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong> potencia, ya que para la misma potencia que un puente<br />
completo, esta nueva topología ocupa mucho menor espacio.<br />
Las principales <strong>de</strong>sventajas encontradas en ésta topología son:<br />
• Los esfuerzos <strong>de</strong> tensión en los interruptores <strong>de</strong>l primario es dos veces la<br />
tensión <strong>de</strong> entrada, y en los interruptores <strong>de</strong>l secundario es dos veces la tensión<br />
<strong>de</strong> salida, esto supone una limitación a la hora <strong>de</strong> analizar las posibles<br />
aplicaciones <strong>de</strong>l convertidor.<br />
• Aunque el autor no lo menciona, es complicado el diseño <strong>de</strong>l transformador, ya<br />
que la inductancia <strong>de</strong> dispersión juega un papel importante en el diseño <strong>de</strong>l<br />
convertidor para el control <strong>de</strong>l flujo <strong>de</strong> energía <strong>de</strong>l primario al secundario.<br />
15
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
• Control complejo, ya que el autor sugiere la utilización <strong>de</strong> un procesador digital<br />
<strong>de</strong> señales (DSP)<br />
• Frecuencia variable lo cual supone mayores problemas <strong>de</strong> EMI e imposibilidad<br />
<strong>de</strong> emplearse en ciertos sistemas.<br />
2.2.3 Puente completo bidire<strong>cc</strong>ional con esquema unificado para<br />
conmutaciones suaves y capacidad <strong>de</strong> arranque <strong>de</strong>s<strong>de</strong> tensión<br />
cero en modo elevador<br />
Este convertidor está propuesto por Kunrong Wang et al.[16]-[17]. El convertidor<br />
bidire<strong>cc</strong>ional propuesto principalmente incorpora un esquema unificado para<br />
conseguir conmutaciones suaves. Una rama adicional formada por un interruptor y un<br />
con<strong>de</strong>nsador en serie que se utilizan para alcanzar conmutaciones suaves en ambas<br />
dire<strong>cc</strong>iones <strong>de</strong>l flujo <strong>de</strong> potencia. Cuando el convertidor opera en modo reductor, la<br />
topología alcanza conmutaciones a tensión y corriente cero (ZVZCS). Cuando el<br />
convertidor funciona en modo elevador, la misma rama para las conmutaciones suaves<br />
se utiliza para limitar el voltaje transitorio <strong>de</strong> pico en los interruptores. Al mismo<br />
tiempo el interruptor adicional consigue conmutación suave para sí mismo teniendo<br />
conmutación a tensión cero (ZVS). Esta topología tiene la capacidad <strong>de</strong> arrancar <strong>de</strong>s<strong>de</strong><br />
tensión cero en modo elevador a través <strong>de</strong> un <strong>de</strong>vanado auxiliar colocado en la bobina<br />
<strong>de</strong>l convertidor. Esta característica, hace <strong>de</strong> ésta topología idónea para aplicaciones <strong>de</strong><br />
Vehículos Híbridos en los que se tenga un bus <strong>de</strong> alta tensión con un banco <strong>de</strong><br />
con<strong>de</strong>nsadores. En la Figura 2.3 se muestra el esquema <strong>de</strong>l convertidor puente<br />
completo con rama auxiliar para conmutaciones suaves y con el <strong>de</strong>vanado auxiliar<br />
para conseguir arranque en modo elevador <strong>de</strong>s<strong>de</strong> tensión cero.<br />
16
Estado <strong>de</strong> la técnica en <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales aplicados a vehículos híbridos<br />
Figura 2.3 Convertidor puente completo bidire<strong>cc</strong>ional con esquema unificado para<br />
conmutaciones suaves y capacidad <strong>de</strong> arranque <strong>de</strong>s<strong>de</strong> tensión cero en modo elevador<br />
Este esquema <strong>de</strong> convertidor ha sido probado por los autores para una potencia <strong>de</strong><br />
salida <strong>de</strong> 5kW. La tensión <strong>de</strong> baja tensión que se utilizó correspon<strong>de</strong> con la tensión <strong>de</strong><br />
los coches (12V), esto significa que es una topología altamente idónea para<br />
aplicaciones <strong>de</strong> Vehículos Híbridos.<br />
De entre las principales ventajas <strong>de</strong> ésta topología se pue<strong>de</strong>n mencionar las siguientes:<br />
• Se pue<strong>de</strong>n tener conmutaciones a tensión y corriente cero (ZVZCS) en modo<br />
reductor y en modo elevador con el mismo interruptor auxiliar.<br />
• Capacidad <strong>de</strong> arranque <strong>de</strong>s<strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> salida cero en modo elevador.<br />
• Frecuencia <strong>de</strong> operación constante.<br />
• Elevado rendimiento para altas cargas.<br />
Las principales <strong>de</strong>sventajas encontradas en ésta topología son:<br />
• Muchos elementos en el convertidor que aumenta el coste.<br />
• Control complejo, ya que se utiliza un controlador PWM para modo reductor y<br />
dos más para conseguir el funcionamiento en modo elevador.<br />
17
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
2.2.4 Convertidor medio puente y push-pull bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Este convertidor está propuesto por Jain M. et al.[18]-[19]. Esta topología está<br />
básicamente integrada por un transformador <strong>de</strong> alta frecuencia, por un medio puente<br />
en un lado <strong>de</strong>l transformador y por una salida Push-Pull alimentada en corriente. Para<br />
evitar <strong>de</strong>sequilibrio <strong>de</strong> tensión en los con<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong>l Medio Puente, se adiciona un<br />
<strong>de</strong>vanado en el transformador con un arreglo <strong>de</strong> diodos. Este <strong>de</strong>vanado se utiliza<br />
también cuando el convertidor transfiere energía <strong>de</strong>l Push-Pull al Medio Puente, ya<br />
que por medio <strong>de</strong> éste se cargan simultánea y simétricamente los con<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong>l<br />
medio puente. En la Figura 2.4 se muestra el esquema <strong>de</strong>l convertidor Medio Puente y<br />
Push-Pull Bidire<strong>cc</strong>ional.<br />
Figura 2.4 Convertidor Medio Puente y Push-Pull Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Cuando el convertidor transfiere energía en modo elevador (<strong>de</strong>l Push-Pull al Medio<br />
Puente) y los con<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong>l Medio Puente están <strong>de</strong>scargados, se presenta el<br />
problema <strong>de</strong> sobre corriente en la bobina. Este problema es que la corriente <strong>de</strong> la<br />
bobina aumenta sin control hasta que la tensión <strong>de</strong> salida alcanza un valor aceptable <strong>de</strong><br />
tensión para po<strong>de</strong>r <strong>de</strong>smagnetizar la bobina y que por consiguiente la corriente<br />
disminuya. Para minimizar el aumento excesivo <strong>de</strong> corriente en el convertidor, el autor<br />
propone la utilización <strong>de</strong> una resistencia que disipe la corriente en forma <strong>de</strong> calor. Esta<br />
resistencia <strong>de</strong>be ir conectada en serie con la bobina para limitar la corriente <strong>de</strong><br />
arranque <strong>de</strong>l convertidor; una vez que el convertidor alcance una tensión a<strong>de</strong>cuada en<br />
los con<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong>l Medio Puente, esta resistencia, se cortocircuita con un<br />
interruptor para que el convertidor funcione <strong>de</strong> manera normal en modo elevador. Por<br />
esta razón, el autor propone el uso <strong>de</strong> ésta topología en aplicaciones <strong>de</strong> baja potencia,<br />
ya que en el arranque en modo elevador se tiene que <strong>de</strong>sechar una cantidad importante<br />
18
Estado <strong>de</strong> la técnica en <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales aplicados a vehículos híbridos<br />
<strong>de</strong> energía para el correcto arranque <strong>de</strong>l convertidor. En caso <strong>de</strong> utilizar la topología<br />
para mayor potencia, significaría per<strong>de</strong>r más potencia en el arranque <strong>de</strong>l convertidor.<br />
De entre las principales ventajas <strong>de</strong> ésta topología se pue<strong>de</strong>n mencionar las siguientes:<br />
• Topología <strong>de</strong> principio <strong>de</strong> funcionamiento muy sencillo<br />
• Topología compacta<br />
• Frecuencia constante<br />
Las principales <strong>de</strong>sventajas encontradas en ésta topología son:<br />
• No se pue<strong>de</strong> arrancar con tensión <strong>de</strong> salida cero en los con<strong>de</strong>nsadores. Se <strong>de</strong>be<br />
adicionar un elemento para disipar energía cuando el convertidor funciona en<br />
modo elevador. Al mismo tiempo, es necesario un mecanismo <strong>de</strong> activación y<br />
<strong>de</strong>sactivación <strong>de</strong> este elemento resistivo.<br />
• Es necesario adicionar otro <strong>de</strong>vanado en el transformador, lo cual hace más<br />
difícil su diseño.<br />
• La tensión en los interruptores <strong>de</strong>l Push-Pull es <strong>de</strong>l doble <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong><br />
salida.<br />
2.2.5 Convertidor Flyback bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Esta topología ha sido propuesta por varios autores como convertidor bidire<strong>cc</strong>ional<br />
[20], [21] y [24]. Esta topología sin duda es una <strong>de</strong> las más sencillas que se pue<strong>de</strong><br />
encontrar <strong>de</strong> las topologías con aislamiento galvánico. Está integrada por un<br />
transformador <strong>de</strong> alta frecuencia, por dos interruptores, uno en cada lado <strong>de</strong>l<br />
transformador y también por dos con<strong>de</strong>nsadores, uno para cada lado <strong>de</strong>l convertidor.<br />
El principio <strong>de</strong> funcionamiento <strong>de</strong> esta topología es muy sencillo, ya que almacena la<br />
energía en el transformador cada vez que se controla el ciclo <strong>de</strong> trabajo y la transfiere<br />
el resto <strong>de</strong>l tiempo. Este convertidor pue<strong>de</strong> funcionar en modo <strong>de</strong> condu<strong>cc</strong>ión continuo<br />
(MCC) y en modo <strong>de</strong> condu<strong>cc</strong>ión discontinuo (MCD). La manera <strong>de</strong> implementar el<br />
control es muy sencilla, pudiéndolo hacer con control por corriente promediada y con<br />
control por corriente <strong>de</strong> pico. Las aplicaciones con las que se relaciona a ésta<br />
topología, son con aplicaciones <strong>de</strong> mediana potencia (pocos cientos <strong>de</strong> vatios), ya que<br />
19
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
al trabajar con corrientes pulsantes en ambos lados <strong>de</strong>l transformador, ocasiona que se<br />
tengan corrientes eficaces muy gran<strong>de</strong>s causando altas pérdidas. En la Figura 2.5 se<br />
muestra la topología <strong>de</strong>l convertidor Flyback bidire<strong>cc</strong>ional.<br />
.<br />
.<br />
Figura 2.5 Convertidor Flyback bidire<strong>cc</strong>ional<br />
De entre las principales ventajas <strong>de</strong> ésta topología se pue<strong>de</strong>n mencionar las siguientes:<br />
• Reducida cantidad <strong>de</strong> elementos en la topología que hacen <strong>de</strong> ella una topología<br />
económica.<br />
• Ambos transistores están conectados a masa lo cual facilita su control.<br />
• Principio <strong>de</strong> funcionamiento muy sencillo, al igual que la implementación <strong>de</strong>l<br />
control.<br />
• Topología compacta que permite arrancar con con<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong>scargados en la<br />
salida<br />
Las principales <strong>de</strong>sventajas encontradas en ésta topología son:<br />
• Corrientes pulsantes en ambos lados <strong>de</strong>l transformador, causando elevadas<br />
pérdidas por condu<strong>cc</strong>ión.<br />
• Al mismo tiempo, no se pue<strong>de</strong> aplicar para valores elevados <strong>de</strong> potencia, ya que<br />
para mayores potencias mayores serán las corrientes eficaces <strong>de</strong>l convertidor.<br />
• La inductancia <strong>de</strong> dispersión, ejerce una influencia muy gran<strong>de</strong> en las<br />
conmutaciones <strong>de</strong>l convertidor, haciendo <strong>de</strong>l diseño <strong>de</strong>l transformador<br />
complicado.<br />
20
Estado <strong>de</strong> la técnica en <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales aplicados a vehículos híbridos<br />
2.3 Resumen y comparación<br />
En éste capítulo, se han presentado las topologías <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales que<br />
el autor ha consi<strong>de</strong>rado más importantes <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l estado <strong>de</strong> la técnica. Una breve<br />
<strong>de</strong>scripción <strong>de</strong>l principio <strong>de</strong> funcionamiento junto con las ventajas y <strong>de</strong>sventajas que<br />
presentan estos <strong>convertidores</strong> se presentó a lo largo <strong>de</strong>l capítulo. Al mismo tiempo, es<br />
importante hacer una valoración comparativa <strong>de</strong> estas topologías, sin embargo y<br />
<strong>de</strong>bido a que cada una <strong>de</strong> las topologías ha sido presentada para aplicaciones y<br />
potencias distintas, resulta difícil hacer una comparación rigurosa y cuantitativa. Por<br />
ello, se van a llevar a cabo, dos comparaciones <strong>de</strong> estas topologías. La primera <strong>de</strong> ellas<br />
se hace con los datos proporcionados por cada uno <strong>de</strong> los autores y con las<br />
características físicas <strong>de</strong> cada una <strong>de</strong> las topologías. La segunda comparación consiste,<br />
en una valoración cualitativa en base a las necesida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> las fuentes <strong>de</strong> alimentación<br />
para los Vehículos Híbridos.<br />
En la Tabla I, se muestran los aspectos físicos encontrados en cada una <strong>de</strong> las<br />
topologías <strong>de</strong>l estado <strong>de</strong> la técnica. En ésta tabla, se encuentran el número <strong>de</strong><br />
semiconductores, componentes magnéticos, frecuencia <strong>de</strong> conmutación, rendimiento y<br />
potencia <strong>de</strong> cada una <strong>de</strong> los circuitos mencionados. La tensión enclavada en<br />
MOSFETs se refiere a si la tensión drenador-fuente <strong>de</strong> los MOSFETs se ve aumentada<br />
por la inductancia <strong>de</strong> dispersión, que en aplicaciones <strong>de</strong> alta corriente es muy<br />
importante. Por ejemplo, esta tensión es constante para los interruptores <strong>de</strong> un puente<br />
completo in<strong>de</strong>pendientemente <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> salida y <strong>de</strong> la relación <strong>de</strong><br />
transformación que se escoja. No suce<strong>de</strong> así en un convertidor flyback, en el que ésta<br />
tensión <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> la relación <strong>de</strong> transformación y <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> salida.<br />
21
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Tabla I Resumen <strong>de</strong> aspectos físicos <strong>de</strong> las topologías en el estado <strong>de</strong> la técnica<br />
TOPOLOGIA<br />
Tensión en<br />
transistores<br />
AT/BT<br />
Frec.<br />
(kHz)<br />
Potencia<br />
(W)<br />
η (%)<br />
2.2.1 Doble puente<br />
completo sin bobina<br />
2.2.2 Doble medio<br />
puente<br />
2.2.3 Puente completo<br />
con ZVZCS<br />
2.2.4 Medio puente y<br />
push-pull<br />
2.2.5 Flyback<br />
bidire<strong>cc</strong>ional<br />
8 1 V C V B 50 (vble) 50000 90<br />
4 2 2V C 2V B 20 (vble) 1600 92<br />
9 2 V C 2V B 20 1600 94,5<br />
4 2 V C 2V B 100 200 91<br />
2 2 2V C 2V B 120 60 94<br />
En la tabla anterior, se pue<strong>de</strong>n observar las características generales <strong>de</strong> las topologías<br />
presentadas en el estado <strong>de</strong> la técnica. De ésta tabla, se observa que altas potencias y<br />
bajas frecuencias son manejadas por topologías formadas por Puentes completos y<br />
Medios puentes. Las topologías como el Flyback y el Medio puente con Push-Pull son<br />
utilizadas para bajas potencias y altas frecuencias <strong>de</strong>bido a sus bajos rendimientos en<br />
potencias altas (mas <strong>de</strong> 200W). Se observa que las topologías presentadas <strong>de</strong> manera<br />
general cuentan con 2 componentes magnéticos, a excepción <strong>de</strong> la topología<br />
presentada en 2.2.1 que tiene uno solo. Es importante resaltar las columnas que<br />
muestran los esfuerzos <strong>de</strong> tensión ya que <strong>de</strong> forma indirecta esto condiciona la<br />
aplicación en la que se utiliza cada convertidor.<br />
En la Tabla II, se presenta una valoración cualitativa (bueno, regular, malo) <strong>de</strong> las<br />
topologías bidire<strong>cc</strong>ionales <strong>de</strong> acuerdo a los criterios establecidos en el apartado (2.2).<br />
Esta valoración es <strong>de</strong> cara a las necesida<strong>de</strong>s que presentan los <strong>convertidores</strong> que son<br />
utilizados en aplicaciones <strong>de</strong> Vehículos Híbridos.<br />
22
Estado <strong>de</strong> la técnica en <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales aplicados a vehículos híbridos<br />
Tabla II Resumen y comparación cualitativa <strong>de</strong> las topologías bidire<strong>cc</strong>ionales<br />
TOPOLOGIA<br />
Tamaño<br />
Coste<br />
Fiabilidad<br />
Complejidad<br />
Rendimiento<br />
Arranque<br />
2.2.1 Doble puente<br />
completo sin bobina<br />
B R R M M R<br />
2.2.2 Doble medio<br />
puente<br />
B B B M R M<br />
2.2.3 Puente completo<br />
con ZVZCS<br />
M R M R B B<br />
2.2.4 Medio puente y<br />
push-pull<br />
R B B B R M<br />
2.2.5 Flyback<br />
bidire<strong>cc</strong>ional<br />
R B B B M B<br />
De la tabla anterior, se observa que no existe una sola topología que sea capaz <strong>de</strong><br />
satisfacer todos y cada uno <strong>de</strong> los aspectos que se clasifican para aplicaciones <strong>de</strong><br />
Vehículos Híbridos.<br />
La topologías que se pue<strong>de</strong> utilizar para más alta potencia (2.2.1) resulta muy<br />
compleja <strong>de</strong> diseñar <strong>de</strong>bido a la necesidad <strong>de</strong> controlar la inductancia <strong>de</strong> dispersión <strong>de</strong>l<br />
transformador ya que es ella quien controla el flujo <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l convertidor.<br />
A<strong>de</strong>más los rendimientos alcanzados no son muy altos.<br />
El Doble medio puente (2.2.2) también presenta dificulta<strong>de</strong>s en el diseño <strong>de</strong>l<br />
transformador y no permite el arranque suave <strong>de</strong>s<strong>de</strong> tensión nula. A<strong>de</strong>más los<br />
interruptores están muy estresados en tensión como se aprecia en la primera tabla <strong>de</strong><br />
este apartado.<br />
La topología <strong>de</strong>l puente completo con conmutaciones suaves y capacidad <strong>de</strong> arranque<br />
<strong>de</strong>s<strong>de</strong> tensión cero en modo elevador (2.2.3), es una topología que no resulta difícil <strong>de</strong><br />
diseñar, ya que su diseño es un diseño más típico en el que se diseña tanto bobina<br />
como transformador por separado y el flujo <strong>de</strong> energía se controla a través <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong><br />
trabajo <strong>de</strong>l convertidor. Otra ventaja es que permite el arranque <strong>de</strong>s<strong>de</strong> tensión nula. El<br />
23
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
principal inconveniente es la presencia <strong>de</strong> 9 interruptores, 4 <strong>de</strong> los cuales están<br />
sometidos a una tensión doble <strong>de</strong> la batería, lo que reduce la fiabilidad.<br />
La topología <strong>de</strong> Medio Puente con Push-Pull (2.2.4) y la topología <strong>de</strong>l convertidor<br />
Flyback bidire<strong>cc</strong>ional (2.2.5), aunque mirando los parámetros presentan un buen<br />
equilibrio no son topologías a<strong>de</strong>cuadas para manejar altas potencias. Estas topologías<br />
no son útiles para aplicaciones <strong>de</strong> media/alta potencia <strong>de</strong>bido a las corrientes pulsantes<br />
tanto en la entrada como en la salida. A<strong>de</strong>más, la topología formada por el medio<br />
puente y Push-Pull no tiene la capacidad <strong>de</strong> arrancar en modo elevador <strong>de</strong>s<strong>de</strong> tensión<br />
cero.<br />
Por tanto, la que el autor consi<strong>de</strong>ra más a<strong>de</strong>cuada es la presentada en el apartado 2.2.3.<br />
Las topologías que se presentan como novedosas en este trabajo (capítulos 3 y 4)<br />
tienen como característica fundamental el po<strong>de</strong>r trabajar <strong>de</strong> forma permanente con<br />
tensiones bajas (lo que se ha <strong>de</strong>nominado arranque en modo elevador). Posteriormente<br />
se proce<strong>de</strong>rá a la comparación con las presentadas en este capítulo.<br />
24
Estado <strong>de</strong> la técnica en <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales aplicados a vehículos híbridos<br />
2.4 Conclusiones<br />
En la actualidad, diferentes son los laboratorios <strong>de</strong> investigación en automoción que<br />
están interesados en encontrar nuevas topologías <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales para<br />
ser utilizados en aplicaciones <strong>de</strong> Vehículos Híbridos. La ten<strong>de</strong>ncia en las<br />
investigaciones es encontrar y diseñar nuevas topologías <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong><br />
bidire<strong>cc</strong>ionales, que sean capaces <strong>de</strong> satisfacer las necesida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> los VH. Estas<br />
topologías <strong>de</strong>berán ser sencillas, económicas y <strong>de</strong> altos rendimientos.<br />
Distintas son las topologías <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales que se pue<strong>de</strong>n encontrar<br />
hoy en día. Sin embargo, muy pocas <strong>de</strong> ellas son para aplicaciones <strong>de</strong> Vehículos<br />
Híbridos. Por esta razón, se hace un <strong>estudio</strong> y resumen <strong>de</strong> las más importantes que a<br />
juicio <strong>de</strong>l autor <strong>de</strong>ben ser consi<strong>de</strong>radas para esta aplicación. Del estado <strong>de</strong> la técnica,<br />
la topología que a juicio <strong>de</strong>l autor resulta más interesante para aplicaciones <strong>de</strong><br />
Vehículos Híbridos es:<br />
• Convertidor Puente completo bidire<strong>cc</strong>ional con esquema unificado para<br />
conmutaciones suaves (apartado 2.2.3) <strong>de</strong>bido a su relativa sencillez y alto<br />
rendimiento. El diseño <strong>de</strong> este convertidor resulta fácil al hacerse <strong>de</strong> manera<br />
típica en el que se calcula una bobina y un transformador los cuales se pue<strong>de</strong>n<br />
optimizar para alcanzar altos rendimientos. La utilización <strong>de</strong> un <strong>de</strong>vanado<br />
auxiliar es útil para conseguir el arranque <strong>de</strong>l convertidor <strong>de</strong>s<strong>de</strong> tensión cero<br />
en modo elevador.<br />
Se han revisado las <strong>soluciones</strong> <strong>de</strong>l estado <strong>de</strong> la técnica que han resultado más<br />
interesantes y que aportan algunas ventajas para la conversión CC-CC bidire<strong>cc</strong>ional.<br />
En los capítulos 3 y 4 <strong>de</strong> ésta doctoral se presentan, <strong>de</strong> manera original, dos nuevas<br />
topologías <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales, cada una <strong>de</strong> ellas con características que<br />
las hacen opciones interesantes y atractivas <strong>de</strong> cara a las aplicaciones <strong>de</strong> Vehículos<br />
Híbridos. Ambas topologías alcanzan altos rendimientos y tienen la capacidad <strong>de</strong><br />
arrancar en modo elevador con tensión cero <strong>de</strong> salida (sin sobrecorrientes), siendo está<br />
última característica lo que ha llevado a encontrar estas <strong>soluciones</strong><br />
25
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
3 Convertidor Reductor–Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
3.1 Introdu<strong>cc</strong>ión<br />
En éste capítulo se presenta <strong>de</strong> manera original una nueva topología <strong>de</strong> convertidor<br />
bidire<strong>cc</strong>ional basada en la asociación serie <strong>de</strong> un convertidor reductor más un<br />
convertidor puente completo. Este nuevo esquema <strong>de</strong> convertidor es capaz <strong>de</strong><br />
satisfacer las necesida<strong>de</strong>s que presentan las fuentes <strong>de</strong> alimentación <strong>de</strong> los vehículos<br />
híbridos (VH). Recor<strong>de</strong>mos que las necesida<strong>de</strong>s principales <strong>de</strong> estas fuentes <strong>de</strong><br />
alimentación son, trabajar con dos buses <strong>de</strong> tensión, uno <strong>de</strong> alta tensión y otro <strong>de</strong> baja<br />
tensión, proporcionar aislamiento galvánico, y ser capaz <strong>de</strong> arrancar en modo elevador<br />
<strong>de</strong>s<strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> salida cero para cargar un banco <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores o arrancar un<br />
sistema <strong>de</strong> celdas <strong>de</strong> combustible.<br />
Es importante mencionar, que éste trabajo <strong>de</strong> investigación está centrado en el <strong>estudio</strong><br />
y análisis <strong>de</strong> topologías <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales. Por lo tanto, en este capítulo,<br />
se presenta el análisis y resultados <strong>de</strong> una nueva topología <strong>de</strong> convertidor bidire<strong>cc</strong>ional<br />
que satisface los requerimientos <strong>de</strong> la fuente <strong>de</strong> alimentación <strong>de</strong> los vehículos híbridos<br />
(VH).<br />
Nota: No confundir modo reductor con convertidor reductor, ya que lo primero se<br />
refiere al modo <strong>de</strong> funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor al transferir energía <strong>de</strong>l bus<br />
<strong>de</strong> alta tensión (V C ) hacia el bus <strong>de</strong> baja tensión (V B ). En tanto que lo segundo se<br />
refiere a la topología conocida como convertidor reductor ó Buck.<br />
El esquema general en el que está basada la topología bidire<strong>cc</strong>ional, es el que se<br />
<strong>de</strong>scribe a continuación. Se trabaja con un bus <strong>de</strong> alta tensión (V C ), un nivel <strong>de</strong> tensión<br />
intermedio al que se conecta el puente completo, y este a su vez está conectado con el<br />
bus <strong>de</strong> baja tensión (V B ). El nivel <strong>de</strong> tensión intermedia V bus es directamente la salida<br />
<strong>de</strong>l convertidor reductor y tiene la ventaja <strong>de</strong> ser un nivel <strong>de</strong> tensión controlado. En la<br />
Figura 3.1 se muestra el diagrama <strong>de</strong> bloques <strong>de</strong>l esquema general <strong>de</strong> la topología. En<br />
éste esquema se aprecian, la presencia <strong>de</strong> tres niveles <strong>de</strong> tensión, bus <strong>de</strong> alta tensión<br />
(V C ), tensión intermedia (V bus ) y bus <strong>de</strong> baja tensión (V B ).<br />
27
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
V C<br />
REDUCTOR<br />
V bus<br />
PUENTE<br />
COMPLETO<br />
AL 50%<br />
V B<br />
Figura 3.1 Diagrama <strong>de</strong> bloques con los tres niveles <strong>de</strong> tensión V C , V bus y V B<br />
Debido a los distintos modos <strong>de</strong> control <strong>de</strong>l convertidor, se va a explicar en cada uno<br />
<strong>de</strong> los modos, el primero como convertidor reductor, el segundo como convertidor<br />
elevador y el último como convertidor bidire<strong>cc</strong>ional.<br />
3.2 Convertidor Reductor-Puente “Modo reductor”<br />
En éste apartado se hace el análisis <strong>de</strong> la nueva topología funcionando en modo<br />
reductor. Como se mencionó, éste nuevo esquema <strong>de</strong> convertidor está basado en un<br />
convertidor reductor seguido <strong>de</strong> un puente completo, etapa que proporciona<br />
aislamiento galvánico. La estructura que se utiliza para proporcionar aislamiento<br />
galvánico es un transformador con cuatro interruptores MOSFETs y una etapa<br />
rectificadora formada por un puente <strong>de</strong> diodos. Cada uno <strong>de</strong> los MOSFETs opera con<br />
ciclo <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong>l 50% lo que hace <strong>de</strong> ésta estructura <strong>de</strong> puente completo una simple<br />
ganancia que queda <strong>de</strong>terminada por la relación <strong>de</strong> transformación.<br />
3.2.1 Topología y formas <strong>de</strong> onda<br />
En la Figura 3.2 se muestra el esquema <strong>de</strong>l convertidor Reductor-Puente en modo<br />
reductor. El convertidor reductor esta integrado por C C , M1, D2, L y C bus cuya salida<br />
es la entrada <strong>de</strong>l puente completo. Por otra parte, el puente completo está integrado<br />
por cuatro MOSFETs M3 a M6, por el transformador TR, por el rectificador formado<br />
por los diodos D7 a D10 y por el con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida C B al que se conecta la carga<br />
<strong>de</strong> baja tensión.<br />
28
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
REDUCTOR<br />
L<br />
i L<br />
PUENTE COMPLETO AL 50%<br />
i B<br />
V C<br />
Cc<br />
M1<br />
D2<br />
V bus<br />
M3<br />
i c<br />
V L<br />
Vs<br />
M5<br />
i p<br />
Vp<br />
TR<br />
D7<br />
D9<br />
C B<br />
V B<br />
C bus<br />
n TR<br />
: 1<br />
M4<br />
M6<br />
D8<br />
D10<br />
Figura 3.2 Esquema <strong>de</strong>l convertidor Reductor-Puente modo reductor<br />
Las formas <strong>de</strong> onda que correspon<strong>de</strong>n a éste nuevo esquema <strong>de</strong> convertidor se<br />
muestran en la Figura 3.3. En ésta figura se aprecia que la frecuencia <strong>de</strong> conmutación<br />
<strong>de</strong>l transformador TR es la mitad <strong>de</strong> la frecuencia en la bobina L. También se aprecia,<br />
que al comportarse el transformador como una simple ganancia, la tensión que aparece<br />
en V B es directamente proporcional a V bus y a la relación <strong>de</strong> transformación n TR .<br />
29
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
M3 y M6<br />
t<br />
M4 y M5<br />
t<br />
V C – n TR V B<br />
V L<br />
-n TR V B<br />
i L<br />
V bus<br />
V p<br />
-V bus<br />
M1<br />
dT<br />
n TR V B<br />
t<br />
∆i<br />
t<br />
t<br />
-n TR V B<br />
t<br />
i p<br />
t<br />
T<br />
2T<br />
Figura 3.3 Formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l convertidor Reductor-Puente en modo reductor<br />
Si el convertidor opera en modo <strong>de</strong> condu<strong>cc</strong>ión continuo (MCC) y en régimen<br />
permanente, se aplica el balance voltios·segundos en la bobina L en un período <strong>de</strong><br />
conmutación, con esto se obtiene la ecuación (3.1) que <strong>de</strong>fine la tensión <strong>de</strong> salida V B<br />
en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada V C , ciclo <strong>de</strong> trabajo d y <strong>de</strong> la relación <strong>de</strong><br />
transformación n TR .<br />
Don<strong>de</strong>: 0 ≤ d ≤ 1<br />
VC<br />
VB = d<br />
(3.1)<br />
n<br />
En la ecuación (3.2), se <strong>de</strong>fine el factor k R que es la ganancia <strong>de</strong>l convertidor en modo<br />
reductor.<br />
TR<br />
30
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
V<br />
B<br />
k<br />
R<br />
= (3.2)<br />
VC<br />
Sustituimos (3.2) en la ecuación (3.1) para <strong>de</strong>finir la ganancia en función <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong><br />
trabajo y <strong>de</strong> la relación <strong>de</strong> vueltas n TR quedando:<br />
V d<br />
= (3.3)<br />
n<br />
B<br />
k<br />
R<br />
=<br />
VC<br />
En la Figura 3.4 se muestra la ecuación (3.3) en función <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo d y para<br />
distintos valores <strong>de</strong> n TR .<br />
1<br />
TR<br />
0,8<br />
Ganancia k R<br />
0,6<br />
0,4<br />
n TR = 1<br />
n TR = 2<br />
n TR = 3<br />
0,2<br />
n TR = 5<br />
n TR = 10<br />
0<br />
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo d<br />
Figura 3.4 Ganancia <strong>de</strong>l convertidor en modo reductor en función <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo d y<br />
para distintos valores <strong>de</strong> n TR<br />
En la figura anterior, se observa que la topología Reductor-Puente en modo reductor<br />
pue<strong>de</strong> alcanzar ganancias muy pequeñas para distintos valores <strong>de</strong> n TR . El valor <strong>de</strong>l<br />
ciclo <strong>de</strong> trabajo para distintos valores <strong>de</strong> n TR variar ampliamente <strong>de</strong>s<strong>de</strong> cero hasta el<br />
100%. Lo anterior significa que un amplio margen <strong>de</strong> tensiones <strong>de</strong> entrada pue<strong>de</strong><br />
alimentar al convertidor y tener una salida constante. Dependiendo <strong>de</strong> la aplicación<br />
31
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
que se trate, <strong>de</strong> ser posible, se <strong>de</strong>be sele<strong>cc</strong>ionar el número óptimo <strong>de</strong> vueltas n TR para<br />
producir las menores pérdidas en el convertidor.<br />
3.2.2 Funcionamiento en modo reductor<br />
El funcionamiento <strong>de</strong> éste convertidor en modo reductor se pue<strong>de</strong> explicar en dos<br />
partes. La primera correspon<strong>de</strong> a un convertidor reductor que es controlado por el<br />
ciclo <strong>de</strong> trabajo d en M1 y cuya salida es V bus . La segunda, es la que correspon<strong>de</strong> al<br />
puente completo alimentado en corriente formado por los interruptores M3 a M6 y el<br />
puente <strong>de</strong> diodos D7 a D10. Los MOSFETs están conmutando a la mitad <strong>de</strong> la<br />
frecuencia <strong>de</strong> M1 y siempre conducen el 50% cada una <strong>de</strong> las ramas <strong>de</strong>l puente. Con<br />
lo anterior se consigue que el transformador TR se comporte únicamente como una<br />
ganancia en continua que está <strong>de</strong>terminada por n TR .<br />
Debido a que la tensión <strong>de</strong> salida V B es inversamente proporcional a la relación <strong>de</strong><br />
transformación n TR y a V bus , al controlar el ciclo <strong>de</strong> trabajo d, se controla directamente<br />
la tensión <strong>de</strong> salida V B . Por lo tanto, el flujo <strong>de</strong> energía que va <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la entrada V C<br />
hacia la carga conectada en V B se controla directamente con el ciclo <strong>de</strong> trabajo d.<br />
3.2.2.1 C bus y disparos <strong>de</strong> control en el puente completo<br />
La presencia <strong>de</strong> C bus en el convertidor <strong>de</strong> la Figura 3.2 no es estrictamente necesaria.<br />
Se coloca para disminuir los efectos <strong>de</strong> la inductancia <strong>de</strong> dispersión que presenta el<br />
transformador TR sobre los MOSFETs M3 a M6. La presencia <strong>de</strong> éste con<strong>de</strong>nsador,<br />
ayuda a atenuar los esfuerzos <strong>de</strong> tensión que soportan estos interruptores al conseguir<br />
que se tenga una tensión en V bus mas limpia. Si el transformador TR es diseñado para<br />
que la inductancia <strong>de</strong> dispersión sea muy pequeña, no hace falta la colocación <strong>de</strong> este<br />
con<strong>de</strong>nsador.<br />
Sin embargo, la presencia o no <strong>de</strong>l con<strong>de</strong>nsador C bus condiciona el modo <strong>de</strong> controlar<br />
los interruptores <strong>de</strong>l puente completo M3 a M6. Si el con<strong>de</strong>nsador C bus no se coloca,<br />
los disparos <strong>de</strong> los interruptores <strong>de</strong>l puente completo se <strong>de</strong>ben solapar. Esto se hace<br />
para que la corriente <strong>de</strong> la bobina L siempre tenga un camino <strong>de</strong> circulación, <strong>de</strong> lo<br />
contrario se presentaría una tensión <strong>de</strong> pico que dañaría a estos MOSFETs. Por el<br />
contrario, si C bus es colocado, las señales <strong>de</strong> control <strong>de</strong>l puente completo no se <strong>de</strong>ben<br />
32
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
solapar y es en éste con<strong>de</strong>nsador en el que continúa circulando la corriente <strong>de</strong> la<br />
bobina cuando los interruptores <strong>de</strong>l puente están apagados.<br />
3.2.3 Corriente magnetizante en el transformador TR<br />
Una vez que el convertidor se encuentra en estado permanente <strong>de</strong> funcionamiento, es<br />
posible que las tensiones aplicadas al transformador no sean completamente simétricas<br />
(<strong>de</strong>l 50%). Esto se <strong>de</strong>be a pequeñas variaciones en los anchos <strong>de</strong> pulsos <strong>de</strong> los ciclos<br />
<strong>de</strong> trabajo, ya que estos no son completamente iguales. Esto pue<strong>de</strong> producir un<br />
<strong>de</strong>sequilibrio en la corriente magnetizante <strong>de</strong>l transformador <strong>de</strong> potencia TR, lo que en<br />
el peor caso produciría la saturación <strong>de</strong>l núcleo que equivale a un cortocircuito {∆i →<br />
∞}. Las resistencias parásitas <strong>de</strong>l circuito, tien<strong>de</strong>n a equilibrar el efecto <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>sequilibrio <strong>de</strong> la corriente, sin embargo si el <strong>de</strong>sequilibrio es muy gran<strong>de</strong> entonces<br />
se pue<strong>de</strong> saturar el transformador.<br />
Una solución habitual a este problema consiste en colocar un con<strong>de</strong>nsador serie que<br />
obliga a que la corriente media por el transformador sea nula. Sin embargo, cuando el<br />
convertidor maneja una corriente muy gran<strong>de</strong>, este con<strong>de</strong>nsador presenta muchas<br />
pérdidas a<strong>de</strong>más <strong>de</strong> ser muy voluminoso.<br />
En el prototipo se ha diseñado e implementado <strong>de</strong> manera original un circuito que<br />
previene la saturación <strong>de</strong>l núcleo. Este circuito se encarga <strong>de</strong> prevenir la saturación<br />
<strong>de</strong>l núcleo ciclo a ciclo <strong>de</strong> conmutación mediante el sensado directo <strong>de</strong> la corriente<br />
magnetizante y compararla con niveles preestablecidos <strong>de</strong> saturación <strong>de</strong>l<br />
transformador TR.<br />
Para estimar la corriente magnetizante <strong>de</strong>l transformador (I mag ), se utiliza el circuito<br />
equivalente más simple <strong>de</strong>l transformador. En la Figura 3.5 se muestra dicho circuito<br />
en el que se muestran las partes <strong>de</strong>l transformador y la corriente magnetizante que se<br />
va a medir.<br />
33
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
I`prim<br />
R<br />
n TR : 1 : 1 sec L sec<br />
R prim L prim<br />
I prim<br />
I mag<br />
V s<br />
V p<br />
L mag<br />
V AUX<br />
Figura 3.5 Circuito equivalente <strong>de</strong>l transformador para <strong>de</strong>terminar la corriente<br />
magnetizante<br />
Debido a que no es posible medir <strong>de</strong> una forma directa la corriente magnetizante en un<br />
transformador, se propone estimarla <strong>de</strong> forma indirecta y partiendo <strong>de</strong> algunas<br />
consi<strong>de</strong>raciones. La primera <strong>de</strong> ellas, es consi<strong>de</strong>rar que el convertidor se encuentra<br />
funcionando en estado estable. La segunda y más importante, es suponer y establecer<br />
la semejanza que existe entre la corriente promedio <strong>de</strong>l primario <strong>de</strong>l transformador<br />
(Î`prim ) con la corriente promedio magnetizante (Î mag ). Ambas corrientes promedio,<br />
<strong>de</strong>ben ser cero para asegurar que el flujo en el transformador se encuentre centrado y<br />
garantizar que el núcleo no se sature. Estas consi<strong>de</strong>raciones, nos permite hacer la<br />
siguiente igualación:<br />
Iˆ<br />
′ ≡ ˆ<br />
(3.4)<br />
prim<br />
I mag<br />
Lo anterior significa, que si se es capaz <strong>de</strong> estimar la corriente promedio en el<br />
primario <strong>de</strong>l transformador, al mismo tiempo se estima la corriente promedio<br />
magnetizante.<br />
La manera <strong>de</strong> medir ésta corriente promedio, es midiendo directamente en los<br />
terminales <strong>de</strong>l transformador para <strong>de</strong>terminar si existe alguna caída <strong>de</strong> tensión en la<br />
resistencia <strong>de</strong>l primario <strong>de</strong>l transformador (R prim ). Sí en los bornes <strong>de</strong>l primario <strong>de</strong>l<br />
transformador existe una caída <strong>de</strong> tensión positiva o negativa, significa que la<br />
corriente magnetizante se esta <strong>de</strong>sequilibrando, y el flujo aumenta positiva o<br />
negativamente. En la ecuación (3.5) se presenta la caída <strong>de</strong> tensión promedio que se<br />
presenta en el <strong>de</strong>vanado primario <strong>de</strong>l transformador, ya que es directamente<br />
proporcional a la resistencia <strong>de</strong>l primario <strong>de</strong>l transformador (R prim ).<br />
34
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Vˆ = Iˆ<br />
R<br />
(3.5)<br />
prim<br />
Despejando la corriente magnetizante queda:<br />
mag<br />
Vˆ<br />
prim<br />
prim<br />
Iˆ mag<br />
= (3.6)<br />
R<br />
prim<br />
Un <strong>de</strong>vanado auxiliar es necesario, para <strong>de</strong> éste <strong>de</strong>terminar el rizado <strong>de</strong> la corriente<br />
magnetizante y sumado con el valor promedio previamente calculado, tener entonces<br />
la estimación completa <strong>de</strong> la corriente magnetizante en el transformador. Para<br />
<strong>de</strong>terminar el rizado, se hace directamente midiendo la tensión en éste <strong>de</strong>vanado<br />
auxiliar (V AUX ) e integrándola. Con este <strong>de</strong>vanado auxiliar y la relación <strong>de</strong><br />
transformación n TR , se pue<strong>de</strong> medir la tensión que se aplica a la inductancia<br />
magnetizante (L mag ). A partir <strong>de</strong> la ecuación simple <strong>de</strong> la bobina, se tiene:<br />
Despejando la corriente queda:<br />
V<br />
AUX =<br />
L<br />
mag<br />
dI<br />
mag<br />
dt<br />
I<br />
mag<br />
1<br />
= ∫VAUX<br />
dt<br />
L<br />
mag<br />
(3.7)<br />
De la ecuación (3.7) se pue<strong>de</strong> observar, que si se integra la tensión auxiliar, se tiene el<br />
rizado <strong>de</strong> la corriente magnetizante. Previo a la integración <strong>de</strong> la tensión auxiliar, es<br />
necesario quitar el valor medio a la señal, ya que con la estimación <strong>de</strong> la corriente<br />
promedio es suficiente y únicamente resta conocer el rizado <strong>de</strong> la misma. La suma <strong>de</strong><br />
la corriente promedio y el rizado dan por resultado la corriente magnetizante completa<br />
y con ella se pue<strong>de</strong> conocer si la corriente magnetizante se <strong>de</strong>sequilibra pudiendo<br />
saturar al transformador, y si lo hace con flujo positivo o negativo.<br />
En la Figura 3.6 se muestra el diagrama <strong>de</strong> bloques para estimar la corriente<br />
magnetizante. La interpretación física <strong>de</strong> este diagrama <strong>de</strong> bloques correspon<strong>de</strong> a la<br />
corriente magnetizante <strong>de</strong>l transformador TR, aunque en realidad las señales que<br />
manejan los circuitos electrónicos (amplificadores operacionales), son señales <strong>de</strong><br />
tensión.<br />
35
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Figura 3.6 Diagrama <strong>de</strong> bloques para estimar la corriente magnetizante I mag en TR<br />
Figura 3.7 Circuito para estimar indirectamente la corriente magnetizante (I mag )<br />
El circuito que se utiliza para estimar la corriente magnetizante se muestra en la Figura<br />
3.7. En éste circuito, se aprecia la utilización <strong>de</strong> amplificadores operacionales para la<br />
medida <strong>de</strong>l valor promedio, para el rizado <strong>de</strong> la corriente y para la suma <strong>de</strong> ambas<br />
señales.<br />
36
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Analizando el circuito <strong>de</strong> la Figura 3.7, se observa que esta integrado por tres bloques<br />
distintos.<br />
• El bloque integrador está formado por:<br />
1.- Un filtro paso alto, que quita el valor medio <strong>de</strong> la tensión aplicada al<br />
transformador, <strong>de</strong>jando una onda cuadrada en el cuadrante positivo y<br />
negativo.<br />
2.- Un circuito integrador, que obtiene el rizado <strong>de</strong> la onda cuadrada sin valor<br />
medio. En la práctica el amplificador operacional que se va a utilizar para<br />
realizar el integrador <strong>de</strong>be ser elegido con mucha precaución ya que <strong>de</strong>be<br />
ser rápido y dar una salida en todo el rango <strong>de</strong> tensiones <strong>de</strong> alimentación<br />
(en esta aplicación se utilizó un LM6152).<br />
• El bloque que se encarga <strong>de</strong> medir el valor promedio <strong>de</strong> la corriente<br />
magnetizante, solo cuenta con:<br />
1.- Un filtro paso alto que tiene <strong>de</strong> entrada una tensión diferencial que se mi<strong>de</strong><br />
directamente en los bornes <strong>de</strong>l <strong>de</strong>vanado <strong>de</strong>l primario. Con este circuito, se<br />
obtiene el valor medio <strong>de</strong> la tensión en el primario <strong>de</strong>l transformador,<br />
interpretándose como el valor promedio <strong>de</strong> la corriente magnetizante. En<br />
este caso, el amplificador operacional que se usa <strong>de</strong>be ser <strong>de</strong> alta precisión<br />
y <strong>de</strong> muy bajo offset, por ser <strong>de</strong>cisiva la medida precisa <strong>de</strong>l valor medio<br />
(en ésta aplicación se ha utilizado el amplificador operacional OPA2277).<br />
• El tercer bloque esta formado por un circuito que se encarga <strong>de</strong> sumar el valor<br />
promedio <strong>de</strong> la corriente magnetizante con su rizado, ambos obtenidos con<br />
circuitos in<strong>de</strong>pendientes. De este modo se obtiene una estimación <strong>de</strong> la corriente<br />
magnetizante completa que fluye a través <strong>de</strong>l transformador TR.<br />
Una vez que se tiene estimada la corriente magnetizante <strong>de</strong>l transformador, se <strong>de</strong>be<br />
comparar con un nivel máximo positivo y con un nivel mínimo negativo y asegurar<br />
que ésta corriente no rebase estos límites <strong>de</strong> comparación. De lo contrario, se <strong>de</strong>be<br />
hacer una inversión en los disparos <strong>de</strong>l circuito <strong>de</strong> control <strong>de</strong>l puente completo, para<br />
evitar que el transformador <strong>de</strong>l convertidor se sature.<br />
37
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
En la Figura 3.8 se presentan las formas <strong>de</strong> onda que se obtienen <strong>de</strong>l circuito para<br />
medir la corriente magnetizante <strong>de</strong>l transformador. En este caso, únicamente se ha<br />
colocado una referencia para que se aprecie el funcionamiento <strong>de</strong>l circuito cuando<br />
existe un <strong>de</strong>sequilibrio (en este caso negativo) <strong>de</strong> la corriente magnetizante. En el<br />
Canal 1 se muestra la tensión medida en el <strong>de</strong>vanado auxiliar <strong>de</strong>l transformador<br />
(V AUX ), el Canal 2 muestra la corriente magnetizante estimada (I mag ) que es la salida<br />
<strong>de</strong>l circuito antes explicado. En el Canal 3, se presenta la señal “RESET” que se<br />
encargará <strong>de</strong> invertir el control <strong>de</strong>l convertidor, es <strong>de</strong>cir, que los pulsos <strong>de</strong> control en<br />
el puente completo se inviertan, para evitar la saturación <strong>de</strong>l transformador.<br />
V AUX<br />
I mag<br />
Señal <strong>de</strong><br />
RESET<br />
Figura 3.8 Señales <strong>de</strong>l circuito para estimar la corriente magnetizante en el<br />
transformador TR y para resetear el control <strong>de</strong>l convertidor<br />
3.2.4 Función <strong>de</strong> transferencia en modo reductor<br />
Cuando el convertidor Reductor-Puente funciona en modo reductor, éste se comporta<br />
como la asociación serie <strong>de</strong> un convertidor Reductor seguido <strong>de</strong> un convertidor puente<br />
completo con ciclo <strong>de</strong> trabajo constante <strong>de</strong>l 50% en cada una <strong>de</strong> sus ramas. De cara al<br />
control, éste convertidor se pue<strong>de</strong> consi<strong>de</strong>rar como un transformador i<strong>de</strong>al, el cual se<br />
pue<strong>de</strong> sustituir por una simple ganancia en continua fijada por la relación <strong>de</strong><br />
transformación. Lo anterior significa que, el comportamiento general <strong>de</strong>l convertidor,<br />
es como el <strong>de</strong> un convertidor reductor el cual tiene una ganancia constante entre el<br />
38
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
con<strong>de</strong>nsador C bus y el con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong>l bus <strong>de</strong> baja tensión C B . En la Figura 3.9 se<br />
muestra el convertidor Reductor-Puente con el puente completo consi<strong>de</strong>rado como una<br />
ganancia constante.<br />
i L<br />
L<br />
GANANCIA CONSTANTE<br />
i B<br />
TR<br />
V C<br />
C C<br />
M1<br />
D2<br />
C bus<br />
Vp<br />
Vs<br />
C B<br />
V B<br />
i c V L n TR : 1<br />
n TR<br />
: 1<br />
(PUENTE COMPLETO AL 50%)<br />
Figura 3.9 Convertidor Reductor-Puente con el transformador consi<strong>de</strong>rado como una<br />
ganancia constante<br />
Para simplificar el análisis y obtener con sencillez la función <strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong> éste<br />
nuevo convertidor, se sugiere colocar todas las impedancias en uno <strong>de</strong> los lados <strong>de</strong>l<br />
transformador. En este caso, la manera más sencilla <strong>de</strong> hacerlo es refiriendo el<br />
con<strong>de</strong>nsador C B hacia el lado V p <strong>de</strong>l transformador dado que es la única impedancia<br />
que se encuentra en la salida <strong>de</strong>l transformador. De este modo, el con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong><br />
salida C B referido en el lado V p <strong>de</strong>l transformador TR quedaría en paralelo con el<br />
con<strong>de</strong>nsador C bus <strong>de</strong>l convertidor reductor (Figura 3.10a). De estos dos con<strong>de</strong>nsadores,<br />
se obtendría uno solo (C EQ ) que sería el equivalente paralelo <strong>de</strong> ambos. En la Figura<br />
3.10b se muestra el circuito equivalente <strong>de</strong>l nuevo convertidor simplificado con el<br />
con<strong>de</strong>nsador equivalente C EQ .<br />
En este caso, dado que n TR esta en el lado V p <strong>de</strong>l transformador, al referir el<br />
con<strong>de</strong>nsador C B hacia éste lado <strong>de</strong>l transformador, lo hacemos partiéndolo por el<br />
cuadrado <strong>de</strong> n TR , resultando:<br />
C<br />
B<br />
C<br />
Bp<br />
= (3.8)<br />
( n ) 2<br />
El paralelo <strong>de</strong> ambos con<strong>de</strong>nsadores se calcula <strong>de</strong> la siguiente manera:<br />
EQ<br />
Bp<br />
TR<br />
C = C + C<br />
(3.9)<br />
bus<br />
39
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
i L<br />
L<br />
C EQ<br />
i L<br />
L<br />
V C<br />
C C<br />
M1<br />
D2<br />
i c V L Bp<br />
C bus<br />
C<br />
V bus<br />
V C<br />
C C<br />
i c V L C EQ<br />
M1<br />
D2<br />
V bus<br />
a)<br />
b)<br />
Figura 3.10 a) Con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida C Bp referido en V p <strong>de</strong> TR b) Circuito equivalente<br />
<strong>de</strong>l convertidor para obtener la función <strong>de</strong> transferencia<br />
La función <strong>de</strong> transferencia que resulta <strong>de</strong> este nuevo convertidor, es la <strong>de</strong> un<br />
convertidor reductor resultando ser:<br />
∆V<br />
∆d<br />
B<br />
= V<br />
C<br />
LC<br />
EQ<br />
· s<br />
1<br />
L<br />
+ · s + 1<br />
R<br />
2<br />
(3.10)<br />
Don<strong>de</strong> R es la resistencia <strong>de</strong> carga equivalente conectada en la salida <strong>de</strong>l convertidor.<br />
La ganancia <strong>de</strong>l transformador se consi<strong>de</strong>ra en el momento <strong>de</strong> cerrar el lazo <strong>de</strong> control<br />
al igual que se consi<strong>de</strong>ra la ganancia <strong>de</strong>l modulador PWM (<strong>de</strong> las siglas en ingles<br />
Pulse Width Modulation, Modulación <strong>de</strong> Ancho <strong>de</strong> Pulso). Por lo anterior, a ésta<br />
nueva topología <strong>de</strong> convertidor, se le pue<strong>de</strong> cerrar el lazo <strong>de</strong> control <strong>de</strong> manera muy<br />
sencilla como a cualquier convertidor reductor.<br />
3.2.5 Control <strong>de</strong>l convertidor en modo reductor<br />
El funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor es prácticamente como el <strong>de</strong> un convertidor<br />
reductor, por lo tanto la forma <strong>de</strong> controlarlo es sencilla. Para implementar éste<br />
control, se utilizan dos controladores comerciales convencionales como el UC3823<br />
que controla el convertidor reductor y el UC3825 que controla el puente completo,.<br />
Ambos controladores son <strong>de</strong> Texas Instruments. El diagrama <strong>de</strong> bloques <strong>de</strong> la Figura<br />
3.11 muestra la forma <strong>de</strong> colocar a los dos controladores para controlar el convertidor<br />
en modo reductor.<br />
40
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
V C<br />
V bus<br />
V B<br />
PUENTE<br />
REDUCTOR<br />
COMPLETO<br />
M1 M3, M6 M4, M5<br />
f c<br />
f c<br />
/ 2<br />
UC3823<br />
(Principal)<br />
SINCRO<br />
UC3825<br />
(Esclavo)<br />
Ref<br />
Error<br />
Figura 3.11 Diagrama <strong>de</strong> bloques para controlar el convertidor Reductor-Puente modo<br />
reductor<br />
3.2.5.1 Implementación <strong>de</strong>l control<br />
La manera en la que funciona el circuito <strong>de</strong> control se <strong>de</strong>scribe a continuación. El<br />
controlador principal es el UC3823, éste se encarga <strong>de</strong> fijar la frecuencia <strong>de</strong><br />
conmutación (f c ) y el ciclo <strong>de</strong> trabajo que controla al MOSFET M1. De éste<br />
controlador sale una señal llamada "SINCRO" que se encarga <strong>de</strong> sincronizar al<br />
UC3825 quien proporciona dos salidas sincronizadas con el controlador principal.<br />
Estas dos salidas son <strong>de</strong> un valor fijo <strong>de</strong>l 50%, están <strong>de</strong>sfasadas 180º entre ellas y cada<br />
una controla dos MOSFETs <strong>de</strong>l circuito puente. Debido a la forma <strong>de</strong> funcionamiento<br />
<strong>de</strong>l controlador esclavo (UC3825), las dos salidas son <strong>de</strong> la mitad <strong>de</strong> la frecuencia <strong>de</strong><br />
la que opera el controlador principal (f c /2) tal como es necesario para ésta topología<br />
<strong>de</strong> puente completo. El lazo <strong>de</strong> control se cierra a través <strong>de</strong>l amplificador <strong>de</strong> error que<br />
proporciona el controlador principal. El controlador principal permite <strong>de</strong> manera<br />
sencilla implementar arranque suave y adicionar prote<strong>cc</strong>iones en el circuito.<br />
Con el esquema anterior, es posible controlar la tensión <strong>de</strong> salida <strong>de</strong> éste nuevo<br />
convertidor funcionando en modo reductor.<br />
41
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
3.3 Convertidor Reductor-Puente “Modo Elevador”<br />
En este apartado se <strong>de</strong>scribe el convertidor funcionando en modo elevador. En este<br />
análisis se presentan los aspectos principales que se <strong>de</strong>ben consi<strong>de</strong>rar para diseñar y<br />
construir correctamente este nuevo convertidor en modo elevador.<br />
Es importante mencionar, que ésta topología funcionando como convertidor elevador,<br />
es completamente novedosa, ya que no ha sido presentada en ninguna bibliografía<br />
hasta hoy en día.<br />
Para conseguir que el flujo <strong>de</strong> energía vaya <strong>de</strong>s<strong>de</strong> V B hacia V C , es necesario sustituir<br />
los diodos <strong>de</strong> libre circulación que están en la topología por interruptores MOSFETs<br />
controlados. Con esta sustitución y con la estrategia <strong>de</strong> control a<strong>de</strong>cuada, se consigue<br />
que el convertidor, sea la asociación serie <strong>de</strong> un puente completo seguido <strong>de</strong> un<br />
convertidor elevador. En la Figura 3.12 se muestra el diagrama <strong>de</strong> bloques <strong>de</strong>l<br />
convertidor para funcionar en modo elevador. Al igual que el funcionamiento en modo<br />
reductor, en el modo elevador también se presentan tres niveles <strong>de</strong> tensión V B , V C y la<br />
tensión intermedia V bus .<br />
V bus<br />
V bus PUENTE<br />
V ELEVADOR V B<br />
COMPLETO<br />
C<br />
Figura 3.12 Diagrama <strong>de</strong> bloques <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador con los tres niveles <strong>de</strong><br />
tensión V B , V C y V bus<br />
En la Figura 3.13 se muestra el esquema completo <strong>de</strong>l convertidor para funcionar en<br />
modo elevador. Para que éste convertidor funcione a<strong>de</strong>cuadamente, es necesario<br />
adicionar un interruptor MOSFET (M11) para que conecte y <strong>de</strong>sconecte C bus . Al<br />
mismo tiempo, la operación <strong>de</strong> M2 está sujeta a la conexión <strong>de</strong> C bus , es <strong>de</strong>cir, M2<br />
funciona siempre y cuando C bus esté conectado. A continuación en el funcionamiento<br />
42
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
<strong>de</strong> las etapas <strong>de</strong>l convertidor, se explica la razón <strong>de</strong> conectar y <strong>de</strong>sconectar el<br />
con<strong>de</strong>nsador C bus .<br />
i B<br />
PUENTE COMPLETO<br />
ELEVADOR<br />
L<br />
i L<br />
i D1<br />
i c<br />
M7<br />
M9<br />
TR<br />
D3<br />
D5<br />
C bus<br />
V L<br />
D1<br />
V B<br />
C B<br />
i s<br />
Vs<br />
Vp<br />
V bus<br />
M2<br />
C C<br />
V C<br />
M8<br />
M10<br />
1 : n TR<br />
D4<br />
D6<br />
M11<br />
Figura 3.13 Circuito <strong>de</strong>l nuevo convertidor en modo elevador<br />
Esta nueva topología <strong>de</strong> convertidor elevador, tiene dos etapas <strong>de</strong> operación, estas<br />
etapas <strong>de</strong> operación son; Etapa <strong>de</strong> arranque y Etapa permanente o normal. A<br />
continuación se explican cada una <strong>de</strong> estas etapas y la combinación <strong>de</strong> ambas para que<br />
el convertidor arranque <strong>de</strong>s<strong>de</strong> tensión cero hasta la tensión <strong>de</strong> salida nominal:<br />
• Etapa <strong>de</strong> arranque.- Esta etapa se presenta transitoriamente y consiste en<br />
arrancar el convertidor puente completo variando el ciclo <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong> los<br />
cuatro MOSFETs M7 a M10 hasta alcanzar el 50% en cada una <strong>de</strong> las<br />
ramas <strong>de</strong>l puente completo. En esta etapa, tanto M2 como M11<br />
permanecen abiertos, por lo tanto el con<strong>de</strong>nsador C bus permanece<br />
<strong>de</strong>sconectado. De ésta manera el circuito equivalente que resulta, es el <strong>de</strong><br />
un convertidor puente completo. Al variar el ciclo <strong>de</strong> trabajo d en los<br />
interruptores <strong>de</strong>l puente M7-M10, se controla directamente la tensión <strong>de</strong><br />
salida V C . Cuando se alcanza el 50% <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo en cada una <strong>de</strong><br />
las ramas <strong>de</strong>l transformador, éste funciona como una simple ganancia<br />
constante que se encarga <strong>de</strong> multiplicar la tensión <strong>de</strong> entrada V B por la<br />
relación <strong>de</strong> transformación n TR . Es en este momento cuando la etapa <strong>de</strong><br />
arranque ha llegado a su fin. En ésta etapa <strong>de</strong> funcionamiento, C bus<br />
permanece <strong>de</strong>sconectado, ya que <strong>de</strong> lo contrario, se cargaría<br />
instantáneamente al valor <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada multiplicada por la<br />
relación <strong>de</strong> transformación y se per<strong>de</strong>ría la capacidad <strong>de</strong> regular V C . Para<br />
43
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
evitar esto y po<strong>de</strong>r variar la tensión <strong>de</strong> salida, éste con<strong>de</strong>nsador permanece<br />
<strong>de</strong>sconectado con el interruptor M11.<br />
Nota: Se le nombra etapa <strong>de</strong> arranque, porque es una etapa previa al<br />
funcionamiento permanente o normal <strong>de</strong>l convertidor, sin embargo el<br />
convertidor pue<strong>de</strong> funcionar in<strong>de</strong>finidamente en esta etapa sin problemas.<br />
• Etapa permanente ó normal.- Una vez alcanzado el 50% <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong><br />
trabajo en el puente completo, éste se mantiene constante y ya no es<br />
posible incrementar la tensión <strong>de</strong> salida V C . Es en este momento cuando se<br />
conecta el con<strong>de</strong>nsador C bus a través <strong>de</strong> M11 y al mismo tiempo comienza<br />
a conmutar el MOSFET M2. Con lo anterior se consigue, que el circuito<br />
equivalente sea el <strong>de</strong> un convertidor elevador que tiene como tensión <strong>de</strong><br />
entrada n TR·V B ó V bus . Este cambio <strong>de</strong> funcionamiento en la topología,<br />
permite incrementar la tensión <strong>de</strong> salida V C hasta el valor requerido.<br />
Invariablemente, cada vez que el convertidor opere en modo elevador, <strong>de</strong>berá utilizar<br />
la etapa <strong>de</strong> arranque y la etapa permanente o normal. Es necesario utilizar estas dos<br />
etapas <strong>de</strong> funcionamiento, para que la tensión <strong>de</strong> salida pueda arrancar <strong>de</strong>s<strong>de</strong> tensión<br />
cero y llegar hasta el valor <strong>de</strong> la tensión nominal.<br />
A continuación, en los siguientes apartados se <strong>de</strong>scriben más ampliamente cada una <strong>de</strong><br />
las etapas <strong>de</strong> operación <strong>de</strong>l convertidor:<br />
3.3.1 Etapa <strong>de</strong> arranque<br />
Para que éste nuevo convertidor arranque correctamente, es necesario adicionar un<br />
transistor MOSFET (M11) que mantenga <strong>de</strong>sconectado al con<strong>de</strong>nsador C bus . Este<br />
con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong>be estar <strong>de</strong>sconectado para evitar que se cargue instantáneamente hasta<br />
el valor <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada, ya que entre éste con<strong>de</strong>nsador y la tensión <strong>de</strong><br />
alimentación V B existe únicamente la inductancia <strong>de</strong> dispersión que tiene el<br />
transformador TR. De igual forma no sería posible regular la tensión en la salida <strong>de</strong>l<br />
convertidor en la etapa <strong>de</strong> arranque ya que el con<strong>de</strong>nsador se cargaría directamente a<br />
la tensión n TR·V B para cualquier ciclo <strong>de</strong> trabajo en el puente M7-M10.<br />
El convertidor en conjunto funciona como un convertidor puente completo, ya que la<br />
bobina se magnetiza cada ciclo <strong>de</strong> trabajo con la tensión <strong>de</strong> entrada multiplicada por la<br />
44
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
relación <strong>de</strong> transformación n TR menos la tensión <strong>de</strong> salida; el resto <strong>de</strong>l tiempo, la<br />
bobina se <strong>de</strong>smagnetiza con el inverso <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> salida tal como ocurre en un<br />
convertidor directo o forward.<br />
3.3.1.1 Topología y formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> arranque<br />
En la Figura 3.14 se muestra el circuito equivalente que resulta para controlar la<br />
tensión <strong>de</strong> salida en el arranque <strong>de</strong>l convertidor. En este circuito no aparece C bus , ya<br />
que M11 está <strong>de</strong>sconectado. Lo único que aparece es el circuito puente M7 a M10 con<br />
el transformador TR, la etapa <strong>de</strong> rectificación D3 a D6, la bobina L y el con<strong>de</strong>nsador<br />
C C al cual se conecta la carga <strong>de</strong> alta tensión.<br />
i B<br />
PUENTE COMPLETO<br />
i L<br />
L<br />
i D1<br />
i c<br />
M7<br />
M9<br />
TR<br />
D3<br />
D5<br />
V L<br />
D1<br />
V B<br />
C B<br />
i s<br />
Vs<br />
Vp<br />
V bus<br />
C C<br />
V C<br />
M8<br />
M10<br />
1 : n TR<br />
D4<br />
D6<br />
Figura 3.14 Circuito equivalente para la etapa <strong>de</strong> arranque en modo elevador<br />
En la Figura 3.15 se muestran las formas <strong>de</strong> onda que correspon<strong>de</strong>n al arranque <strong>de</strong> este<br />
convertidor. El convertidor en la etapa <strong>de</strong> arranque se comporta como un convertidor<br />
puente completo, ya que lo único que controla el flujo <strong>de</strong> energía hacia V C es el ciclo<br />
<strong>de</strong> trabajo impuesto a los MOSFETs <strong>de</strong>l puente completo (M7 – M10).<br />
45
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
M7 y M10<br />
M8 y M9<br />
V bus<br />
dT<br />
n TR V B<br />
t<br />
t<br />
t<br />
n TR V B - V C<br />
V L<br />
t<br />
-V C<br />
i D3<br />
, i D6<br />
i L<br />
/2<br />
t<br />
i D4<br />
, i D5<br />
t<br />
i D1<br />
, i L<br />
T<br />
2T<br />
∆i<br />
t<br />
Figura 3.15 Formas <strong>de</strong> onda en el arranque <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador<br />
Si el convertidor opera en modo <strong>de</strong> condu<strong>cc</strong>ión continuo (MCC) y se consi<strong>de</strong>ra la<br />
tensión <strong>de</strong> entrada y <strong>de</strong> salida constantes <strong>de</strong> un ciclo <strong>de</strong> conmutación a otro, se aplica<br />
el balance voltios·segundos en la bobina L, se obtiene la ecuación (3.11) que <strong>de</strong>fine la<br />
tensión <strong>de</strong> salida V C en la etapa <strong>de</strong> arranque en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada V B ,<br />
ciclo <strong>de</strong> trabajo d y <strong>de</strong> la relación <strong>de</strong> transformación n TR .<br />
Don<strong>de</strong>: 0 ≤ d ≤ 1<br />
V = C<br />
nTRVBd<br />
(3.11)<br />
En la ecuación (3.12) se <strong>de</strong>fine la ganancia <strong>de</strong>l convertidor para el arranque en modo<br />
elevador k A :<br />
46
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
k<br />
VC<br />
= nTRd<br />
(3.12)<br />
V<br />
A<br />
=<br />
B<br />
En la Figura 3.15 se muestra la ecuación (3.12) en función <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo y para<br />
distinto número <strong>de</strong> vueltas n TR .<br />
10<br />
8<br />
Ganancia k A<br />
6<br />
4<br />
2<br />
n TR = 10<br />
n TR = 5<br />
n TR = 3<br />
n TR = 2<br />
n TR = 1<br />
0<br />
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo d<br />
Figura 3.16 Ganancia <strong>de</strong>l convertidor en el arranque <strong>de</strong>l modo elevador<br />
Es importante mencionar, que el arranque <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador llega<br />
hasta un nivel <strong>de</strong> tensión en el que la tensión es constante (momento en el que el ciclo<br />
<strong>de</strong> trabajo es <strong>de</strong>l 50% en cada una <strong>de</strong> las ramas <strong>de</strong>l puente completo). En estas<br />
condiciones, la tensión <strong>de</strong> salida no pue<strong>de</strong> seguir aumentando sino hasta que comience<br />
a funcionar el siguiente modo <strong>de</strong> operación (modo normal o permanente). En la figura<br />
anterior, pue<strong>de</strong> observarse que variando el valor <strong>de</strong> n TR , se consigue variar la ganancia<br />
<strong>de</strong>l convertidor en el arranque al mismo valor que se sele<strong>cc</strong>iona <strong>de</strong> n TR y con el ciclo<br />
<strong>de</strong> trabajo máximo.<br />
En la etapa <strong>de</strong> arranque, se <strong>de</strong>be tener cuidado con la tensión <strong>de</strong> salida, ya que ésta<br />
no <strong>de</strong>berá sobrepasar el valor <strong>de</strong> la mínima tensión nominal. Es <strong>de</strong>cir, que la<br />
máxima tensión que se alcance en el arranque <strong>de</strong>l convertidor, no <strong>de</strong>be ser mayor<br />
que la mínima tensión <strong>de</strong> salida que el convertidor entregue en modo permanente o<br />
47
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
normal. Este es un criterio <strong>de</strong> diseño que se aplicará para la sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> n TR en el<br />
prototipo <strong>de</strong> este capítulo.<br />
Lo anterior se <strong>de</strong>be cumplir, para asegurar que todos los valores <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> salida<br />
V C se regulen correctamente en una sola etapa <strong>de</strong> operación <strong>de</strong>l convertidor (en este<br />
caso en la etapa permanente o normal).<br />
Para asegurar que la máxima tensión <strong>de</strong> salida en la etapa <strong>de</strong> arranque, no sobrepase la<br />
mínima tensión <strong>de</strong> salida en la etapa permanente o normal, se establece una condición<br />
que <strong>de</strong>termina la máxima relación <strong>de</strong> transformación n TR que asegure lo anterior<br />
expuesto. Esta condición queda como:<br />
Despejando el valor <strong>de</strong> n TR nos queda:<br />
n V ≤ V<br />
(3.13)<br />
TR<br />
B max C min<br />
VCmin<br />
nTR<br />
≤ (3.14)<br />
V<br />
La condición establecida en la inecuación (3.14) se <strong>de</strong>be cumplir si se <strong>de</strong>sea que la<br />
tensión <strong>de</strong> salida varíe en un rango <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> salida mínimo y máximo. Esto limita<br />
la sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> la relación <strong>de</strong> transformación n TR <strong>de</strong>l convertidor Reductor-Puente<br />
Bidire<strong>cc</strong>ional.<br />
Bmax<br />
3.3.2 Etapa permanente o normal<br />
En este apartado, se explica el modo <strong>de</strong> funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor en la etapa<br />
permanente ó normal. Una vez que la etapa <strong>de</strong> arranque ha finalizado, el convertidor<br />
pasa a funcionar con la etapa permanente ó normal. Esta etapa hace funcionar el<br />
convertidor como un convertidor elevador. La manera <strong>de</strong> conseguir que el convertidor<br />
funcione como un convertidor elevador, es utilizando los interruptores MOSFETs que<br />
en la etapa <strong>de</strong> arranque permanecieron apagados. En este caso M2 estará conmutando,<br />
y M11 estará encendido permanentemente. Con la ayuda <strong>de</strong> estos MOSFETs, el<br />
convertidor funciona como un convertidor elevador que tiene como entrada la tensión<br />
<strong>de</strong>l bus <strong>de</strong> baja tensión multiplicada por la relación <strong>de</strong> transformación n TR . De igual<br />
manera que cuando el convertidor funciona en modo reductor, la presencia <strong>de</strong> C bus no<br />
48
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
es indispensable, solamente se incluye para tener una tensión mas limpia en la<br />
entrada <strong>de</strong>l convertidor elevador.<br />
La manera <strong>de</strong> pasar a la etapa permanente o normal, es a través <strong>de</strong> un circuito <strong>de</strong><br />
comparación <strong>de</strong> niveles <strong>de</strong> tensión. Este circuito, consiste en comparar la tensión <strong>de</strong><br />
salida V C con el producto <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong>l bus <strong>de</strong> baja tensión y la relación <strong>de</strong><br />
transformación n TR (n TR·V B ). Esta comparación se utiliza para saber si la etapa <strong>de</strong><br />
arranque ha terminado. Si la tensión <strong>de</strong> salida V C es inferior al valor <strong>de</strong>l producto<br />
n TR·V B , significa que el convertidor se encuentra funcionando en la etapa <strong>de</strong> arranque.<br />
Sin embargo, una vez que se alcanza la tensión <strong>de</strong> salida máxima en el arranque <strong>de</strong>l<br />
convertidor (cuando se alcanza el 95% ó 97% <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo) la etapa <strong>de</strong> arranque<br />
finaliza y el convertidor comienza a funcionar como un convertidor elevador. Es <strong>de</strong>cir,<br />
el circuito comparador se ajusta para que tenga una histéresis que previamente se<br />
calibra, y que el cambio <strong>de</strong> modo se efectúe antes <strong>de</strong> que el arranque <strong>de</strong>ba llegar al<br />
ciclo <strong>de</strong> trabajo máximo. La salida que el circuito comparador proporciona por <strong>de</strong>fecto<br />
es cero, y una vez que la comparación se efectúa, la señal <strong>de</strong> salida <strong>de</strong> éste circuito se<br />
pone en alto para activar a los MOSFETs M2 conmutando y M11 encendido<br />
permanentemente. Es en este momento cuando el convertidor comienza a funcionar<br />
como un convertidor elevador.<br />
3.3.2.1 Topología y formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong> la etapa permanente o normal<br />
En la Figura 3.17 se muestra el circuito <strong>de</strong>l convertidor para funcionar en la etapa<br />
permanente ó normal. Este circuito es el mismo que se presentó en la Figura 3.13 ya<br />
que éste circuito es aquel que tienen todos los elementos necesarios para funcionar<br />
como convertidor elevador. El convertidor elevador tiene como tensión <strong>de</strong> entrada<br />
V bus que se obtiene al hacer conmutar al 50% cada una <strong>de</strong> las ramas <strong>de</strong>l puente<br />
completo formado por los interruptores M7 a M10; los <strong>de</strong>más elementos que integran<br />
al convertidor elevador son la bobina L, el MOSFET M2 y el con<strong>de</strong>nsados <strong>de</strong> salida<br />
C C al cual se conecta la carga <strong>de</strong> alta tensión. En esta etapa <strong>de</strong> funcionamiento <strong>de</strong>l<br />
convertidor en modo elevador, el MOSFET M2 es quien se encarga <strong>de</strong> controlar el<br />
flujo <strong>de</strong> energía que va <strong>de</strong>s<strong>de</strong> V B hacia V C . Por lo tanto el ciclo <strong>de</strong> trabajo que controla<br />
a M2 es el que se encarga <strong>de</strong> controlar la tensión <strong>de</strong> salida <strong>de</strong>l convertidor en la etapa<br />
permanente <strong>de</strong>l modo elevador.<br />
49
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
i B<br />
PUENTE COMPLETO<br />
ELEVADOR<br />
L<br />
i L<br />
i c<br />
M7<br />
M9<br />
TR<br />
i p<br />
D3<br />
D5<br />
C bus<br />
V L<br />
i D1<br />
i M2<br />
D1<br />
C B<br />
i s<br />
V s<br />
V p<br />
V bus<br />
M2<br />
C C<br />
V C<br />
M8<br />
M10<br />
1 : n TR<br />
D4<br />
D6<br />
M11<br />
Figura 3.17 Convertidor en modo elevador, etapa permanente ó normal<br />
En la Figura 3.18 se muestran las formas <strong>de</strong> onda que correspon<strong>de</strong>n a la etapa<br />
permanente ó normal <strong>de</strong>l modo elevador.<br />
M7 y M10<br />
t<br />
t<br />
dT<br />
M8 y M9<br />
t<br />
i M2<br />
M2<br />
t<br />
t<br />
dT<br />
V B<br />
i D1<br />
V s<br />
t<br />
t<br />
-V B<br />
n TR V B<br />
V L<br />
n TR V B -V C<br />
V bus<br />
t<br />
M2<br />
i D3<br />
,i D6<br />
i D4<br />
,i D5<br />
t<br />
t<br />
i L<br />
∆i<br />
t<br />
i p<br />
t<br />
dT<br />
T<br />
2T<br />
T<br />
2T<br />
Figura 3.18 Formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l convertidor etapa permanente o normal, modo elevador<br />
Si el convertidor opera en modo <strong>de</strong> condu<strong>cc</strong>ión continuo (MCC) y se consi<strong>de</strong>ran la<br />
tensión <strong>de</strong> entrada y <strong>de</strong> salida constantes <strong>de</strong> un ciclo <strong>de</strong> conmutación a otro, se aplica<br />
el balance voltios·segundos en la bobina L y se obtiene la ecuación (3.15) que <strong>de</strong>fine<br />
50
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
la tensión <strong>de</strong> salida V C en la etapa permanente ó normal en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong><br />
entrada V B , ciclo <strong>de</strong> trabajo d y <strong>de</strong> la relación <strong>de</strong> transformación n TR .<br />
V<br />
C<br />
= n<br />
TR<br />
V<br />
B<br />
1<br />
1−<br />
d<br />
(3.15)<br />
Don<strong>de</strong>: 0 ≤ d ≤ 1<br />
La ecuación (3.16) <strong>de</strong>fine la ganancia <strong>de</strong>l convertidor en la etapa permanente o normal<br />
k N en modo elevador como:<br />
k<br />
N<br />
V<br />
=<br />
V<br />
C<br />
B<br />
= n<br />
TR<br />
1<br />
1−<br />
d<br />
(3.16)<br />
En la Figura 3.19 se muestra la ecuación (3.16) en función <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo y para<br />
distinto número <strong>de</strong> vueltas n TR .<br />
200<br />
n TR = 10<br />
160<br />
Ganancia k N<br />
120<br />
80<br />
n TR = 6<br />
n TR = 3<br />
40<br />
n TR = 1<br />
0<br />
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo d<br />
Figura 3.19 Ganancia <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador para la etapa permanente o<br />
normal k N en función <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo y para distintas n TR<br />
En la figura anterior, se aprecia que una gran variedad <strong>de</strong> valores para n TR pue<strong>de</strong>n ser<br />
utilizados y variar la ganancia <strong>de</strong>l convertidor. En este caso, se sele<strong>cc</strong>iona el que<br />
mejor convenga <strong>de</strong> cara a la sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> los semiconductores, es <strong>de</strong>cir, se <strong>de</strong>be<br />
51
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
procurar que su sele<strong>cc</strong>ión sea el que menores pérdidas cause en el convertidor. Otro<br />
aspecto que se <strong>de</strong>be tener en cuenta para la sele<strong>cc</strong>ión a<strong>de</strong>cuada <strong>de</strong> la relación <strong>de</strong><br />
transformación, es <strong>de</strong> cara a la constru<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong>l transformador ya que relaciones <strong>de</strong><br />
transformación muy gran<strong>de</strong>s causan que sea difícil <strong>de</strong> construir el transformador.<br />
También, se <strong>de</strong>be sele<strong>cc</strong>ionar una relación <strong>de</strong> transformación que produzca ciclos <strong>de</strong><br />
trabajo fáciles <strong>de</strong> modular, tanto para modo reductor como para modo elevador.<br />
3.3.3 Transición Etapa <strong>de</strong> arranque - Etapa normal<br />
Una vez explicadas las dos etapas <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador, se <strong>de</strong>ben unir<br />
ambas para tener el funcionamiento completo <strong>de</strong>l convertidor. Una manera <strong>de</strong> analizar<br />
el comportamiento <strong>de</strong>l convertidor con las dos etapas <strong>de</strong> funcionamiento, es con la<br />
ganancia en cada una <strong>de</strong> las etapas <strong>de</strong> funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor. El<br />
comportamiento <strong>de</strong> la ganancia en ambas etapas es importante y nos permite evaluar<br />
la buena o mala transición que se hace <strong>de</strong> una etapa a otra en modo elevador.<br />
Para todo ciclo <strong>de</strong> trabajo, la ganancia <strong>de</strong>be ser ascen<strong>de</strong>nte y no <strong>de</strong>be presentar<br />
discontinuida<strong>de</strong>s. Si la transición se efectúa correctamente, el convertidor pue<strong>de</strong><br />
funcionar a<strong>de</strong>cuadamente y permitir que el control <strong>de</strong>l mismo se realice <strong>de</strong> manera<br />
satisfactoria.<br />
En la Tabla III se presentan las ecuaciones que <strong>de</strong>finen la ganancia <strong>de</strong>l convertidor en<br />
modo elevador, una para la etapa <strong>de</strong> arranque y la otra para la etapa permanente o<br />
normal.<br />
Tabla III Ganancia <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador para la etapa <strong>de</strong> arranque y la<br />
etapa permanente o normal<br />
Ganancias <strong>de</strong>l convertidor en Modo Elevador<br />
Etapa <strong>de</strong> Arranque<br />
Etapa Permanente o Normal<br />
k<br />
V<br />
=<br />
V<br />
C<br />
A<br />
=<br />
B<br />
n<br />
TR<br />
d<br />
k<br />
N<br />
V<br />
=<br />
V<br />
C<br />
B<br />
= n<br />
TR<br />
1<br />
1 − d<br />
Nota: El ciclo <strong>de</strong> trabajo para la etapa <strong>de</strong> arranque y para la etapa permanente o<br />
normal <strong>de</strong>l convertidor es distinto. En la etapa <strong>de</strong> arranque, el ciclo <strong>de</strong> trabajo d<br />
52
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
correspon<strong>de</strong> al <strong>de</strong> un convertidor Puente completo (MOSFETs M7 a M10), y en la<br />
etapa permanente o normal correspon<strong>de</strong> a un convertidor Elevador (M2).<br />
En ambas etapas, el ciclo <strong>de</strong> trabajo varía <strong>de</strong> 0 a 100% y lo hace en tiempos distintos,<br />
esto se <strong>de</strong>be a que el ciclo <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong> la etapa permanente o normal comienza una<br />
vez que el ciclo <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> arranque ha llegado a su valor máximo. Lo<br />
anterior significa que las ganancias <strong>de</strong>l convertidor en las dos etapas <strong>de</strong>l modo<br />
elevador son in<strong>de</strong>pendientes. Nótese, que una vez que da comienzo la etapa<br />
permanente o normal, el ciclo <strong>de</strong> trabajo en la etapa <strong>de</strong> arranque es el máximo y en ese<br />
momento el transformador se comportará como una simple ganancia fijada por la<br />
relación <strong>de</strong> transformación.<br />
En la Figura 3.20 se muestran las ganancias <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> arranque y <strong>de</strong> la etapa<br />
permanente o normal una seguida <strong>de</strong> la otra con una relación <strong>de</strong> transformación n TR =<br />
1, en esta figura se aprecia que en cuanto finaliza la etapa <strong>de</strong> arranque da comienzo la<br />
etapa permanente o normal.<br />
10<br />
9<br />
Ganancia total Modo Elevador<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
Etapa <strong>de</strong> Arranque<br />
Reductor<br />
Etapa Permanente<br />
Elevador<br />
1<br />
0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 / 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo d<br />
Figura 3.20 Ganancia <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador, etapa <strong>de</strong> arranque y etapa<br />
permanente<br />
53
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Con lo anterior se <strong>de</strong>muestra, que el comportamiento <strong>de</strong>l convertidor es a<strong>de</strong>cuado para<br />
la combinación <strong>de</strong> las dos etapas <strong>de</strong> funcionamiento. Que es posible variar la tensión<br />
<strong>de</strong> salida <strong>de</strong>s<strong>de</strong> tensión cero y aumentarla hasta el valor <strong>de</strong>seado, ya que en la etapa<br />
permanente se cuenta con un convertidor elevador. De igual manera, se pue<strong>de</strong> ajustar<br />
la relación <strong>de</strong> transformación n TR , para que la ganancia <strong>de</strong>l convertidor sea mayor o<br />
menor según se requiera. En la Figura 3.21 se muestra la gráfica <strong>de</strong> la ganancia <strong>de</strong>l<br />
convertidor para distintos valores <strong>de</strong> relación <strong>de</strong> transformación n TR . En esta gráfica, se<br />
aprecia la modificación <strong>de</strong> la ganancia <strong>de</strong>l convertidor variando la relación <strong>de</strong><br />
transformación n TR .<br />
10<br />
9<br />
8<br />
Etapa <strong>de</strong> Arranque<br />
n TR = 5<br />
Ganancia total<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
n TR = 3<br />
n TR = 1<br />
1<br />
Etapa Permanente<br />
0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 / 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo d<br />
Figura 3.21 Ganancia <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador, etapa <strong>de</strong> arranque y etapa<br />
permanente separadas y con distinta relación <strong>de</strong> transformación n TR<br />
Obsérvese en la figura anterior que se pue<strong>de</strong> modificar el valor <strong>de</strong> la ganancia total <strong>de</strong>l<br />
convertidor modificando la relación <strong>de</strong> transformación n TR . Con lo anterior, se pue<strong>de</strong>n<br />
conseguir relaciones <strong>de</strong> tensión entre la entrada y la salida muy gran<strong>de</strong>s<br />
permitiéndonos sele<strong>cc</strong>ionar el valor a<strong>de</strong>cuado <strong>de</strong> n TR según nos convenga.<br />
54
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
3.3.3.1 Circuito <strong>de</strong> transición <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> Arranque a la etapa Permanente<br />
o Normal<br />
Tal como se explicó en el apartado anterior, cuando el convertidor Reductor-Puente<br />
funciona en modo elevador, está integrado por dos etapas <strong>de</strong> funcionamiento, la etapa<br />
<strong>de</strong> arranque, y la etapa permanente o normal. En cada una <strong>de</strong> las etapas, el convertidor<br />
funciona <strong>de</strong> manera diferente. En la etapa <strong>de</strong> arranque, el convertidor funciona como<br />
un puente completo y en la etapa permanente funciona como un convertidor elevador.<br />
En la etapa <strong>de</strong> arranque <strong>de</strong>ben estar conmutando y variando el ciclo <strong>de</strong> trabajo M7 a<br />
M10, M2 y M11 <strong>de</strong>ben estar apagados, éste último se encarga <strong>de</strong> mantener<br />
<strong>de</strong>sconectado C bus ya que <strong>de</strong> lo contrario no se podría regular la tensión <strong>de</strong> salida en la<br />
etapa <strong>de</strong> arranque. Cuando en la etapa <strong>de</strong> arranque el ciclo <strong>de</strong> trabajo alcanza su valor<br />
máximo y la tensión <strong>de</strong> salida V C alcanza el valor máximo teórico (n TR·V B ) también, es<br />
entonces cuando se <strong>de</strong>be producir el cambio <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> arranque a la etapa<br />
permanente o normal.<br />
De manera original y como una aportación, se ha diseñado construido y probado un<br />
circuito comparador <strong>de</strong> dos niveles <strong>de</strong> tensión con histéresis, que permite activar y<br />
<strong>de</strong>sactivar la señal <strong>de</strong> control “M” que es la señal que se encarga <strong>de</strong> <strong>de</strong>terminar la<br />
etapa en la que se encuentra funcionando el convertidor en modo elevador.<br />
La señal <strong>de</strong> control M, se encarga <strong>de</strong> activar y/o <strong>de</strong>sactivar a los interruptores<br />
MOSFETs en cada una <strong>de</strong> las etapas <strong>de</strong> funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor cuando éste<br />
funciona en modo elevador. En la Figura 3.22 se muestra el circuito que se utiliza para<br />
<strong>de</strong>terminar la señal lógica <strong>de</strong> control “M”. El circuito está integrado básicamente por<br />
un comparador con histéresis <strong>de</strong> dos niveles <strong>de</strong> tensión y por un circuito<br />
combinacional que se encarga <strong>de</strong> activar y <strong>de</strong>sactivar señal M <strong>de</strong>pendiendo en que<br />
nivel <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> salida se encuentre funcionando el convertidor.<br />
La interpretación <strong>de</strong> la señal <strong>de</strong> control “M” es como a continuación se indica:<br />
Señal<br />
⎧0<br />
⎪<br />
" M"<br />
⎨<br />
⎪<br />
⎩1<br />
⇒<br />
⇒<br />
Etapa <strong>de</strong> Arranque<br />
Etapa Permanente<br />
55
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Comparador con Histéresis <strong>de</strong><br />
dos niveles <strong>de</strong> tensión<br />
Circuito combinacional para<br />
cumplir con las condiciones <strong>de</strong><br />
la señal <strong>de</strong> modo “M”<br />
Figura 3.22 Circuito electrónico para <strong>de</strong>terminar la señal “M” a partir <strong>de</strong> un comparador<br />
con histéresis <strong>de</strong> dos niveles <strong>de</strong> tensión y <strong>de</strong> un circuito combinacional<br />
V C<br />
2 O NIVEL<br />
1 ER NIVEL<br />
n TR V B<br />
Etapa Normal<br />
Etapa <strong>de</strong> Arranque<br />
Señal<br />
“M”<br />
0<br />
t<br />
0<br />
t<br />
Figura 3.23 Activación <strong>de</strong> la señal lógica <strong>de</strong> control “M” en función <strong>de</strong> los niveles <strong>de</strong><br />
tensión V B y V C y con el circuito comparador <strong>de</strong> dos niveles <strong>de</strong> tensión<br />
De la Figura 3.23 se tiene que el valor por <strong>de</strong>fecto <strong>de</strong> la señal lógica <strong>de</strong> control M es<br />
cero. Esto significa que el convertidor en la salida, tiene una tensión inferior al<br />
producto n TR V B o incluso 0V. Una vez que la tensión <strong>de</strong> salida V C incrementa su valor<br />
56
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
y supera el primer nivel <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> comparación, es entonces cuando se activa la<br />
señal <strong>de</strong> control M y se coloca en nivel alto. Es en este momento cuando el<br />
convertidor <strong>de</strong>ja <strong>de</strong> funcionar con la etapa <strong>de</strong> arranque y comienza a funcionar con la<br />
etapa permanente o normal <strong>de</strong>l modo elevador. De igual modo, cuando la tensión <strong>de</strong><br />
salida disminuye y cruza el segundo nivel <strong>de</strong> tensión, entonces la señal <strong>de</strong> control pasa<br />
<strong>de</strong> nivel alto a nivel bajo. Cuando esto suce<strong>de</strong>, el convertidor <strong>de</strong>ja <strong>de</strong> funcionar <strong>de</strong> la<br />
etapa permanente y vuelve a hacerlo con la etapa <strong>de</strong> arranque.<br />
El circuito para efectuar la transición <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> arranque a la etapa permanente en<br />
modo elevador, se incluye <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l circuito <strong>de</strong> control <strong>de</strong>l convertidor en modo<br />
elevador que se explica en el apartado 3.3.5. Este se incluye como un bloque que tiene<br />
como entradas, la medida <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> salida y la medida <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> la batería<br />
y como salida proporciona la señal lógica <strong>de</strong> control “M”.<br />
3.3.4 Función <strong>de</strong> transferencia en modo elevador<br />
Para controlar correctamente el convertidor en modo elevador, es necesario conocer la<br />
función <strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong>l mismo. Las dos funciones <strong>de</strong> transferencia, son la <strong>de</strong> un<br />
convertidor reductor cuando se encuentra funcionando en la etapa <strong>de</strong> arranque y la <strong>de</strong><br />
un convertidor elevador cuando el convertidor esta operando en la etapa permanente o<br />
normal. Para hacer un lazo <strong>de</strong> control a<strong>de</strong>cuado, se <strong>de</strong>ben consi<strong>de</strong>rar las dos funciones<br />
<strong>de</strong> transferencia cada una en las condiciones <strong>de</strong> funcionamiento a que corresponda en<br />
el convertidor y hacer un lazo <strong>de</strong> control que sea capaz <strong>de</strong> controlar el convertidor<br />
cuando este funcionando con una función <strong>de</strong> transferencia u otra.<br />
En éste trabajo <strong>de</strong> investigación, el autor no se ha centrado en <strong>de</strong>sarrollar un lazo <strong>de</strong><br />
control que satisfaga a las dos funciones <strong>de</strong> transferencia. Únicamente se proporcionan<br />
las funciones <strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong> cada uno <strong>de</strong> los funcionamientos <strong>de</strong>l convertidor para<br />
aquel que <strong>de</strong>see explorar el mejor lazo <strong>de</strong> control <strong>de</strong> acuerdo a cada aplicación en<br />
particular <strong>de</strong> la topología.<br />
3.3.4.1 Función <strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> arranque<br />
La función <strong>de</strong> transferencia que correspon<strong>de</strong> a esta etapa <strong>de</strong> funcionamiento <strong>de</strong>l<br />
convertidor, es la <strong>de</strong> un convertidor reductor tradicional. Es por ello que no se<br />
profundiza mas allá <strong>de</strong> la teoría <strong>de</strong> control para esta función <strong>de</strong> transferencia, y el<br />
57
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
autor solo se limita a la presentación <strong>de</strong> esta función asumiendo que el lector está<br />
familiarizado con esta función típica. En este caso, los pulsos <strong>de</strong> tensión que se aplican<br />
a la bobina en el ciclo <strong>de</strong> trabajo d son <strong>de</strong>l valor <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada multiplicados<br />
por la relación <strong>de</strong> transformación n TR . La función <strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong>l convertidor en<br />
modo elevador funcionando en la etapa <strong>de</strong> arranque es:<br />
∆V<br />
C<br />
∆d<br />
= n<br />
TR<br />
V<br />
B<br />
LC<br />
C<br />
· s<br />
2<br />
1<br />
L<br />
+ · s + 1<br />
R<br />
Don<strong>de</strong> R es la resistencia <strong>de</strong> carga conectada a la salida <strong>de</strong>l convertidor.<br />
(3.17)<br />
3.3.4.2 Función <strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong> la etapa permanente o normal<br />
La función <strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong> ésta etapa <strong>de</strong> funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor en modo<br />
elevador, correspon<strong>de</strong> a la función <strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong> un convertidor Boost o<br />
elevador. Al igual que la función <strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> arranque, la función<br />
<strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong> la etapa permanente o normal también es una función ya por <strong>de</strong>más<br />
conocida. La única diferencia que se encuentra frente a la función <strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong>l<br />
convertidor elevador típico, es que éste nuevo convertidor tiene por tensión <strong>de</strong> entrada<br />
la tensión <strong>de</strong>l bus <strong>de</strong> baja tensión multiplicada por la relación <strong>de</strong> transformación n TR .<br />
En cuanto a lo <strong>de</strong>más, esta función también presenta un cero en el semiplano <strong>de</strong>recho<br />
<strong>de</strong>l eje imaginario que hace difícil su compensación al momento <strong>de</strong> cerrar el lazo <strong>de</strong><br />
control.<br />
De la Figura 3.17 y <strong>de</strong> la Figura 3.18 se obtienen las ecuaciones <strong>de</strong> estado <strong>de</strong>l<br />
convertidor para la etapa permanente o normal. Las ecuaciones <strong>de</strong> estado <strong>de</strong> la tensión<br />
en la bobina L y la corriente en el con<strong>de</strong>nsador C C quedan <strong>de</strong>finidas como:<br />
⎛<br />
L i<br />
• ⎞<br />
⎜ L ⎟ = nTRVBd<br />
+ ( nTRVB<br />
−VC<br />
)( 1 − d )<br />
(3.18)<br />
⎝ ⎠<br />
⎛ V<br />
C V<br />
• ⎞<br />
C<br />
C ⎜ C ⎟ = iL<br />
( 1 − d ) −<br />
(3.19)<br />
⎝ ⎠<br />
R<br />
58
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Al linealizar y resolver las ecuaciones <strong>de</strong> estado, la función <strong>de</strong> transferencia que se<br />
obtiene queda <strong>de</strong>finida como:<br />
∆V<br />
C<br />
∆d<br />
=<br />
V<br />
C0<br />
( 1−<br />
d )<br />
0<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎢⎣<br />
1<br />
⎡<br />
⎢−<br />
⎢⎣<br />
V<br />
C0<br />
i<br />
LC·<br />
s<br />
L0<br />
( 1−<br />
d )<br />
2<br />
L<br />
+<br />
⎤<br />
· s + 1⎥<br />
⎥⎦<br />
1 L ⎤<br />
· s + 1<br />
( ) ( ) ⎥ ⎥ 2<br />
2<br />
1−<br />
d<br />
0<br />
1−<br />
d R<br />
0 ⎦<br />
0<br />
(3.20)<br />
⎛ ⎞<br />
El funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor en estado estable, permite suponer que ⎜i • L ⎟ = 0 ,<br />
⎝ ⎠<br />
por lo tanto, <strong>de</strong> la ecuación (3.18) <strong>de</strong>spejamos el ciclo <strong>de</strong> trabajo “d 0 ” en condiciones<br />
estables resultando:<br />
VB<br />
d = 1− n<br />
(3.21)<br />
0<br />
TR VC<br />
Se calcula la resistencia <strong>de</strong> carga R y la corriente promedio en la bobina en<br />
condiciones estables, resultando:<br />
Don<strong>de</strong>: P es la potencia <strong>de</strong>l convertidor<br />
2<br />
0<br />
VC0<br />
R = (3.22)<br />
P<br />
P<br />
i<br />
L<br />
= (3.23)<br />
0<br />
V<br />
Por lo tanto y al sustituir las ecuaciones (3.21) a (3.23) en (3.20) queda:<br />
C<br />
0<br />
∆V<br />
C<br />
∆d<br />
2<br />
VC0<br />
=<br />
n V<br />
TR<br />
B<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎢⎣<br />
V<br />
2<br />
C<br />
0<br />
⎡<br />
⎢−<br />
⎢⎣<br />
n<br />
TR<br />
LC·<br />
s<br />
PL<br />
V V<br />
2<br />
B<br />
+<br />
⎤<br />
· s + 1⎥<br />
⎥⎦<br />
2<br />
V<br />
L ⎤<br />
· s + 1<br />
( ) ( ) ⎥ ⎥ 2<br />
2<br />
n V<br />
n V R<br />
TR B<br />
TR B ⎦<br />
C<br />
0<br />
C<br />
0<br />
(3.24)<br />
59
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Éste convertidor, presenta un cero positivo en la función <strong>de</strong> transferencia. Este cero<br />
PL<br />
positivo esta ubicado en tal como lo indica el coeficiente <strong>de</strong>l término lineal<br />
n V V<br />
TR<br />
B<br />
C 0<br />
<strong>de</strong>l numerador en la función <strong>de</strong> transferencia. Este cero positivo, limita la respuesta<br />
dinámica <strong>de</strong>l convertidor al limitar el ancho <strong>de</strong> banda en el control al cerrar el lazo.<br />
Con las dos funciones <strong>de</strong> transferencia calculadas, es posible implementar el lazo <strong>de</strong><br />
control para ambas etapas <strong>de</strong> funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor.<br />
3.3.5 Control <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador<br />
El control <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador incluye el control para la etapa <strong>de</strong><br />
arranque y el control para la etapa permanente o normal. En la Figura 3.24 se muestra<br />
el diagrama <strong>de</strong> bloques que se utiliza para controlar el convertidor en modo elevador.<br />
Este control funciona a<strong>de</strong>cuadamente tanto para el arranque como para la etapa<br />
permanente o normal y tiene incluido el circuito <strong>de</strong> transición <strong>de</strong> una etapa a otra<br />
explicado en el apartado 3.3.3.1.<br />
3.3.5.1 Implementación <strong>de</strong>l control en modo elevador<br />
La manera <strong>de</strong> implementar éste control es utilizando dos controladores convencionales<br />
como el UC3823 y el UC3825 <strong>de</strong> Texas Instrument. En esta aplicación, el primer<br />
controlador es llamado “Principal” y el segundo “Esclavo”. El controlador principal se<br />
encarga <strong>de</strong> sincronizar al controlador esclavo mediante la señal “SINCRO”, el<br />
controlador principal es el que fija la frecuencia <strong>de</strong> conmutación fc y el ciclo <strong>de</strong><br />
trabajo d. La señal <strong>de</strong> control M, se encarga <strong>de</strong> <strong>de</strong>terminar la etapa <strong>de</strong> funcionamiento<br />
<strong>de</strong>l convertidor, es <strong>de</strong>cir, etapa <strong>de</strong> arranque o etapa permanente o normal.<br />
En la etapa <strong>de</strong> arranque, el controlador esclavo UC3825 proporciona dos salidas <strong>de</strong><br />
un valor fijo <strong>de</strong>l 50%, estas señales están <strong>de</strong>sfasadas 180º entre ellas y cada una,<br />
<strong>de</strong>spués <strong>de</strong> ser multiplicada por el ciclo <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong>l controlador principal, controla<br />
los MOSFETs <strong>de</strong>l circuito puente. En el arranque, los MOSFETs M2 y M11<br />
permanecen apagados. La tensión <strong>de</strong> salida en la etapa <strong>de</strong> arranque <strong>de</strong>l convertidor, es<br />
controlada por el ciclo <strong>de</strong> trabajo que se impone a los interruptores MOSFETs <strong>de</strong>l<br />
60
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
puente completo. Una vez que la tensión <strong>de</strong> salida alcanza el valor <strong>de</strong> la comparación<br />
(n TR·V B ), da comienzo la etapa permanente o normal.<br />
En la etapa permanente o normal, una vez que la tensión <strong>de</strong> salida alcanza el valor <strong>de</strong><br />
la tensión <strong>de</strong> entrada multiplicado por la relación <strong>de</strong> transformación, se activa la señal<br />
M que conecta el con<strong>de</strong>nsador C bus a través <strong>de</strong>l interruptor M11. Al mismo tiempo ésta<br />
señal M pone a conmutar el interruptor M2, en este momento la etapa <strong>de</strong> arranque<br />
termina y la etapa permanente ó normal comienza. La señal M a través <strong>de</strong> un arreglo<br />
<strong>de</strong> puertas lógicas, se encarga <strong>de</strong> enclavar los disparos <strong>de</strong> los interruptores <strong>de</strong>l puente<br />
completo para hacer que el transformador se que<strong>de</strong> funcionando al 50% como una<br />
simple ganancia. De éste modo, la tensión <strong>de</strong> entrada <strong>de</strong>l convertidor en modo<br />
elevador tiene como entrada el bus <strong>de</strong> baja tensión multiplicado por la relación <strong>de</strong><br />
transformación. Es en este momento cuando la tensión <strong>de</strong> salida queda controlada por<br />
el interruptor M2 que es gobernado directamente por el controlador principal. En ésta<br />
etapa, la que la tensión <strong>de</strong> salida <strong>de</strong>be ser regulada para todos los valores <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong><br />
funcionamiento permanente o normal.<br />
Con el esquema anterior, es posible arrancar el convertidor con tensión cero en la<br />
salida en modo elevador, y tener un banco <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores y/o celdas <strong>de</strong><br />
combustible en el lado <strong>de</strong> alta tensión <strong>de</strong> salida.<br />
61
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
V B<br />
PUENTE<br />
COMPLETO<br />
V bus<br />
C bus<br />
ELEVADOR<br />
V C<br />
M7, M10<br />
fc / 2<br />
M8, M9<br />
M11<br />
fc<br />
M2<br />
M<br />
d<br />
V B<br />
Comparador <strong>de</strong><br />
niveles <strong>de</strong> tensión<br />
V C<br />
UC3825<br />
(Esclavo)<br />
SINCRO<br />
UC3823<br />
(Principal)<br />
Error<br />
Ref<br />
Figura 3.24 Diagrama <strong>de</strong> bloques para el control <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador<br />
3.4 Convertidor Reductor-Puente “Bidire<strong>cc</strong>ional"<br />
En los apartados anteriores, se han analizado por separado el funcionamiento <strong>de</strong> la<br />
topología en modo reductor y en modo elevador. En ambos casos, fueron consi<strong>de</strong>rados<br />
arreglos <strong>de</strong> diodos para las respectivas etapas <strong>de</strong> rectificación. En la topología<br />
bidire<strong>cc</strong>ional, no se utilizan diodos rectificadores, en su lugar se han sustituido por<br />
MOSFETs que son necesarios para funcionar correctamente como convertidor<br />
bidire<strong>cc</strong>ional.<br />
En éste apartado se presenta <strong>de</strong> manera original la topología <strong>de</strong>l nuevo convertidor<br />
Reductor-Puente Bidire<strong>cc</strong>ional basado en un convertidor Reductor mas un Puente<br />
completo. Las características principales con las que cuenta esta nueva topología<br />
son: capacidad <strong>de</strong> transferir energía en ambas dire<strong>cc</strong>iones, aislamiento galvánico,<br />
alta relación entre la tensión <strong>de</strong> entrada y la tensión <strong>de</strong> salida y pue<strong>de</strong> arrancar en<br />
modo elevador con tensión <strong>de</strong> salida <strong>de</strong>s<strong>de</strong> 0V sin problemas.<br />
Esta nueva topología <strong>de</strong> convertidor bidire<strong>cc</strong>ional, cuenta con la ventaja <strong>de</strong> tener un<br />
funcionamiento muy sencillo. Funciona como un convertidor reductor y como un<br />
62
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
convertidor elevador, la única diferencia, es la adición <strong>de</strong> un transformador que está<br />
conmutando la mayor parte <strong>de</strong>l tiempo al 50% en cada una <strong>de</strong> sus ramas. En éste<br />
apartado, se van a presentar los principales aspectos <strong>de</strong> diseño <strong>de</strong>l convertidor para<br />
que funcione a<strong>de</strong>cuadamente como un convertidor bidire<strong>cc</strong>ional.<br />
En la Figura 3.25 se muestra la topología <strong>de</strong>l convertidor Reductor-Puente<br />
Bidire<strong>cc</strong>ional. En esta figura, se colocan todos los elementos que son necesarios para<br />
que la nueva topología pueda funcionar como un convertidor bidire<strong>cc</strong>ional.<br />
i c<br />
REDUCTOR<br />
L<br />
PUENTE COMPLETO<br />
i B<br />
Vc<br />
Cc<br />
M1<br />
i L<br />
C bus<br />
M3<br />
M5<br />
i i s<br />
p<br />
Vp<br />
Vs<br />
M2 V bus<br />
TR<br />
M7<br />
M9<br />
CB<br />
VB<br />
M11<br />
M4<br />
M6<br />
n TR<br />
: 1<br />
M8<br />
M10<br />
Figura 3.25 Convertidor Reductor-Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Al sustituir los diodos por MOSFETs y controlar el flujo a<strong>de</strong>cuado <strong>de</strong> la corriente, se<br />
tiene una nueva topología <strong>de</strong> convertidor bidire<strong>cc</strong>ional. Esta topología, funciona<br />
correctamente y tiene la capacidad <strong>de</strong> arrancar en modo elevador <strong>de</strong>s<strong>de</strong> tensión <strong>de</strong><br />
salida cero como lo es para los casos <strong>de</strong> los <strong>convertidores</strong> con bancos <strong>de</strong><br />
con<strong>de</strong>nsadores en la salida.<br />
3.4.1 Análisis <strong>de</strong> la topología<br />
Esta topología ha sido analizada por separado como convertidor reductor y como<br />
convertidor elevador en los apartados 3.2 y 3.3 respectivamente. El análisis que se ha<br />
realizado <strong>de</strong> la topología en cada caso, ha sido un análisis in<strong>de</strong>pendiente en el que no<br />
se ha tomado en consi<strong>de</strong>ración que el convertidor sería utilizado como convertidor<br />
bidire<strong>cc</strong>ional. Por lo tanto, <strong>de</strong> los análisis realizados no se pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>spren<strong>de</strong>r aún un<br />
criterio <strong>de</strong>finitivo para diseñar correctamente la topología como convertidor<br />
bidire<strong>cc</strong>ional. Es por ello que en el <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> este apartado, se analizan las<br />
características y restri<strong>cc</strong>iones <strong>de</strong> la topología funcionando como bidire<strong>cc</strong>ional.<br />
63
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
El aspecto que se <strong>de</strong>be revisar para analizar la topología como convertidor<br />
bidire<strong>cc</strong>ional es, estudiar la penalización que sufre el convertidor para que pueda<br />
funcionar como convertidor bidire<strong>cc</strong>ional.<br />
3.4.2 Penalización <strong>de</strong> la bidire<strong>cc</strong>ionalidad<br />
Es importante hacer un análisis <strong>de</strong> la penalización que se tiene en el convertidor al<br />
tener que trabajar como convertidor bidire<strong>cc</strong>ional. La penalización está <strong>de</strong>terminada<br />
por los niveles <strong>de</strong> tensión que <strong>de</strong>ben soportar los semiconductores <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l<br />
convertidor. Estos niveles <strong>de</strong> tensión, <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>n <strong>de</strong>l modo <strong>de</strong> operación en que se<br />
encuentre trabajando el convertidor pudiendo ser, modo reductor o modo elevador.<br />
Dentro <strong>de</strong> un mismo período <strong>de</strong> conmutación, los componentes <strong>de</strong>l convertidor están<br />
sometidos a distintos niveles <strong>de</strong> tensión. En este caso, el nivel <strong>de</strong> tensión que nos<br />
interesa es el máximo que soporta cada componente.<br />
En la Tabla IV se presenta un resumen <strong>de</strong> las ecuaciones para calcular las tensiones <strong>de</strong><br />
bloqueo para cada uno <strong>de</strong> los componentes <strong>de</strong>l convertidor tanto para modo reductor<br />
como para modo elevador.<br />
Las tensiones <strong>de</strong> bloqueo son las máximas tensiones que se presentan el los terminales<br />
<strong>de</strong> cada uno <strong>de</strong> los componentes en un <strong>de</strong>terminado intervalo <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l período <strong>de</strong><br />
conmutación.<br />
En general, es <strong>de</strong>seable que las tensiones <strong>de</strong> bloqueo sean lo menor posibles <strong>de</strong> cara a<br />
la sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> los componentes, ya que un mismo componente <strong>de</strong> potencia que<br />
soporte más tensión que otro, tendrá peores características eléctricas. Por ejemplo, la<br />
resistencia en condu<strong>cc</strong>ión (R DSON ) para los transistores MOSFETs, es mayor para<br />
aquellos transistores que soporten mayor tensión entre drenador y fuente.<br />
64
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Tabla IV Tensiones <strong>de</strong> bloqueo en los componentes <strong>de</strong>l convertidor en modo reductor y<br />
modo elevador<br />
TENSIONES DE BLOQUEO<br />
COMPONENTE<br />
MODO<br />
REDUCTOR<br />
MODO ELEVADOR<br />
ARRANQUE NORMAL<br />
M1 y M2<br />
VC<br />
VC<br />
VC<br />
M3 a M6<br />
n V TR B<br />
n V TR B<br />
n V TR B<br />
M7 a M10<br />
V<br />
B<br />
V<br />
B<br />
V<br />
B<br />
M11 0 n V TR B<br />
0<br />
Obsérvese, que tanto para modo reductor como para modo elevador y para todos los<br />
componentes excepto para el MOSFET M11, las tensiones <strong>de</strong> bloqueo son<br />
exactamente las mismas en cada caso. Esto significa, que <strong>de</strong> ningún modo, la<br />
topología se penaliza al convertirla en una topología <strong>de</strong> convertidor bidire<strong>cc</strong>ional.<br />
De los esfuerzos eléctricos que sufren los componentes <strong>de</strong>l convertidor, ninguno <strong>de</strong><br />
ellos se ve afectado al hacer <strong>de</strong> la topología un convertidor bidire<strong>cc</strong>ional. M11,<br />
soporta 0 voltios <strong>de</strong> tensión en modo reductor y en la etapa permanente <strong>de</strong>l modo<br />
elevador, ya que en estos modos <strong>de</strong> funcionamiento el interruptor permanece cerrado.<br />
En la etapa <strong>de</strong> arranque <strong>de</strong>l modo elevador éste interruptor permanece abierto, pero al<br />
igual que los MOSFETs M3 a M6 únicamente soporta la tensión <strong>de</strong>l bus <strong>de</strong> baja<br />
tensión multiplicada por la relación <strong>de</strong> transformación.<br />
3.4.3 Diseño <strong>de</strong>l convertidor para funcionar bidire<strong>cc</strong>ionalmente<br />
Se ha realizado una hoja <strong>de</strong> cálculo en el programa matemático MathCAD (Anexo I)<br />
para calcular y obtener corrientes, tensiones y pérdidas <strong>de</strong>l convertidor. De forma<br />
general, el diseño <strong>de</strong>l convertidor Reductor-Puente Bidire<strong>cc</strong>ional utiliza los mismos<br />
65
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
criterios que se establecen para diseñar el convertidor en modo reductor y en modo<br />
elevador. Se <strong>de</strong>be cuidar que sea un diseño en el que se tengan las menores pérdidas y<br />
en el que los componentes sean los mas a<strong>de</strong>cuados posibles <strong>de</strong> cara a tamaño, peso y<br />
rendimiento. De igual manera, la sele<strong>cc</strong>ión y cálculo <strong>de</strong> los componentes se hace <strong>de</strong><br />
acuerdo al criterio que a continuación se <strong>de</strong>scribe.<br />
3.4.4 Frecuencia <strong>de</strong> conmutación<br />
En un convertidor conmutado la ele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> la frecuencia <strong>de</strong> conmutación es un<br />
parámetro que va ha influir en todos sus elementos. Va a ser un <strong>de</strong>terminante <strong>de</strong>l<br />
tamaño <strong>de</strong> los elementos magnéticos, así como <strong>de</strong> los interruptores y el rendimiento.<br />
La ele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> este parámetro no es nada sencillo, <strong>de</strong>bido a que la frecuencia va a<br />
<strong>de</strong>terminar el tamaño y las pérdidas <strong>de</strong> los magnéticos, así como en los <strong>de</strong>más<br />
dispositivos. Se <strong>de</strong>bería hacer un barrido en frecuencias <strong>de</strong>l convertidor, para obtener<br />
la que optimiza las pérdidas para las tensiones nominales, pero es posible que la<br />
mejora no sea muy significativa. Por lo tanto es un parámetro que queda a la ele<strong>cc</strong>ión<br />
y experiencia <strong>de</strong>l diseñador, y a partir <strong>de</strong> la ele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> ésta se diseñan los <strong>de</strong>más<br />
componentes. Claro está, que la libertad <strong>de</strong> ele<strong>cc</strong>ión no es total, siendo para éste tipo<br />
<strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> variable aproximadamente entre 25kHz y 200kHz. En este<br />
convertidor se ha elegido una frecuencia intermedia, <strong>de</strong>bido a la las altas tensiones y a<br />
los altos valores <strong>de</strong> potencia que se presentan (1,5kW), <strong>de</strong> modo que el transformador<br />
no resulte muy voluminoso. Se ha escogido 100kHz para los transistores M1 y M2 que<br />
conforman el convertidor reductor, lo anterior hace que el puente completo conmute a<br />
50kHz.<br />
3.4.5 Cálculo <strong>de</strong> tensiones<br />
Este convertidor, <strong>de</strong>be ser capaz <strong>de</strong> funcionar con un margen <strong>de</strong> tensiones <strong>de</strong> entrada y<br />
proporcionar otro margen <strong>de</strong> tensiones <strong>de</strong> salida. Esto ocasiona que los MOSFETs,<br />
soporten distintos valores <strong>de</strong> tensión al tener tensiones <strong>de</strong> entrada y salida mínimas y<br />
máximas. La sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> estos componentes se <strong>de</strong>be hacer consi<strong>de</strong>rando la tensión <strong>de</strong><br />
bloqueo crítica, es <strong>de</strong>cir, la máxima tensión que soportan para las distintas<br />
combinaciones <strong>de</strong> tensiones <strong>de</strong> entrada y salida. En topologías que cuentan con uno o<br />
varios transformadores <strong>de</strong> por medio, la sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> la relación <strong>de</strong> transformación es<br />
66
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
crítica, ya que en muchos casos <strong>de</strong> ella <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> la sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> la mayoría <strong>de</strong> los<br />
MOSFETs <strong>de</strong> potencia. Es por ello, que conviene utilizar una relación <strong>de</strong><br />
transformación con la que se puedan sele<strong>cc</strong>ionar MOSFETs <strong>de</strong> la menor tensión<br />
drenador fuente posible para el convertidor. En ésta topología en particular,<br />
únicamente los MOSFETs M3 a M6 y M11 <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>n <strong>de</strong> la relación <strong>de</strong> transformación<br />
n TR , ya que el resto <strong>de</strong> interruptores soportan la tensión <strong>de</strong> entrada y la tensión <strong>de</strong><br />
salida sin importar la relación <strong>de</strong> transformación que se tenga.<br />
3.4.6 Cálculo <strong>de</strong> la relación <strong>de</strong> transformación n TR<br />
La relación <strong>de</strong> transformación n TR , afecta directamente en el funcionamiento <strong>de</strong>l<br />
convertidor al estar involucrada para el cálculo <strong>de</strong> la inductancia, por lo tanto afecta en<br />
las corrientes en todos los componentes <strong>de</strong>l convertidor. Por esta razón, no es tan<br />
sencillo <strong>de</strong>terminar el valor <strong>de</strong> esta relación <strong>de</strong> transformación ya que las pérdidas <strong>de</strong>l<br />
convertidor pue<strong>de</strong>n aumentar al influir directamente en las corrientes <strong>de</strong> los<br />
componentes <strong>de</strong>l convertidor. Algunas veces, se tienen limitaciones <strong>de</strong> carácter físico<br />
para la sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> esta relación <strong>de</strong> transformación, en otras ocasiones el mismo<br />
funcionamiento <strong>de</strong> la topología que se utiliza pue<strong>de</strong> limitar la sele<strong>cc</strong>ión ó quien<br />
también pue<strong>de</strong> fijar su valor es el rango <strong>de</strong> tensiones <strong>de</strong> operación en los que tenga que<br />
trabajar el convertidor.<br />
En el caso <strong>de</strong>l convertidor Reductor-Puente Bidire<strong>cc</strong>ional y <strong>de</strong>bido a la aplicación en<br />
la que se <strong>de</strong>sea utilizar (Vehículos Híbridos), es una combinación <strong>de</strong> los factores<br />
anteriores quienes se encargan <strong>de</strong> <strong>de</strong>terminar el valor <strong>de</strong> la relación <strong>de</strong> transformación<br />
n TR . Estos factores se mencionan a continuación:<br />
• Márgenes <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> operación.- De acuerdo a los márgenes <strong>de</strong> tensión<br />
con los que <strong>de</strong>ba funcionar el convertidor, se <strong>de</strong>be sele<strong>cc</strong>ionar el valor<br />
a<strong>de</strong>cuado <strong>de</strong> n TR para que los ciclos <strong>de</strong> trabajo que resulten sean <strong>de</strong> valores<br />
aceptables. Al mismo tiempo, en ésta nueva topología <strong>de</strong> convertidor<br />
bidire<strong>cc</strong>ional, se estableció una condición <strong>de</strong> diseño en el modo elevador que<br />
limita la sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> los valores <strong>de</strong> la relación <strong>de</strong> transformación. Esta<br />
condición esta <strong>de</strong>finida por la inecuación (3.14) y establece que la relación <strong>de</strong><br />
transformación se <strong>de</strong>be sele<strong>cc</strong>ionar <strong>de</strong> entre los siguientes valores posibles:<br />
67
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
V<br />
nTR<br />
≤<br />
V<br />
C<br />
• Tensión <strong>de</strong> bloqueo.- De igual manera, la sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> n TR <strong>de</strong>be ser un<br />
compromiso en el que la tensión <strong>de</strong> bloqueo <strong>de</strong> los componentes sea lo menor<br />
posible para po<strong>de</strong>r sele<strong>cc</strong>ionar dispositivos <strong>de</strong> baja resistencia en condu<strong>cc</strong>ión<br />
y bajas capacida<strong>de</strong>s parásitas en el caso <strong>de</strong> los MOSFETs. Los MOSFETs que<br />
se ven afectados con la sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> n TR son M3 a M6 y M11.<br />
• Cálculo <strong>de</strong> pérdidas.- Por último, para <strong>de</strong>terminar el valor a<strong>de</strong>cuado <strong>de</strong> la<br />
relación <strong>de</strong> transformación, se <strong>de</strong>be realizar un análisis <strong>de</strong> las pérdidas que se<br />
producen en los dispositivos <strong>de</strong>l convertidor para los posibles valores <strong>de</strong> n TR y<br />
sele<strong>cc</strong>ionar el que menores pérdidas presente para el convertidor.<br />
B<br />
min<br />
max<br />
3.4.7 Cálculo <strong>de</strong> corrientes<br />
En el convertidor, se han calculado las corrientes promedio y eficaces <strong>de</strong> cada uno <strong>de</strong><br />
los componentes cuando opera en modo reductor y cuando opera en modo elevador.<br />
Estos valores <strong>de</strong> corriente, se <strong>de</strong>tallan más ampliamente en el Anexo I, que es una hoja<br />
<strong>de</strong> MathCAD utilizada para calcular los parámetros y pérdidas <strong>de</strong>l convertidor en un<br />
modo <strong>de</strong> operación o en otro. El valor <strong>de</strong> las corrientes que circulan a través <strong>de</strong> los<br />
componentes <strong>de</strong>l convertidor, <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>n <strong>de</strong> la potencia <strong>de</strong> diseño y <strong>de</strong>l valor <strong>de</strong><br />
inductancia que tiene la bobina L, que es otro grado <strong>de</strong> libertad <strong>de</strong>l diseño.<br />
3.4.7.1 Cálculo <strong>de</strong> la bobina L<br />
Para calcular el valor <strong>de</strong> la bobina, se pue<strong>de</strong>n consi<strong>de</strong>rar varios criterios, <strong>de</strong>s<strong>de</strong><br />
presele<strong>cc</strong>ionar un valor <strong>de</strong> inductancia, un núcleo, un valor en el rizado <strong>de</strong> la corriente<br />
u optimizar el valor <strong>de</strong> las corrientes promedio y eficaces para alcanzar un mínimo <strong>de</strong><br />
pérdidas en los componentes <strong>de</strong>l convertidor. En este caso, como va a ser un elemento<br />
voluminoso por la corriente que lleva, se ha permitido que el rizado sea gran<strong>de</strong> (100%<br />
<strong>de</strong> la corriente promedio que circula en la bobina). Con esto, se preten<strong>de</strong> utilizar un<br />
bajo valor <strong>de</strong> inductancia que sea fácil <strong>de</strong> alcanzar y construir. La ecuación (3.25)<br />
<strong>de</strong>fine el valor <strong>de</strong> la inductancia en la bobina <strong>de</strong>l convertidor con un rizado <strong>de</strong>l 100%<br />
pico a pico. Se calcula para la corriente nominal <strong>de</strong> salida.<br />
68
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
( n V )<br />
3<br />
1 ⎛<br />
⎞<br />
2 TR B 1<br />
max<br />
L = ⎜( nTRVB<br />
) − ⎟<br />
(3.25)<br />
max<br />
P ⎜<br />
V ⎟<br />
⎝<br />
c<br />
fc<br />
max ⎠<br />
Don<strong>de</strong>:<br />
L = Inductancia <strong>de</strong> la bobina L (H)<br />
P = Potencia <strong>de</strong> salida (W)<br />
V Bmax , V Cmax = Tensiones <strong>de</strong> entrada y salida máximas (V)<br />
fc = Frecuencia <strong>de</strong> conmutación (Hz)<br />
n TR = Relación <strong>de</strong> vueltas en el transformador<br />
3.4.8 Cálculo <strong>de</strong> los con<strong>de</strong>nsadores<br />
En general, el cálculo <strong>de</strong> los con<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> la topología que se este<br />
utilizando. Por ejemplo, en modo <strong>de</strong> condu<strong>cc</strong>ión continuo (MCC), el con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong><br />
salida <strong>de</strong> un convertidor reductor o <strong>de</strong> un convertidor reductor con aislamiento<br />
(forward), necesita un valor <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> filtrado menor que en el caso <strong>de</strong> un<br />
convertidor <strong>de</strong> retroceso (flyback). La corriente en la salida <strong>de</strong> un convertidor <strong>de</strong><br />
retroceso es pulsante, ocasionando que el con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida sea el que se encargue<br />
<strong>de</strong> alimentar la carga cuando no existe corriente <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la entrada. Esto penaliza su<br />
funcionamiento, ya que tiene que almacenar suficiente energía para alimentar a la<br />
carga en los tiempos en que se interrumpe la corriente.<br />
La forma más común <strong>de</strong> calcular el valor <strong>de</strong> un con<strong>de</strong>nsador y que es la que se ha<br />
utilizado en este trabajo <strong>de</strong> tesis, es fijar un valor <strong>de</strong> rizado <strong>de</strong> tensión que se <strong>de</strong>see en<br />
la salida e integrar la corriente que circula en el con<strong>de</strong>nsador, <strong>de</strong> este modo se obtiene<br />
el valor necesario <strong>de</strong>l con<strong>de</strong>nsador.<br />
Por la aplicación <strong>de</strong> esta topología en Vehículos Híbridos (VH), es necesario mantener<br />
en las salidas <strong>de</strong>l convertidor valores <strong>de</strong> tensión con relativa calidad al tener que hacer<br />
las funciones <strong>de</strong> un cargador/<strong>de</strong>scargador <strong>de</strong> baterías. Por lo anterior, el rizado <strong>de</strong><br />
tensión con el que se calculan los con<strong>de</strong>nsadores con respecto a su salida, es <strong>de</strong>l 1%.<br />
69
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Al igual que las corrientes en cada uno <strong>de</strong> los componentes <strong>de</strong>l convertidor, el cálculo<br />
<strong>de</strong> los con<strong>de</strong>nsadores se hace en el correspondiente modo <strong>de</strong> funcionamiento (reductor<br />
o elevador) y se sele<strong>cc</strong>iona aquel que resulte <strong>de</strong> mayor valor. Esto es así, porque en el<br />
caso <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales, un mismo con<strong>de</strong>nsador es <strong>de</strong> entrada en un<br />
modo <strong>de</strong> funcionamiento y <strong>de</strong> salida en el otro modo <strong>de</strong> operación y uno <strong>de</strong> los modos<br />
pue<strong>de</strong> estar más penalizado y resultar un con<strong>de</strong>nsador más gran<strong>de</strong>.<br />
3.4.9 Cálculo <strong>de</strong>l transformador y la bobina<br />
Para diseñar el transformador y la bobina se recurre a la experiencia <strong>de</strong>sarrollada en la<br />
División <strong>de</strong> Ingeniería Electrónica (DIE) que ha comercializado una herramienta<br />
computacional llamada "PExprt" la cual es distribuida internacionalmente por<br />
ANSOFT Corporation (www.ansoft.com). Esta herramienta, cuenta con un apartado<br />
que permite diseñar componentes magnéticos (bobinas y transformadores) <strong>de</strong> los<br />
<strong>convertidores</strong> <strong>de</strong> potencia conocidos o a partir <strong>de</strong> las formas <strong>de</strong> onda que se aplican al<br />
componente. Esta herramienta proporciona múltiples diseños <strong>de</strong> componentes<br />
magnéticos los cuales pue<strong>de</strong>n ser optimizados para obtener las menores pérdidas, los<br />
menores tamaños, las menores temperaturas, utilizar un núcleo <strong>de</strong>terminado, los<br />
menores volúmenes, etc. La herramienta computacional <strong>de</strong> diseño cuenta con una<br />
extensa base <strong>de</strong> datos <strong>de</strong> todas las empresas que comercializan núcleos magnéticos y<br />
conductores con los cuales propone los diferentes diseños. De los diseños propuestos<br />
se sele<strong>cc</strong>iona el que mejores prestaciones <strong>de</strong> tamaño y menores pérdidas tenga.<br />
También cuenta con un apartado para mo<strong>de</strong>lar el componente magnético (PExprt<br />
Mo<strong>de</strong>ler), en este apartado se pue<strong>de</strong> aplicar entrelazado a los <strong>de</strong>vanados <strong>de</strong>l<br />
transformador y calcular las pérdidas y acoplamientos que se producen en el<br />
componente antes <strong>de</strong> construirlo.<br />
• Transformador TR.- Para calcular el transformador TR se proporcionan<br />
como entrada las tensiones <strong>de</strong> operación, la potencia <strong>de</strong> operación, el ciclo <strong>de</strong><br />
trabajo y la relación <strong>de</strong> transformación en cualquiera <strong>de</strong> los modos <strong>de</strong><br />
funcionamiento, ya sea modo reductor o modo elevador normal. El criterio<br />
fundamental para la sele<strong>cc</strong>ión y constru<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong>l transformador fue utilizar un<br />
núcleo <strong>de</strong>terminado para la potencia sele<strong>cc</strong>ionada y mo<strong>de</strong>lar distintas<br />
estrategias <strong>de</strong> <strong>de</strong>vanado y análisis <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong>l transformador con la<br />
70
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Herramienta <strong>de</strong> Elementos Finitos (HEF) para sele<strong>cc</strong>ionar la que mejores<br />
acoplamientos y menores pérdidas produjese.<br />
• Bobina L.- Por la aplicación que se esta <strong>de</strong>sarrollando para este nuevo<br />
convertidor, es conveniente utilizar una bobina <strong>de</strong> núcleo toroidal, ya que al<br />
estar sometida a vibraciones <strong>de</strong> baja frecuencia, se pue<strong>de</strong> modificar el<br />
entrehierro si se tratase <strong>de</strong> cualquier otro tipo <strong>de</strong> núcleo. En éste tipo <strong>de</strong><br />
núcleos no es posible colocar entrehierro para alcanzar el valor a<strong>de</strong>cuado <strong>de</strong><br />
inductancia. Por tanto, habitualmente se utilizan núcleos toroidales <strong>de</strong> polvo<br />
<strong>de</strong> hierro para construir la bobina.<br />
3.4.10 Control <strong>de</strong>l convertidor bidire<strong>cc</strong>ional<br />
El control <strong>de</strong>l nuevo convertidor bidire<strong>cc</strong>ional, es una combinación <strong>de</strong> los controles<br />
realizados tanto para modo reductor como para modo elevador. Esta topología, utiliza<br />
los mismos controladores tanto en modo reductor como en modo elevador, es <strong>de</strong>cir, un<br />
UC3823 y un UC3825 ambos <strong>de</strong> Texas Instrument. Esto permite que, se puedan<br />
utilizar los mismos controladores para funcionar en modo reductor y/o en modo<br />
elevador. Para conseguir esto, es necesario generar una etapa lógica <strong>de</strong> control, en la<br />
que <strong>de</strong>pendiendo <strong>de</strong>l modo <strong>de</strong> operación, la distribución <strong>de</strong> los pulsos sea para<br />
funcionar en modo reductor o en modo elevador. Esta etapa lógica, cuenta con un<br />
selector <strong>de</strong> modo <strong>de</strong> funcionamiento para modo reductor o modo elevador. La<br />
realimentación <strong>de</strong> V C y V B se hace a esta etapa lógica <strong>de</strong> control en la que a<strong>de</strong>más está<br />
incluido el circuito para la transición <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> arranque a la etapa permanente en<br />
modo elevador. En la Figura 3.26 se muestra el esquema general <strong>de</strong>l control para el<br />
convertidor Reductor-Puente Bidire<strong>cc</strong>ional.<br />
71
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
V C<br />
REDUCTOR ó<br />
ELEVADOR<br />
V bus<br />
C bus<br />
PUENTE<br />
COMPLETO<br />
V B<br />
M1<br />
M2<br />
M11<br />
M3<br />
M4<br />
M5<br />
M6<br />
M7<br />
M8<br />
M9<br />
10<br />
Etapa lógica, para generación <strong>de</strong> pulsos<br />
en modo reductor ó en modo elevador<br />
Reductor<br />
Elevador<br />
UC3823<br />
(Principal)<br />
SINCRO<br />
UC3825<br />
(Esclavo)<br />
Selector<br />
<strong>de</strong> modo<br />
Error<br />
Ref<br />
Figura 3.26 Control <strong>de</strong>l convertidor Reductor-Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
3.4.10.1 Rectificación Síncrona en el convertidor bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Para disminuir las pérdidas por condu<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong>l convertidor, se utiliza rectificación<br />
síncrona. Para implementar esta técnica, es necesario utilizar circuitos adicionales que<br />
se encarguen <strong>de</strong> generar los pulsos para los rectificadores síncronos en cada modo <strong>de</strong><br />
funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor. En otras palabras, los MOSFETs que controlan el<br />
convertidor en modo reductor (M1 y M3 a M6), son los rectificadores síncronos en<br />
modo elevador. De igual manera los MOSFETs que controlan el convertidor en modo<br />
elevador (M2 y M7 a M10), son los rectificadores síncronos en modo reductor.<br />
Se <strong>de</strong>be tener cuidado con la generación <strong>de</strong> los pulsos <strong>de</strong> control, ya que para que el<br />
convertidor Reductor-Puente Bidire<strong>cc</strong>ional funcione a<strong>de</strong>cuadamente, los pulsos <strong>de</strong>ben<br />
ser distintos para un modo <strong>de</strong> operación u otro. En la Figura 3.27 y Figura 3.28 se<br />
muestran los pulsos <strong>de</strong> control para modo reductor y modo elevador respectivamente<br />
con los respectivos tiempos muertos. La generación a<strong>de</strong>cuada <strong>de</strong> estos tiempos<br />
muertos, garantiza que no se produzca corto circuito en el convertidor.<br />
72
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
V GS<br />
0<br />
d·T<br />
Tiempos muertos<br />
d·T<br />
Tiempos muertos<br />
V GS<br />
0<br />
M1<br />
t<br />
M2<br />
t<br />
0<br />
M2<br />
t<br />
0<br />
M1<br />
t<br />
M3 y M6<br />
0<br />
0<br />
M7 y M10<br />
0<br />
0 T<br />
2T<br />
M4 y M5<br />
M8 y M9<br />
t<br />
t<br />
t<br />
t<br />
M7 y M10<br />
0<br />
0<br />
M3 y M6<br />
0<br />
0 T<br />
2T<br />
M8 y M9<br />
M4 y M5<br />
t<br />
t<br />
t<br />
t<br />
Figura 3.27 Pulsos <strong>de</strong> control <strong>de</strong>l<br />
convertidor Reductor-Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
en Modo Reductor<br />
Figura 3.28 Pulsos <strong>de</strong> control <strong>de</strong>l<br />
convertidor Reductor-Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
en Modo Elevador<br />
3.4.10.2 Circuitos <strong>de</strong> disparo para MOSFETs <strong>de</strong> alta tensión<br />
En el caso <strong>de</strong> los MOSFETs M1 y M2 se utilizan circuitos <strong>de</strong> disparo adicionales que<br />
permitiesen garantizar el apagado <strong>de</strong> los MOSFETs ya que generalmente los<br />
interruptores <strong>de</strong> alta tensión tienen problemas <strong>de</strong> falsos disparos. El circuito que se<br />
utilizó para controlar estos MOSFETs encien<strong>de</strong> y apaga con tensión positiva y<br />
negativa respectivamente. Este circuito se ha utilizado en la División <strong>de</strong> Ingeniería<br />
Electrónica ocasionalmente si se utilizan MOSFETs <strong>de</strong> alta tensión. En la Figura 3.29<br />
y Figura 3.30 se muestra el esquema eléctrico y una fotografía respectivamente <strong>de</strong>l<br />
circuito disparador que se conecta directamente en las terminales <strong>de</strong> los MOSFETs<br />
M1 y M2 <strong>de</strong> alta tensión.<br />
73
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
V+<br />
V GS<br />
d·T<br />
S<br />
V-<br />
Figura 3.29 Esquema eléctrico <strong>de</strong>l circuito <strong>de</strong> disparo para los MOSFETs M1 y M2<br />
Figura 3.30 Fotografía <strong>de</strong> la cara anterior y posterior <strong>de</strong>l circuito <strong>de</strong> disparo <strong>de</strong> M1 y M2<br />
3.5 Diseño y particularización <strong>de</strong>l concepto bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Para validar la topología <strong>de</strong>l convertidor Reductor-Puente Bidire<strong>cc</strong>ional, se construyó<br />
un prototipo <strong>de</strong> laboratorio en el que se verifica el concepto <strong>de</strong> funcionamiento. Este<br />
convertidor al ser un prototipo diseñado y construido en el laboratorio, tiene la<br />
<strong>de</strong>sventaja <strong>de</strong> no po<strong>de</strong>r disipar las pérdidas que se generarían para una potencia <strong>de</strong><br />
entre 1,5kW y 2 kW. Lo anterior se <strong>de</strong>be a que en prototipos <strong>de</strong> estas potencias, los<br />
diseños se hacen para tener sistemas <strong>de</strong> refrigeración por aire forzado o por sistemas<br />
<strong>de</strong> refrigeración con agua que facilitan la evacuación <strong>de</strong>l calor. Sin embargo, La<br />
constru<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> éste prototipo a pesar <strong>de</strong> ser <strong>de</strong> menor potencia, es suficiente para<br />
validar el concepto <strong>de</strong> la bidire<strong>cc</strong>ionalidad <strong>de</strong> la nueva topología y en el que se pue<strong>de</strong>n<br />
probar tanto el circuito para medir el <strong>de</strong>sequilibrio <strong>de</strong> la corriente magnetizante en el<br />
74
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
transformador <strong>de</strong> potencia, como el circuito <strong>de</strong> transición en modo elevador <strong>de</strong> la<br />
etapa <strong>de</strong> arranque a la etapa permanente o normal.<br />
Un segundo prototipo <strong>de</strong> mayor potencia en colaboración con la empresa<br />
ALCATEL <strong>de</strong> España se ha construido. Este segundo prototipo también incluye<br />
los circuitos para la estimación <strong>de</strong> la corriente magnetizante y <strong>de</strong> transición en<br />
modo elevador aquí propuestos así como otros <strong>de</strong> monitorización y prote<strong>cc</strong>ión.<br />
En este caso, la aplicación en particular en la que se preten<strong>de</strong> aplicar éste convertidor<br />
bidire<strong>cc</strong>ional, es en el sistema eléctrico <strong>de</strong> Vehículos Híbridos (VH). Tal como se<br />
explicó en el apartado 1.2, las tensiones en este tipo <strong>de</strong> vehículos <strong>de</strong>ben ser la <strong>de</strong> una<br />
batería <strong>de</strong> baja tensión (12V) y la <strong>de</strong> un bus <strong>de</strong> alta tensión (400V). De igual manera,<br />
al tratarse <strong>de</strong> una aplicación en la que se involucra a baterías, los rizados <strong>de</strong> tensión<br />
<strong>de</strong>l convertidor no <strong>de</strong>ben ser excesivos para evitar dañar a estas.<br />
En la Tabla V se muestran las especificaciones <strong>de</strong> diseño <strong>de</strong>l convertidor, esta tabla<br />
muestra que las tensiones <strong>de</strong> funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor son las mismas que para<br />
cualquier otro prototipo para aplicaciones <strong>de</strong> Vehículos Híbridos.<br />
Tabla V Especificaciones <strong>de</strong> diseño <strong>de</strong>l convertidor Reductor-Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
ESPECIFICACIONES DE DISEÑO<br />
V C<br />
V B<br />
P<br />
fc<br />
Rizado V B<br />
Rizado V C<br />
260 V - 416 V<br />
10 V - 16 V<br />
150 W<br />
Frecuencia CTE.<br />
1% (0,1V pico a pico)<br />
1% (4,16V pico a pico)<br />
3.5.1 Cálculo <strong>de</strong> la relación <strong>de</strong> transformación n TR<br />
En el apartado 3.4.6 se explicó el procedimiento que se <strong>de</strong>be seguir para <strong>de</strong>terminar el<br />
valor a<strong>de</strong>cuado <strong>de</strong> n TR . Para la sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> esta relación <strong>de</strong> transformación, se<br />
estableció una condición que asegure el buen funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor en modo<br />
elevador. Esta condición esta <strong>de</strong>finida por la inecuación (3.14), sustituyendo los<br />
valores <strong>de</strong> la Tabla V en la inecuación anterior se tiene:<br />
75
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
n<br />
TR<br />
≤<br />
260V<br />
16V<br />
n<br />
TR<br />
≤ 16,25<br />
Resolviendo la inecuación, se tiene que n TR solo pue<strong>de</strong> tomar valores menores o<br />
iguales a 16´25. Con cualquiera <strong>de</strong> los valores anteriores, se asegura que la transición<br />
<strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> arranque a la etapa permanente o normal en modo elevador se realizará<br />
<strong>de</strong> forma a<strong>de</strong>cuada y que en el modo elevador se regularán todas las tensiones <strong>de</strong><br />
salida.<br />
3.5.1.1 Ciclo <strong>de</strong> trabajo y tensiones <strong>de</strong> operación<br />
Para completar el cálculo <strong>de</strong>l número <strong>de</strong> vueltas n TR que se pue<strong>de</strong>n colocar en modo<br />
reductor y en modo elevador, utilizamos las ganancias en cada uno <strong>de</strong> los modos <strong>de</strong><br />
funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor. Las respectivas ganancias mínimas y máximas <strong>de</strong><br />
cada modo <strong>de</strong> funcionamiento nos permiten evaluar la excursión <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo<br />
que se tiene en el convertidor para los posibles valores <strong>de</strong> n TR .<br />
Con los datos <strong>de</strong> la Tabla V se calculan las ganancias mínimas y máximas <strong>de</strong>l<br />
convertidor para modo reductor y para modo elevador.<br />
• Ganancias mínima y máxima en modo reductor:<br />
k<br />
k<br />
V<br />
10V<br />
=<br />
416V<br />
B min<br />
R min<br />
=<br />
=<br />
VC<br />
max<br />
V<br />
16V<br />
=<br />
260V<br />
B max<br />
R max<br />
=<br />
=<br />
VC<br />
min<br />
0,024<br />
0,0615<br />
• Ganancias mínima y máxima en modo elevador permanente:<br />
k<br />
V<br />
260V<br />
=<br />
16V<br />
C min<br />
N min<br />
=<br />
=<br />
VB<br />
max<br />
16,25<br />
76
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
k<br />
V<br />
416V<br />
=<br />
10V<br />
C max<br />
N max<br />
=<br />
=<br />
VB<br />
min<br />
41,6<br />
En la Figura 3.31a) y b) se han sustituido los valores <strong>de</strong> las ganancias mínima y<br />
máxima en modo reductor y en modo elevador respectivamente. En estas gráficas se<br />
presenta la excursión <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo para distintos valores <strong>de</strong> n TR . En el caso <strong>de</strong>l<br />
convertidor funcionando en modo reductor Figura 3.31a), no es recomendable utilizar<br />
valores <strong>de</strong> n TR muy pequeños, ya que la excursión <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo es mínima a<br />
medida que disminuye n TR . La mejor excursión <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo se presenta para los<br />
valores mayores que pue<strong>de</strong> adoptar n TR . Una a<strong>de</strong>cuada relación <strong>de</strong> transformación<br />
pue<strong>de</strong> ser el valor máximo <strong>de</strong> n TR , ya que para este valor el ciclo <strong>de</strong> trabajo varía <strong>de</strong>s<strong>de</strong><br />
el 40% hasta el 100%. Sin embargo, cuando el convertidor funciona en modo elevador<br />
Figura 3.31b), no se pue<strong>de</strong> sugerir la utilización <strong>de</strong>l valor máximo <strong>de</strong> n TR ya que para<br />
este valor, el ciclo e trabajo para la ganancia mínima es <strong>de</strong>l 0% o muy pequeño.<br />
Por lo anterior, para tener una excursión <strong>de</strong> ciclo <strong>de</strong> trabajo razonable en ambos<br />
modos <strong>de</strong> funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor, el autor sugiere utilizar un valor <strong>de</strong> n TR<br />
superior a 5 e inferior a 16.<br />
77
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
0,2<br />
50<br />
k Nmax<br />
0,16<br />
40<br />
Ganancia kR<br />
0,12<br />
0,08<br />
k Rmax<br />
Ganancia kN<br />
30<br />
20<br />
k Nmin<br />
0,04<br />
k Rmin<br />
10<br />
0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo d<br />
n TR = 5<br />
n TR = 10<br />
n TR = 16,25<br />
0<br />
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo d<br />
n TR = 5<br />
n TR = 10<br />
n TR = 16,25<br />
a) Modo reductor b) Modo elevador<br />
Figura 3.31 Excursión <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo para distintos valores <strong>de</strong> n TR<br />
3.5.1.2 Cálculo <strong>de</strong> las tensiones <strong>de</strong> bloqueo<br />
El siguiente paso, para <strong>de</strong>terminar n TR según se explica en el apartado 3.4.6, es calcular<br />
las tensiones <strong>de</strong> bloqueo críticas en los componentes <strong>de</strong>l convertidor en los que<br />
interviene la relación <strong>de</strong> transformación n TR . Únicamente se analizan las tensiones <strong>de</strong><br />
bloqueo para los posibles valores <strong>de</strong> n TR .<br />
En general, tal como se mencionó con anterioridad, es conveniente que las tensiones<br />
<strong>de</strong> bloqueo en los componentes sean lo menor posibles para po<strong>de</strong>r sele<strong>cc</strong>ionar<br />
componentes <strong>de</strong> mejores prestaciones eléctricas.<br />
• Tensión <strong>de</strong> M1 y M2.- Tal como se aprecia en la Tabla IV, la máxima tensión<br />
<strong>de</strong> bloqueo que se tendrá para los MOSFETs M1 y M2, será el máximo valor<br />
<strong>de</strong> V C . En este caso, no importa el valor que se escoja para la relación <strong>de</strong><br />
transformación n TR , ya que estos interruptores siempre soportaran el mismo<br />
valor <strong>de</strong> tensión.<br />
• Tensión <strong>de</strong> M7 a M10.- Tal como se aprecia en la Tabla IV, la máxima<br />
tensión <strong>de</strong> bloqueo que se tendrá para los MOSFETs M7 a M10, será el<br />
78
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
máximo valor <strong>de</strong> V B . En este caso, no importa el valor que se escoja para la<br />
relación <strong>de</strong> transformación n TR , ya que estos interruptores siempre soportaran<br />
el mismo valor <strong>de</strong> tensión.<br />
• Tensión <strong>de</strong> M3 a M6 y M11.- En este caso en particular, se preten<strong>de</strong> colocar<br />
interruptores MOSFET <strong>de</strong> relativa baja tensión drenador fuente (máximo<br />
200V, ya que los siguientes son <strong>de</strong> 400V y presentan una R DSON mucho<br />
mayor). Para conseguir este objetivo, se observa cuales son los posibles<br />
valores <strong>de</strong> n TR que se pue<strong>de</strong>n sele<strong>cc</strong>ionar. En la Figura 3.32 se muestra la<br />
curva <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> bloqueo que se presenta en los MOSFETs cuando el<br />
convertidor opera en modo reductor o en modo elevador. En esta curva, se<br />
aprecia que si se <strong>de</strong>sean utilizar MOSFETs <strong>de</strong> 200 voltios, será necesario<br />
sele<strong>cc</strong>ionar n TR para valores menores o iguales a 11, ya que para 12 la tensión<br />
<strong>de</strong> bloqueo esta muy cercana a 200V. Por lo tanto, los valores que pue<strong>de</strong><br />
adoptar n TR para garantizar que las tensiones <strong>de</strong> bloqueo en los MOSFETs M3<br />
a M6 y M11 sean inferiores a 200V con un margen <strong>de</strong> seguridad son:<br />
250<br />
n ≤ 11<br />
(3.26)<br />
TR<br />
Tensión <strong>de</strong> bloqueo (V)<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14<br />
No. <strong>de</strong> vueltas n TR<br />
Figura 3.32 Máxima tensión <strong>de</strong> bloqueo para M3 - M6 y M11 en el convertidor Reductor-<br />
Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
79
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
3.5.1.3 Calculo <strong>de</strong> pérdidas en el convertidor<br />
Una vez realizado el análisis <strong>de</strong> los posibles valores que pue<strong>de</strong> tomar n TR , el siguiente<br />
paso consiste en <strong>de</strong>terminar cual es la mejor relación <strong>de</strong> transformación para que sea<br />
ésta la que se sele<strong>cc</strong>ione. La manera correcta <strong>de</strong> hacerlo es implementando las<br />
ecuaciones <strong>de</strong> las corrientes y tensiones <strong>de</strong>l convertidor en un programa u hoja <strong>de</strong><br />
cálculo. Este programa u hoja <strong>de</strong> cálculo <strong>de</strong>termina las pérdidas a través <strong>de</strong> los<br />
semiconductores (pérdidas <strong>de</strong> condu<strong>cc</strong>ión, conmutación, encendido-apagado y las <strong>de</strong><br />
convivencia corriente-tensión). En este caso, la implementación fue hecha en una hoja<br />
<strong>de</strong> <strong>de</strong> cálculo con el programa MathCAD. Esta hoja <strong>de</strong> cálculo esta incluida en el<br />
Anexo I <strong>de</strong> este documento.<br />
Un análisis <strong>de</strong> pérdidas para distintos valores <strong>de</strong> frecuencia y para diferentes<br />
relaciones <strong>de</strong> transformación se realizó utilizando la hoja <strong>de</strong> cálculo <strong>de</strong> MathCAD <strong>de</strong>l<br />
Anexo I. También fueron utilizados diferentes MOSFETs y puestos en paralelo para<br />
observar la ten<strong>de</strong>ncia en las pérdidas <strong>de</strong>l convertidor en general. El análisis <strong>de</strong><br />
pérdidas fue realizado en base a una potencia <strong>de</strong> 1500W y con diferentes MOSFETs<br />
en el puente M3 a M6 <strong>de</strong>pendiendo <strong>de</strong> la relación <strong>de</strong> transformación utilizada. En la<br />
Tabla VI se muestran los MOSFETs utilizados para cada relación <strong>de</strong> transformación.<br />
Tabla VI MOSFETs utilizados para el análisis <strong>de</strong> pérdidas en el convertidor<br />
n TR M1 y M2 M3 a M6 M7 a M10<br />
7 IRFPS43N50K PSMN030-150P FDP047AN08A0<br />
12 IRFPS43N50K IRFP250 FDP047AN08A0<br />
El análisis <strong>de</strong> pérdidas realizado en el convertidor para distintas relaciones <strong>de</strong><br />
transformación al igual que para distintos MOSFETs y frecuencias es orientativo. Esto<br />
se <strong>de</strong>be así, porque las pérdidas en cada caso particular <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>n estrechamente <strong>de</strong> los<br />
dispositivos que se utilicen y las condiciones en las que se pongan a funcionar. Sin<br />
embargo, los resultados que se obtienen <strong>de</strong> este análisis, marcan una ten<strong>de</strong>ncia<br />
favorable a utilizar relaciones <strong>de</strong> transformación altas para tener las menores pérdidas.<br />
Las pérdidas que se calculan son: perdidas <strong>de</strong> condu<strong>cc</strong>ión R ds-on , por encendido y<br />
apagado <strong>de</strong> puerta Q gs , por capacida<strong>de</strong>s parásitas C oos , y por convivencia corriente<br />
tensión (switching) P sw .<br />
80
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Las pérdidas fueron calculadas para dos relaciones <strong>de</strong> transformación, para una<br />
frecuencia <strong>de</strong> conmutación (100kHz) y para distintos MOSFETs en paralelo por<br />
dispositivo. A continuación, <strong>de</strong>finimos las condiciones con las que fueron calculadas<br />
las pérdidas y con las cuales se realiza la comparación:<br />
(1) 100kHz @ n TR = 7<br />
(2) 100kHz @ n TR = 12<br />
120<br />
100kHz @ n TR = 7<br />
100<br />
Pérdidas (W)<br />
80<br />
60<br />
40<br />
M1<br />
M2<br />
M3 -M6<br />
M7 -M10<br />
20<br />
0<br />
1 2 3 4<br />
MOSFETs en paralelo "m"<br />
Figura 3.33 Pérdidas para 100kHz y n TR = 7<br />
120<br />
100kHz @ n TR = 12<br />
100<br />
Pérdidas (W)<br />
80<br />
60<br />
40<br />
M1<br />
M2<br />
M3 -M6<br />
M7 -M10<br />
20<br />
0<br />
1 2 3<br />
MOSFETs en paralelo "m"<br />
Figura 3.34 Pérdidas para 100kHz y n TR = 12<br />
En la Figura 3.33 y en la Figura 3.34 se muestran los resultados <strong>de</strong> las pérdidas<br />
calculadas. En estas figuras, se aprecia que la ten<strong>de</strong>ncia en las pérdidas <strong>de</strong> una relación<br />
<strong>de</strong> transformación a otra varía bastante, sobre todo para los MOSFETs M1 y M2<br />
81
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
resultando favorecida la relación <strong>de</strong> transformación mayor. Es <strong>de</strong>cir, conviene utilizar<br />
la relación <strong>de</strong> transformación mayor posible. Para el caso <strong>de</strong> los dispositivos en<br />
paralelo, varía <strong>de</strong>pendiendo <strong>de</strong>l MOSFET que se trate, resultando en general un<br />
beneficio la colocación <strong>de</strong> más dispositivos en paralelo para M7 a M10 para ambas<br />
relaciones <strong>de</strong> transformación. El resultado es lógico, <strong>de</strong>bido a que son los MOSFETs<br />
que mayores corrientes conducen.<br />
3.6 Resultados experimentales 1 er prototipo<br />
Se ha construido un prototipo <strong>de</strong> esta nueva topología bidire<strong>cc</strong>ional. Se ha diseñado y<br />
construido la etapa <strong>de</strong> potencia (Figura 3.35) y el control (Figura 3.36), en el<br />
laboratorio <strong>de</strong> la División <strong>de</strong> Ingeniería Electrónica para validar el concepto <strong>de</strong><br />
funcionamiento <strong>de</strong> esta nueva topología como bidire<strong>cc</strong>ional. A este prototipo, se le<br />
han practicado las pruebas en modo reductor y en modo elevador. Se ha verificado su<br />
funcionamiento para la etapa <strong>de</strong> arranque y para la etapa <strong>de</strong> funcionamiento normal o<br />
permanente <strong>de</strong>l modo elevador. Es importante mencionar que éste trabajo <strong>de</strong><br />
investigación ha sido <strong>de</strong>sarrollado en conjunto con ALCATEL España para validar<br />
una nueva topología <strong>de</strong> convertidor bidire<strong>cc</strong>ional que se preten<strong>de</strong> utilizar en<br />
aplicaciones <strong>de</strong> Vehículos Híbridos (VH).<br />
a) b)<br />
Figura 3.35 Aspecto <strong>de</strong>l 1 er prototipo a) Vista lateral <strong>de</strong>l convertidor en la que se<br />
aprecian los MOSFETs <strong>de</strong> potencia b) Vista superior en la que se aprecian el<br />
transformador TR (izquierda arriba) y la bobina L (<strong>de</strong>recha arriba)<br />
82
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Figura 3.36 Aspecto <strong>de</strong> la tarjeta <strong>de</strong> control con los controladores UC3825 y UC3823 <strong>de</strong><br />
Texas Instrument.<br />
Los resultados que se incluyen en este trabajo <strong>de</strong> tesis se muestran en dos partes, una<br />
para modo reductor y otra para modo elevador. En su conjunto, estos resultados<br />
correspon<strong>de</strong>n a los resultados <strong>de</strong>l nuevo convertidor bidire<strong>cc</strong>ional que se ha propuesto<br />
<strong>de</strong> manera original en este trabajo <strong>de</strong> investigación.<br />
NOTA: El transformador y la bobina, se han diseñado empleando los núcleos<br />
magnéticos disponibles en el laboratorio, no siendo éstos los más idóneos. En<br />
el segundo prototipo presentado, se optimizan estos elementos para alcanzar<br />
mejores rendimientos.<br />
En la Figura 3.37 se muestra la etapa <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l convertidor Reductor-Puente<br />
Bidire<strong>cc</strong>ional. En el Anexo III se presenta la lista <strong>de</strong> los componentes <strong>de</strong>l convertidor,<br />
así como el correspondiente layout <strong>de</strong> la placa <strong>de</strong> potencia.<br />
i c<br />
L<br />
i B<br />
Cc<br />
M1<br />
i L<br />
C bus<br />
M3<br />
M5<br />
i i s<br />
p<br />
V p<br />
V s<br />
M2 V bus<br />
TR<br />
M7<br />
M9<br />
C B<br />
V B<br />
M11<br />
V C<br />
11 : 1<br />
M4<br />
M6<br />
M8<br />
M10<br />
Figura 3.37 Etapa <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l prototipo experimental realizado con la topología<br />
Reductor-Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
83
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Las especificaciones y datos <strong>de</strong> diseño más significativos se dan a continuación:<br />
• Potencia <strong>de</strong> operación: 200W<br />
• Voltaje en el con<strong>de</strong>nsador o batería <strong>de</strong> alta tensión: V C = 260V...416V con<br />
rizado <strong>de</strong>l 1% pico a pico (tensión <strong>de</strong> operación típica 400V)<br />
• Voltaje en batería <strong>de</strong> baja tensión: V B = 10V...16V con rizado <strong>de</strong>l 1% pico a<br />
pico (tensión típica <strong>de</strong> operación 12V)<br />
• Frecuencia <strong>de</strong> conmutación: fc = 100kHz (en el reductor); 50kHz en el puente<br />
• Relación <strong>de</strong> transformación: n TR = 11<br />
• Inductancia en la bobina <strong>de</strong>l convertidor: L = 488µH<br />
• Con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> alta tensión: C C = 3µF<br />
• Con<strong>de</strong>nsador intermedio: C bus = 1µF<br />
• Con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> baja tensión: C B = 100uF<br />
A continuación se presentan los correspondientes resultados <strong>de</strong>l convertidor para cada<br />
uno <strong>de</strong> los modos <strong>de</strong> operación.<br />
3.6.1 Resultados experimentales modo Reductor<br />
Control: Tal como se explicó en el apartado 3.2.5, el control <strong>de</strong> este convertidor en<br />
modo reductor se realizó con dos controladores, el UC3823 y el UC3825 <strong>de</strong> Texas<br />
Instrument. De estos controladores se obtuvieron las señales para controlar el<br />
convertidor en modo reductor. Fue necesaria la utilización <strong>de</strong> circuitos disparadores<br />
(drivers), para garantizar que los MOSFETs <strong>de</strong> alta tensión (M1 y M2) se mantuvieran<br />
apagados cuando no <strong>de</strong>bían conducir. Estos circuitos disparadores, encien<strong>de</strong>n y<br />
apagan los interruptores MOSFETs con tensión positiva y negativa respectivamente.<br />
También los MOSFETs <strong>de</strong> M3 a M6 fueron controlados con este circuito disparador.<br />
En la Figura 3.38 se muestran las señales <strong>de</strong> puerta-fuente <strong>de</strong> los interruptores<br />
MOSFETs <strong>de</strong>l convertidor reductor M1 y <strong>de</strong>l puente completo funcionando con la<br />
mitad <strong>de</strong> la frecuencia <strong>de</strong> conmutación <strong>de</strong> la señal M1. Estas señales son las que<br />
controlan al convertidor en modo reductor. Obsérvese que la señal M1 pue<strong>de</strong> variar el<br />
84
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
valor <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo, mientras que las señales para M3 a M6 se mantienen<br />
constantes con ciclo <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong>l 50%. En esta misma figura se pue<strong>de</strong> apreciar que la<br />
señal <strong>de</strong> control para estos interruptores es positiva para el encendido y negativa para<br />
el apagado.<br />
M1<br />
M3, M6<br />
M4, M5<br />
Figura 3.38 Señales <strong>de</strong> control para funcionar en modo reductor. Ch1(10V/div, 5µs/div) =<br />
V GSM1 , Ch2(10V/div, 5µs/div) = V GSM3 y 6 y Ch3(10V/div, 5µs/div) = V GSM4 y 5<br />
Rectificación Síncrona: En la Figura 3.39 se muestran las señales <strong>de</strong> Rectificación<br />
Síncrona aplicadas a los MOSFETs <strong>de</strong> baja tensión junto con las señales <strong>de</strong>l puente<br />
completo. El hecho <strong>de</strong> incluir rectificación síncrona en los interruptores <strong>de</strong> baja<br />
tensión, permite que la corriente se pueda hacer negativa para valores en los que se<br />
trabaje con muy baja carga. En la figura, se observa que el encendido <strong>de</strong> los<br />
interruptores <strong>de</strong> baja tensión (M7 a M10) se hace con tensión positiva, y que el<br />
apagado se produce con tensión cero. En éste caso, no es necesario utilizar<br />
disparadores adicionales ya que en los interruptores <strong>de</strong> baja tensión no se presentan<br />
problemas <strong>de</strong> reencendido como en los MOSFETs <strong>de</strong> alta tensión.<br />
85
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
M3, M6<br />
M4, M5<br />
M7, M10<br />
M8, M9<br />
Figura 3.39 Señales <strong>de</strong> control y rectificación síncrona para el transformador en modo<br />
reductor. Ch1(10V/div, 5µs/div) = V GSM3 y 6 y Ch2(10V/div, 5µs/div) = V GSM4 y 5<br />
Ch3(10V/div, 5µs/div) = V GSM7 y 10 y Ch4(10V/div, 5µs/div) = V GSM8 y 9<br />
Funcionamiento en régimen permanente. - El convertidor en régimen permanente<br />
ha sido probado para distintos niveles <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> entrada y distintos valores <strong>de</strong><br />
tensión <strong>de</strong> salida. En todos los niveles <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> entrada y salida se han encontrado<br />
buenos resultados al no presentarse <strong>de</strong>sequilibrios apreciables <strong>de</strong> corriente en el<br />
convertidor. El control <strong>de</strong>l convertidor no fue realizado utilizando los métodos <strong>de</strong><br />
control por corriente, lo cual pue<strong>de</strong> ocasionar un posible <strong>de</strong>sequilibrio en la corriente<br />
magnetizante se produzca (esto no sucedió, sin embargo se tiene implementado el<br />
circuito para prevenir el <strong>de</strong>sequilibrio en la corriente magnetizante). La tensión <strong>de</strong><br />
salida se modificó manualmente por medio <strong>de</strong> un potenciómetro.<br />
En la Figura 3.40 se muestran algunas formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l convertidor funcionando en<br />
régimen permanente <strong>de</strong>l modo reductor. En la Tabla VII se muestran las condiciones<br />
<strong>de</strong> funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor en las que fueron capturadas estas formas <strong>de</strong> onda.<br />
86
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Tabla VII Condiciones <strong>de</strong> corrientes, tensiones y rendimiento <strong>de</strong>l convertidor en Modo<br />
Reductor para la medida <strong>de</strong> las formas <strong>de</strong> onda en régimen permanente <strong>de</strong>l 1 er prototipo<br />
Condiciones <strong>de</strong> medición en modo reductor<br />
V C (V) i C (A) V B (V) i B (A) η(%)<br />
425 0,58 14,34 13,65 79,4<br />
De la Figura 3.40, en el canal 1 (Ch1) se muestra la tensión puerta-fuente <strong>de</strong>l<br />
MOSFET M10 que actúa como rectificador síncrono en el modo reductor. El canal 2<br />
(Ch2) correspon<strong>de</strong> a la tensión puerta-fuente <strong>de</strong>l MOSFET M6. Este es uno <strong>de</strong> los<br />
interruptores que están conmutando al 50% <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo en el puente <strong>de</strong> la<br />
tensión V bus . En el disparo <strong>de</strong> este interruptor se aprecia el “Efecto Miller”, que es un<br />
comportamiento normal que se presenta en los MOSFETs al intentar cambiar las<br />
tensiones en las capacida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> entrada y <strong>de</strong> salida. En el canal 3 (Ch3) <strong>de</strong> esta misma<br />
figura, se tiene la tensión en los bornes <strong>de</strong>l secundario <strong>de</strong>l transformador V S . Esta<br />
tensión, es prácticamente una forma <strong>de</strong> onda cuadrada que se encuentra con el mismo<br />
nivel <strong>de</strong> tensión positivo y negativo que correspon<strong>de</strong> con el valor <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong><br />
salida (13,65V en éste caso). Por último, el canal 4 (Ch4) <strong>de</strong> ésta misma figura,<br />
muestra la corriente que circula en la bobina <strong>de</strong>l convertidor i L en la cual se observa<br />
que correspon<strong>de</strong> con el doble <strong>de</strong> frecuencia <strong>de</strong> la que está operando el puente<br />
completo TR. Se recordará que en el modo reductor <strong>de</strong>l convertidor, el transformador<br />
únicamente se utiliza como una simple ganancia en continua.<br />
87
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
M10<br />
M6<br />
V S<br />
i L<br />
Figura 3.40 Señales <strong>de</strong>l convertidor en modo reductor. Ch1(20V/div, 5µs/div) = V GSM6 ,<br />
Ch2(10V/div, 5µs/div) = V GSM3 , Ch3(20V/div, 5µs/div) = V S , Ch4(2A/div, 5µs/div) = i L<br />
Rendimiento: El rendimiento <strong>de</strong>l convertidor, esta obtenido para distintas tensiones<br />
<strong>de</strong> entrada, distinta potencia <strong>de</strong> salida y para la tensión típica <strong>de</strong> baja tensión (V B =<br />
12V). El rendimiento en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada y <strong>de</strong> la carga, aparece en la<br />
Tabla VIII. Este rendimiento es únicamente <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> potencia, ya que la etapa <strong>de</strong><br />
control esta alimentada por un circuito in<strong>de</strong>pendiente. El máximo rendimiento <strong>de</strong>l<br />
convertidor es <strong>de</strong>l 85,36% (60W y 330V). Los datos mostrados en la Tabla VIII se<br />
muestran gráficamente en la Figura 3.41. Se pue<strong>de</strong> observar <strong>de</strong> esta Figura, que el<br />
rendimiento está comprendido entre el 74% y 85%. Los valores <strong>de</strong> rendimiento<br />
alcanzados en este prototipo no han sido muy buenos. Esto es así porque los<br />
componentes con los que se ha construido el convertidor no son los mejores que se<br />
podían utilizar, pero sí los mas rápidamente utilizables. Como se verá más a<strong>de</strong>lante, en<br />
el segundo prototipo realizado <strong>de</strong> esta topología, los rendimientos alcanzados en este<br />
modo <strong>de</strong> funcionamiento están en torno al 94%.<br />
88
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Tabla VIII Rendimientos medidos sobre el prototipo en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada<br />
y <strong>de</strong> la potencia <strong>de</strong> salida<br />
η(%)<br />
P SALIDA 400V<br />
Tensión <strong>de</strong> entrada V C<br />
330V 260V<br />
51 W 81,73 83,93 79,09<br />
60 W 83,62 85,36 78,00<br />
72 W 84,98 83,28 76,63<br />
97 W 81,50 79,41 74,94<br />
120 W 78,20 77,53 74,31<br />
132 W 77,00 76,63 73,85<br />
144 W 75,41 75,63 74,00<br />
Rendimiento (%)<br />
86<br />
84<br />
82<br />
80<br />
78<br />
76<br />
74<br />
72<br />
50 70 90 110 130 150<br />
Potencia <strong>de</strong> salida P (W)<br />
V C = 400V V C = 330V V C = 260V<br />
Figura 3.41 Rendimiento <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> potencia en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada y <strong>de</strong><br />
la potencia <strong>de</strong> salida<br />
3.6.2 Resultados experimentales modo elevador<br />
Las especificaciones <strong>de</strong> diseño son las mismas que para modo reductor, solo que en<br />
este caso la tensión <strong>de</strong> entrada es V B y la tensión <strong>de</strong> salida es V C .<br />
El control <strong>de</strong>l convertidor se construye con los mismos controladores que se utilizan<br />
en modo reductor. La diferencia consiste en que ahora quien se encarga <strong>de</strong> controlar el<br />
89
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
flujo <strong>de</strong> energía es el MOSFET M2. El puente formado por los interruptores M7 a<br />
M10 comienza a conmutar y varía el ciclo <strong>de</strong> trabajo en cada rama <strong>de</strong>l puente <strong>de</strong>s<strong>de</strong> 0<br />
hasta 50%. Es en este momento cuando el transformador se comporta como una<br />
simple ganancia en continua y entonces el MOSFET M2 comienza a conmutar para<br />
po<strong>de</strong>r seguir elevando la tensión <strong>de</strong> salida. En la Figura 3.42 se muestran las formas <strong>de</strong><br />
onda <strong>de</strong> control <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador. Las señales <strong>de</strong> control <strong>de</strong>l puente<br />
están al 50% <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo cada una y la señal <strong>de</strong> control <strong>de</strong> M2 está saturada a<br />
casi el 100% <strong>de</strong> su valor. Pue<strong>de</strong> observarse que la frecuencia <strong>de</strong> conmutación <strong>de</strong>l<br />
puente es la mitad <strong>de</strong> la frecuencia <strong>de</strong> conmutación <strong>de</strong> M2.<br />
M7, M10<br />
M8, M9<br />
M2<br />
Figura 3.42 Señales <strong>de</strong> control <strong>de</strong>l convertidor Reductor-Puente en modo elevador.<br />
Ch1(10V/div, 5µs/div) = V GSM7 y 10 , Ch2(10V/div, 5µs/div) = V GSM8 y 9 , Ch3(10V/div,<br />
5µs/div) = V GSM2<br />
Rectificación síncrona.- Al igual que en el modo reductor, para evitar que la corriente<br />
circule por los diodos parásitos <strong>de</strong> los MOSFETs, en este caso <strong>de</strong> M3 a M6, se<br />
implementa rectificación síncrona que ayu<strong>de</strong> a minimizar las pérdidas que se puedan<br />
producir por condu<strong>cc</strong>ión en modo elevador. En la Figura 3.43 se muestran las formas<br />
<strong>de</strong> onda <strong>de</strong> control <strong>de</strong>l puente completo en las que se aprecia la implementación <strong>de</strong> la<br />
rectificación síncrona. De igual manera el MOSFET M1 se dispara cuando <strong>de</strong>be<br />
conducir el diodo en modo elevador.<br />
90
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
M7, M10<br />
M8, M9<br />
M3, M6<br />
M4, M5<br />
Figura 3.43 Señales <strong>de</strong> control <strong>de</strong>l puente completo y señales <strong>de</strong> la rectificación síncrona.<br />
Ch1(10V/div, 5µs/div) = V GSM7 y 10 , Ch2(10V/div, 5µs/div) = V GSM8 y 9 , Ch3(10V/div,<br />
5µs/div) = V GSM3 y 6 , Ch4(10V/div, 5µs/div) = V GSM4 y 5<br />
Arranque <strong>de</strong>l convertidor.- Esta nueva topología pue<strong>de</strong> arrancar <strong>de</strong>s<strong>de</strong> tensión <strong>de</strong><br />
salida cero y no sufrir incrementos excesivos en la corriente <strong>de</strong> la bobina. En modo<br />
elevador, el arranque <strong>de</strong>l convertidor se efectúa sin problemas, ya que el método <strong>de</strong><br />
arranque permite incrementar la tensión <strong>de</strong> salida suavemente sin que la corriente<br />
incremente bruscamente. Esta es otra <strong>de</strong> las ventajas que presenta esta nueva topología<br />
en modo elevador, ya que la tensión <strong>de</strong> salida incrementa en el arranque <strong>de</strong>l<br />
convertidor como en un convertidor reductor y luego que el puente completo se<br />
comporta como una simple ganancia, el convertidor comienza a funcionar como un<br />
convertidor elevador. Cuando el convertidor comienza a funcionar en modo elevador<br />
la tensión <strong>de</strong> salida ya tiene un valor superior a cero voltios, por esta razón no hay<br />
sobrecorrientes permitiendo <strong>de</strong> este modo que el arranque <strong>de</strong>l convertidor sea un<br />
arranque suave y controlado.<br />
En la Figura 3.44 y Figura 3.45 se muestra la evolución <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> salida y el<br />
comportamiento <strong>de</strong> la corriente en la bobina i L y la corriente en la entrada <strong>de</strong>l<br />
convertidor i B , en estas mismas figuras se aprecia la señal <strong>de</strong> control <strong>de</strong> M11 que es el<br />
interruptor que se encarga <strong>de</strong> conectar el con<strong>de</strong>nsador C bus y al mismo tiempo<br />
<strong>de</strong>termina que ha dado comienzo la etapa en modo elevador <strong>de</strong>l convertidor.<br />
91
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
M11<br />
M11<br />
V C<br />
V C<br />
i L<br />
i B<br />
Figura 3.44 Arranque <strong>de</strong>l convertidor en<br />
modo elevador. Ch1(20V/div, 500ms/div) =<br />
V GSM11 , Ch2(100V/div, 500ms/div) = V C ,<br />
Ch3(500mA/div, 500ms/div) = i L<br />
Figura 3.45 Arranque <strong>de</strong>l convertidor en<br />
modo elevador. Ch1(20V/div, 500ms/div) =<br />
V GSM11 , Ch2(100V/div, 500ms/div) = V C ,<br />
Ch3(5A/div, 500ms/div) = i B<br />
Funcionamiento en régimen permanente.- El convertidor en régimen permanente al<br />
igual que en modo reductor ha sido probado para distintos niveles <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong><br />
entrada y distintos valores <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> salida. En todos los niveles <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong><br />
entrada y salida se han encontrado buenos resultados que hacen <strong>de</strong> esta topología una<br />
buena candidata para las aplicaciones <strong>de</strong> VH. El control <strong>de</strong>l convertidor no fue<br />
realizado utilizando los métodos <strong>de</strong> control por corriente y la tensión <strong>de</strong> salida se<br />
modificó manualmente por medio <strong>de</strong> un potenciómetro.<br />
Las formas <strong>de</strong> onda más importantes <strong>de</strong>l funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor en régimen<br />
permanente se muestran a continuación. En la Figura 3.46 se muestran las formas <strong>de</strong><br />
onda <strong>de</strong> la corriente en la bobina i L y en ambos lados <strong>de</strong>l transformador i s e i p .<br />
También se muestra la tensión V s que es la baja tensión <strong>de</strong> entrada en el transformador.<br />
En estas formas <strong>de</strong> onda se aprecia que en régimen permanente se pue<strong>de</strong> conseguir un<br />
buen funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor ya que a pesar <strong>de</strong> no utilizar control por corriente<br />
o haber colocado un con<strong>de</strong>nsador en serie con el transformador, éste funciona<br />
correctamente sin <strong>de</strong>sequilibrios apreciables en la corriente magnetizante.<br />
En la Figura 3.47 se muestra el rizado <strong>de</strong> alta frecuencia. Este rizado <strong>de</strong> alta frecuencia<br />
apenas si es <strong>de</strong> un voltio pico a pico. Pue<strong>de</strong> apreciarse que el rizado correspon<strong>de</strong><br />
perfectamente con la topología <strong>de</strong> un convertidor elevador, ya que cuando M2 se<br />
encuentra conduciendo la energía se almacena en la bobina y no se transfiere corriente<br />
92
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
a la salida lo que ocasiona que la tensión disminuya y cuando el interruptor <strong>de</strong>ja <strong>de</strong><br />
conducir, la corriente fluye hacia la salida ocasionando que la tensión vuelva a<br />
aumentar, tal como ocurre en un convertidor elevador. Predomina el efecto <strong>de</strong> la<br />
resistencia serie <strong>de</strong>l con<strong>de</strong>nsador.<br />
i L<br />
V s<br />
M2<br />
i s<br />
V C<br />
i L<br />
i p<br />
Figura 3.46 Régimen permanente en modo<br />
elevador. Ch1(2A/div, 10µs/div) = i L ,<br />
Ch2(25V/div, 10µs /div) = V s , Ch3(10A/div,<br />
10µs /div) = i s , Ch4(10A/div, 10µs /div) = i p<br />
Figura 3.47 Régimen permanente en modo<br />
elevador. Ch1(20V/div, 10µs/div) = V GSM2 ,<br />
Ch2(25V/div, 10µs /div) = V C ,<br />
Ch4(2A/div, 10µs /div) = i L<br />
Con lo anterior se pue<strong>de</strong> consi<strong>de</strong>rar que el convertidor Reductor-Puente bidire<strong>cc</strong>ional<br />
en modo elevador funciona a<strong>de</strong>cuadamente para las condiciones <strong>de</strong> tensiones y carga<br />
que esté diseñado.<br />
Rendimiento.- El rendimiento <strong>de</strong>l convertidor, esta obtenido para distintas tensiones<br />
<strong>de</strong> entrada, distinta potencia <strong>de</strong> salida y para la tensión típica <strong>de</strong> alta tensión (V C =<br />
400V). El rendimiento en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada y <strong>de</strong> la carga, aparece en la<br />
Tabla IX. Este rendimiento es únicamente <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> potencia, ya que la etapa <strong>de</strong><br />
control está alimentada por un circuito in<strong>de</strong>pendiente. El máximo rendimiento <strong>de</strong>l<br />
convertidor es <strong>de</strong>l 86% (100W y 16V). Los datos <strong>de</strong> la Tabla IX se muestran<br />
gráficamente en la Figura 3.48. Se pue<strong>de</strong> observar <strong>de</strong> esta figura, que el rendimiento<br />
está comprendido entre el 71% y 86%, aunque está penalizado como se comentó para<br />
el modo reductor.<br />
Conforme la carga aumenta, el rendimiento <strong>de</strong>cae, lo cual indica que las pérdidas que<br />
más se imponen son las <strong>de</strong> condu<strong>cc</strong>ión. Para mejorar estas pérdidas es conveniente<br />
93
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
mejorar en todos los sentidos el convertidor, <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el diseño y sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> los<br />
componentes como el diseño <strong>de</strong> la placa <strong>de</strong> potencia para evitar en la medida <strong>de</strong> lo<br />
posible los caminos <strong>de</strong> las corrientes pulsantes. De igual forma, se verifica que los<br />
mejores rendimientos se alcanzaron para la mayor tensión <strong>de</strong> entrada, ya que con esta<br />
tensión la corriente <strong>de</strong> entrada es menor.<br />
Tabla IX Rendimientos medidos sobre el prototipo en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada y<br />
<strong>de</strong> la potencia <strong>de</strong> salida<br />
η(%)<br />
P SALIDA 12V<br />
Tensión <strong>de</strong> entrada V B<br />
14V 16V<br />
68,4 W 82,25 84,97 82,21<br />
80 W 79,94 85,29 84,18<br />
100 W 78,03 83,15 86,09<br />
120 W 76,92 81,17 84,36<br />
160 W 74,07 78,98 81,43<br />
200 W 70,98 77,10 80,96<br />
88<br />
86<br />
84<br />
Rendimiento (%)<br />
82<br />
80<br />
78<br />
76<br />
74<br />
72<br />
70<br />
50 75 100 125 150 175 200<br />
Potencia <strong>de</strong> salida P (W)<br />
V B = 12V V B = 14V V B = 16V<br />
Figura 3.48 Rendimiento <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> potencia en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada y <strong>de</strong><br />
la potencia <strong>de</strong> salida<br />
94
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
3.7 Resultados experimentales <strong>de</strong>l 2 o prototipo<br />
Tal como se comentó con anterioridad, un segundo prototipo fue diseñado y<br />
construido en colaboración con la empresa ALCATEL <strong>de</strong> España. En este prototipo, el<br />
diseño y sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> los componentes <strong>de</strong> control y potencia fue realizado con mayor<br />
<strong>de</strong>tenimiento para obtener mejores rendimientos. La potencia <strong>de</strong> diseño <strong>de</strong> este<br />
segundo prototipo aumentó, quedando <strong>de</strong> 1,5kW. Sin embargo, y <strong>de</strong>bido a que no se<br />
ha implementado el sistema <strong>de</strong> refrigeración a base <strong>de</strong> agua, únicamente se han<br />
obtenido resultados en torno a 0,5kW tanto para modo reductor como para modo<br />
elevador. A continuación, una <strong>de</strong>scripción más <strong>de</strong>tallada <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> control y <strong>de</strong> la<br />
etapa <strong>de</strong> potencia se presenta.<br />
Control.- El segundo prototipo se ha diseñado con la misma topología <strong>de</strong> potencia,<br />
únicamente se ha modificado la implementación <strong>de</strong>l circuito <strong>de</strong> control,<br />
que en este caso se hace a partir <strong>de</strong> un microprocesador. Este<br />
microprocesador funciona vía bus CAN y se encarga <strong>de</strong> manejar un microcontrolador<br />
<strong>de</strong> la marca MICREL (MIC38HC43BM). El micro-controlador<br />
controla la tensión y/o corriente <strong>de</strong> salida <strong>de</strong>l convertidor <strong>de</strong>pendiendo <strong>de</strong>l<br />
modo <strong>de</strong> funcionamiento en el que se encuentre funcionando el convertidor<br />
(Modo reductor o Modo elevador). La etapa <strong>de</strong> control se realizó en una<br />
tarjeta impresa <strong>de</strong> 4 capas. En esta tarjeta <strong>de</strong> control se incluyeron el<br />
circuito para medir el posible <strong>de</strong>sequilibrio <strong>de</strong> la corriente magnetizante, el<br />
circuito que en modo elevador se encarga <strong>de</strong> hacer la transición <strong>de</strong> la etapa<br />
<strong>de</strong> arranque a la etapa permanente, transformadores <strong>de</strong> pulsos, fuente <strong>de</strong><br />
alimentación auxiliar para estar autoalimentado, los circuitos <strong>de</strong> retrasos en<br />
las señales <strong>de</strong> control tanto para modo reductor como para modo elevador,<br />
circuitos para medir tensión y corriente <strong>de</strong> entrada y salida, circuito para<br />
medir la temperatura <strong>de</strong>l convertidor entre otros. En la Figura 3.49 se<br />
muestra el aspecto que presenta la tarjeta <strong>de</strong> control <strong>de</strong>l segundo prototipo.<br />
95
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Figura 3.49 Aspecto <strong>de</strong> la tarjeta <strong>de</strong> control <strong>de</strong>l 2º prototipo<br />
Potencia.-El diseño <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> potencia, se realizó con mayor <strong>de</strong>tenimiento. La<br />
bobina fue diseñada para la utilización <strong>de</strong> un núcleo toroidal <strong>de</strong> polvo <strong>de</strong><br />
hierro con el que con un mínimo <strong>de</strong> vueltas se consigue alcanzar la<br />
inductancia requerida. El transformador utiliza un núcleo <strong>de</strong> perfil bajo y<br />
está construido a base <strong>de</strong> tarjetas impresas quedando un transformador<br />
plano. Para soportar los esfuerzos <strong>de</strong> corriente en el convertidor y al mismo<br />
tiempo mejorar el rendimiento <strong>de</strong>l convertidor se colocan MOSFETs en<br />
paralelo sobretodo en los caminos en los que fluyan altas corrientes. El<br />
convertidor fue diseñado para funcionar con los mismos niveles <strong>de</strong> tensión<br />
que el 1 er prototipo. En la Figura 3.50 se muestra una fotografía <strong>de</strong>l aspecto<br />
que presenta la etapa <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l convertidor <strong>de</strong>l 2º prototipo.<br />
96
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Figura 3.50 Fotografía <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l 2º prototipo. Al centro se observa la<br />
bobina L y a la <strong>de</strong>recha se observa el transformador <strong>de</strong> potencia TR<br />
3.7.1 Resultados modo reductor<br />
En la Figura 3.51 se muestran algunas formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l convertidor funcionando en<br />
un punto <strong>de</strong> operación en modo reductor. En esta figura, se aprecia la limpieza <strong>de</strong> las<br />
formas <strong>de</strong> onda, en las que se incluye a la corriente en la bobina (Ch2), la tensión<br />
puerta-fuente <strong>de</strong>l MOSFET M2 (Ch4) que en este caso es el rectificador síncrono <strong>de</strong>l<br />
convertidor reductor formado por M1 y M2, la tensión puerta-fuente <strong>de</strong>l MOSFET M1<br />
(Ch3) que en este caso es el interruptor principal, al ser éste quien controle la tensión<br />
<strong>de</strong> salida; y por último se presenta la tensión puerta-fuente <strong>de</strong>l MOSFET M6 (Ch1)<br />
que correspon<strong>de</strong> con el disparo <strong>de</strong>l puente en que está funcionando permanentemente<br />
al 50% <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo. El punto <strong>de</strong> operación <strong>de</strong>l convertidor en el que fueron<br />
tomadas las formas <strong>de</strong> onda es: V C = 420,1V, I C = 0,56A, V B = 14,3V y I B = 15,13A.<br />
97
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
i L<br />
M2<br />
M1<br />
M6<br />
Figura 3.51 Formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l 2º prototipo en Modo Reductor en un punto <strong>de</strong> operación<br />
Para el 2º prototipo, solo se incluirán los resultados correspondientes a las medidas <strong>de</strong><br />
rendimientos, ya que el principio <strong>de</strong> funcionamiento es exactamente el mismo que el<br />
1 er prototipo. A continuación, se presentan las tablas y gráficas <strong>de</strong> resultados obtenidos<br />
con el segundo prototipo para todas las tensiones <strong>de</strong> entrada y para una potencia <strong>de</strong><br />
salida <strong>de</strong> aproximadamente 0,5kW.<br />
98
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Tabla X Rendimiento con 400V <strong>de</strong> entrada y distintas tensiones <strong>de</strong> salida<br />
Medidas para 400V <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> entrada<br />
V C (V) I C (A) V B (V) I B (A) P entrada (W) P SALIDA (W) Pérdidas(W) η(%)<br />
400 0,27 10 9,86 108,40 98,60 9,80 90,96<br />
400 0,43 10 16,11 173,20 161,10 12,10 93,01<br />
400 0,51 10 19,06 205,20 190,60 14,60 92,88<br />
400 0,92 10 32,55 368,40 325,50 42,90 88,36<br />
400 0,40 12 12,17 158,40 146,04 12,36 92,20<br />
400 0,57 12 17,79 228,00 213,48 14,52 93,63<br />
400 0,88 12 26,86 350,80 322,32 28,48 91,88<br />
400 1,14 12 34,30 457,60 411,60 46,00 89,95<br />
400 0,54 14 14,27 214,80 199,78 15,02 93,01<br />
400 0,91 14 24,24 362,40 339,36 23,04 93,64<br />
400 1,10 14 29,06 440,40 406,84 33,56 92,38<br />
400 1,21 14 31,76 483,60 444,64 38,96 91,94<br />
400 0,70 16 16,25 278,40 260,00 18,40 93,39<br />
400 0,92 16 21,68 368,00 346,88 21,12 94,26<br />
400 1,04 16 24,54 416,80 392,64 24,16 94,20<br />
400 1,33 16 30,79 530,80 492,64 38,16 92,81<br />
Tabla XI Rendimiento con 350V <strong>de</strong> entrada y distintas tensiones <strong>de</strong> salida<br />
Medidas para 350V <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> entrada<br />
V C (V) I C (A) V B (V) I B (A) P entrada (W) P SALIDA (W) Pérdidas(W) η(%)<br />
350 0,33 10 10,04 116,90 100,40 16,50 85,89<br />
350 0,81 10 25,71 283,85 257,10 26,75 90,58<br />
350 0,91 10 28,60 318,15 286,00 32,15 89,89<br />
350 1,01 10 31,46 353,85 314,60 39,25 88,91<br />
350 0,45 12 12,25 158,20 147,00 11,20 92,92<br />
350 0,70 12 19,20 245,00 230,40 14,60 94,04<br />
350 1,00 12 26,74 348,95 320,88 28,07 91,96<br />
350 1,21 12 31,90 422,45 382,80 39,65 90,61<br />
350 0,61 14 14,26 213,50 199,64 13,86 93,51<br />
350 0,91 14 21,32 317,45 298,48 18,97 94,02<br />
350 1,21 14 27,94 423,15 391,16 31,99 92,44<br />
350 1,42 14 32,45 496,65 454,30 42,35 91,47<br />
350 0,79 16 16,13 275,45 258,08 17,37 93,69<br />
350 0,97 16 19,93 338,45 318,88 19,57 94,22<br />
350 1,10 16 22,63 385,00 362,08 22,92 94,05<br />
350 1,30 16 26,46 453,95 423,36 30,59 93,26<br />
350 1,50 16 30,32 525,00 485,12 39,88 92,40<br />
99
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Tabla XII Rendimiento con 300V <strong>de</strong> entrada y distintas tensiones <strong>de</strong> salida<br />
Medidas para 300V <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> entrada<br />
V C (V) I C (A) V B (V) I B (A) P entrada (W) P SALIDA (W) Pérdidas(W) η(%)<br />
300 0,38 10 10,74 115,20 107,40 7,80 93,23<br />
300 0,65 10 18,08 194,10 180,80 13,30 93,15<br />
300 0,97 10 26,26 290,40 262,60 27,80 90,43<br />
300 1,22 10 32,56 365,10 325,60 39,50 89,18<br />
300 0,53 12 12,45 159,30 149,40 9,90 93,79<br />
300 0,92 12 21,48 277,20 257,76 19,44 92,99<br />
300 1,05 12 24,16 313,80 289,92 23,88 92,39<br />
300 1,41 12 32,00 423,90 384,00 39,90 90,59<br />
300 0,71 14 14,26 212,70 199,64 13,06 93,86<br />
300 1,01 14 20,24 302,70 283,36 19,34 93,61<br />
300 1,10 14 22,06 331,20 308,84 22,36 93,25<br />
300 1,43 14 28,20 429,00 394,80 34,20 92,03<br />
300 0,94 16 16,51 281,70 264,16 17,54 93,77<br />
300 1,21 16 21,08 362,10 337,28 24,82 93,15<br />
300 1,25 16 21,75 373,80 348,00 25,80 93,10<br />
300 1,41 16 24,48 422,40 391,68 30,72 92,73<br />
Tabla XIII Rendimiento con 260V <strong>de</strong> entrada y distintas tensiones <strong>de</strong> salida<br />
Medidas para 260V <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> entrada<br />
V C (V) I C (A) V B (V) I B (A) P entrada (W) P SALIDA (W) Pérdidas(W) η(%)<br />
260 0,42 10 10,27 109,72 102,70 7,02 93,60<br />
260 0,60 10 14,67 156,00 146,70 9,30 94,04<br />
260 1,01 10 23,90 261,56 239,00 22,56 91,37<br />
260 1,11 10 26,20 288,86 262,00 26,86 90,70<br />
260 0,70 13 13,20 182,26 171,60 10,66 94,15<br />
260 0,98 13 18,26 254,28 237,38 16,90 93,35<br />
260 1,10 13 20,37 284,96 264,81 20,15 92,93<br />
260 1,31 13 24,22 341,38 314,86 26,52 92,23<br />
260 0,94 15 15,21 245,44 228,15 17,29 92,96<br />
260 1,04 15 16,72 269,88 250,80 19,08 92,93<br />
260 1,23 15 19,78 320,84 296,70 24,14 92,48<br />
260 1,40 15 22,43 365,04 336,45 28,59 92,17<br />
100
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Rendimientos(%)<br />
95<br />
94<br />
93<br />
92<br />
91<br />
90<br />
89<br />
88<br />
Rendimientos para tension V C =400V<br />
0 100 200 300 400 500 600<br />
Potencia <strong>de</strong> salida (W)<br />
VB=10V VB=12V VB=14V VB=16V<br />
Figura 3.52 Gráfica <strong>de</strong> rendimiento para 400V <strong>de</strong> entrada<br />
Rendimientos(%)<br />
95<br />
94<br />
93<br />
92<br />
91<br />
90<br />
89<br />
88<br />
87<br />
86<br />
85<br />
Rendimientos para tension V C =350V<br />
0 100 200 300 400 500 600<br />
Potencia <strong>de</strong> salida(W)<br />
VB=10V VB=12V VB=14V VB=16V<br />
Figura 3.53 Gráfica <strong>de</strong> rendimiento para 350V <strong>de</strong> entrada<br />
101
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Rendimientos(%)<br />
95<br />
94<br />
93<br />
92<br />
91<br />
90<br />
89<br />
88<br />
Rendimientos para tension V C =300V<br />
0 100 200 300 400 500<br />
Potencia <strong>de</strong> salida (W)<br />
VB=10V VB=12V VB=14V VB=16V<br />
Rendimientos(%)<br />
Figura 3.54 Gráfica <strong>de</strong> rendimiento para 300V <strong>de</strong> entrada<br />
Rendimientos para tension V C =260V<br />
95,0<br />
94,5<br />
94,0<br />
93,5<br />
93,0<br />
92,5<br />
92,0<br />
91,5<br />
91,0<br />
90,5<br />
90,0<br />
0 100 200 300 400<br />
Potencia <strong>de</strong> salida (W)<br />
VB=10V VB=13V VB=15V<br />
Figura 3.55 Gráfica <strong>de</strong> rendimiento para 260V <strong>de</strong> entrada<br />
Los resultados mostrados <strong>de</strong>l convertidor en modo reductor, indican que el convertidor<br />
pue<strong>de</strong> funcionar con altos valores <strong>de</strong> rendimiento (hasta el 94% según las gráficas).<br />
102
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Que los mejores rendimientos son alcanzados para los más altos valores <strong>de</strong> la tensión<br />
<strong>de</strong> salida, y que el rendimiento únicamente es a<strong>de</strong>cuado para valores que están<br />
comprendidos entre 100W y 200W.<br />
3.7.2 Resultados modo elevador<br />
En la Figura 3.56 se muestran algunas formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l convertidor funcionando en<br />
un punto <strong>de</strong> operación en modo elevador. En esta figura, se aprecia que la corriente en<br />
la bobina está invertida (Ch1) ya que está fluyendo en la dire<strong>cc</strong>ión opuesta al modo<br />
reductor, en el canal 2 (Ch2) se muestra la tensión puerta-fuente <strong>de</strong>l MOSFET M7 que<br />
correspon<strong>de</strong> con el disparo <strong>de</strong>l puente que está funcionando permanentemente al 50%<br />
<strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo. En este caso la tensión puerta fuente <strong>de</strong>l MOSFET M2 que es el<br />
interruptor principal se encuentra en el canal 3 (Ch3) y por último, en el canal 4 (Ch4)<br />
se encuentra la tensión V S que correspon<strong>de</strong> con tensión en los bornes <strong>de</strong>l<br />
transformador en el lado <strong>de</strong> baja tensión. El punto <strong>de</strong> operación <strong>de</strong>l convertidor en el<br />
que fueron tomadas las formas <strong>de</strong> onda es: V B = 14,08V y I B = 22,03A, V C = 323V, I C<br />
= 0,89A.<br />
- i L<br />
V S<br />
M7<br />
M2<br />
Figura 3.56 formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l prototipo 2º en un punto <strong>de</strong> operación <strong>de</strong>l Modo levador<br />
103
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
De igual forma, los resultados <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador se presentan <strong>de</strong> la<br />
Tabla XIV a la Tabla XVII. Los valores <strong>de</strong> estas tablas, están representados <strong>de</strong> la<br />
Figura 3.57 a la Figura 3.60. Estos resultados, son los rendimientos <strong>de</strong>l convertidor<br />
cuando funciona en modo elevador <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la etapa permanente o normal.<br />
Tabla XIV Rendimiento con 16V <strong>de</strong> entrada y distintas tensiones <strong>de</strong> salida<br />
Medidas para 16V <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> entrada<br />
V B (V) I B (A) V C (V) I C (A) P entrada (W) P SALIDA (W) P pérdidas (W) η(%)<br />
16,00 11,38 260,00 0,65 182,08 167,96 14,12 92,25<br />
16,00 15,32 260,00 0,88 245,12 229,32 15,80 93,55<br />
16,00 21,09 260,00 1,24 337,44 322,40 15,04 95,54<br />
16,00 10,37 350,00 0,42 165,92 145,60 20,32 87,75<br />
16,00 13,90 350,00 0,58 222,40 203,35 19,05 91,43<br />
16,00 20,84 350,00 0,88 333,44 308,35 25,09 92,48<br />
16,00 28,50 350,00 1,19 456,00 416,50 39,50 91,34<br />
16,00 9,73 412,20 0,33 155,68 134,79 20,89 86,58<br />
16,00 14,80 421,90 0,51 236,80 213,48 23,32 90,15<br />
16,00 19,20 417,80 0,67 307,20 279,93 27,27 91,12<br />
16,00 22,21 418,10 0,77 355,36 320,26 35,10 90,12<br />
16,00 29,08 416,20 1,00 465,28 415,78 49,50 89,36<br />
Tabla XV Rendimiento con 14V <strong>de</strong> entrada y distintas tensiones <strong>de</strong> salida<br />
Medidas para 14V <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> entrada<br />
V B (V) I B (A) V C (V) I C (A) P entrada (W) P SALIDA (W) P pérdidas (W) η(%)<br />
14,00 8,85 260,00 0,43 123,90 111,02 12,88 89,60<br />
14,00 12,79 260,00 0,64 179,06 166,14 12,92 92,78<br />
14,00 16,46 260,00 0,83 230,44 214,50 15,94 93,08<br />
14,00 24,38 260,00 1,19 341,32 308,36 32,96 90,34<br />
14,00 6,11 300,00 0,25 85,54 74,40 11,14 86,98<br />
14,00 11,51 300,00 0,48 161,14 144,00 17,14 89,36<br />
14,00 17,13 300,00 0,75 239,82 225,00 14,82 93,82<br />
14,00 24,00 300,00 1,02 336,00 305,70 30,30 90,98<br />
14,00 7,90 350,00 0,28 110,60 98,35 12,25 88,92<br />
14,00 15,55 350,00 0,57 217,70 199,50 18,20 91,64<br />
14,00 23,50 350,00 0,86 329,00 299,25 29,75 90,96<br />
14,00 10,30 400,00 0,32 144,20 126,00 18,20 87,38<br />
14,00 14,37 400,00 0,46 201,18 182,00 19,18 90,47<br />
14,00 20,17 400,00 0,65 282,38 258,80 23,58 91,65<br />
14,00 25,90 400,00 0,83 362,60 330,00 32,60 91,01<br />
104
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Tabla XVI Rendimiento con 12V <strong>de</strong> entrada y distintas tensiones <strong>de</strong> salida<br />
Medidas para 12V <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> entrada.<br />
V B (V) I B (A) V C (V) I C (A) P entrada (W) P SALIDA (W) P pérdidas (W) η(%)<br />
12,00 5,56 260,00 0,21 66,72 55,64 11,08 83,39<br />
12,00 6,98 260,00 0,28 83,76 72,80 10,96 86,91<br />
12,00 10,06 260,00 0,42 120,72 109,98 10,74 91,10<br />
12,00 15,30 260,00 0,65 183,60 168,22 15,38 91,62<br />
12,00 7,20 300,00 0,25 86,40 74,40 12,00 86,11<br />
12,00 9,17 300,00 0,32 110,04 96,90 13,14 88,06<br />
12,00 13,32 300,00 0,49 159,84 145,80 14,04 91,22<br />
12,00 20,72 300,00 0,75 248,64 226,20 22,44 90,97<br />
12,00 9,72 350,00 0,29 116,64 101,85 14,79 87,32<br />
12,00 12,23 350,00 0,38 146,76 131,95 14,81 89,91<br />
12,00 18,24 350,00 0,57 218,88 200,20 18,68 91,47<br />
12,00 28,50 350,00 0,87 342,00 303,10 38,90 88,63<br />
12,00 12,76 400,00 0,34 153,12 134,80 18,32 88,04<br />
12,00 15,70 400,00 0,43 188,40 172,80 15,60 91,72<br />
12,00 25,00 400,00 0,66 300,00 264,00 36,00 88,00<br />
Tabla XVII Rendimiento con 10V <strong>de</strong> entrada y distintas tensiones <strong>de</strong> salida<br />
Medidas para 10V <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> entrada.<br />
V B (V) I B (A) V C (V) I C (A) P entrada (W) P SALIDA (W) P pérdidas (W) η(%)<br />
10,00 6,36 260,00 0,21 63,60 55,38 8,22 87,08<br />
10,00 8,74 260,00 0,30 87,40 78,52 8,88 89,84<br />
10,00 12,00 260,00 0,42 120,00 109,98 10,02 91,65<br />
10,00 19,06 260,00 0,64 190,60 167,44 23,16 87,85<br />
10,00 8,28 300,00 0,25 82,80 73,50 9,30 88,77<br />
10,00 11,56 300,00 0,35 115,60 105,00 10,60 90,83<br />
10,00 15,61 300,00 0,49 156,10 145,50 10,60 93,21<br />
10,00 26,52 300,00 0,74 265,20 223,20 42,00 84,16<br />
10,00 11,26 350,00 0,29 112,60 100,45 12,15 89,21<br />
10,00 15,81 350,00 0,41 158,10 143,85 14,25 90,99<br />
10,00 22,80 350,00 0,58 228,00 201,25 26,75 88,27<br />
105
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Rendimientos(%)<br />
Rendimientos para V B =16V<br />
96<br />
95<br />
94<br />
93<br />
92<br />
91<br />
90<br />
89<br />
88<br />
87<br />
86<br />
0 100 200 300 400 500<br />
Potencia <strong>de</strong> salida (W)<br />
VC=260V VC=350V VC=416V<br />
Figura 3.57 Gráfica <strong>de</strong> rendimiento <strong>de</strong>l convertidor para V B = 16V y distintas tensiones<br />
<strong>de</strong> salida V C en Modo Elevador<br />
Rendimientos(%)<br />
Rendimientos para V B =14V<br />
95<br />
94<br />
93<br />
92<br />
91<br />
90<br />
89<br />
88<br />
87<br />
86<br />
0 50 100 150 200 250 300 350<br />
Potencia <strong>de</strong> salida (W)<br />
VC=260V VC=350V VC=400V VC=300V<br />
Figura 3.58 Gráfica <strong>de</strong> rendimiento <strong>de</strong>l convertidor para V B = 14V y distintas tensiones<br />
<strong>de</strong> salida V C en Modo Elevador<br />
106
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Rendimientos(%)<br />
93<br />
92<br />
91<br />
90<br />
89<br />
88<br />
87<br />
86<br />
85<br />
84<br />
83<br />
82<br />
Rendimientos para V B =12V<br />
0 50 100 150 200 250 300 350<br />
Potencia <strong>de</strong> salida (W)<br />
VC=260V VC=350V VC=400V VC=300V<br />
Figura 3.59 Gráfica <strong>de</strong> rendimiento <strong>de</strong>l convertidor para V B = 12V y distintas tensiones<br />
<strong>de</strong> salida V C en Modo Elevador<br />
94<br />
Rendimientos para V B =10V<br />
92<br />
Rendimientos(%)<br />
90<br />
88<br />
86<br />
84<br />
82<br />
0 50 100 150 200 250<br />
Potencia <strong>de</strong> salida (W)<br />
VC=260V VC=350V VC=300V<br />
Figura 3.60 Gráfica <strong>de</strong> rendimiento <strong>de</strong>l convertidor para V B = 10V y distintas tensiones<br />
<strong>de</strong> salida V C en Modo Elevador<br />
107
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Se pue<strong>de</strong> observar <strong>de</strong> las gráficas anteriores, que al igual que en el modo reductor, los<br />
resultados <strong>de</strong>l convertidor funcionando en modo elevador, también están por encima<br />
<strong>de</strong>l 90%. Los mejores rendimientos se presentan para la mayor tensión <strong>de</strong> entrada en<br />
V B (16V) y con la menor tensión <strong>de</strong> salida alcanzándose un rendimiento por encima<br />
<strong>de</strong>l 95,5% para una potencia <strong>de</strong> salida <strong>de</strong> 320W. Las tablas y graficas <strong>de</strong> resultados<br />
para menor tensión <strong>de</strong> entrada (10V) son las que presentan peores rendimientos<br />
incluso para cargas inferiores a 200W. El rendimiento se ve penalizado <strong>de</strong>bido a las<br />
altas corrientes que circulan por el lado <strong>de</strong> baja tensión provocando elevadas pérdidas<br />
por condu<strong>cc</strong>ión.<br />
3.7.3 Resumen <strong>de</strong>l capítulo<br />
Una nueva topología <strong>de</strong> convertidor bidire<strong>cc</strong>ional basada en un convertidor reductor<br />
más un puente completo se ha presentado. De esta nueva topología, se han diseñado y<br />
construido dos prototipos, <strong>de</strong> los cuales resaltamos las siguientes ventajas y<br />
<strong>de</strong>sventajas en cada uno <strong>de</strong> los modos <strong>de</strong> funcionamiento.<br />
Del convertidor funcionando en Modo Reductor, se pue<strong>de</strong>n resaltar las siguientes<br />
ventajas y <strong>de</strong>sventajas:<br />
Ventajas<br />
• Funciona a<strong>de</strong>cuadamente para todo el rango <strong>de</strong> tensiones <strong>de</strong> entrada que se<br />
necesitan para aplicaciones <strong>de</strong> Vehículos Híbridos (VH)<br />
• Topología que permite ser diseñada <strong>de</strong> una manera muy sencilla para<br />
funcionar en modo reductor.<br />
• Cuenta con una tensión intermedia V bus que a<strong>de</strong>más está perfectamente<br />
controlada, ésta tensión es un grado <strong>de</strong> libertad que favorece el diseño <strong>de</strong>l<br />
convertidor, ya que se pue<strong>de</strong> fijar <strong>de</strong> un valor para no penalizar la sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong><br />
los componentes.<br />
• Se pue<strong>de</strong> implementar rectificación síncrona para aumentar el rendimiento <strong>de</strong>l<br />
convertidor tanto en los interruptores <strong>de</strong>l puente completo <strong>de</strong> baja tensión<br />
como en el interruptor <strong>de</strong>l convertidor reductor que funciona como diodo.<br />
108
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
• Se alcanzan elevados rendimientos en el convertidor a pesar <strong>de</strong> que la energía<br />
se procesa dos veces, la primera en el convertidor reductor y la segunda en el<br />
puente completo<br />
Desventajas<br />
• El convertidor es gran<strong>de</strong> y cuenta con muchos semiconductores <strong>de</strong> potencia<br />
• A pesar <strong>de</strong> ser topologías sencillas las que se controlan, el control se complica<br />
al tener que controlar tantos interruptores a la vez<br />
• No es sencillo hacer el control para que sea bidire<strong>cc</strong>ional <strong>de</strong>bido a que las<br />
señales <strong>de</strong> control en un modo <strong>de</strong> operación y otro son distintas, sobre todo las<br />
señales <strong>de</strong> rectificación síncrona que cambian según el modo <strong>de</strong><br />
funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor<br />
• Se pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>sequilibrar la corriente magnetizante <strong>de</strong>l transformador causando<br />
que el convertidor falle.<br />
Del convertidor funcionando en Modo Elevador, se pue<strong>de</strong>n resaltar las siguientes<br />
ventajas y <strong>de</strong>sventajas:<br />
Ventajas<br />
• Se alcanza la tensión <strong>de</strong> salida incluso con las bajas tensiones <strong>de</strong> entrada. Es<br />
<strong>de</strong>cir el convertidor opera correctamente para todos los niveles <strong>de</strong> tensión que<br />
requiere la aplicación <strong>de</strong> VH.<br />
• Tiene la capacidad <strong>de</strong> arrancar <strong>de</strong>s<strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> salida <strong>de</strong> cero voltios y<br />
regular cualquier tensión hasta llegar a la tensión <strong>de</strong> salida nominal<br />
• La transición <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> arranque a la etapa permanente o normal se realiza<br />
sin problemas<br />
• Al igual que en el modo reductor, se pue<strong>de</strong> fijar la tensión intermedia V bus para<br />
que el diseño <strong>de</strong>l convertidor permita utilizar componentes <strong>de</strong> mejores<br />
prestaciones eléctricas<br />
• Se alcanzan altos rendimientos en el convertidor<br />
Desventajas<br />
109
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
• El control se complica al tener que generar una señal lógica <strong>de</strong> control para<br />
conectar y <strong>de</strong>sconectar C bus que <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> la relación <strong>de</strong> transformación y <strong>de</strong><br />
los niveles <strong>de</strong> tensión tanto <strong>de</strong> entrada como <strong>de</strong> salida<br />
• Una ligera sobre-corriente se presenta en la bobina <strong>de</strong>l convertidor al<br />
momento <strong>de</strong> realizarse la transición <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> arranque a la etapa<br />
permanente<br />
• Elevada cantidad <strong>de</strong> semiconductores hacen que esta topología resulte costosa<br />
y muy gran<strong>de</strong><br />
3.8 Comparación <strong>de</strong>l convertidor Reductor-Puente bidire<strong>cc</strong>ional<br />
con el estado <strong>de</strong> la técnica<br />
En el apartado 2 <strong>de</strong> este trabajo <strong>de</strong> investigación, se presentaron algunas topologías <strong>de</strong><br />
<strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales que a juicio <strong>de</strong>l autor resultaron interesantes para<br />
utilizarse y/o compararse con las topologías <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> para Vehículos Híbridos.<br />
Correspon<strong>de</strong> en este apartado, hacer una comparación <strong>de</strong> la nueva topología Reductor-<br />
Puente bidire<strong>cc</strong>ional propuesta con originalidad en este capítulo para observar las<br />
ventajas y <strong>de</strong>sventajas que presenta ésta frente a las <strong>soluciones</strong> presentadas en el<br />
estado <strong>de</strong> la técnica.<br />
Al igual que en el estado <strong>de</strong> la técnica, para comparar esta nueva topología con el<br />
resto, se hará <strong>de</strong> dos formas distintas. La primera <strong>de</strong> ellas, <strong>de</strong> una forma cuantitativa en<br />
función <strong>de</strong> los elementos y la potencia que se maneja en el convertidor, y la segunda<br />
<strong>de</strong> una forma cualitativa a partir <strong>de</strong> las necesida<strong>de</strong>s que se presentan para vehículos<br />
híbridos.<br />
En la Tabla XVIII se muestran las características <strong>de</strong> los <strong>convertidores</strong> presentados en<br />
el estado <strong>de</strong> la técnica y al final <strong>de</strong> esta tabla se muestran las características <strong>de</strong>l<br />
convertidor Reductor-Puente presentado en este capítulo. De esta tabla, se observa que<br />
la nueva topología Reductor-Puente, es comparable por la cantidad <strong>de</strong> elementos <strong>de</strong><br />
potencia, con la solución presentada en el apartado 2.2.3. A pesar <strong>de</strong> tener un<br />
transistor más, sus interruptores sufren unos esfuerzos <strong>de</strong> tensión menores lo que<br />
pue<strong>de</strong> traducirse en un rendimiento algo mayor (a igualdad <strong>de</strong> potencias). A<strong>de</strong>más esta<br />
110
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
nueva topología, funciona a frecuencia mayor y constante que las mencionadas, lo que<br />
permite tener menores tamaños en los componentes magnéticos.<br />
Tabla XVIII Comparación <strong>de</strong>l convertidor Reductor-Puente con el estado <strong>de</strong> la técnica<br />
TOPOLOGIA<br />
Tensión en<br />
transistores<br />
AT/BT<br />
Frec.<br />
(kHz)<br />
Potencia<br />
(W)<br />
η (%)<br />
2.2.1 Doble puente<br />
completo sin bobina<br />
2.2.2 Doble medio<br />
puente<br />
2.2.3 Puente completo<br />
con ZVZCS<br />
2.2.4 Medio puente y<br />
push-pull<br />
2.2.5 Flyback<br />
bidire<strong>cc</strong>ional<br />
3 Reductor más puente<br />
completo<br />
8 1 V C V B 50 (vble) 50000 90<br />
4 2 2V C 2V B 20 (vble) 1600 92<br />
9 2 V C 2V B 20 1600 94,5<br />
4 2 V C 2V B 100 200 91<br />
2 2 2V C 2V B 120 60 94<br />
10 2 V C V B 100/50 500 94<br />
En la Tabla XIX se muestra la comparación cualitativa <strong>de</strong>l convertidor Reductor-<br />
Puente frente a las topologías <strong>de</strong>l estado <strong>de</strong> la técnica. Se pue<strong>de</strong> apreciar que, <strong>de</strong>ntro<br />
<strong>de</strong> las topologías que permiten un arranque <strong>de</strong>s<strong>de</strong> cero voltios, es mejor que el flyback<br />
para la potencia <strong>de</strong> la aplicación y muy similar a la que se consi<strong>de</strong>ra mejor (2.2.3). Las<br />
dos ventajas que presenta frente a la solución 2.2.3 son:<br />
• Menores esfuerzos <strong>de</strong> tensión en los interruptores. Los transistores <strong>de</strong>l lado<br />
<strong>de</strong> baja tensión soportan V B mientras que la solución <strong>de</strong>l estado <strong>de</strong>l arte<br />
soportan 2V B . A<strong>de</strong>más, <strong>de</strong> los 6 interruptores <strong>de</strong>l lado <strong>de</strong> alta, sólo 2 soportan<br />
V C mientras que los 4 restantes soportan una tensión menor; en cambio en<br />
2.2.3 los 5 interruptores soportan V C . Esto <strong>de</strong>be traducirse en un rendimiento<br />
mejor.<br />
111
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
• Los 2 magnéticos son sencillos mientras que la bobina <strong>de</strong>l convertidor en<br />
2.2.3 necesita un <strong>de</strong>vanado auxiliar para el arranque <strong>de</strong>l convertidor, lo que<br />
penaliza su tamaño y dificulta el diseño.<br />
Por el contrario, el principal inconveniente resi<strong>de</strong> en el alto número <strong>de</strong> interruptores<br />
lo que penaliza la fiabilidad <strong>de</strong>l convertidor y dificulta la realización práctica <strong>de</strong> los<br />
circuitos <strong>de</strong> control y mando.<br />
Tabla XIX Comparación cualitativa <strong>de</strong>l convertidor Reductor-Puente con el estado <strong>de</strong> la<br />
técnica<br />
TOPOLOGIA<br />
Tamaño<br />
Coste<br />
Fiabilidad<br />
Complejidad<br />
Rendimiento<br />
Arranque<br />
2.2.1 Doble puente<br />
completo sin bobina<br />
2.2.2 Doble medio<br />
puente<br />
2.2.3 Puente completo<br />
con ZVZCS<br />
2.2.4 Medio puente y<br />
push-pull<br />
2.2.5 Flyback<br />
bidire<strong>cc</strong>ional<br />
3 Reductor más puente<br />
completo<br />
B R R M M R<br />
B B B M R M<br />
M R M R B B<br />
R B B B R M<br />
R B B B M B<br />
R R M B B B<br />
Así pues, el convertidor propuesto en este capítulo se le consi<strong>de</strong>ra apropiado para la<br />
aplicación <strong>de</strong> vehículos híbridos y tiene ciertas ventajas competitivas frente a otras<br />
<strong>soluciones</strong> <strong>de</strong>l estado <strong>de</strong> la técnica.<br />
112
Convertidor Reductor – Puente Bidire<strong>cc</strong>ional<br />
3.9 Conclusiones y aportaciones <strong>de</strong>l capítulo<br />
Se ha presentado <strong>de</strong> manera original en este capítulo, una nueva topología <strong>de</strong><br />
convertidor bidire<strong>cc</strong>ional.<br />
La topología está basada en un convertidor reductor más un puente completo que en la<br />
mayoría <strong>de</strong>l tiempo se comporta como una ganancia en continua. En este capitulo, se<br />
han realizado dos análisis exhaustivos <strong>de</strong> la topología mencionada trabajando en<br />
Modo Reductor, y en Modo Elevador. Se ha analizado, el convertidor para funcionar<br />
como bidire<strong>cc</strong>ional, y se ha <strong>de</strong>terminado la utilizaron <strong>de</strong> un con<strong>de</strong>nsador llamado C bus<br />
para conseguir mayor limpieza en la tensión intermedia V bus .<br />
En esta topología aparece un grado más <strong>de</strong> libertad: la tensión intermedia que facilita<br />
el diseño <strong>de</strong>l convertidor. Para no penalizar todos los componentes <strong>de</strong> potencia, este<br />
nivel <strong>de</strong> tensión se pue<strong>de</strong> fijar según las necesida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> cada aplicación y pue<strong>de</strong><br />
permitir la sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> componentes <strong>de</strong> bajas tensiones y por lo tanto <strong>de</strong> mejores<br />
características eléctricas que otros <strong>de</strong> mayor tensión <strong>de</strong> operación.<br />
La principal ventaja diferenciadora es que cuando la topología funciona en modo<br />
elevador, tiene la capacidad <strong>de</strong> arrancar sin sobrecorrientes <strong>de</strong>s<strong>de</strong> tensión cero en la<br />
salida. A diferencia <strong>de</strong> otras topologías <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong>, en esta no es necesario<br />
utilizar circuitos <strong>de</strong> precarga <strong>de</strong> los con<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong> alta tensión. El arranque es muy<br />
sencillo <strong>de</strong> implementar, y se comporta como un convertidor reductor para <strong>de</strong>spués<br />
hacerlo como un convertidor elevador.<br />
Los resultados muestran que esta solución pue<strong>de</strong> ser competitiva en rendimiento si<br />
bien presenta como inconveniente fundamental el alto número <strong>de</strong> interruptores que<br />
hay que controlar.<br />
Por lo tanto y con los resultados obtenidos <strong>de</strong>l análisis teórico y práctico <strong>de</strong>l<br />
convertidor, se concluye que ésta topología, es una propuesta interesante para ser<br />
utilizada como un convertidor bidire<strong>cc</strong>ional. De manera particular, esta topología<br />
resulta interesante para aplicaciones como la que se ha dado en esta tesis, Vehículos<br />
Híbridos (VH). La sencillez <strong>de</strong> diseño, hace <strong>de</strong> esta topología una opción interesante<br />
para cualquier otro tipo <strong>de</strong> aplicaciones en las que se requiera una gran relación entre<br />
la tensión <strong>de</strong> entrada y la tensión <strong>de</strong> salida.<br />
113
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
También <strong>de</strong> forma original se han <strong>de</strong>sarrollado algunos circuitos auxiliares para<br />
estimar la corriente magnetizante y proteger el convertidor <strong>de</strong> saturación y para<br />
realizar el cambio <strong>de</strong> modo <strong>de</strong> funcionamiento en el tramo elevador.<br />
Al mismo tiempo es importante mencionar que el trabajo <strong>de</strong> investigación <strong>de</strong> este<br />
capítulo, es un resultado conjunto <strong>de</strong> ALCATEL España y la División <strong>de</strong> Ingeniería<br />
Electrónica <strong>de</strong> la ETSII – UPM, en la que la empresa mencionada está interesada en<br />
aplicar este nuevo convertidor bidire<strong>cc</strong>ional en Vehículos Híbridos (VH).<br />
114
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
4 Convertidor puente completo y rectificador<br />
doblador <strong>de</strong> corriente bidire<strong>cc</strong>ional<br />
4.1 Introdu<strong>cc</strong>ión<br />
En este capítulo se presenta el análisis y <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> un nuevo esquema <strong>de</strong><br />
convertidor bidire<strong>cc</strong>ional basado en un puente completo con rectificador doblador <strong>de</strong><br />
corriente. Aunque la topología <strong>de</strong> este convertidor no es novedosa, ya que es utilizada<br />
por separado como convertidor reductor [40]-[45] y varios autores la han propuesto<br />
como convertidor elevador [46]-[51], lo que sí resulta novedoso y original es su<br />
propuesta, análisis y utilización como convertidor bidire<strong>cc</strong>ional y su aplicación en<br />
vehículos híbridos.<br />
También <strong>de</strong> manera original se darán reglas <strong>de</strong> diseño <strong>de</strong>l sistema <strong>de</strong> arranque<br />
empleado en modo elevador.<br />
En los apartados siguientes se <strong>de</strong>scribe brevemente el convertidor como convertidor<br />
reductor; se <strong>de</strong>scribe más ampliamente como convertidor elevador fijando la atención<br />
en el método <strong>de</strong> arranque; y se analizan las restri<strong>cc</strong>iones para su implementación como<br />
convertidor bidire<strong>cc</strong>ional. Con los resultados <strong>de</strong>l análisis <strong>de</strong> esta topología se establece<br />
una metodología <strong>de</strong> diseño para su implementación como convertidor bidire<strong>cc</strong>ional.<br />
Al mismo tiempo para validar el análisis y diseño <strong>de</strong> este nuevo esquema <strong>de</strong><br />
convertidor bidire<strong>cc</strong>ional, se presentan los resultados prácticos <strong>de</strong> un prototipo <strong>de</strong><br />
laboratorio en el que se verifica experimentalmente su funcionamiento.<br />
4.2 Puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente "Modo<br />
reductor"<br />
En este apartado se muestran las ecuaciones y formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l convertidor<br />
operando en modo reductor. En [40]-[45] se hace un análisis <strong>de</strong>tallado <strong>de</strong>l modo <strong>de</strong><br />
operación y control <strong>de</strong>l convertidor funcionando como convertidor reductor, <strong>de</strong> ahí se<br />
extraen las ecuaciones y formas <strong>de</strong> onda más importantes para enten<strong>de</strong>r su<br />
funcionamiento.<br />
115
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
4.2.1 Topología y formas <strong>de</strong> onda<br />
En la Figura 4.1 se muestra la topología <strong>de</strong>l convertidor puente completo con<br />
rectificador doblador <strong>de</strong> corriente para operar en modo reductor. En la Figura 4.2 se<br />
muestran las formas <strong>de</strong> onda típicas <strong>de</strong> este convertidor. El convertidor esta integrado<br />
por un puente completo <strong>de</strong> cuatro transistores MOSFETs M1-M4 que operan con<br />
control por <strong>de</strong>splazamiento <strong>de</strong> fase (Phase Shift Control), por un transformador TR<br />
que proporciona aislamiento galvánico entre ambos lados <strong>de</strong>l convertidor, por una<br />
etapa <strong>de</strong> rectificación formada por dos diodos D5 y D6 y por un filtro <strong>de</strong> salida<br />
formado por L 1 , L 2 y C B al cual se conecta la carga <strong>de</strong> baja tensión.<br />
V C<br />
i B<br />
V L1<br />
L 1 V L2 L 2<br />
M1<br />
M3<br />
TR<br />
i L1<br />
i L2<br />
C B<br />
C C<br />
V<br />
i B<br />
p<br />
Vp<br />
n p 1<br />
M2<br />
M4<br />
n p : 1 D5 D6<br />
Figura 4.1 Convertidor puente completo con rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
Si el convertidor opera en modo <strong>de</strong> condu<strong>cc</strong>ión continuo MCC y se aplica el balance<br />
voltios·segundos en cualquiera <strong>de</strong> las bobinas <strong>de</strong>l convertidor en un período <strong>de</strong><br />
conmutación, se obtiene la ecuación (4.1) que <strong>de</strong>fine la tensión <strong>de</strong> salida V B en función<br />
<strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada V C , ciclo <strong>de</strong> trabajo d y <strong>de</strong>l número <strong>de</strong> vueltas n p .<br />
116
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
M1 M2 M1<br />
t<br />
V p<br />
V C<br />
-V C<br />
t<br />
M4<br />
M3<br />
M4<br />
t<br />
V p<br />
V C<br />
-V C<br />
t<br />
dT/2<br />
i L1<br />
∆i<br />
t<br />
i B<br />
/2<br />
t<br />
i L2<br />
t<br />
V L1<br />
-V B<br />
t<br />
i D6<br />
t<br />
V L2<br />
i p<br />
T/2<br />
-V B<br />
V C /n p<br />
t<br />
i D5<br />
T/2<br />
t<br />
T<br />
T<br />
Figura 4.2 Formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l convertidor puente completo con rectificador doblador <strong>de</strong><br />
corriente Modo reductor<br />
Don<strong>de</strong>: 0 ≤ d ≤ 1<br />
V<br />
V<br />
C<br />
B<br />
= d<br />
(4.1)<br />
2n<br />
p<br />
Al igual que en el capitulo anterior, se <strong>de</strong>fine la ganancia <strong>de</strong>l convertidor con un factor<br />
k D para hacer un análisis <strong>de</strong> las relaciones <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> entrada y salida que se pue<strong>de</strong>n<br />
alcanzar con esta topología funcionando como convertidor reductor.<br />
V<br />
B<br />
k<br />
D<br />
= (4.2)<br />
VC<br />
Sustituimos (4.2) en la ecuación (4.1) para <strong>de</strong>finir la ganancia en función <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong><br />
trabajo y <strong>de</strong> la relación <strong>de</strong> transformación n p quedando:<br />
117
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
k<br />
D<br />
d<br />
= (4.3)<br />
2n<br />
p<br />
En la Figura 4.3 se muestra la ecuación (4.3) en función <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo y para<br />
distinto número <strong>de</strong> vueltas n p .<br />
0,5<br />
0,4<br />
Ganancia kD<br />
0,3<br />
0,2<br />
0,1<br />
0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1<br />
n p = 1<br />
n p = 2<br />
n p = 4<br />
n p = 10<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo d<br />
Figura 4.3 Variación <strong>de</strong> la ganancia <strong>de</strong>l convertidor en función <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo y para<br />
distintos valores <strong>de</strong> n p<br />
En la figura anterior, se observa que con la topología puente completo y rectificador<br />
doblador <strong>de</strong> corriente se pue<strong>de</strong> alcanzar una gran relación entre la tensión <strong>de</strong> entrada y<br />
la tensión <strong>de</strong> salida únicamente sele<strong>cc</strong>ionando el valor a<strong>de</strong>cuado n p para que el ciclo<br />
<strong>de</strong> trabajo d esté <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> valores aceptables. Dependiendo <strong>de</strong> la aplicación que se<br />
trate, <strong>de</strong> ser posible, se <strong>de</strong>be sele<strong>cc</strong>ionar el número óptimo <strong>de</strong> vueltas n p para producir<br />
la menor cantidad <strong>de</strong> pérdidas posible en el convertidor.<br />
118
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
4.2.2 Corriente en las bobinas<br />
Un inconveniente que presenta esta topología, es garantizar la correcta ecualización <strong>de</strong><br />
las corrientes en las bobinas, es <strong>de</strong>cir, que el valor <strong>de</strong> corriente en cada una <strong>de</strong> ellas<br />
sea el mismo. Diferencias que se producen en los ciclos <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong>bidas a los<br />
controladores, pue<strong>de</strong>n producir que las corrientes en L 1 y L 2 sean distintas. Esto causa<br />
que una <strong>de</strong> las dos maneje más energía que la otra, pudiendo ocasionar que la bobina<br />
que maneja mas corriente se sature. Este <strong>de</strong>sequilibrio <strong>de</strong> corrientes en las bobinas<br />
también pue<strong>de</strong> causar que el transformador TR se sature al no funcionar en equilibrio.<br />
Para asegurar que la corriente en las bobinas sea la misma, se utilizan métodos <strong>de</strong><br />
control por corriente (control por corriente <strong>de</strong> pico, control <strong>de</strong> corriente promediado).<br />
Y para asegurar que el transformador TR no se sature con diferencias entre las<br />
corrientes <strong>de</strong> las bobinas, se coloca un con<strong>de</strong>nsador en serie en el <strong>de</strong>vanado primario o<br />
secundario <strong>de</strong>l transformador, para garantizar que el valor medio <strong>de</strong> corriente a través<br />
<strong>de</strong> él sea cero, con esto se asegura el balance <strong>de</strong>l flujo en el transformador. No<br />
obstante, las resistencias parásitas ayudan a equilibrar las corrientes en las bobinas.<br />
4.2.3 Control <strong>de</strong>l convertidor en modo reductor<br />
Para controlar este convertidor, comúnmente se utilizan los métodos <strong>de</strong> control por<br />
corriente para asegurar que la corriente en ambas bobinas sea igual. Algunos autores,<br />
sugieren que el control por corriente promediada es mejor frente al control por<br />
corriente <strong>de</strong> pico <strong>de</strong>bido a las ventajas <strong>de</strong> simplificación que presenta el primero. Para<br />
mo<strong>de</strong>lar el convertidor puente completo con rectificador doblador <strong>de</strong> corriente, es<br />
posible hacerlo mediante dos <strong>convertidores</strong> reductores en paralelo. Aplicando control<br />
por corriente promediada, es posible simplificar el mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> los dos <strong>convertidores</strong><br />
reductores en uno solo con el doble <strong>de</strong> frecuencia y con la mitad <strong>de</strong> la inductancia en<br />
la bobina [41] - [42]. Esto permite, que se pueda hacer una simplificación <strong>de</strong> cara al<br />
circuito <strong>de</strong> control.<br />
En la Figura 4.4 se muestra el circuito equivalente <strong>de</strong>l convertidor aplicando la técnica<br />
<strong>de</strong> control por corriente promediada para obtener el mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> pequeña señal <strong>de</strong>l<br />
convertidor. En él se aprecia que solamente se consi<strong>de</strong>ra un convertidor reductor. Para<br />
obtener la función <strong>de</strong> transferencia, se ha utilizado la técnica <strong>de</strong> control promediado<br />
utilizando el bloque “PWM switch” [27]. Con esta técnica, es posible mo<strong>de</strong>lar el<br />
119
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
comportamiento <strong>de</strong>l convertidor en lazo cerrado y aplicar el lazo <strong>de</strong> compensación<br />
a<strong>de</strong>cuado. En la Figura 4.4 se i<strong>de</strong>ntifican los bloques R s que es el sensor resistivo,<br />
H e (s) es la ganancia <strong>de</strong>l sensado <strong>de</strong> la corriente, F m es la ganancia <strong>de</strong>l modulador y<br />
G C (s) es el compensador <strong>de</strong> la función <strong>de</strong> transferencia. En éste mo<strong>de</strong>lo, está incluida<br />
la inductancia equivalente L <strong>de</strong>l convertidor reductor, una resistencia <strong>de</strong> carga R, el<br />
con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida C, la resistencia en el con<strong>de</strong>nsador R C y el propio bloque PWM<br />
switch para el mo<strong>de</strong>lo promediado <strong>de</strong>l convertidor.<br />
a<br />
PWM<br />
switch<br />
c<br />
L<br />
L = 1<br />
2<br />
C<br />
VC<br />
2n<br />
p<br />
V ap<br />
p<br />
R C<br />
R<br />
V B<br />
F m<br />
R s<br />
G C<br />
(s)<br />
H e<br />
(s)<br />
i ref<br />
Figura 4.4 Mo<strong>de</strong>lo en pequeña señal <strong>de</strong>l convertidor puente completo con rectificador<br />
doblador <strong>de</strong> corriente en modo reductor aplicando la técnica <strong>de</strong> corriente promediada<br />
La función <strong>de</strong> transferencia para el lazo cerrado <strong>de</strong> control <strong>de</strong> la corriente <strong>de</strong> salida<br />
esta <strong>de</strong>finida por:<br />
Ti( s)<br />
= R · H ( s)·<br />
G ( s)·<br />
F · F ( s)<br />
(4.4)<br />
s<br />
e<br />
Don<strong>de</strong> F i (s) es la función <strong>de</strong> transferencia directa <strong>de</strong>l convertidor <strong>de</strong>finida como:<br />
C<br />
m<br />
i<br />
120
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
Vap<br />
1−<br />
RCs<br />
Fi ( s)<br />
= ·<br />
(4.5)<br />
R 2 ⎛ L ⎞<br />
LCs + ⎜ RCC<br />
+ ⎟·<br />
s + 1<br />
⎝ R ⎠<br />
4.2.3.1 Implementación <strong>de</strong>l control<br />
Para el convertidor puente completo con rectificador doblador <strong>de</strong> corriente, se pue<strong>de</strong><br />
utilizar el controlador UC3875 <strong>de</strong> Texas Instrument (por ejemplo) que está diseñado<br />
para controlar un puente completo con <strong>de</strong>splazamiento <strong>de</strong> fase. En la Figura 4.5 se<br />
muestra el diagrama <strong>de</strong> bloques <strong>de</strong>l control con las cuatro salidas <strong>de</strong>l puente completo.<br />
Para controlar los interruptores <strong>de</strong>l puente completo en el convertidor, es necesario<br />
incluir circuitos disparadores <strong>de</strong> los MOSFETs, que sean capaces <strong>de</strong> generar masas<br />
flotantes. Otra alternativa que se pue<strong>de</strong> utilizar para controlar los MOSFETs, es la<br />
utilización <strong>de</strong> transformadores <strong>de</strong> pulsos; con éstos, es fácil conseguir las masas<br />
flotantes que se utilizan en cualquier circuito puente.<br />
V C<br />
Puente<br />
Completo<br />
Etapa <strong>de</strong><br />
Rectificación<br />
V B<br />
M1 M2 M3 M4<br />
UC3875<br />
Error<br />
Ref<br />
Figura 4.5 Diagrama <strong>de</strong> bloques <strong>de</strong> control para modo reductor<br />
El controlador UC3875 genera dos trenes <strong>de</strong> pulsos con dos señales <strong>de</strong>l 50% <strong>de</strong> ciclo<br />
<strong>de</strong> trabajo cada una; estos dos trenes <strong>de</strong> pulsos, se <strong>de</strong>sfasan entre si <strong>de</strong>s<strong>de</strong> 0º hasta 180º<br />
para conseguir el control por <strong>de</strong>splazamiento <strong>de</strong> fase entre las ramas <strong>de</strong>l puente<br />
completo. La utilización <strong>de</strong> este controlador, facilita el control <strong>de</strong> este convertidor, ya<br />
que en un único encapsulado es posible implementar arranque suave y prote<strong>cc</strong>iones <strong>de</strong><br />
121
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
sobre tensión y sobre corriente en el circuito. La tensión <strong>de</strong> salida V B se controla a<br />
través <strong>de</strong>l amplificador <strong>de</strong> error que está implementado también en este controlador.<br />
4.3 Puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente "Modo<br />
elevador"<br />
El rectificador doblador <strong>de</strong> corriente, no está muy popularizado para ser utilizado en<br />
modo elevador. En este apartado, nos centraremos en el <strong>estudio</strong> <strong>de</strong>l convertidor<br />
funcionando en modo elevador. Se hace un repaso <strong>de</strong> los autores que han propuesto<br />
este rectificador como convertidor elevador; se menciona la problemática que<br />
presentan el convertidor elevador o los <strong>de</strong>rivados <strong>de</strong> él para arrancar, y un análisis más<br />
<strong>de</strong>tallado para el arranque <strong>de</strong>l convertidor.<br />
4.3.1 Antece<strong>de</strong>ntes <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador<br />
El convertidor puente completo con rectificador doblador <strong>de</strong> corriente, no es una<br />
topología que sea utilizada comúnmente para elevar la tensión aunque su estructura<br />
intrínsecamente lo permite, al ser un convertidor <strong>de</strong>rivado <strong>de</strong>l convertidor elevador.<br />
Una <strong>de</strong> las posibles razones por la que no se utiliza comúnmente, es porque cuenta con<br />
dos bobinas en la entrada. Sólo contados autores han propuesto el rectificador como<br />
convertidor elevador, los cuales se mencionan a continuación. En [46] se hace un<br />
<strong>estudio</strong> <strong>de</strong> la topología para integrarla <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> un único componente magnético para<br />
alta corriente y baja tensión (VRM); en [47] y [48] el autor propone adicionar un<br />
transformador auxiliar para acoplar las corrientes <strong>de</strong> las bobinas y lograr tener una<br />
mejor regulación <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> salida para un amplio rango <strong>de</strong> carga y tensión <strong>de</strong><br />
entrada. Con la adición <strong>de</strong> este transformador auxiliar, consigue alcanzar gran relación<br />
entre la tensión <strong>de</strong> entrada y la tensión <strong>de</strong> salida (4 veces la tensión <strong>de</strong> entrada a la<br />
salida sin aislamiento) haciendo <strong>de</strong> esta topología apta para aplicaciones en las que<br />
exista una gran diferencia entre la tensión <strong>de</strong> entrada y la tensión <strong>de</strong> salida; en [49] el<br />
autor es el primero que propone este convertidor como una alternativa atractiva para<br />
operar con baja tensión <strong>de</strong> entrada y alta corriente obteniendo a la salida una elevada<br />
tensión; en [50] se hace un <strong>estudio</strong> comparativo entre el convertidor Push-Pull<br />
alimentado en corriente y el Doblador <strong>de</strong> Corriente con salida Push-Pull llamándolo<br />
Dual Inductor Converter (DIC); en [51] el autor propone adicionar una red resonante<br />
122
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
para conseguir conmutaciones a corriente cero en un amplio rango <strong>de</strong> frecuencia, y<br />
también propone la topología apta para elevados valores <strong>de</strong> corriente en baja tensión;<br />
por último, en [52] el autor también propone que la topología sea utilizada para<br />
trabajar con baja tensión y alta corriente haciendo un análisis comparativo <strong>de</strong> esta<br />
topología con el convertidor que tiene transformador con toma media.<br />
4.3.2 Topología y formas <strong>de</strong> onda<br />
En la Figura 4.6 se muestra la topología <strong>de</strong>l convertidor puente completo con<br />
rectificador doblador <strong>de</strong> corriente para operar como convertidor elevador. Se<br />
sustituyen los diodos D5 y D6 por MOSFETs para que el convertidor funcione como<br />
convertidor elevador. En esta misma Figura se aprecia que la etapa <strong>de</strong> rectificación <strong>de</strong>l<br />
puente completo <strong>de</strong> alta tensión esta integrada por diodos rectificadores (D1-D4).<br />
Para analizar el funcionamiento <strong>de</strong> este convertidor en modo elevador, es conveniente<br />
hacerlo en dos partes por separado, una para modo "Normal" que se presenta cuando<br />
el ciclo <strong>de</strong> trabajo se encuentra entre 50% y 100%, y otra para modo "Arranque" que<br />
se presenta cuando el ciclo <strong>de</strong> trabajo se encuentra entre 0% y 50%, don<strong>de</strong> éste<br />
convertidor no pue<strong>de</strong> funcionar en régimen permanente por sí solo.<br />
i L1<br />
i L2<br />
V B<br />
C B<br />
V L1<br />
M5<br />
L 1<br />
V L2<br />
L 2<br />
TR<br />
V s<br />
M6<br />
V DSM5 V DSM6<br />
i M5<br />
i M6<br />
1<br />
n p<br />
D1<br />
D2<br />
D3<br />
D4<br />
C C<br />
i C<br />
V C<br />
Figura 4.6 Puente completo con rectificador doblador <strong>de</strong> corriente, modo elevador<br />
123
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
4.3.3 Funcionamiento modo "Normal"<br />
Este es el modo <strong>de</strong> operación que proponen los autores indicados en el apartado 4.3.1.<br />
En la Figura 4.7 se muestran las formas <strong>de</strong> onda que correspon<strong>de</strong>n a este modo <strong>de</strong><br />
operación y <strong>de</strong> las cuales se extraen las expresiones que rigen su comportamiento.<br />
M6<br />
dT<br />
M6<br />
t<br />
Vs<br />
t<br />
M5<br />
t<br />
V C /n p<br />
Vs<br />
t<br />
i L2<br />
i L1<br />
∆i<br />
t<br />
-V C /n p<br />
V L2<br />
t<br />
i M6<br />
t<br />
V B<br />
(V B – V C /n p )<br />
V L1<br />
t<br />
i M5<br />
t<br />
T/2<br />
T<br />
(1 - d)T<br />
dT<br />
T<br />
Figura 4.7 Formas <strong>de</strong> onda rectificador doblador <strong>de</strong> corriente elevador modo normal<br />
Si el convertidor opera en modo <strong>de</strong> condu<strong>cc</strong>ión continuo (MCC) y en régimen<br />
permanente, aplicando el balance voltios·segundos en cualquiera <strong>de</strong> las bobinas en un<br />
período <strong>de</strong> conmutación, se obtiene la ecuación (4.6) que <strong>de</strong>fine la tensión <strong>de</strong> salida V C<br />
en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada V B , ciclo <strong>de</strong> trabajo d y <strong>de</strong>l número <strong>de</strong> vueltas n p .<br />
V<br />
C<br />
= n<br />
p<br />
V<br />
B<br />
1<br />
1−<br />
d<br />
(4.6)<br />
Don<strong>de</strong>: 0,5 ≤ d ≤ 1<br />
La ganancia <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador se <strong>de</strong>fine como:<br />
V<br />
C<br />
k<br />
UP<br />
= (4.7)<br />
VB<br />
124
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
Sustituimos la ecuación (4.7) en la ecuación (4.6) para tener la ganancia <strong>de</strong>l<br />
convertidor en modo elevador en función <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo y <strong>de</strong>l número <strong>de</strong> vueltas<br />
n p resultando:<br />
k<br />
UP<br />
V<br />
=<br />
V<br />
C<br />
B<br />
= n<br />
p<br />
1<br />
1 − d<br />
(4.8)<br />
La ecuación <strong>de</strong> la ganancia es idéntica a la <strong>de</strong> cualquier convertidor elevador con<br />
aislamiento galvánico, la diferencia es que en la topología puente completo con<br />
rectificador doblador <strong>de</strong> corriente, el ciclo <strong>de</strong> trabajo mínimo que se pue<strong>de</strong> utilizar es<br />
<strong>de</strong>l 50%.<br />
En la Figura 4.8 se muestra la ecuación (4.8) en función <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo y para<br />
distintos valores <strong>de</strong> n p .<br />
50<br />
40<br />
Ganancia kUP<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo d<br />
n p = 1<br />
n p = 5<br />
n p = 10<br />
n p = 15<br />
Figura 4.8 Ganancia <strong>de</strong>l rectificador doblador <strong>de</strong> corriente en modo elevador<br />
125
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
4.3.3.1 Función <strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong>l rectificador doblador <strong>de</strong> corriente en<br />
modo elevador normal (d > 50%)<br />
La función <strong>de</strong> transferencia se obtiene a través <strong>de</strong> las ecuaciones <strong>de</strong> estado que rigen el<br />
comportamiento dinámico <strong>de</strong>l convertidor. En este caso, las variables <strong>de</strong> estado son la<br />
corriente en las bobinas y la tensión en el con<strong>de</strong>nsador.<br />
De la Figura 4.6 se hace una simplificación <strong>de</strong>l circuito para analizar la tensión en una<br />
<strong>de</strong> las bobinas y las corrientes que se inyectan en el con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida. La<br />
simplificación consiste en sustituir las conmutaciones <strong>de</strong>l convertidor por fuentes <strong>de</strong><br />
tensión y <strong>de</strong> corriente equivalentes a lo que ven tanto las bobinas como el<br />
con<strong>de</strong>nsador. De los circuitos equivalentes, se plantean las ecuaciones <strong>de</strong> estado <strong>de</strong>l<br />
convertidor. En la Figura 4.9a) se muestran los valores <strong>de</strong> la tensión y la corriente que<br />
se aplican tanto a la bobina como al con<strong>de</strong>nsador en forma <strong>de</strong> fuente <strong>de</strong> tensión y<br />
fuente <strong>de</strong> corriente. En la Figura 4.9b) y c) se muestran los circuitos equivalentes <strong>de</strong>l<br />
convertidor con fuente <strong>de</strong> tensión para la bobina y con fuente <strong>de</strong> corriente para el<br />
con<strong>de</strong>nsador.<br />
M5<br />
dT<br />
(1 - d)T<br />
T<br />
M5<br />
t<br />
L<br />
V C /n p<br />
V DSM5<br />
M6<br />
t<br />
t<br />
V<br />
i L V L C<br />
V ( 1−<br />
d<br />
B<br />
V DSM5<br />
)<br />
n<br />
p<br />
b)<br />
V C /n p<br />
V DSM6<br />
t<br />
i L1 /n p<br />
I L1<br />
I L2<br />
i L2 /n p<br />
i L2 /n p<br />
t<br />
t<br />
i C<br />
i<br />
L<br />
2 ( 1<br />
−<br />
d<br />
)<br />
C<br />
V n<br />
C<br />
R<br />
p<br />
I L<br />
i L2 /n p i L1 /n p i L2 /n p<br />
I L<br />
t<br />
c)<br />
a)<br />
Figura 4.9 a) Formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong> la fuente <strong>de</strong> tensión V DSM5 y <strong>de</strong> la fuente <strong>de</strong> corriente I L<br />
126
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
b) Circuito equivalente para la bobina c) Circuito equivalente para el con<strong>de</strong>nsador<br />
Como el valor <strong>de</strong> la inductancia en las dos bobinas que integran el convertidor es el<br />
mismo, permite hacer una simplificación y consi<strong>de</strong>rar que i L1 e i L2 tienen el mismo<br />
valor (i L ) cuando son referidas al secundario <strong>de</strong>l convertidor y entran al con<strong>de</strong>nsador<br />
C. El análisis <strong>de</strong> la tensión aplicada a las bobinas se simplifica <strong>de</strong> igual manera y solo<br />
se consi<strong>de</strong>ra L 1 = L 2 = L que es <strong>de</strong>l mismo valor para ambas bobinas.<br />
Las ecuaciones <strong>de</strong> estado <strong>de</strong> la tensión en la bobina L y la corriente en el con<strong>de</strong>nsador<br />
C quedan <strong>de</strong>finidas como:<br />
Multiplicando y reacomodando las ecuaciones quedan:<br />
⎛ V<br />
L i<br />
• ⎞<br />
C<br />
⎜ L ⎟ = VB<br />
− ( 1 − d )<br />
(4.9)<br />
⎝ ⎠ n<br />
p<br />
⎛ i V<br />
C V<br />
• ⎞ L<br />
C<br />
⎜ C ⎟ = 2 ( 1−<br />
d ) −<br />
(4.10)<br />
⎝ ⎠ n R<br />
p<br />
⎛<br />
L i<br />
• ⎞ 1 1<br />
⎜ L ⎟ = VB<br />
− VC<br />
+ VC<br />
· d<br />
(4.11)<br />
⎝ ⎠ n n<br />
p<br />
p<br />
p<br />
p<br />
⎛<br />
C V<br />
• ⎞ 2 2 1<br />
⎜ C ⎟ = iL<br />
− iL<br />
· d − VC<br />
(4.12)<br />
⎝ ⎠ n n R<br />
Se tienen productos no lineales al estar multiplicadas las variables <strong>de</strong> estado i L y V C<br />
por el ciclo <strong>de</strong> trabajo d. Para resolver las ecuaciones anteriores, se hace una<br />
aproximación lineal tal como se muestra a continuación.<br />
( V d ) = V · ∆( d ) + d ∆( V )<br />
C<br />
·<br />
C<br />
0<br />
∆ ·<br />
0<br />
( i d ) = i · ∆( d ) + d ∆( i )<br />
∆ ·<br />
L· L<br />
0<br />
Aplicamos incrementos a las ecuaciones (4.11) y (4.12) quedando:<br />
⎛<br />
L∆<br />
⎜i<br />
⎝<br />
⎞<br />
0<br />
1<br />
n<br />
1<br />
n<br />
•<br />
L ⎟ = ∆<br />
B<br />
C<br />
C<br />
·<br />
⎠<br />
p<br />
p<br />
( V ) − ∆( V ) + ∆( V d )<br />
L<br />
C<br />
(4.13)<br />
(4.14)<br />
127
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
⎛ ⎞<br />
C∆ V<br />
• 2 2 1<br />
⎜ C ⎟ = ∆<br />
L<br />
L<br />
⎝ ⎠ n n R<br />
p<br />
( i ) − ∆( i · d ) − ∆( V )<br />
Al tratarse <strong>de</strong> una constante, hacemos ∆(V B ) = 0 quedando:<br />
p<br />
⎛ ⎞ 1 1<br />
L∆ i<br />
• ⎜ L ⎟ = − ∆( VC<br />
) + ∆( VC<br />
· d )<br />
(4.15)<br />
⎝ ⎠ n n<br />
p<br />
p<br />
C<br />
⎛ ⎞<br />
C∆ V<br />
• 2 2 1<br />
⎜ C ⎟ = ∆<br />
L<br />
L<br />
⎝ ⎠ n n R<br />
p<br />
( i ) − ∆( i · d ) − ∆( V )<br />
p<br />
C<br />
(4.16)<br />
Sustituimos las ecuaciones (4.13) y (4.14) en (4.15) y (4.16), al simplificar quedan:<br />
⎛ ⎞ VC<br />
1<br />
0<br />
L∆ i<br />
• ⎜ L ⎟ = ∆( d ) − ∆( VC<br />
)( 1−<br />
d<br />
0<br />
)<br />
(4.17)<br />
⎝ ⎠ n n<br />
p<br />
p<br />
⎛ ⎞<br />
C∆ V<br />
• 2 2<br />
1<br />
⎜ C ⎟ = − iL<br />
∆<br />
0<br />
L 0<br />
⎝ ⎠ n n<br />
R<br />
p<br />
( d ) + ∆( i )( 1−<br />
d ) − ∆( V )<br />
p<br />
C<br />
(4.18)<br />
Derivamos la ecuación (4.18) quedando:<br />
⎛<br />
C∆⎜V<br />
⎝<br />
••<br />
C<br />
⎞ 2<br />
⎟ = −<br />
⎠ n<br />
p<br />
i<br />
L<br />
0<br />
•<br />
⎛ ⎞ 2<br />
∆⎜d<br />
⎟ +<br />
⎝ ⎠ n<br />
p<br />
⎛<br />
∆⎜i<br />
⎝<br />
•<br />
•<br />
⎛ ⎞<br />
L<br />
( 1−<br />
d<br />
0<br />
) − ∆ VC<br />
⎟ ⎠<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
1<br />
R<br />
⎜<br />
⎝<br />
(4.19)<br />
Despejamos<br />
⎛ ⎞<br />
⎜i ⎟ <strong>de</strong> la ecuación (4.17) y queda:<br />
⎝ ⎠<br />
∆ • L<br />
⎛ ⎞ VC<br />
1<br />
0<br />
∆ i<br />
• ⎜ L ⎟ = ∆( d ) − ∆( VC<br />
)( 1−<br />
d<br />
0<br />
)<br />
(4.20)<br />
⎝ ⎠ n L n L<br />
p<br />
Sustituimos la ecuación (4.20) en (4.19), reacomodamos y simplificamos quedando:<br />
⎛<br />
C∆⎜V<br />
⎝<br />
••<br />
⎞ 1<br />
•<br />
⎛<br />
C ⎟ + ∆⎜VC<br />
⎠ R ⎝<br />
⎞ 2 1<br />
⎟ +<br />
⎠ n<br />
( − d )<br />
2<br />
p<br />
L<br />
∆<br />
( V )<br />
C<br />
p<br />
2i<br />
= −<br />
n<br />
p<br />
•<br />
⎛ ⎞ 2<br />
∆⎜d<br />
⎟ +<br />
⎝ ⎠<br />
( − d )<br />
2<br />
L<br />
1<br />
0<br />
V<br />
0 0 C0<br />
Aplicamos Transformada <strong>de</strong> Laplace a la ecuación (4.21) y resulta:<br />
n<br />
2<br />
p<br />
L<br />
∆<br />
( d )<br />
(4.21)<br />
128
CV<br />
· s<br />
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
2<br />
( − d ) 2iL<br />
2( − d<br />
0<br />
)<br />
1 2 1<br />
1 V<br />
0<br />
0 C<br />
+ VC<br />
· s + VC<br />
= − d·<br />
s +<br />
d (4.22)<br />
2<br />
R n L n n L<br />
2 0<br />
C 2<br />
p<br />
p<br />
p<br />
V<br />
Expresamos la ecuación (4.22) como C<br />
, simplificamos y nos queda la función <strong>de</strong><br />
d<br />
transferencia <strong>de</strong>l convertidor elevador basado en el rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
como a continuación se muestra:<br />
∆V<br />
C<br />
∆d<br />
=<br />
V<br />
C<br />
0<br />
( 1−<br />
d )<br />
0<br />
⎡ n<br />
⎢<br />
⎢⎣<br />
2 1<br />
2<br />
p<br />
⎡ − iL<br />
n ⎤<br />
0 p<br />
L<br />
⎢ · s + 1⎥<br />
⎢⎣<br />
VC<br />
( 1−<br />
d<br />
0<br />
)<br />
0<br />
⎥⎦<br />
2<br />
n<br />
2<br />
p<br />
LC·<br />
s +<br />
L ⎤<br />
· s + 1<br />
( ) ( ) ⎥ ⎥ 2<br />
2<br />
− d<br />
0<br />
2 1−<br />
d R<br />
0 ⎦<br />
(4.23)<br />
⎛ ⎞<br />
El funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor en estado estable, permite suponer que⎜i • L ⎟ = 0 ,<br />
⎝ ⎠<br />
por lo tanto, <strong>de</strong> la ecuación (4.9) <strong>de</strong>spejamos el ciclo <strong>de</strong> trabajo “d 0 ” en condiciones<br />
estables resultando:<br />
VB<br />
d = 1− n<br />
(4.24)<br />
0<br />
p VC<br />
Se calcula la resistencia <strong>de</strong> carga R y la corriente promedio en cada bobina en<br />
condiciones estables, resultando:<br />
Don<strong>de</strong>: P es la potencia <strong>de</strong>l convertidor<br />
Sustituyendo las ecuaciones (4.24) a (4.26) en (4.23) queda:<br />
2<br />
0<br />
VC0<br />
R = (4.25)<br />
P<br />
P<br />
iL<br />
= (4.26)<br />
0<br />
2V<br />
B<br />
129
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
∆V<br />
C<br />
∆d<br />
2<br />
VC<br />
V<br />
0<br />
=<br />
n V<br />
p<br />
C0<br />
B<br />
⎡ V<br />
⎢<br />
⎢⎣<br />
2<br />
2<br />
C<br />
n<br />
2<br />
p<br />
⎡ n ⎤<br />
p<br />
PL<br />
⎢−<br />
· s + 1<br />
2<br />
⎥<br />
⎢⎣<br />
2n<br />
pVB<br />
⎥⎦<br />
LC·<br />
s<br />
2<br />
+<br />
2<br />
C<br />
L ⎤<br />
· s + 1<br />
0<br />
0<br />
( ) 2( ) ⎥ ⎥ 2<br />
2<br />
n V<br />
n V R<br />
p B<br />
p B ⎦<br />
V<br />
n<br />
2<br />
p<br />
(4.27)<br />
Éste convertidor funcionando como rectificador doblador <strong>de</strong> corriente en modo<br />
elevador en modo normal, presenta un cero positivo en el semiplano positivo en la<br />
npPL<br />
función <strong>de</strong> transferencia. Este cero positivo esta ubicado en tal como lo indica<br />
2<br />
n V<br />
2<br />
p B<br />
el coeficiente <strong>de</strong>l término lineal <strong>de</strong>l numerador en la función <strong>de</strong> transferencia. Este<br />
cero positivo, limita la respuesta dinámica <strong>de</strong>l convertidor al limitar el ancho <strong>de</strong> banda<br />
en el control al cerrar el lazo. Por esta razón, es importante conocer la función <strong>de</strong><br />
transferencia y calcular con exactitud la respuesta en frecuencia <strong>de</strong>l rectificador<br />
doblador <strong>de</strong> corriente en modo elevador.<br />
4.3.4 Funcionamiento modo "Arranque"<br />
El convertidor elevador y los <strong>convertidores</strong> <strong>de</strong>rivados <strong>de</strong> él con aislamiento galvánico<br />
presentan problemas para arrancar. Estos <strong>convertidores</strong> cargan la bobina con la tensión<br />
<strong>de</strong> entrada y la <strong>de</strong>scargan con la diferencia entre la tensión <strong>de</strong> entrada y la tensión <strong>de</strong><br />
salida (tensión reflejada en el caso <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> con aislamiento). Como la<br />
<strong>de</strong>scarga en el momento <strong>de</strong> arrancar, se produce prácticamente con tensión <strong>de</strong> salida<br />
cero, esto ocasiona que una sobrecorriente se presente transitoriamente en la bobina<br />
mientras la tensión <strong>de</strong>l con<strong>de</strong>nsador alcanza su valor <strong>de</strong> tensión nominal. En el caso<br />
<strong>de</strong>l convertidor elevador, esto no se pue<strong>de</strong> evitar incluso ni con la apertura <strong>de</strong>l<br />
semiconductor <strong>de</strong> control. Una solución que se suele practicar para arrancar este tipo<br />
<strong>de</strong> <strong>convertidores</strong>, es pre-cargar anticipadamente el con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida hasta un<br />
valor a<strong>de</strong>cuado <strong>de</strong> tensión, antes <strong>de</strong> comenzar a utilizar cualquier topología elevadora.<br />
Un problema adicional se presenta en el arranque en el caso <strong>de</strong>l convertidor puente<br />
completo con rectificador doblador <strong>de</strong> corriente en modo elevador (Figura 4.10). Este<br />
130
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
convertidor por sí solo no pue<strong>de</strong> funcionar con ciclos <strong>de</strong> trabajo inferiores al 50%, esto<br />
se <strong>de</strong>be a que la energía que se almacena en las bobinas L 1 y L 2 para este ciclo <strong>de</strong><br />
trabajo no pue<strong>de</strong> ser transferida a la salida por ningún camino. Esta energía<br />
almacenada en las bobinas, al no encontrar un camino hacia la salida en el momento<br />
que se abren los semiconductores M5 y M6, ocasiona que se presente una <strong>de</strong>rivada <strong>de</strong><br />
tensión muy alta en los terminales <strong>de</strong> los MOSFETs, dañándolos.<br />
i L1<br />
i L2<br />
V B<br />
C B<br />
V L1<br />
M5<br />
L 1<br />
V L2<br />
L 2<br />
TR<br />
V s<br />
M6<br />
V DSM5 V DSM6<br />
i M5<br />
i M6<br />
1<br />
n p<br />
D1<br />
D2<br />
D3<br />
D4<br />
C C<br />
i C<br />
V C<br />
Figura 4.10 Puente completo con rectificador doblador <strong>de</strong> corriente, modo elevador<br />
En la bibliografía que propone éste convertidor como convertidor elevador con<br />
aislamiento galvánico y sin él, utilizan distintas alternativas para conseguir el arranque<br />
<strong>de</strong>l convertidor. Los métodos <strong>de</strong> arranque que se utilizan se mencionan a continuación.<br />
En [47] y [48], proponen un arranque suave y lento haciendo que los interruptores <strong>de</strong>l<br />
convertidor operen complementariamente con ciclo <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong>l 0% (50% en nuestra<br />
referencia) pero no permanentemente, sino encen<strong>de</strong>rlos y apagarlos por pequeños<br />
intervalos <strong>de</strong> tiempo y evitar que se presente la sobrecorriente en la bobina. Con esto y<br />
con la ayuda <strong>de</strong> un transformador auxiliar que esta integrado en la topología, se<br />
consigue hacer que el convertidor alcance 4 veces la tensión <strong>de</strong> entrada, momento en<br />
el cual pue<strong>de</strong> comenzar a regularse la tensión <strong>de</strong> salida. En [52] el autor hace<br />
referencia a la problemática <strong>de</strong>l arranque y lo resuelve pre-cargando el con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong><br />
salida hasta la tensión <strong>de</strong> entrada reflejada en la salida. También en [47], [48] y [50] lo<br />
que se propone es colocar re<strong>de</strong>s <strong>de</strong> prote<strong>cc</strong>ión para evitar que se presenten picos <strong>de</strong><br />
tensión en caso <strong>de</strong> que se que<strong>de</strong> energía almacenada en los <strong>de</strong>vanados <strong>de</strong>l convertidor<br />
131
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
al momento <strong>de</strong>l apagado. También se sugiere el uso <strong>de</strong> <strong>de</strong>vanados auxiliares en las<br />
bobinas para canalizar ésta energía remanente a la entrada o a la salida <strong>de</strong>l convertidor.<br />
En [26] se propone un método general para conseguir el arranque en las topologías<br />
con aislamiento galvánico <strong>de</strong>rivadas <strong>de</strong>l convertidor elevador. La solución consiste en<br />
adicionar un <strong>de</strong>vanado auxiliar en la bobina principal, para que sea éste <strong>de</strong>vanado<br />
quien se encargue <strong>de</strong> pre-cargar el con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida y arrancar al convertidor (en<br />
[47] y [50] este <strong>de</strong>vanado se utiliza para proteger el circuito <strong>de</strong> sobretensiones y<br />
canalizar la energía remanente <strong>de</strong>l apagado hacia la salida o la entrada). El método<br />
propuesto, está implementado en un convertidor en puente completo que permite<br />
arrancar <strong>de</strong> dos modos distintos, el primero a través <strong>de</strong>l transformador principal y <strong>de</strong> la<br />
bobina que funciona como un convertidor <strong>de</strong> retroceso ó flyback, y el segundo método<br />
es utilizando únicamente el convertidor <strong>de</strong> retroceso. En ambos casos, el convertidor<br />
<strong>de</strong> retroceso <strong>de</strong>ja <strong>de</strong> funcionar, ya sea al evolucionar el ciclo <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong>s<strong>de</strong> 0% hasta<br />
su valor nominal, o mediante una secuencia lógica y programada <strong>de</strong> encendidos y<br />
apagados en el puente completo. Esta secuencia, consiste en activar y <strong>de</strong>sactivar a la<br />
vez los cuatro interruptores <strong>de</strong>l puente completo. Esto permite que el arranque sea<br />
únicamente con la bobina principal, funcionando como convertidor <strong>de</strong> retroceso. Una<br />
vez que la tensión <strong>de</strong> salida alcanza un valor <strong>de</strong> tensión a<strong>de</strong>cuado, la secuencia <strong>de</strong><br />
encendido y apagado <strong>de</strong> los interruptores <strong>de</strong>l puente completo cambia. Deja <strong>de</strong><br />
funcionar a través <strong>de</strong> la bobina como un convertidor <strong>de</strong> retroceso, para hacerlo como<br />
un convertidor elevador normal a través <strong>de</strong>l transformador principal.<br />
En [58] se presenta la patente <strong>de</strong>l arranque explicado en [25]. En esta patente<br />
únicamente se basan en el convertidor puente completo para explicar el método <strong>de</strong><br />
arranque en <strong>convertidores</strong> con aislamiento galvánico. En la patente, los autores<br />
mencionan que es posible extrapolar éste tipo <strong>de</strong> arranque a cualquier convertidor<br />
<strong>de</strong>rivado <strong>de</strong>l convertidor elevador, incluso al rectificador doblador <strong>de</strong> corriente que se<br />
presenta en esta tesis. Sin embargo, y a pesar <strong>de</strong> mencionar que se pue<strong>de</strong> utilizar éste<br />
tipo <strong>de</strong> arranque con el rectificador doblador <strong>de</strong> corriente en modo elevador, no se<br />
presenta ningún análisis ni resultado <strong>de</strong> la implementación <strong>de</strong> éste arranque con la<br />
topología mencionada.<br />
Por lo anterior, el análisis, diseño e implementación <strong>de</strong>l método <strong>de</strong> arranque en el<br />
convertidor elevador con rectificador doblador <strong>de</strong> corriente, es consi<strong>de</strong>rado <strong>de</strong><br />
132
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
carácter original. Este análisis se presenta como una aportación original en esta<br />
tesis doctoral a pesar <strong>de</strong> ser un análisis posterior a la fecha <strong>de</strong> presentación <strong>de</strong> la<br />
patente (Mayo 24 <strong>de</strong> 2001), tiempo en el cual simultáneamente se comenzó con el<br />
<strong>estudio</strong> e implementación <strong>de</strong> éste arranque en la topología mencionada. El<br />
conocimiento <strong>de</strong> ésta patente, fue hasta que apareció publicada el 31 <strong>de</strong> Octubre <strong>de</strong>l<br />
2002.<br />
Tal como se menciona en la patente, la topología puente completo con rectificador<br />
doblador <strong>de</strong> corriente, también funciona con dos arranques similares a los que se<br />
proponen en [26]. Lo único que se <strong>de</strong>be hacer, es adicionar un <strong>de</strong>vanado auxiliar por<br />
cada bobina <strong>de</strong>l convertidor. Estas bobinas auxiliares <strong>de</strong>ben tener un número <strong>de</strong><br />
vueltas a<strong>de</strong>cuado (n f ) y estar conectadas a la salida a través <strong>de</strong> un diodo rectificador<br />
(D F1 , D F2 ) tal como se muestra en la Figura 4.11.<br />
C B<br />
1 : n f<br />
M6<br />
1 : n f i DF1<br />
i L1 TF1 i L2 TF2<br />
D F1<br />
i DF2<br />
D F2<br />
V F1<br />
V F2<br />
L 1 L 2<br />
TR<br />
D1<br />
D3<br />
i C<br />
V B<br />
i s<br />
Vs<br />
1<br />
n p<br />
C C<br />
V C<br />
M5<br />
V DSM5<br />
V DSM6<br />
D2<br />
D4<br />
i M5<br />
i M6<br />
Figura 4.11 Devanados auxiliares colocados en las bobinas L 1 y L 2 que se utilizan para el<br />
arranque <strong>de</strong>l convertidor<br />
A continuación se explican los dos posibles arranques con los que se pue<strong>de</strong> poner en<br />
funcionamiento el convertidor. El Arranque I consiste en encen<strong>de</strong>r y apagar<br />
simultáneamente los dos MOSFETs M5 y M6. Con esto se consigue hacer funcionar<br />
los dos <strong>convertidores</strong> <strong>de</strong> retroceso en paralelo y en fase. Con el Arranque II, los<br />
MOSFETs M5 y M6 se controlan con señales <strong>de</strong> disparo <strong>de</strong>sfasadas 180º. Este<br />
arranque es una combinación <strong>de</strong>l convertidor <strong>de</strong> retroceso con convertidor elevador a<br />
través <strong>de</strong>l transformador principal. A continuación se explican cada uno <strong>de</strong> ellos.<br />
133
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
4.3.4.1 Arranque I "Dos <strong>convertidores</strong> <strong>de</strong> retroceso en paralelo y en fase"<br />
Este arranque consiste en activar al mismo tiempo las señales <strong>de</strong> disparo <strong>de</strong> M5 y M6.<br />
Con esto se consigue almacenar energía en cada uno <strong>de</strong> los transformadores <strong>de</strong><br />
retroceso (TF1 y TF2), que posteriormente es transferida a la salida. En este arranque,<br />
una vez que se alcanza la tensión <strong>de</strong> salida, la secuencia <strong>de</strong> encendido y apagado <strong>de</strong><br />
los MOSFETs cambia para <strong>de</strong>jar <strong>de</strong> funcionar como <strong>convertidores</strong> <strong>de</strong> retroceso y pasar<br />
hacerlo como un convertidor elevador a través <strong>de</strong>l transformador principal. Las<br />
señales <strong>de</strong> control pasan <strong>de</strong> estar en fase a <strong>de</strong>sfasarse 180º. Para hacer este cambio en<br />
las señales <strong>de</strong> control, es necesario utilizar un circuito que <strong>de</strong>tecte que se ha alcanzado<br />
la tensión <strong>de</strong> salida y en ese mismo momento cambiar la secuencia <strong>de</strong> funcionamiento<br />
<strong>de</strong> los pulsos <strong>de</strong> control.<br />
En la Figura 4.12 se muestran las formas <strong>de</strong> onda típicas <strong>de</strong>l Arranque I.<br />
M5, M6<br />
M5, M6<br />
t<br />
V B<br />
V F1 ,V F2<br />
t<br />
V C /n f<br />
i M5 ,i M6<br />
t<br />
i DF1 ,i DF2<br />
dT<br />
T<br />
(1-d)T<br />
t<br />
Figura 4.12 Formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l Arranque I<br />
Para modo <strong>de</strong> condu<strong>cc</strong>ión continuo (MCC) se aplica el balance voltios·segundos en<br />
cualquiera <strong>de</strong> las bobinas <strong>de</strong> los <strong>convertidores</strong> <strong>de</strong> retroceso L 1 o L 2 en un período <strong>de</strong><br />
conmutación y se obtiene la ecuación (4.28) que <strong>de</strong>fine la tensión <strong>de</strong> salida en el<br />
"Arranque I" en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada V B , ciclo <strong>de</strong> trabajo d y <strong>de</strong>l número<br />
<strong>de</strong> vueltas n f .<br />
134
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
V<br />
C<br />
= V<br />
B<br />
n<br />
f<br />
d<br />
1−<br />
d<br />
(4.28)<br />
Don<strong>de</strong>: 0 ≤ d ≤ 1<br />
La ganancia <strong>de</strong>l convertidor para el Arranque I <strong>de</strong>finida en la ecuación (4.29). Esta<br />
ganancia queda como la ganancia <strong>de</strong> cualquier convertidor <strong>de</strong> retroceso:<br />
VC<br />
d<br />
k<br />
F1 = = n<br />
f<br />
(4.29)<br />
V 1−<br />
d<br />
B<br />
Con el Arranque I, el convertidor arranca y llega a régimen permanente como<br />
cualquier convertidor <strong>de</strong> retroceso, la diferencia consiste básicamente en que son dos<br />
los <strong>convertidores</strong> funcionando en paralelo. La utilización <strong>de</strong> dos <strong>convertidores</strong> en<br />
paralelo, beneficia a la topología al dividir la potencia que se entrega a la salida en 2<br />
partes con lo que se obtiene una disminución <strong>de</strong> las pérdidas por condu<strong>cc</strong>ión al repartir<br />
la corriente entre los dos <strong>convertidores</strong>. Sin embargo, una topología <strong>de</strong> convertidor <strong>de</strong><br />
retroceso, implica que el rendimiento se vea penalizado <strong>de</strong>bido a que su corriente es<br />
pulsante tanto en la entrada como en la salida.<br />
Una característica <strong>de</strong>sfavorable <strong>de</strong> este arranque es la necesidad <strong>de</strong> utilizar un circuito<br />
que cambie la secuencia <strong>de</strong> los pulsos control <strong>de</strong> la topología. El diseño <strong>de</strong> éste<br />
circuito <strong>de</strong> <strong>de</strong>te<strong>cc</strong>ión y cambio <strong>de</strong> funcionamiento, complica la implementación <strong>de</strong><br />
este tipo <strong>de</strong> arranque.<br />
Dos funciones <strong>de</strong> transferencia se <strong>de</strong>ben consi<strong>de</strong>rar para controlar el Arranque I. La<br />
primera <strong>de</strong> ellas <strong>de</strong>be ser la <strong>de</strong> dos <strong>convertidores</strong> <strong>de</strong> retroceso en paralelo y en fase.<br />
Con esta función <strong>de</strong> transferencia, el convertidor arranca y llega hasta el valor nominal<br />
<strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> salida ó a cualquier valor pre-establecido. La segunda función <strong>de</strong><br />
transferencia <strong>de</strong>be ser la <strong>de</strong>l convertidor elevador con aislamiento galvánico basado en<br />
el rectificador doblador <strong>de</strong> corriente (función <strong>de</strong> transferencia obtenida en el apartado<br />
4.3.3.1). Con esta función <strong>de</strong> transferencia, el convertidor se queda operando<br />
permanentemente y se regula la tensión <strong>de</strong> salida al valor especificado.<br />
135
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
4.3.4.2 Función <strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong>l Arranque I<br />
De la Figura 4.11 y <strong>de</strong> la Figura 4.12 se obtienen las ecuaciones <strong>de</strong> estado <strong>de</strong>l<br />
convertidor utilizando el Arranque I.<br />
Las ecuaciones <strong>de</strong> estado <strong>de</strong> la tensión en la bobina L y la corriente en el con<strong>de</strong>nsador<br />
C quedan <strong>de</strong>finidas como:<br />
⎛ V<br />
L i<br />
• ⎞<br />
C<br />
⎜ L ⎟ = VBd<br />
− ( 1 − d )<br />
(4.30)<br />
⎝ ⎠ n<br />
p<br />
⎛ i V<br />
C V<br />
• ⎞ L<br />
C<br />
⎜ C ⎟ = 2 ( 1−<br />
d ) −<br />
(4.31)<br />
⎝ ⎠ n<br />
R<br />
f<br />
Al igual que en el apartado 4.3.3.1 en el que se obtuvo la función <strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong>l<br />
convertidor en modo elevador normal, estas ecuaciones se resuelven para obtener la<br />
función <strong>de</strong> transferencia en el Arranque I. Linealizando las ecuaciones, mediante los<br />
pasos <strong>de</strong>scritos <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la ecuación (4.9) hasta la ecuación (4.23), la función <strong>de</strong><br />
transferencia que se obtiene queda <strong>de</strong>finida como:<br />
∆V<br />
C<br />
∆d<br />
=<br />
2<br />
VC0<br />
2<br />
0<br />
n<br />
f<br />
VB<br />
d<br />
⎡⎛<br />
VC0<br />
⎢⎜<br />
⎢<br />
⎣⎝VBd<br />
0<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
2<br />
⎡−<br />
i<br />
⎢<br />
⎣ V<br />
LC<br />
· s<br />
2<br />
L0<br />
2<br />
B<br />
L ⎤<br />
· s + 1⎥<br />
⎦<br />
⎛ VC0<br />
+ ⎜<br />
⎝VBd<br />
0<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
2<br />
L ⎤<br />
· s + 1⎥<br />
2R<br />
⎥<br />
⎦<br />
(4.32)<br />
⎛ ⎞<br />
El funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor en estado estable, permite suponer que⎜i • L ⎟ = 0 ,<br />
⎝ ⎠<br />
por lo tanto, <strong>de</strong> la ecuación (4.30) <strong>de</strong>spejamos el ciclo <strong>de</strong> trabajo “d 0 ” en condiciones<br />
estables resultando:<br />
VC0<br />
d<br />
0<br />
=<br />
(4.33)<br />
⎛ VC<br />
⎞<br />
0<br />
n ⎜ + ⎟<br />
p<br />
V<br />
B<br />
⎝ n<br />
p ⎠<br />
136
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
Se calcula la resistencia <strong>de</strong> carga R y la corriente promedio en cada bobina en<br />
condiciones estables, resultando:<br />
Don<strong>de</strong>: P es la potencia <strong>de</strong>l convertidor<br />
2<br />
VC0<br />
R = (4.34)<br />
P<br />
P<br />
iL<br />
= (4.35)<br />
0<br />
2V<br />
B<br />
∆V<br />
C<br />
∆d<br />
=<br />
n<br />
2<br />
p<br />
⎛ V<br />
⎜V<br />
+<br />
B<br />
⎝ n<br />
n V<br />
f<br />
B<br />
C0<br />
p<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
2<br />
⎡⎛<br />
⎢⎜<br />
⎢<br />
n<br />
⎣⎝<br />
p<br />
V<br />
+<br />
V<br />
C0<br />
B<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
2<br />
⎡ PL ⎤<br />
⎢−<br />
· s + 1<br />
2 ⎥<br />
⎣ 2V<br />
B ⎦<br />
LC<br />
· s<br />
2<br />
2<br />
⎛<br />
+ ⎜<br />
n<br />
⎝<br />
p<br />
V<br />
+<br />
V<br />
C0<br />
B<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
2<br />
(4.36)<br />
L<br />
⎤<br />
· s + 1⎥<br />
2R<br />
⎥<br />
⎦<br />
Éste convertidor funcionando como rectificador doblador <strong>de</strong> corriente en modo<br />
elevador en el modo Arranque I, presenta un cero positivo en el semiplano positivo <strong>de</strong><br />
PL<br />
la función <strong>de</strong> transferencia. Este cero positivo esta ubicado en<br />
2 tal como lo indica<br />
2V<br />
B<br />
el coeficiente <strong>de</strong>l término lineal <strong>de</strong>l numerador en la función <strong>de</strong> transferencia.<br />
4.3.4.3 Arranque II "Convertidor <strong>de</strong> retroceso - elevador"<br />
Este arranque es una combinación <strong>de</strong>l arranque <strong>de</strong> un convertidor <strong>de</strong> retroceso y <strong>de</strong> un<br />
convertidor elevador. El Arranque II resulta por <strong>de</strong>fecto al colocar los <strong>de</strong>vanados<br />
auxiliares en las bobinas <strong>de</strong>l convertidor, siempre y cuando las señales <strong>de</strong> control <strong>de</strong><br />
M5 y M6 varíen <strong>de</strong>s<strong>de</strong> 0% hasta 50% y <strong>de</strong>sfasadas 180º. Con la adición <strong>de</strong> estos<br />
<strong>de</strong>vanados auxiliares en las bobinas, es posible que el convertidor funcione <strong>de</strong><br />
manera permanente para cualquier ciclo <strong>de</strong> trabajo inferior al 50%.<br />
Con éste arranque se pasa automáticamente a funcionar como convertidor elevador<br />
normal sin la necesidad <strong>de</strong> un circuito <strong>de</strong> <strong>de</strong>te<strong>cc</strong>ión como en el Arranque I. Una vez<br />
que las señales superan el 50% <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo, automáticamente el convertidor<br />
137
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
pasa a funcionar como convertidor elevador en modo "Normal" (Apartado 4.3.3). Este<br />
arranque resulta interesante, ya que no es necesario adicionar más elementos en el<br />
circuito <strong>de</strong> control para conseguir el arranque y a<strong>de</strong>más se pue<strong>de</strong> controlar la tensión<br />
<strong>de</strong> salida para ciclos <strong>de</strong> trabajo inferiores al 50%. En la Figura 4.13 se muestran las<br />
formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l Arranque II, en esta figura se divi<strong>de</strong> un periodo <strong>de</strong> conmutación en<br />
4 intervalos que más a<strong>de</strong>lante se explican.<br />
V C /n p<br />
M5<br />
M6<br />
M5<br />
t<br />
M5<br />
T/2<br />
M6<br />
M5<br />
t<br />
Vs<br />
t<br />
Φ TF1<br />
t<br />
-V C /n p<br />
i L1<br />
t<br />
V B<br />
VC<br />
−<br />
n<br />
V F1<br />
⎛ ⎞<br />
⎜<br />
VC<br />
V + ⎟<br />
B<br />
⎝ n<br />
f ⎠<br />
V C /n p<br />
V DSM5<br />
⎛<br />
⎟ ⎞<br />
⎜<br />
VC<br />
V<br />
B<br />
+<br />
⎝ n<br />
f ⎠<br />
V C /n p<br />
f<br />
V DSM6<br />
⎛ ⎞<br />
⎜<br />
VC<br />
V − ⎟<br />
B<br />
⎝ np<br />
⎠<br />
Φ TF2<br />
t<br />
t<br />
t<br />
t 0 t 1 t 2 t 3 t 4<br />
i L2<br />
i DF1<br />
i DF2<br />
dT<br />
T<br />
t<br />
t<br />
t<br />
t<br />
Figura 4.13 Formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l convertidor con "Arranque II"<br />
A continuación, se explica la evolución <strong>de</strong> las corrientes y tensiones en un ciclo <strong>de</strong><br />
conmutación, esto se hace <strong>de</strong> intervalo en intervalo para compren<strong>de</strong>r su<br />
funcionamiento. Se parte <strong>de</strong> la suposición <strong>de</strong> que la corriente se encuentra en modo <strong>de</strong><br />
condu<strong>cc</strong>ión continuo (MCC) y que la tensión en la entrada y la salida son constantes<br />
en un ciclo <strong>de</strong> conmutación. En la Figura 4.14, se muestran los circuitos equivalentes<br />
<strong>de</strong> cada intervalo <strong>de</strong> operación <strong>de</strong>l convertidor funcionando con el Arranque II.<br />
138
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
t 0 – t 1 .- En este intervalo, conduce M5 haciendo que la corriente i L1 incremente<br />
linealmente con la tensión <strong>de</strong> entrada V B almacenando energía en el núcleo<br />
<strong>de</strong>l transformador TF1. Al mismo tiempo, se transfiere energía a la salida <strong>de</strong>l<br />
convertidor al facilitar que la corriente i L2 circule por el primario <strong>de</strong>l<br />
transformador principal TR. La corriente i L1 y la corriente i L2 se suman al<br />
circular ambas por el MOSFET M5. En resumen, en este intervalo se<br />
almacena energía en TF1 mediante el efecto <strong>de</strong>l convertidor <strong>de</strong> retroceso, y<br />
se transfiere otra parte <strong>de</strong> energía a través <strong>de</strong> TR como en un convertidor<br />
elevador gracias a la energía previamente almacenada en TF2.<br />
t 1 – t 2 .- En este intervalo, <strong>de</strong>ja <strong>de</strong> conducir M5 haciendo que la corriente i L1 circule<br />
por el secundario <strong>de</strong>l transformador TF1 y a través <strong>de</strong>l diodo D F1 entregando<br />
la energía al con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida C C , al mismo tiempo, la corriente i L2 pasa<br />
a circular por el secundario <strong>de</strong>l transformador TF2 y a través <strong>de</strong>l diodo D F2 .<br />
En resumen, en este intervalo se hace transferencia <strong>de</strong> energía mediante el<br />
efecto <strong>de</strong>l transformador <strong>de</strong> retroceso a través <strong>de</strong> TF1 y TF2. Por otra parte<br />
la corriente magnetizante <strong>de</strong>l transformador principal TR circula a través <strong>de</strong><br />
los diodos D1 - D4. Esta corriente no se representa en los circuitos <strong>de</strong> la<br />
Figura 4.14 ya que se <strong>de</strong>sprecia frente a las corrientes <strong>de</strong> carga <strong>de</strong>l<br />
convertidor.<br />
t 2 – t 3 .- En este intervalo, suce<strong>de</strong> lo mismo que en el intervalo (t 0 – t 1 ) pero en distintos<br />
componentes. En resumen, en este intervalo se almacena energía en TF2, y<br />
se transfiere otra parte a través <strong>de</strong> TR gracias a la energía previamente<br />
almacenada en TF1.<br />
La pendiente <strong>de</strong> la corriente i L1 en éste intervalo pue<strong>de</strong> ser positiva, cero<br />
o negativa. Sí la tensión <strong>de</strong> salida reflejada en primario <strong>de</strong> TR es menor,<br />
igual o mayor que la tensión <strong>de</strong> entrada V B , la pendiente es positiva, cero o<br />
negativa respectivamente. En este caso, en la Figura 4.13 la tensión <strong>de</strong> salida<br />
reflejada en el primario <strong>de</strong> TR <strong>de</strong>be ser menor que V B ya que la pendiente <strong>de</strong><br />
la corriente i L1 en este intervalo es positiva.<br />
t 3 – t 4 .- Por simetría en éste intervalo suce<strong>de</strong> lo mismo que en (t 1 – t 2 ). En resumen,<br />
en este intervalo se hace transferencia <strong>de</strong> energía mediante el efecto <strong>de</strong>l<br />
139
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
transformador <strong>de</strong> retroceso a través <strong>de</strong> TF2 y TF1. Este es el último<br />
intervalo <strong>de</strong> análisis y a partir <strong>de</strong> aquí se repite el proceso.<br />
V B<br />
C B<br />
V F1 L 1<br />
V F2 L 2<br />
i C<br />
i L1 i L2<br />
D3<br />
i s<br />
Vs<br />
TR<br />
1<br />
n p<br />
C C<br />
V C<br />
1 : n f 1 : n<br />
D F1<br />
f i DF1<br />
i L1 TF1 i L2 TF2<br />
i DF2<br />
D F2<br />
V F1 V<br />
L F2<br />
1 L 2<br />
C B<br />
V B<br />
C C<br />
i C<br />
V C<br />
D2<br />
i M5<br />
t 0 – t 1<br />
t 1 – t 2<br />
V B<br />
C B<br />
V F1 L 1<br />
V F2 L 2<br />
i C<br />
i L1 i L2<br />
D1<br />
i s<br />
i M6<br />
Vs<br />
TR<br />
1<br />
n p<br />
C C<br />
V C<br />
1 : n f 1 : n<br />
D F1<br />
f i DF1<br />
i L1 TF1 i L2 TF2<br />
i DF2<br />
D F2<br />
V F1 V<br />
L F2<br />
1 L 2<br />
C B<br />
V B<br />
C C<br />
i C<br />
V C<br />
D4<br />
t 2 – t 3<br />
t 3 – t 4<br />
Figura 4.14 Intervalos <strong>de</strong> operación en "Arranque II"<br />
Para modo <strong>de</strong> condu<strong>cc</strong>ión continuo (MCC) se aplica el balance voltios·segundos en<br />
cualquiera <strong>de</strong> las bobinas <strong>de</strong> los <strong>convertidores</strong> <strong>de</strong> retroceso L 1 o L 2 en un período <strong>de</strong><br />
conmutación y se obtiene la ecuación (4.37). Esta ecuación <strong>de</strong>fine la tensión <strong>de</strong> salida<br />
en el "Arranque II" en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada V B , ciclo <strong>de</strong> trabajo d y <strong>de</strong>l<br />
numero <strong>de</strong> vueltas en n p y n f .<br />
V<br />
C<br />
=<br />
( 1−<br />
2d<br />
)<br />
n<br />
2V<br />
f<br />
B<br />
d<br />
+<br />
d<br />
n<br />
p<br />
(4.37)<br />
Don<strong>de</strong>: 0 ≤ d ≤ 0,5<br />
La ganancia <strong>de</strong>l convertidor para el Arranque II esta <strong>de</strong>finida como:<br />
VC<br />
2d<br />
k<br />
F 2<br />
= =<br />
(4.38)<br />
V ( 1−<br />
2d<br />
) d<br />
B<br />
+<br />
n n<br />
f<br />
p<br />
140
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
En la Figura 4.15 y en la Figura 4.16 se muestran las curvas <strong>de</strong> la ganancia <strong>de</strong>l<br />
convertidor en el Arranque II. Estas curvas se han obtenido utilizando la ecuación<br />
(4.38). En la Figura 4.15, se mantiene n p igual a uno y se varía n f . En la Figura 4.16, se<br />
mantiene n f igual a uno y se varía n p .<br />
De las figuras se pue<strong>de</strong>n establecer las siguientes afirmaciones:<br />
• La máxima ganancia, se alcanza con el máximo ciclo <strong>de</strong> trabajo, (d = 50%).<br />
• En todas las combinaciones <strong>de</strong> n f y n p , la ganancia <strong>de</strong>l convertidor siempre es<br />
ascen<strong>de</strong>nte, pudiendo controlar correctamente el convertidor.<br />
• La ganancia <strong>de</strong> un convertidor Reductor ó Buck se pue<strong>de</strong> conseguir al<br />
hacer n f el doble <strong>de</strong> n p .<br />
• La máxima ganancia que se pue<strong>de</strong> obtener para cualquier combinación<br />
<strong>de</strong> relaciones <strong>de</strong> transformación <strong>de</strong> n p y n f , es <strong>de</strong>l doble <strong>de</strong> n p . Esto se <strong>de</strong>be<br />
a que para d = 50%, la ganancia <strong>de</strong>ja <strong>de</strong> <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>r <strong>de</strong> d y se convierte en<br />
una constante que vale 2n p .<br />
• Si n p » n f la ganancia es prácticamente la <strong>de</strong> un convertidor <strong>de</strong> retroceso<br />
o flyback, sobre todo si el ciclo <strong>de</strong> trabajo esta muy cercano a cero.<br />
141
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
2<br />
n f = 40<br />
Ganancia <strong>de</strong>l convertidor<br />
1,5<br />
1<br />
0,5<br />
n f = 8<br />
n f = 4<br />
n f = 2<br />
n f = 1<br />
n f = 0,5<br />
n f = 0,1<br />
0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo d<br />
Figura 4.15 Curvas <strong>de</strong> ganancia <strong>de</strong>l convertidor en el Arranque II consi<strong>de</strong>rando n p = 1 y<br />
para distintos valores <strong>de</strong> n f<br />
10<br />
9<br />
8<br />
Ganancia <strong>de</strong>l convertidor<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
n p = 4<br />
n p = 2<br />
n p = 1<br />
n p = 0,5<br />
n p = 0,1<br />
0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo d<br />
Figura 4.16 Curvas <strong>de</strong> ganancia <strong>de</strong>l convertidor en el Arranque II consi<strong>de</strong>rando n f = 1 y<br />
para distintos valores <strong>de</strong> n p<br />
142
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
Dependiendo <strong>de</strong> la aplicación que se trate, se <strong>de</strong>berá sele<strong>cc</strong>ionar una combinación <strong>de</strong><br />
relaciones <strong>de</strong> transformación u otra. Sin embargo, por simplicidad, se pue<strong>de</strong>n<br />
consi<strong>de</strong>rar dos casos particulares <strong>de</strong> los cuales se pue<strong>de</strong> sele<strong>cc</strong>ionar el más a<strong>de</strong>cuado.<br />
• Se pue<strong>de</strong> colocar n f como el doble <strong>de</strong> n p para tener la ganancia <strong>de</strong> un<br />
convertidor Reductor. De esta manera, la ganancia <strong>de</strong>l convertidor tendrá el<br />
mismo valor para cada incremento <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo. La ecuación (4.40)<br />
muestra la ganancia <strong>de</strong>l convertidor al colocar n f como el doble <strong>de</strong> n p .<br />
• De la ecuación (4.38), se observa que al igualar las relaciones <strong>de</strong><br />
transformación n f y n p , se obtiene la ganancia <strong>de</strong> un convertidor <strong>de</strong> Retroceso<br />
o flyback. La diferencia ante un convertidor <strong>de</strong> retroceso normal, es que se<br />
obtiene el doble <strong>de</strong> la ganancia. La ecuación (4.42) muestra la ganancia <strong>de</strong>l<br />
convertidor al igualar las relaciones <strong>de</strong> transformación.<br />
La tensión <strong>de</strong>l convertidor para el Arranque II al igualar n f con el doble <strong>de</strong> n p es:<br />
Don<strong>de</strong>: 0 ≤ d ≤ 0,5<br />
V<br />
= n V d<br />
(4.39)<br />
C<br />
4<br />
La ganancia <strong>de</strong>l convertidor para el Arranque II al igualar n f con el doble <strong>de</strong> n p es:<br />
Don<strong>de</strong>: 0 ≤ d ≤ 0,5<br />
k<br />
p<br />
B<br />
VC<br />
= n<br />
pd<br />
(4.40)<br />
V<br />
F 2 '<br />
= 4<br />
B<br />
La tensión <strong>de</strong>l convertidor para el Arranque II al igualar n f con n p es:<br />
V<br />
C<br />
d<br />
= 2 n V<br />
(4.41)<br />
p<br />
B<br />
( 1−<br />
d )<br />
La ganancia <strong>de</strong>l convertidor para el Arranque II al igualar n f con n p es:<br />
Don<strong>de</strong>: 0 ≤ d ≤ 0,5<br />
k<br />
F<br />
VC<br />
d<br />
2 ''<br />
= = 2n<br />
p<br />
(4.42)<br />
V<br />
B<br />
( 1 − d )<br />
143
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
En resumen, con el Arranque II el convertidor pue<strong>de</strong> funcionar en régimen permanente<br />
como cualquier otro convertidor (es <strong>de</strong>cir, no es realmente un arranque). El<br />
convertidor pue<strong>de</strong> diseñarse <strong>de</strong> distintas formas, es <strong>de</strong>cir, <strong>de</strong>pendiendo <strong>de</strong> las<br />
relaciones <strong>de</strong> transformación que se sele<strong>cc</strong>ionen para n p y n f , la ganancia <strong>de</strong>l<br />
convertidor podrá ser la <strong>de</strong> un convertidor Reductor, la <strong>de</strong> un convertidor <strong>de</strong> Retroceso<br />
o la propia <strong>de</strong>l convertidor Retroceso-Elevador. La máxima ganancia que se alcanzará<br />
en el convertidor será el doble <strong>de</strong>l valor <strong>de</strong> n p . Sin embargo, las corrientes y tensiones<br />
en los componentes <strong>de</strong>l convertidor serán las que se han mostrado en la Figura 4.13.<br />
4.3.4.4 Simulación <strong>de</strong>l Arranque II<br />
De manera original, se realiza la simulación <strong>de</strong>l convertidor puente completo con<br />
rectificador doblador <strong>de</strong> corriente utilizando el Arranque II. El objetivo <strong>de</strong> ésta<br />
simulación, es validar el análisis que se ha realizado <strong>de</strong>l comportamiento <strong>de</strong> éste<br />
convertidor con el arranque <strong>de</strong>scrito. Principalmente, se preten<strong>de</strong> comprobar el<br />
comportamiento <strong>de</strong> la corriente en las bobinas L 1 y L 2 . Haciendo uso <strong>de</strong> ésta<br />
herramienta <strong>de</strong> simulación, se pudo comprobar si la transferencia <strong>de</strong> energía se realiza<br />
a través <strong>de</strong> los <strong>de</strong>vanados auxiliares mediante el efecto Flyback y a través <strong>de</strong>l<br />
transformador principal como convertidor Boost o elevador.<br />
El circuito <strong>de</strong> simulación utilizado, para obtener los resultados <strong>de</strong>l comportamiento <strong>de</strong><br />
este convertidor, se muestra en la Figura 4.17. La simulación <strong>de</strong> éste convertidor como<br />
<strong>de</strong> cualquier otro es útil, ya que en ocasiones se <strong>de</strong>tectan modos <strong>de</strong> funcionamiento<br />
que a simple vista un diseñador no toma en consi<strong>de</strong>ración. Sin embargo, la simulación<br />
<strong>de</strong>l convertidor no es el paso <strong>de</strong>finitivo para dar por valido el funcionamiento <strong>de</strong>l<br />
arranque propuesto, sino un respaldo a la suposición teórica que se ha planteado en<br />
este apartado y que se comprobará en un prototipo <strong>de</strong> laboratorio.<br />
En la Tabla XX se muestran los datos <strong>de</strong> los parámetros que se utilizaron para la<br />
simulación <strong>de</strong>l convertidor.<br />
144
:<br />
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
Tabla XX Parámetros para la simulación <strong>de</strong>l Arranque II<br />
V B V C L 1 y L 2 C B C C n p n f<br />
14V 400V 7,48uH 100uF 7,4uF 7 7<br />
Para la simulación <strong>de</strong>l convertidor, se utilizaron valores <strong>de</strong> inductancias y<br />
con<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong> bajo valor. Esto se hizo con la finalidad <strong>de</strong> que la simulación no<br />
tardase tanto en llegar al régimen permanente. De igual manera, las relaciones <strong>de</strong><br />
transformación n p y n f se igualaron para simplificar el diseño <strong>de</strong>l convertidor.<br />
0<br />
3<br />
1<br />
R10<br />
D5<br />
7<br />
1<br />
2 4<br />
0.1<br />
:T1<br />
Dbreak<br />
Rfbp1<br />
0.1<br />
L1<br />
1 2<br />
7.48uH<br />
RLs1<br />
0.1<br />
VB<br />
14Vdc<br />
CB<br />
100u<br />
0<br />
3<br />
1<br />
7<br />
1<br />
2 4<br />
R11<br />
0.1<br />
T2<br />
Rfbp2<br />
0.1<br />
L2<br />
1 2<br />
7.48uH<br />
Vgs6<br />
M6<br />
D6<br />
Dbreak<br />
Vgs5<br />
M5<br />
RLs2<br />
0.1<br />
TR<br />
1<br />
3<br />
2 4<br />
1 :<br />
7<br />
1<br />
L12<br />
24mH<br />
R7<br />
0.05<br />
R8<br />
0.01<br />
D1<br />
Dbreak<br />
D2<br />
Dbreak<br />
D3<br />
Dbreak<br />
D4<br />
Dbreak<br />
VC<br />
4.7u<br />
0<br />
R5<br />
320<br />
IRF150<br />
IRF150<br />
2<br />
R6<br />
0<br />
0.144<br />
Figura 4.17 Esquema <strong>de</strong>l circuito con el Arranque II para ser simulado en PSpice<br />
De la simulación <strong>de</strong>l convertidor con el Arranque II, se obtuvieron los siguientes<br />
resultados.<br />
En la Figura 4.18 y Figura 4.19 se muestra las señales que se obtienen <strong>de</strong> la<br />
simulación <strong>de</strong>l convertidor. De estas señales, se observa que haciendo una<br />
comparación con las señales explicadas en la Figura 4.13, existe gran similitud y<br />
sobretodo, en las suposiciones que se hacían <strong>de</strong> la manera en que fluye la corriente a<br />
través <strong>de</strong> las bobinas y <strong>de</strong> los diodos flyback. Lo mismo suce<strong>de</strong> con las tensiones que<br />
soportan tanto el MOSFET M5 como el MOSFET M6, así como la tensión que se<br />
aplica a los terminales <strong>de</strong> las bobinas (Figura 4.19). Recor<strong>de</strong>mos, que la tensión que se<br />
145
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
aplica a los terminales <strong>de</strong> las bobinas, varía <strong>de</strong> acuerdo a la tensión <strong>de</strong> salida,<br />
provocando que una <strong>de</strong> las pendientes <strong>de</strong> la corriente en las bobinas pueda ser<br />
positiva, cero o negativa. En este caso, en las figuras mostradas, la pendiente <strong>de</strong> ésta<br />
corriente, es cero, ya que es horizontal y la tensión que se aplica en este intervalo es <strong>de</strong><br />
0V.<br />
20V<br />
0V<br />
-20V<br />
40V<br />
Senal_<strong>de</strong>_control_para_M5<br />
20V<br />
0V<br />
10A<br />
5A<br />
0A<br />
1.0A<br />
0.5A<br />
SEL>><br />
Tension_drenador_fuente_<strong>de</strong>_M5<br />
Corriente_en_bobina_L1<br />
2.20ms 2.22ms 2.24ms 2.26ms<br />
Corriente_en_diodo_D5<br />
Time<br />
Figura 4.18 En or<strong>de</strong>n <strong>de</strong>scen<strong>de</strong>nte, Señal <strong>de</strong> control <strong>de</strong> M5, Tensión drenador fuente <strong>de</strong><br />
M5, Corriente que fluye a través <strong>de</strong> L 1 y Corriente que fluye a través <strong>de</strong>l diodo Flyback<br />
D5<br />
146
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
20V<br />
0V<br />
-20V<br />
20V<br />
Tension_en_primario_<strong>de</strong>_TR<br />
0V<br />
-20V<br />
10A<br />
Tension_aplicada_a_L1<br />
5A<br />
0A<br />
40V<br />
Corriente_magnetizante_en_TF1<br />
SEL>><br />
0V<br />
2.20ms 2.22ms 2.24ms 2.26ms<br />
Tension_drenador_fuente_en_M5<br />
Time<br />
Figura 4.19 En or<strong>de</strong>n <strong>de</strong>scen<strong>de</strong>nte, Tensión en primario <strong>de</strong>l transformador principal TR,<br />
Tensión aplicada a la bobina L 1 , Corriente magnetizante que fluye a través <strong>de</strong> TF1<br />
(corriente que crea el flujo Φ TF1 ) y Tensión drenador fuente <strong>de</strong> M5<br />
En la Figura 4.19 se presenta la corriente magnetizante a través <strong>de</strong> TF1. Esta corriente,<br />
es la que fluye a través <strong>de</strong>l transformador TF1. Esta corriente ha sido representada, ya<br />
que el flujo en el transformador TF1 es proporcional a esta corriente y en ella se pue<strong>de</strong><br />
observar que el flujo no incrementa ciclo a ciclo <strong>de</strong> conmutación. También en esta<br />
misma figura, se aprecia la tensión que se aplica en los bornes <strong>de</strong> la bobina L 1 , que en<br />
este caso el la bobina magnetizante <strong>de</strong> TF1.<br />
Por lo tanto, ya que la simulación <strong>de</strong>l Arranque II correspon<strong>de</strong> con el análisis teórico<br />
que se ha realizado <strong>de</strong>l mismo, se pue<strong>de</strong> establecer que el método propuesto para que<br />
el convertidor arranque correctamente es válido. Únicamente solo resta su<br />
comprobación mediante un prototipo físico.<br />
De lo anterior se concluye que el Arranque II (propuesto <strong>de</strong> forma original) es apto<br />
para ser implementado como alternativa <strong>de</strong> arranque en el convertidor puente<br />
completo con rectificador doblador <strong>de</strong> corriente.<br />
147
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
4.3.4.5 Función <strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong>l Arranque II<br />
De la Figura 4.11 y <strong>de</strong> la Figura 4.13 se obtienen las ecuaciones <strong>de</strong> estado <strong>de</strong>l<br />
convertidor utilizando el Arranque II.<br />
Las ecuaciones <strong>de</strong> estado <strong>de</strong> la tensión en la bobina L y la corriente en el con<strong>de</strong>nsador<br />
C quedan <strong>de</strong>finidas como:<br />
⎛ V V<br />
L i<br />
• ⎞ ⎛ ⎞<br />
C C<br />
⎜ L ⎟ = ⎜2V<br />
B<br />
− ⎟d<br />
− ( 1−<br />
2d<br />
)<br />
(4.43)<br />
⎝ ⎠<br />
n<br />
⎝<br />
p ⎠ n<br />
f<br />
⎞ iL<br />
iL<br />
VC<br />
C⎜<br />
⎛ V<br />
• C ⎟ = 2 d + 4 ( 1−<br />
d ) −<br />
⎝ ⎠ n n<br />
2<br />
(4.44)<br />
R<br />
p<br />
Al igual que en el apartado 4.3.3.1 en el que se obtuvo la función <strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong>l<br />
convertidor en modo elevador normal, estas ecuaciones se resuelven para obtener la<br />
función <strong>de</strong> transferencia en el Arranque II. Linealizando las ecuaciones, mediante los<br />
pasos <strong>de</strong>scritos <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la ecuación (4.9) hasta la ecuación (4.23), la función <strong>de</strong><br />
transferencia que se obtiene queda <strong>de</strong>finida como:<br />
f<br />
∆VC<br />
=<br />
∆d<br />
2V<br />
B<br />
⎛ 2 1 ⎞<br />
+ ⎜ − ⎟V<br />
⎝ n<br />
f<br />
np<br />
⎠<br />
0<br />
d0<br />
+<br />
n n<br />
( 1 − 2d<br />
)<br />
f<br />
p<br />
C0<br />
⎛<br />
⎜<br />
d<br />
⎝ n<br />
0<br />
p<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
3d<br />
0<br />
+<br />
⎠ npn<br />
f<br />
⎡ 4npn<br />
f<br />
⎢<br />
2<br />
⎢⎣<br />
2n<br />
f<br />
− 8n<br />
pn<br />
f<br />
1 2<br />
LC·<br />
s<br />
2<br />
2<br />
( 1 − 2d<br />
) + ( 1 − 2d<br />
)<br />
0<br />
n<br />
2<br />
2<br />
f<br />
iL<br />
L<br />
0<br />
· s + 1<br />
⎤⎡<br />
⎛ 2 1 ⎞ ⎤<br />
+ d0<br />
⎥⎢2V<br />
⎜ ⎟<br />
B<br />
+ − VC<br />
⎥<br />
0<br />
⎥⎢<br />
⎦⎣<br />
⎝ n<br />
f<br />
np<br />
⎠ ⎥⎦<br />
L<br />
· s<br />
+<br />
2R<br />
⎡ 2 ⎛ 1 4 ⎞ ⎤⎡<br />
1 ⎛ 2<br />
⎢ + ⎜ − ⎟d<br />
0<br />
0 ⎥⎢<br />
− ⎜<br />
⎢<br />
⎥⎢<br />
⎣<br />
n<br />
f ⎝ np<br />
n<br />
f ⎠ ⎦⎣<br />
n<br />
f ⎝ n<br />
f<br />
+ 1<br />
1 ⎞ ⎤<br />
− ⎟d0<br />
⎥<br />
n<br />
p ⎠ ⎥⎦<br />
(4.45)<br />
Particularizando la función <strong>de</strong> transferencia para n f con el doble <strong>de</strong>l valor <strong>de</strong> n p en la<br />
que la ganancia <strong>de</strong>l convertidor es semejante a la <strong>de</strong> un convertidor reductor queda:<br />
∆V<br />
C<br />
∆d<br />
= 4n<br />
V<br />
p<br />
B<br />
n<br />
2<br />
p<br />
2V<br />
LC<br />
· s<br />
( 1−<br />
d )<br />
2<br />
· s + 1<br />
2<br />
p<br />
L<br />
· s<br />
R<br />
+ 1<br />
( 1−<br />
d ) ( 1−<br />
d )<br />
0<br />
− i<br />
B<br />
L<br />
0<br />
L<br />
0<br />
n<br />
+<br />
0<br />
(4.46)<br />
148
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
Particularizando la función <strong>de</strong> transferencia para n f igual a n p en la que la ganancia<br />
<strong>de</strong>l convertidor es semejante a la <strong>de</strong> un convertidor <strong>de</strong> retroceso queda:<br />
iL<br />
L<br />
0<br />
· s + 1<br />
⎛ 2 ⎞⎛<br />
VC<br />
⎞<br />
0<br />
⎜d<br />
0<br />
− ⎟⎜2V<br />
⎟<br />
2<br />
3<br />
B<br />
+<br />
∆V<br />
n V + V ⎝ ⎠<br />
0<br />
⎝ n<br />
C p B C<br />
p<br />
=<br />
⎠<br />
(4.47)<br />
∆d<br />
( 1−<br />
2d<br />
) 1<br />
0<br />
2<br />
L<br />
LCn<br />
p<br />
2<br />
2<br />
· s +<br />
2R<br />
· s + 1<br />
2<br />
2 − 5d<br />
− 3d<br />
( 2 − 3d<br />
)( 1−<br />
d )<br />
0<br />
⎛ ⎞<br />
El funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor en estado estable, permite suponer que⎜i • L ⎟ = 0 ,<br />
⎝ ⎠<br />
por lo tanto, <strong>de</strong> la ecuación (4.43) <strong>de</strong>spejamos el ciclo <strong>de</strong> trabajo “d 0 ” en condiciones<br />
estables resultando:<br />
V<br />
0<br />
C0<br />
n<br />
f<br />
d<br />
0<br />
=<br />
(4.48)<br />
⎡ VC<br />
V ⎤<br />
0 C0<br />
⎢2V<br />
B<br />
− + 2 ⎥<br />
⎢⎣<br />
n<br />
p<br />
n<br />
f ⎥⎦<br />
Se calcula la resistencia <strong>de</strong> carga R y la corriente promedio en cada bobina en<br />
condiciones estables, resultando:<br />
Don<strong>de</strong>: P es la potencia <strong>de</strong>l convertidor<br />
2<br />
0<br />
VC0<br />
R = (4.49)<br />
P<br />
P<br />
iL<br />
= (4.50)<br />
0<br />
2V<br />
En la ecuación (4.45) está <strong>de</strong>finida la función <strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong>l convertidor para<br />
funcionar en el Arranque II. Al mismo tiempo, se ha particularizado esta función <strong>de</strong><br />
transferencia para los casos <strong>de</strong>scritos con anterioridad en los que la ganancia <strong>de</strong>l<br />
B<br />
0<br />
149
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
convertidor se asemejaba a la <strong>de</strong> un convertidor Reductor o a la ganancia <strong>de</strong> un<br />
convertidor <strong>de</strong> Retroceso.<br />
Con esta o estas funciones <strong>de</strong> transferencia, es posible cerrar el lazo <strong>de</strong> control <strong>de</strong>l<br />
convertidor para ciclos <strong>de</strong> trabajo inferiores al 50%.<br />
4.3.5 Funcionamiento modo "Arranque – Normal"<br />
En los apartados 4.3.3 y 4.3.4, se han explicado <strong>de</strong> manera <strong>de</strong>tallada, el modo <strong>de</strong><br />
funcionamiento normal y los modos <strong>de</strong> arranque <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador. En<br />
este apartado, se analizan las diferentes maneras <strong>de</strong> cómo diseñar el convertidor para<br />
que pueda funcionar en cualquiera <strong>de</strong> ambos modos, Arranque y/o Normal.<br />
Un modo <strong>de</strong> operación se ha <strong>de</strong>nominado <strong>de</strong> Arranque, sin embargo, el convertidor<br />
pue<strong>de</strong> trabajar en ese modo <strong>de</strong> forma in<strong>de</strong>finida y régimen permanente. En este trabajo<br />
se ha nombrado modo arranque, <strong>de</strong>bido a que es un modo <strong>de</strong> operación previo al<br />
funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador. Cualquiera <strong>de</strong> los dos arranques,<br />
Arranque I y Arranque II pue<strong>de</strong> funcionar con ciclo <strong>de</strong> trabajo inferior al 50%. El<br />
Arranque I, pue<strong>de</strong> funcionar con ciclo <strong>de</strong> trabajo mayor al 50%, pero el Arranque II<br />
únicamente funciona para ciclo <strong>de</strong> trabajo menor o igual al 50%.<br />
En la Tabla XXI, Tabla XXII y Tabla XXIII, se muestra un resumen <strong>de</strong> ecuaciones<br />
para calcular la tensión <strong>de</strong> salida, ciclo <strong>de</strong> trabajo y ganancia <strong>de</strong>l convertidor<br />
respectivamente en modo Arranque y en el modo Normal.<br />
Básicamente, existen dos formas <strong>de</strong> poner en marcha el convertidor puente<br />
completo con rectificador doblador <strong>de</strong> corriente elevador. Estas se consiguen, al<br />
combinar los dos modos <strong>de</strong> arranque (Arranque I y II) con el modo <strong>de</strong> operación<br />
Normal.<br />
Por lo tanto, las combinaciones son nombradas “Arranque I- Normal” y “Arranque II -<br />
Normal”. En los apartados siguientes, se explica cada una <strong>de</strong> las combinaciones para<br />
conseguir poner en marcha el convertidor.<br />
150
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
Tabla XXI Tensión <strong>de</strong> salida <strong>de</strong>l convertidor para los distintos modos <strong>de</strong> operación<br />
TENSIÓN DE SALIDA EN CADA MODO DE OPERACIÓN<br />
V<br />
C<br />
=<br />
MODO ARRANQUE<br />
V<br />
C<br />
Arranque I<br />
d<br />
= V<br />
B<br />
n<br />
f<br />
1 − d<br />
Arranque II<br />
n f ≠ n p n f = 2n p n f = n p<br />
( 1 − 2d<br />
)<br />
n<br />
2V<br />
d<br />
f<br />
B<br />
+<br />
d<br />
n<br />
p<br />
V<br />
C<br />
= 4<br />
n V d<br />
p<br />
B<br />
V<br />
C<br />
= 2n<br />
V<br />
p<br />
B<br />
d<br />
( 1 − d )<br />
MODO NORMAL<br />
1<br />
VC<br />
= npVB<br />
1−<br />
d<br />
Tabla XXII Ciclo <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong>l convertidor para los distintos modos <strong>de</strong> operación<br />
CICLO DE TRABAJO EN CADA MODO DE OPERACIÓN<br />
MODO ARRANQUE<br />
Arranque I<br />
1<br />
d =<br />
⎛ n<br />
⎜<br />
1 +<br />
⎝ k<br />
Arranque II<br />
n f n p n f = 2n p n f = n p<br />
1<br />
1<br />
d =<br />
k<br />
d =<br />
⎡<br />
⎤<br />
F 2'<br />
⎛ ⎞<br />
⎢ ⎜<br />
2 1<br />
+ − ⎟<br />
d =<br />
⎛ 2n<br />
p ⎞<br />
2 n<br />
f<br />
⎥<br />
⎢<br />
4n<br />
⎜ ⎟<br />
⎣ ⎝ k<br />
F 2<br />
n<br />
f<br />
1 +<br />
p ⎠⎥⎦<br />
⎝ k<br />
F 2'' ⎠<br />
f<br />
F1<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
MODO NORMAL<br />
d<br />
= 1 −<br />
n<br />
k<br />
p<br />
UP<br />
Tabla XXIII Ganancia <strong>de</strong>l convertidor para los distintos modos <strong>de</strong> operación<br />
GANANCIA EN CADA MODO DE OPERACIÓN<br />
MODO ARRANQUE<br />
Arranque I<br />
k<br />
F 1<br />
V<br />
=<br />
V<br />
C<br />
B<br />
d<br />
= n<br />
f<br />
1 − d<br />
Arranque II<br />
n f n p n f = 2n p n f = n p<br />
k<br />
MODO NORMAL<br />
UP<br />
V<br />
=<br />
V<br />
C<br />
B<br />
1<br />
= n<br />
p<br />
1 − d<br />
k<br />
V<br />
=<br />
=<br />
C<br />
C<br />
F 2<br />
V ( 1 − 2d<br />
) d k<br />
F 2 '<br />
= = 4n<br />
p<br />
d<br />
B<br />
+<br />
V<br />
B<br />
n<br />
f<br />
2d<br />
n<br />
p<br />
V<br />
k<br />
F 2''<br />
V<br />
=<br />
V<br />
C<br />
B<br />
= 2n<br />
p<br />
d<br />
( 1 − d )<br />
151
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
4.3.5.1 Arranque I - Normal<br />
Este funcionamiento, es una combinación <strong>de</strong>l Arranque I con el modo Normal <strong>de</strong><br />
operación <strong>de</strong>l convertidor en modo elevador. Recor<strong>de</strong>mos que en el caso <strong>de</strong><br />
<strong>convertidores</strong> elevadores, es necesario pre-cargar el con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida hasta un<br />
nivel <strong>de</strong> tensión a<strong>de</strong>cuado para evitar una sobrecorriente.<br />
Con el Arranque I, el convertidor comienza a funcionar como dos <strong>convertidores</strong> <strong>de</strong><br />
retroceso en paralelo a través <strong>de</strong> los <strong>de</strong>vanados auxiliares. Después <strong>de</strong> un tiempo, y ya<br />
que el con<strong>de</strong>nsador alcance un nivel <strong>de</strong> tensión a<strong>de</strong>cuado, se efectúa una transición y<br />
se pasa a funcionar como un convertidor elevador. La transición <strong>de</strong> un modo <strong>de</strong><br />
operación a otro, está relacionada con las relaciones <strong>de</strong> transformación n p y n f . Estas<br />
relaciones, <strong>de</strong>terminan el momento en el cual se <strong>de</strong>be <strong>de</strong>jar <strong>de</strong> funcionar como dos<br />
<strong>convertidores</strong> <strong>de</strong> retroceso en paralelo y comenzar a funcionar como un convertidor<br />
elevador.<br />
En el apartado 4.3.3, se estableció que el ciclo <strong>de</strong> trabajo mínimo con el que pue<strong>de</strong><br />
funcionar el modo elevador normal es <strong>de</strong>l 50% y que la mínima tensión <strong>de</strong> salida que<br />
se obtiene con este ciclo <strong>de</strong> trabajo es <strong>de</strong>l doble <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada. Como se<br />
preten<strong>de</strong> utilizar el Arranque I para que la tensión <strong>de</strong>l con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida llegue a<br />
un valor en el que el modo elevador pueda funcionar correctamente, se establece la<br />
siguiente condición para calcular las relaciones <strong>de</strong> transformación n p y n f que dice:<br />
“La tensión <strong>de</strong> salida para d = 50% con el Arranque I, <strong>de</strong>be ser igual a la tensión <strong>de</strong><br />
salida en modo elevador cuando el ciclo <strong>de</strong> trabajo también es <strong>de</strong>l 50%”<br />
Por lo tanto, igualamos las ecuaciones (4.28) y (4.6) que <strong>de</strong>finen la tensión <strong>de</strong> salida<br />
en el Arranque I y en Modo elevador respectivamente:<br />
V<br />
B<br />
n<br />
f<br />
d 1<br />
= VBn<br />
p<br />
1− d 1−<br />
d<br />
Sustituimos d = 0,5 y resolvemos para n f resultando:<br />
n<br />
f<br />
= 2n p<br />
(4.51)<br />
Con la consi<strong>de</strong>ración anterior, se consigue que la transición <strong>de</strong> un modo <strong>de</strong> operación<br />
a otro se realice <strong>de</strong> manera correcta y que la ganancia <strong>de</strong>l convertidor sea continua<br />
152
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
para todo el rango <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo. En la Figura 4.20 se muestran las curvas <strong>de</strong> la<br />
ganancia <strong>de</strong>l convertidor con la implementación <strong>de</strong>l Arranque I para distintos valores<br />
<strong>de</strong> n p y con n f = 2n p .<br />
Ganancia<br />
20<br />
18<br />
16<br />
Arranque I<br />
Flyback<br />
0,5 Elevador<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
n p = 3<br />
2<br />
1<br />
6<br />
4<br />
0,5<br />
2<br />
0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo d<br />
Figura 4.20 Ganancia <strong>de</strong>l convertidor utilizando el Arranque I y consi<strong>de</strong>rando n f = 2n p<br />
Por lo tanto, la ecuación <strong>de</strong> la tensión en el convertidor para la transición utilizando el<br />
Arranque I queda <strong>de</strong>finida como:<br />
d<br />
VB<br />
2n<br />
p<br />
si 0 ≤ d ≤ 0,5<br />
1−<br />
d<br />
VC =<br />
(4.52)<br />
1<br />
n<br />
pVB<br />
si 0,5 ≤ d ≤ 1<br />
1−<br />
d<br />
Para conseguir que ésta transición se realice a<strong>de</strong>cuadamente, es necesario implementar<br />
un circuito que se encargue <strong>de</strong> cambiar las señales <strong>de</strong> control para que el convertidor<br />
<strong>de</strong>je <strong>de</strong> funcionar como convertidor <strong>de</strong> retroceso y pase a hacerlo como convertidor<br />
elevador. La necesidad <strong>de</strong> utilizar un circuito adicional para la <strong>de</strong>te<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong><br />
trabajo en 50%, complica el diseño <strong>de</strong>l convertidor con el Arranque I.<br />
153
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
En la Figura 4.21 se muestran las curvas <strong>de</strong> ganancia <strong>de</strong>l convertidor en modo<br />
elevador con el Arranque I, en estas curvas se utilizan distintos valores <strong>de</strong> n f para un<br />
mismo valor <strong>de</strong> n p . Los valores que se utilizan para n f son, n f = n p , el segundo es n f =<br />
2n p (correspon<strong>de</strong> con la condición <strong>de</strong> la ecuación (4.51)) y por último un valor<br />
superior al anterior, en este caso n f = 4n p . De las curvas que se obtienen, se pue<strong>de</strong><br />
observar que para la primera <strong>de</strong> ellas, la ganancia que se alcanza en la etapa <strong>de</strong><br />
arranque cuando el ciclo <strong>de</strong> trabajo es <strong>de</strong>l 50% no es suficiente, al quedarse con una<br />
ganancia <strong>de</strong> 10 siendo necesario <strong>de</strong> 20. Por otro lado, en el caso <strong>de</strong> que la sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong><br />
n f sea cuatro veces el valor <strong>de</strong> n p , entonces la ganancia que en éste caso se alcanza en<br />
la etapa <strong>de</strong> arranque es superior a la ganancia que se <strong>de</strong>be tener al momento <strong>de</strong> hacer<br />
la transición <strong>de</strong> una etapa a otra, en este caso la ganancia que se obtiene es <strong>de</strong> 40. Por<br />
último y coincidiendo con la condición <strong>de</strong> que n f sea el doble <strong>de</strong> n p , se observa que la<br />
curva <strong>de</strong> la ganancia <strong>de</strong>l convertidor <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> arranque y la etapa permanente,<br />
coinci<strong>de</strong>n cuando el ciclo <strong>de</strong> trabajo es <strong>de</strong>l 50%.<br />
Si no se consi<strong>de</strong>rara n f como el doble <strong>de</strong> n p , entonces la transición <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong><br />
arranque a la etapa permanente o normal se realizaría <strong>de</strong> forma ina<strong>de</strong>cuada ya sea con<br />
mayor o menor ganancia que la necesitada.<br />
154
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
50<br />
45<br />
40<br />
Arranque I<br />
Flyback<br />
0,5 Elevador<br />
Ganancia Total<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1<br />
n f = n p<br />
n f = 2n p<br />
n f = 4n p<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo d<br />
De lo anterior, se establece que no es conveniente utilizar valores diferentes <strong>de</strong> n f <strong>de</strong><br />
acuerdo a la condición establecida por la ecuación (4.51), <strong>de</strong> lo contrario las<br />
transiciones no se harán <strong>de</strong> forma a<strong>de</strong>cuada.<br />
Figura 4.21 Ganancia <strong>de</strong>l convertidor utilizando el Arranque I y consi<strong>de</strong>rando n f ≠ 2n p<br />
4.3.5.2 Arranque II - Normal<br />
Con el Arranque II, el convertidor comienza a funcionar en cada período <strong>de</strong><br />
conmutación como un convertidor <strong>de</strong> retroceso y como un convertidor elevador<br />
simultáneamente. Cuando el ciclo <strong>de</strong> trabajo alcanza el 50%, automáticamente el<br />
convertidor <strong>de</strong>ja <strong>de</strong> funcionar como convertidor <strong>de</strong> retroceso y elevador para hacerlo<br />
únicamente como un convertidor elevador. La transición <strong>de</strong> un modo <strong>de</strong> operación a<br />
otro, se hace <strong>de</strong> manera automática sin importar las relaciones <strong>de</strong> transformación n p y<br />
n f que se tengan.<br />
En el apartado 4.3.4.3 se explicó el funcionamiento <strong>de</strong>l Arranque II. En ese mismo<br />
apartado, se observó que la ganancia <strong>de</strong>l convertidor con d = 50% únicamente está<br />
155
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
fijada por el doble <strong>de</strong>l valor <strong>de</strong> n p . Por lo tanto, no importa el valor que se sele<strong>cc</strong>ione<br />
para n f , ya que con cualquiera que se escoja, la ganancia <strong>de</strong>l convertidor siempre será<br />
la misma en el momento <strong>de</strong> la transición (d = 50%). Esta es una ventaja que presenta<br />
el Arranque II frente el Arranque I, ya que a diferencia <strong>de</strong>l segundo, se pue<strong>de</strong><br />
sele<strong>cc</strong>ionar libremente el valor <strong>de</strong> n f .<br />
Una segunda ventaja que se presenta con el Arranque II, es que la ganancia <strong>de</strong>l<br />
convertidor en modo elevador para d = 50% es el doble <strong>de</strong>l valor <strong>de</strong> n p al igual que lo<br />
es para el Arranque II en ese mismo ciclo <strong>de</strong> trabajo. Esto permite que la transición <strong>de</strong><br />
un modo <strong>de</strong> operación a otro sea cual sea el valor <strong>de</strong> n p se realice <strong>de</strong> manera<br />
automática. Esta transición resulta interesante, ya que no es necesario cambiar las<br />
señales <strong>de</strong> control <strong>de</strong>l convertidor para que siga funcionando correctamente como hay<br />
que hacerlo en el Arranque I.<br />
La influencia <strong>de</strong> las relaciones <strong>de</strong> transformación, únicamente <strong>de</strong>terminan la forma en<br />
la que crece la ganancia <strong>de</strong>l convertidor en el arranque, ya que <strong>de</strong>pendiendo <strong>de</strong> la<br />
relación entre las relaciones <strong>de</strong> transformación, se pue<strong>de</strong> conseguir que la ganancia <strong>de</strong>l<br />
convertidor aumente como la <strong>de</strong> un convertidor reductor (n f = 2n p ), como la <strong>de</strong> un<br />
convertidor <strong>de</strong> Retroceso (n f = n p ) o propiamente como la <strong>de</strong> un convertidor<br />
Retroceso-Elevador (n f ≠ n p ≠ 2n p ). En la Figura 4.22 y en la Figura 4.23 se muestran<br />
las curvas <strong>de</strong> las ganancias <strong>de</strong>l convertidor en las que se aprecia la ganancia como<br />
convertidor reductor y como convertidor <strong>de</strong> retroceso (Flyback) respectivamente.<br />
Ambas figuras, se han representado para distintos valores <strong>de</strong> n p . De la primera a la<br />
segunda figura se pue<strong>de</strong> observar que únicamente difieren en la forma en la que<br />
incrementa la ganancia hasta que el ciclo <strong>de</strong> trabajo alcanza el 50%, ya que a partir <strong>de</strong><br />
este valor en a<strong>de</strong>lante, se trata <strong>de</strong> las mismas curvas que <strong>de</strong>finen el comportamiento<br />
<strong>de</strong>l convertidor en modo elevador. Estas curvas son solamente una particularización <strong>de</strong><br />
la ganancia <strong>de</strong>l convertidor utilizando el Arranque II, lo cual no significa que por<br />
fuerza <strong>de</strong>ban ser utilizadas por el lector, simplemente, tal vez por su singularidad<br />
resulte interesante tomarlas en cuanta.<br />
156
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
20<br />
18<br />
16<br />
Arranque II<br />
Reductor<br />
0,5<br />
Elevador<br />
Gananci<br />
a<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
n p = 3<br />
2<br />
1<br />
6<br />
4<br />
0,5<br />
2<br />
0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo d<br />
Figura 4.22 Ganancia <strong>de</strong>l convertidor utilizando el Arranque II y consi<strong>de</strong>rando n f = 2n p<br />
con lo que el convertidor en el arranque se comporta como un convertidor reductor<br />
Por lo tanto, la ecuación <strong>de</strong> la tensión en el convertidor para la transición utilizando el<br />
Arranque II y particularizando para n f = 2n p la tensión queda <strong>de</strong>finida como:<br />
4n<br />
pVBd<br />
si 0 ≤ d ≤ 0,5<br />
VC = 1<br />
(4.53)<br />
n<br />
pVB<br />
si 0,5 ≤ d ≤ 1<br />
1−<br />
d<br />
157
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Ganancia<br />
20<br />
18<br />
16<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
Arranque II<br />
Flyback<br />
0,5<br />
Elevador<br />
n p = 3<br />
2<br />
1<br />
6<br />
4<br />
0,5<br />
2<br />
0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo d<br />
Figura 4.23 Ganancia <strong>de</strong>l convertidor utilizando el Arranque II y consi<strong>de</strong>rando n f = n p<br />
con lo que el convertidor en el arranque se comporta como un convertidor Flyback<br />
Por lo tanto, la ecuación <strong>de</strong> la tensión en el convertidor para la transición utilizando el<br />
Arranque II y particularizando para n f = n p la tensión <strong>de</strong> salida queda <strong>de</strong>finida como:<br />
d<br />
2npVB<br />
si 0 ≤ d ≤ 0,5<br />
1−<br />
d<br />
VC =<br />
(4.54)<br />
1<br />
npVB<br />
si 0,5 ≤ d ≤ 1<br />
1−<br />
d<br />
A continuación, se hace un resumen <strong>de</strong> las principales características que se tienen al<br />
utilizar el Arranque I y el Arranque II en el convertidor.<br />
Con la utilización <strong>de</strong>l Arranque I se tienen las siguientes características en el<br />
funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor:<br />
• La relación <strong>de</strong> transformación <strong>de</strong> los <strong>de</strong>vanados auxiliares n f <strong>de</strong>be ser fija y<br />
valer 2n p , para que la ganancia <strong>de</strong>l convertidor sea la misma en el cambio <strong>de</strong><br />
modo retroceso a modo elevador.<br />
158
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
• Es necesario utilizar un circuito <strong>de</strong> <strong>de</strong>te<strong>cc</strong>ión para saber cuándo se ha<br />
alcanzado el ciclo <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong>l 50% para efectuar un cambio en las señales<br />
<strong>de</strong> control <strong>de</strong>l convertidor.<br />
• Los flybacks están en fase lo que es peor para el filtro tanto <strong>de</strong> entrada como<br />
<strong>de</strong> salida, a diferencia <strong>de</strong>l Arranque II en el que los flybacks están <strong>de</strong>sfasados<br />
180º<br />
Con la utilización <strong>de</strong>l Arranque II se tienen las siguientes características en el<br />
funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor:<br />
• No importa la relación que exista entre n p y n f , la ganancia <strong>de</strong>l convertidor<br />
siempre es la misma en el momento <strong>de</strong> pasar a funcionar como un convertidor<br />
elevador. Esta ganancia es fija y esta <strong>de</strong>terminada por el doble <strong>de</strong> n p .<br />
• El cambio <strong>de</strong> un modo <strong>de</strong> operación a otro, es <strong>de</strong>cir <strong>de</strong>l arranque al modo<br />
normal, se realiza <strong>de</strong> manera automática sin la necesidad <strong>de</strong> circuitos <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>te<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo.<br />
• En este arranque los flybacks se encuentran <strong>de</strong>sfasados 180º lo cual es mejor<br />
para el filtro <strong>de</strong> entrada y <strong>de</strong> salida.<br />
Dadas las características que presenta cada uno <strong>de</strong> los arranques en el<br />
funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor, el autor estima que es más conveniente utilizar el<br />
Arranque II <strong>de</strong>bido a las ventajas que presenta para poner en marcha el convertidor<br />
puente completo con rectificador doblador <strong>de</strong> corriente en modo elevador.<br />
4.4 Puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
“Bidire<strong>cc</strong>ional”<br />
En éste apartado se presenta <strong>de</strong> manera original, la topología <strong>de</strong>l convertidor puente<br />
completo con rectificador doblador <strong>de</strong> corriente para que sea bidire<strong>cc</strong>ional. Un análisis<br />
<strong>de</strong> los aspectos y consi<strong>de</strong>raciones principales que rigen el funcionamiento <strong>de</strong> éste<br />
convertidor así como las restri<strong>cc</strong>iones <strong>de</strong> diseño que implica operar en ambas<br />
dire<strong>cc</strong>iones se presenta en este apartado. Con este análisis se establece el criterio <strong>de</strong><br />
diseño <strong>de</strong> este convertidor para operar <strong>de</strong> forma bidire<strong>cc</strong>ional.<br />
159
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
En la Figura 4.24 se muestra el convertidor con los elementos necesarios para operar<br />
correctamente y transferir energía en ambas dire<strong>cc</strong>iones. Nótese que hay transistores<br />
en ambos lados <strong>de</strong>l transformador TR y que están colocados los <strong>de</strong>vanados auxiliares<br />
en la bobina L 1 y L 2 para arrancar correctamente en modo elevador.<br />
V DF2<br />
D F2<br />
M1<br />
V DSM1<br />
M3<br />
D F1<br />
V DF1<br />
1 : n f 1 : n f<br />
L 1 TF1 L 2 TF2<br />
V F1<br />
V F2<br />
V DSM3<br />
TR<br />
V C<br />
C C<br />
C B<br />
V B<br />
Vp<br />
Vs<br />
M2<br />
V DSM2<br />
M4<br />
V DSM4<br />
n p : 1<br />
V DSM5<br />
V DSM6<br />
M5<br />
M6<br />
Figura 4.24 Esquema <strong>de</strong>l convertidor puente completo cor rectificador doblador <strong>de</strong><br />
corriente bidire<strong>cc</strong>ional<br />
4.4.1 Análisis <strong>de</strong> la topología<br />
Esta topología ha sido analizada por separado como convertidor reductor y como<br />
convertidor elevador en los apartados 4.2 y 4.3 respectivamente. El análisis que se ha<br />
realizado <strong>de</strong> la topología en cada caso, ha sido un análisis in<strong>de</strong>pendiente en el que no<br />
se ha tomado en consi<strong>de</strong>ración que el convertidor sería utilizado como convertidor<br />
bidire<strong>cc</strong>ional. Por lo tanto, <strong>de</strong> los análisis realizados no se pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>spren<strong>de</strong>r aún un<br />
criterio <strong>de</strong>finitivo para diseñar correctamente la topología para transferir energía en<br />
ambos sentidos. Es por ello que en el <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> este apartado, se analizan las<br />
características y restri<strong>cc</strong>iones <strong>de</strong> la topología funcionando como bidire<strong>cc</strong>ional.<br />
Para que el convertidor funcione como reductor, no es necesario hacer cambios a la<br />
topología puente completo con rectificador doblador <strong>de</strong> corriente, sin embargo, para<br />
160
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
que pueda arrancar y transferir energía en modo elevador, fue necesario colocar<br />
<strong>de</strong>vanados auxiliares tal como se explicó en el apartado 4.3. Como estos <strong>de</strong>vanados<br />
aparecen en el convertidor propuesto para funcionar <strong>de</strong> forma bidire<strong>cc</strong>ional, es<br />
necesario estudiar la influencia que estos ejercen cuando el convertidor funciona en<br />
modo reductor.<br />
Por lo anterior, dos aspectos son los que se consi<strong>de</strong>ran para analizar la topología como<br />
convertidor bidire<strong>cc</strong>ional, estos son:<br />
• Penalización <strong>de</strong> la bidire<strong>cc</strong>ionalidad<br />
• Devanados auxiliares en modo reductor<br />
4.4.2 Penalización <strong>de</strong> la bidire<strong>cc</strong>ionalidad<br />
Es importante hacer un análisis <strong>de</strong> la penalización que se tiene en el convertidor al<br />
tener que trabajar como convertidor bidire<strong>cc</strong>ional. La penalización está <strong>de</strong>terminada<br />
por los niveles <strong>de</strong> tensión que <strong>de</strong>ben soportar los semiconductores <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l<br />
convertidor. Estos niveles <strong>de</strong> tensión, <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>n <strong>de</strong>l modo <strong>de</strong> operación en que se<br />
encuentre trabajando el convertidor pudiendo ser, modo reductor o modo elevador.<br />
Dentro <strong>de</strong> un mismo período <strong>de</strong> conmutación, los componentes <strong>de</strong>l convertidor están<br />
sometidos a distintos niveles <strong>de</strong> tensión. En este caso, el nivel <strong>de</strong> tensión que nos<br />
importa es el máximo que soporta cada componente.<br />
En la Tabla XXIV se presenta un resumen <strong>de</strong> las ecuaciones para calcular las<br />
tensiones <strong>de</strong> bloqueo para cada uno <strong>de</strong> los componentes <strong>de</strong>l convertidor tanto para<br />
modo reductor como para modo elevador.<br />
Las tensiones <strong>de</strong> bloqueo son las máximas tensiones teóricas que se presentan en los<br />
terminales <strong>de</strong> cada uno <strong>de</strong> los componentes en un <strong>de</strong>terminado intervalo <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l<br />
período <strong>de</strong> conmutación.<br />
En general, es <strong>de</strong>seable que las tensiones <strong>de</strong> bloqueo sean lo menor posibles <strong>de</strong> cara a<br />
la sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> los componentes, ya que un mismo componente <strong>de</strong> potencia que<br />
soporte más tensión que otro, tendrá peores características eléctricas. Por ejemplo, la<br />
resistencia en condu<strong>cc</strong>ión (R DSON ) para los transistores MOSFETs, es mayor para<br />
aquellos transistores que soporten mayor tensión entre drenador y fuente.<br />
161
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Tabla XXIV Tensiones <strong>de</strong> bloqueo en los componentes <strong>de</strong>l convertidor<br />
TENSIONES DE BLOQUEO<br />
COMPONENTE<br />
MODO<br />
REDUCTOR<br />
MODO ELEVADOR<br />
ARRANQUE NORMAL<br />
M1 - M4<br />
VC<br />
VC<br />
VC<br />
M5 y M6<br />
V<br />
n<br />
C<br />
p<br />
V<br />
V<br />
B<br />
+<br />
n<br />
C<br />
f<br />
V<br />
n<br />
C<br />
p<br />
D F1 y D F2<br />
V + n<br />
V<br />
C<br />
+ n<br />
f<br />
V<br />
B<br />
C f B<br />
C f B<br />
V<br />
V + n<br />
V<br />
Obsérvese, que tanto para modo reductor como para modo elevador y para todos los<br />
componentes excepto para los MOSFETs M5 y M6, las tensiones <strong>de</strong> bloqueo son las<br />
mismas en cada caso.<br />
Lo anterior permite afirmar que, únicamente un par <strong>de</strong> componentes<br />
semiconductores, en éste caso MOSFETs, se pue<strong>de</strong>n penalizan al hacer funcionar<br />
el convertidor <strong>de</strong> forma bidire<strong>cc</strong>ional.<br />
4.4.3 Devanados auxiliares en modo reductor<br />
Cuando el convertidor funciona en modo reductor, los diodos D F1 y D F2 no <strong>de</strong>ben<br />
conducir en ningún momento, sin embargo, por la forma en la que esta construido el<br />
convertidor, cuando está funcionando en éste modo, es posible que conduzcan,<br />
provocando que la energía regrese hacia la entrada a través <strong>de</strong> estos diodos. Si ésta<br />
situación se presenta, el valor <strong>de</strong>l rendimiento se vería afectado y disminuiría.<br />
Si la diferencia <strong>de</strong> tensión entre el ánodo y el cátodo es positiva, los diodos pue<strong>de</strong>n<br />
entrar en condu<strong>cc</strong>ión. Para evitar que esto se presente, es necesario establecer una<br />
condición para la sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> n f ya que <strong>de</strong> ésta relación <strong>de</strong> transformación en los<br />
<strong>de</strong>vanados auxiliares, <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> la tensión que se impone en el ánodo <strong>de</strong> los diodos.<br />
Esta condición consiste, en limitar la tensión que aparece en el ánodo <strong>de</strong> los diodos a<br />
162
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
como mucho el valor <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada, en éste caso la diferencia <strong>de</strong> tensión que<br />
soportarían sería <strong>de</strong> 0V. Por lo tanto la inecuación (4.56) es la condición que se <strong>de</strong>be<br />
cumplir para sele<strong>cc</strong>ionar el valor a<strong>de</strong>cuado <strong>de</strong> n f y evitar que conduzcan los diodos<br />
D F1 y D F2 . El lado izquierdo <strong>de</strong> la inecuación es la tensión que se impone en el ánodo<br />
<strong>de</strong> los diodos en dT para modo reductor y el lado <strong>de</strong>recho <strong>de</strong> la inecuación es la<br />
tensión a la que siempre están conectados los cátodos <strong>de</strong> los diodos.<br />
⎛<br />
⎜<br />
V<br />
⎝ n<br />
C<br />
p<br />
⎞<br />
− V ⎟<br />
B<br />
n<br />
f<br />
≤ V<br />
C<br />
(4.55)<br />
⎠<br />
Resolvemos para n f quedando:<br />
VC<br />
n<br />
f<br />
≤<br />
(4.56)<br />
⎛ ⎞<br />
⎜<br />
VC<br />
−V<br />
⎟<br />
B<br />
⎝ n<br />
p ⎠<br />
Esta es la única condición <strong>de</strong> diseño que se <strong>de</strong>be satisfacer en el convertidor puente<br />
completo con rectificador doblador <strong>de</strong> corriente para que pueda funcionar<br />
correctamente como un convertidor bidire<strong>cc</strong>ional junto con los métodos <strong>de</strong><br />
arranque <strong>de</strong>scritos en el apartado anterior.<br />
4.4.4 Diseño <strong>de</strong>l convertidor para funcionar bidire<strong>cc</strong>ionalmente<br />
De forma general, el diseño <strong>de</strong>l convertidor puente completo con rectificador doblador<br />
<strong>de</strong> corriente bidire<strong>cc</strong>ional utiliza los mismos criterios que se establecen para diseñar<br />
cualquier convertidor en modo reductor y cualquier convertidor en modo elevador.<br />
Únicamente, se <strong>de</strong>be cuidar el diseño <strong>de</strong> los <strong>de</strong>vanados auxiliares <strong>de</strong> acuerdo a la<br />
condición establecida en la inecuación (4.56). De igual manera, la sele<strong>cc</strong>ión y cálculo<br />
<strong>de</strong>l resto <strong>de</strong> componentes se hace <strong>de</strong> acuerdo al criterio que a continuación se <strong>de</strong>scribe.<br />
4.4.5 Cálculo <strong>de</strong> la relación <strong>de</strong> transformación n p<br />
La relación <strong>de</strong> transformación n p afecta directamente en el funcionamiento <strong>de</strong>l<br />
convertidor al estar involucrada para el cálculo <strong>de</strong> tensiones <strong>de</strong> bloqueo, inductancias<br />
y por lo tanto, las corrientes en todos los componentes <strong>de</strong>l convertidor. Por esta razón,<br />
163
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
para sele<strong>cc</strong>ionar el valor <strong>de</strong> esta relación <strong>de</strong> transformación, se <strong>de</strong>be tener un<br />
compromiso con todos los factores mencionados y sele<strong>cc</strong>ionar el que mejores<br />
prestaciones tenga para el convertidor.<br />
En el caso <strong>de</strong>l convertidor puente completo con rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
bidire<strong>cc</strong>ional, quienes se encargan <strong>de</strong> <strong>de</strong>terminar el valor <strong>de</strong> la relación <strong>de</strong><br />
transformación n p principalmente son los factores siguientes:<br />
• Márgenes <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> operación.- De acuerdo a los márgenes <strong>de</strong> tensión<br />
con los que <strong>de</strong>ba funcionar el convertidor, se <strong>de</strong>be sele<strong>cc</strong>ionar el valor<br />
a<strong>de</strong>cuado <strong>de</strong> n p para que los ciclos <strong>de</strong> trabajo que resulten sean <strong>de</strong> valores<br />
aceptables. Habrá valores <strong>de</strong> n p no válidos porque el convertidor no sería<br />
capaz <strong>de</strong> dar los márgenes requeridos.<br />
• Tensión <strong>de</strong> bloqueo.- De igual manera, la sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> n p <strong>de</strong>be ser un<br />
compromiso en el que la tensión <strong>de</strong> bloqueo <strong>de</strong> los componentes sea lo menor<br />
posible para po<strong>de</strong>r sele<strong>cc</strong>ionar dispositivos <strong>de</strong> baja resistencia en condu<strong>cc</strong>ión<br />
y bajas capacida<strong>de</strong>s parásitas en el caso <strong>de</strong> los MOSFETs. Los MOSFETs que<br />
se ven afectados con la sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> n p son M5 y M6.<br />
• Cálculo <strong>de</strong> pérdidas.- Por último, para <strong>de</strong>terminar el valor a<strong>de</strong>cuado <strong>de</strong> la<br />
relación <strong>de</strong> transformación, se <strong>de</strong>be realizar un análisis <strong>de</strong> las pérdidas que se<br />
producen en los dispositivos <strong>de</strong>l convertidor para los posibles valores <strong>de</strong> n p y<br />
sele<strong>cc</strong>ionar el que menores pérdidas presente para el convertidor. Se hará <strong>de</strong><br />
forma experimental mediante la utilización <strong>de</strong> una hoja <strong>de</strong> cálculo <strong>de</strong><br />
MathCAD.<br />
4.4.6 Cálculo <strong>de</strong> tensiones<br />
Este convertidor <strong>de</strong>be ser capaz <strong>de</strong> funcionar para un margen <strong>de</strong> tensiones <strong>de</strong> entrada y<br />
proporcionar otro margen <strong>de</strong> tensiones <strong>de</strong> salida lo que ocasiona que los componentes<br />
como diodos y MOSFETs soporten distintos valores <strong>de</strong> tensión al tener tensiones <strong>de</strong><br />
entrada y salida mínimas y máximas. La sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> estos componentes se <strong>de</strong>be hacer<br />
consi<strong>de</strong>rando la tensión <strong>de</strong> bloqueo crítica, es <strong>de</strong>cir, la máxima tensión que soportan<br />
para las distintas combinaciones <strong>de</strong> tensiones <strong>de</strong> entrada y salida. En la Tabla XXV se<br />
muestra un resumen <strong>de</strong> las tensiones <strong>de</strong> bloqueo críticas que se presentan en los<br />
164
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
componentes <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l convertidor. Con estos valores <strong>de</strong> tensión se sele<strong>cc</strong>ionan<br />
los transistores y diodos <strong>de</strong>l convertidor con un margen <strong>de</strong> seguridad <strong>de</strong>bido a las<br />
sobretensiones que generan las inductancias <strong>de</strong> dispersión.<br />
Tabla XXV Tensiones críticas <strong>de</strong> bloqueo <strong>de</strong>l convertidor puente completo con<br />
rectificador doblador <strong>de</strong> corriente bidire<strong>cc</strong>ional<br />
TENSIONES DE BLOQUEO CRÍTICAS<br />
COMPONENTE<br />
M1 a M4<br />
TENSIÓN<br />
V C max<br />
VC<br />
max<br />
M5 y M6 V<br />
B<br />
+ y<br />
max<br />
n<br />
f<br />
VC<br />
max<br />
n<br />
p<br />
D F1 y D F2<br />
V + n<br />
V<br />
C max p B max<br />
4.4.7 Cálculo <strong>de</strong> corrientes<br />
En el convertidor se calculan las corrientes promedio y eficaces <strong>de</strong> cada uno <strong>de</strong> los<br />
componentes cuando opera en modo reductor y en modo elevador. Estos valores <strong>de</strong><br />
corriente se obtienen mediante una hoja <strong>de</strong> MathCAD la cual es utilizada para calcular<br />
los parámetros y pérdidas <strong>de</strong>l convertidor en un modo <strong>de</strong> operación o en otro. El valor<br />
<strong>de</strong> las corrientes que circulan a través <strong>de</strong> los componentes <strong>de</strong>l convertidor, <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>n<br />
<strong>de</strong> la potencia <strong>de</strong> diseño y <strong>de</strong>l valor <strong>de</strong> inductancia que tienen las bobinas L 1 y L 2 .<br />
4.4.7.1 Cálculo <strong>de</strong> las bobinas L 1 y L 2<br />
Para calcular el valor <strong>de</strong> las bobinas <strong>de</strong>l convertidor, se pue<strong>de</strong>n consi<strong>de</strong>rar varios<br />
criterios, <strong>de</strong>s<strong>de</strong> presele<strong>cc</strong>ionar un valor <strong>de</strong> inductancia, un valor en el rizado <strong>de</strong> la<br />
corriente u optimizar el valor <strong>de</strong> las corrientes promedio y eficaces para alcanzar un<br />
mínimo <strong>de</strong> pérdidas en los componentes <strong>de</strong>l convertidor. En este caso, como las<br />
bobinas están colocadas en la salida <strong>de</strong> baja tensión <strong>de</strong>l convertidor lo que más<br />
165
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
importa es construirlas <strong>de</strong> manera que tengan el mínimo número <strong>de</strong> vueltas posible<br />
para reducir la resistencia en continua y para que el camino por el que circulen las<br />
altas corrientes sea lo más corto posible. Por esta razón, el rizado que se propone<br />
utilizar para calcular las bobinas en este caso particular es <strong>de</strong>l 100% <strong>de</strong> la corriente <strong>de</strong><br />
salida para con ello necesitar un bajo valor <strong>de</strong> inductancia que se alcance fácilmente.<br />
La ecuación (4.57) sirve para calcular el valor <strong>de</strong> la inductancia <strong>de</strong> las bobinas <strong>de</strong>l<br />
convertidor con un rizado <strong>de</strong>l 100% pico a pico. Se calcula para la corriente nominal<br />
<strong>de</strong> salida.<br />
Don<strong>de</strong>:<br />
L = Inductancia <strong>de</strong> las bobinas L 1 y L 2 (H)<br />
P = Potencia <strong>de</strong>l convertidor (W)<br />
3<br />
2 ⎛<br />
2<br />
n<br />
pVB<br />
max 1<br />
L VB<br />
max<br />
P V ⎟ ⎟ ⎞<br />
= ⎜ −<br />
(4.57)<br />
⎜<br />
⎝<br />
C<br />
fc<br />
max ⎠<br />
V Bmax , V Cmax = Tensiones <strong>de</strong> entrada y salida máximas (V)<br />
fc = Frecuencia <strong>de</strong> conmutación (Hz)<br />
n p = Número <strong>de</strong> vueltas <strong>de</strong>l transformador principal<br />
4.4.8 Cálculo <strong>de</strong> los con<strong>de</strong>nsadores<br />
El cálculo <strong>de</strong> los con<strong>de</strong>nsadores, se hace fijando un rizado <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong>l 1% al<br />
tratarse <strong>de</strong> aplicaciones <strong>de</strong> Cargador/Descargador <strong>de</strong> baterías e integrando la corriente<br />
que circula a través <strong>de</strong> ellos, para obtener así, el valor <strong>de</strong>l respectivo con<strong>de</strong>nsador.<br />
4.4.9 Cálculo <strong>de</strong> transformadores<br />
Para diseñar el transformador y las bobinas se utiliza una herramienta para or<strong>de</strong>nador<br />
llamada "PExprt" que es empleada para el diseño y mo<strong>de</strong>lado <strong>de</strong> componentes<br />
magnéticos. A continuación se <strong>de</strong>tallan las características <strong>de</strong> los transformadores que<br />
se utilizan en el convertidor.<br />
166
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
• Transformador principal TR.- Para calcular el transformador principal TR<br />
se dan como entrada las tensiones <strong>de</strong> operación, la potencia <strong>de</strong> operación, el<br />
ciclo <strong>de</strong> trabajo y la relación <strong>de</strong> transformación en cualquiera <strong>de</strong> los modos <strong>de</strong><br />
funcionamiento, ya sea modo reductor o elevador. Los criterios fundamentales<br />
para la sele<strong>cc</strong>ión y constru<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong>l transformador principal fueron dos, el<br />
primero <strong>de</strong> ellos fue sele<strong>cc</strong>ionar el núcleo <strong>de</strong> menor tamaño posible para la<br />
potencia sele<strong>cc</strong>ionada y el segundo criterio fue sele<strong>cc</strong>ionar el que menores<br />
pérdidas presentase <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> un tamaño razonable.<br />
• Transformadores TF1 y TF2.- En realidad estos transformadores son las<br />
bobinas principales L 1 y L 2 en modo Reductor y también lo son en modo<br />
Elevador-Normal. Sin embargo, funcionan como transformadores <strong>de</strong> retroceso<br />
en el arranque <strong>de</strong>l modo Elevador. Este hecho, complica su diseño al tener que<br />
consi<strong>de</strong>rar ambos modos <strong>de</strong> operación, aunque es verdad que el arranque solo<br />
se hace en un tiempo pequeño comparado con el tiempo que <strong>de</strong>ben estar<br />
funcionando en modo reductor o en modo elevador normal. Esto obliga a<br />
pensar en un diseño que sea lo mejor posible para ambas condiciones <strong>de</strong><br />
operación.<br />
Para la constru<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> los transformadores TF1 y TF2 se utilizan núcleos<br />
toroidales Kool Mu. La ventaja que presenta la utilización <strong>de</strong> este tipo <strong>de</strong><br />
núcleos, es que se alcanzan altos valores <strong>de</strong> inductancia con un mínimo <strong>de</strong><br />
vueltas, lo cual se traduce en una menor resistencia en continua en las bobinas.<br />
4.5 Diseño y particularización <strong>de</strong>l concepto bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Para validar la topología <strong>de</strong>l convertidor bidire<strong>cc</strong>ional puente completo con<br />
rectificador doblador <strong>de</strong> corriente y con arranque en modo elevador, se construyó un<br />
prototipo <strong>de</strong> laboratorio en el que se verifica el concepto <strong>de</strong> funcionamiento. Este<br />
convertidor al ser un prototipo diseñado y construido en el laboratorio, tiene la<br />
<strong>de</strong>sventaja <strong>de</strong> no po<strong>de</strong>r disipar las pérdidas que se generarían para una potencia <strong>de</strong><br />
entre 1,5kW y 2 kW típicas <strong>de</strong> la aplicación. Esto es <strong>de</strong>bido a que en prototipos <strong>de</strong><br />
estas potencias, los diseños se hacen para tener sistemas <strong>de</strong> refrigeración por aire<br />
forzado o por sistemas <strong>de</strong> refrigeración con agua lo que facilita la evacuación <strong>de</strong>l<br />
calor.<br />
167
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
La constru<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> éste prototipo a pesar <strong>de</strong> ser <strong>de</strong> menor potencia, es suficiente<br />
para validar el concepto <strong>de</strong> la bidire<strong>cc</strong>ionalidad <strong>de</strong> la topología.<br />
El diseño <strong>de</strong> este convertidor, esta pensado para aplicaciones en las que se tengan que<br />
manejar tensiones <strong>de</strong> entrada y salida con una gran relación entre ellas. En este caso, la<br />
aplicación en particular en la que se preten<strong>de</strong> aplicar este convertidor bidire<strong>cc</strong>ional, es<br />
en el sistema eléctrico <strong>de</strong> Vehículos Híbridos (VH). Tal como se explicó en el<br />
apartado 1.2, las tensiones en este tipo <strong>de</strong> vehículos <strong>de</strong>ben ser la <strong>de</strong> una batería <strong>de</strong> baja<br />
tensión (12V) y la <strong>de</strong> un bus <strong>de</strong> alta tensión (400V). De igual manera, al tratarse <strong>de</strong><br />
una aplicación en la que se involucra a baterías, los rizados <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong>l convertidor<br />
no <strong>de</strong>ben ser excesivos para evitar dañar a éstas.<br />
En la Tabla XXVI se muestran las especificaciones <strong>de</strong> diseño <strong>de</strong>l convertidor, esta<br />
tabla muestra que las tensiones <strong>de</strong> funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor son las mismas que<br />
para cualquier otro prototipo para aplicaciones <strong>de</strong> Vehículos Híbridos.<br />
Tabla XXVI Especificaciones <strong>de</strong> diseño <strong>de</strong>l convertidor Bidire<strong>cc</strong>ional Puente Completo y<br />
Rectificador Doblador <strong>de</strong> Corriente<br />
ESPECIFICACIONES DE DISEÑO<br />
V C<br />
V B<br />
P<br />
fc<br />
Rizado V B<br />
Rizado V C<br />
260 V - 416 V<br />
10 V - 16 V<br />
150 W<br />
Frecuencia CTE.<br />
1% (0,1V pico a pico)<br />
1% (4,16V pico a pico)<br />
4.5.1 Cálculo <strong>de</strong> las relaciones <strong>de</strong> transformación n p y n f<br />
En el apartado 4.4.5 se <strong>de</strong>terminó el procedimiento que se <strong>de</strong>be seguir para <strong>de</strong>terminar<br />
el valor a<strong>de</strong>cuado <strong>de</strong> n p . En el caso <strong>de</strong> n f , en el apartado 4.4.3 se fijó una condición<br />
para garantizar que el convertidor funcione correctamente en forma bidire<strong>cc</strong>ional. Esta<br />
condición esta <strong>de</strong>finida por la inecuación (4.56) que a continuación se vuelve a<br />
mostrar:<br />
168
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
n<br />
f<br />
VC<br />
≤<br />
⎛<br />
⎜<br />
VC<br />
−V<br />
⎝ n<br />
p<br />
B<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
4.5.1.1 Ciclo <strong>de</strong> trabajo y tensiones <strong>de</strong> operación<br />
Para calcular el número <strong>de</strong> vueltas n p que se pue<strong>de</strong> colocar en modo reductor y en<br />
modo elevador, utilizamos las ganancias <strong>de</strong>l convertidor en cada modo <strong>de</strong><br />
funcionamiento. Con los valores <strong>de</strong> las ganancias mínima y máxima, construimos una<br />
gráfica en modo reductor y otra en modo elevador para <strong>de</strong>terminar los posibles valores<br />
que pue<strong>de</strong> tomar n p en ambos modos <strong>de</strong> operación <strong>de</strong> acuerdo a las tensiones <strong>de</strong><br />
operación.<br />
Con los datos <strong>de</strong> la Tabla XXVI se calcula la ganancia mínima y máxima en modo<br />
reductor y modo elevador quedando:<br />
• Ganancias mínima y máxima en modo reductor:<br />
k<br />
k<br />
V<br />
10V<br />
=<br />
416V<br />
B min<br />
D min<br />
=<br />
=<br />
VC<br />
max<br />
V<br />
16V<br />
=<br />
260V<br />
B max<br />
D max<br />
=<br />
=<br />
VC<br />
min<br />
• Ganancias mínima y máxima en modo elevador:<br />
k<br />
V<br />
260V<br />
=<br />
16V<br />
C min<br />
UP min<br />
=<br />
=<br />
VB<br />
max<br />
k<br />
V<br />
416V<br />
=<br />
10V<br />
C max<br />
UP max<br />
=<br />
=<br />
VB<br />
min<br />
0,024<br />
0,0615<br />
16,25<br />
41,6<br />
169
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
En la Figura 4.25a), el valor <strong>de</strong> n p pue<strong>de</strong> adoptar los valores <strong>de</strong>s<strong>de</strong> 1 hasta 8 (con este<br />
valor, el ciclo <strong>de</strong> trabajo que se tendría en modo reductor sería <strong>de</strong>l 100% para k Dmax ).<br />
De igual forma, en la Figura 4.25b) el valor <strong>de</strong> n p pue<strong>de</strong> adoptar los valores <strong>de</strong>s<strong>de</strong> 1<br />
hasta 8 (con este valor, el ciclo <strong>de</strong> trabajo en modo elevador sería <strong>de</strong>l 50% para k UPmin ).<br />
0,1<br />
50<br />
k UPmax<br />
0,08<br />
40<br />
Ganancia kD<br />
0,06<br />
0,04<br />
k Dmax<br />
Ganancia kUP<br />
30<br />
20<br />
k Dmin<br />
k UPmin<br />
0,02<br />
10<br />
0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1<br />
n p = 2<br />
n p = 4<br />
n p = 6<br />
n p = 8<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo d<br />
0<br />
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo d<br />
n p = 2<br />
n p = 4<br />
n p = 6<br />
n p = 8<br />
a) b)<br />
Figura 4.25 Valores que pue<strong>de</strong> adoptar n p para a) Modo reductor y b) Modo elevador<br />
En el caso <strong>de</strong>l convertidor reductor, no es posible mantener un ciclo <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong>l<br />
100% como funcionamiento <strong>de</strong> modo permanente, por esta razón, n p solo pue<strong>de</strong><br />
adoptar los valores <strong>de</strong> 1 a 7. En modo elevador, para garantizar que el convertidor<br />
proporcione todo el rango <strong>de</strong> ganancia, como valor máximo <strong>de</strong> n p se pue<strong>de</strong> sele<strong>cc</strong>ionar<br />
8. Por en<strong>de</strong> y para que el valor <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo no sea <strong>de</strong>l 100% en modo reductor<br />
y al mismo tiempo se satisfagan los valores que pue<strong>de</strong>n ser tomados en modo<br />
elevador, los valores <strong>de</strong> n p están comprendidos entre los valores <strong>de</strong> la siguiente<br />
inecuación:<br />
1 ≤ n ≤ 7<br />
(4.58)<br />
Para calcular n f , resolvemos la inecuación (4.56) en la que sustituimos los valores <strong>de</strong> la<br />
Tabla XXVI y los posibles valores <strong>de</strong> n p .<br />
p<br />
170
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
De la sustitución <strong>de</strong> estos valores se obtiene la Figura 4.26. En esta Figura, se aprecian<br />
los máximos valores que pue<strong>de</strong> tomar n f <strong>de</strong> acuerdo a cada valor <strong>de</strong> n p . Por ejemplo, si<br />
se sele<strong>cc</strong>iona n p = 5, n f podrá adoptar cualquier valor igual o inferior a 6. Por lo tanto,<br />
los valores que pue<strong>de</strong> tomar n f , estarán siempre limitados a cumplir con la condición<br />
establecida en la inecuación (4.56) y no podrán ser sele<strong>cc</strong>ionados <strong>de</strong> manera arbitraria.<br />
10<br />
9<br />
Relación <strong>de</strong> transformación nf<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0 0 1 2 3 4 5 6 7 8<br />
Relación <strong>de</strong> transformación n p<br />
Figura 4.26 Valores <strong>de</strong> n f en función <strong>de</strong> n p y <strong>de</strong> las tensiones <strong>de</strong> operación para cumplir<br />
con la condición <strong>de</strong> bidire<strong>cc</strong>ionalidad en el convertidor<br />
4.5.1.2 Cálculo <strong>de</strong> las tensiones <strong>de</strong> bloqueo<br />
El siguiente paso, para <strong>de</strong>terminar n p según se explica en el apartado 4.4.5, es calcular<br />
las tensiones <strong>de</strong> bloqueo críticas en los componentes <strong>de</strong>l convertidor en los que<br />
intervienen las relaciones n p y n f . Las tensiones <strong>de</strong> bloqueo críticas, están <strong>de</strong>terminadas<br />
en la Tabla XXV. Únicamente se analizan las tensiones <strong>de</strong> bloqueo para los posibles<br />
valores <strong>de</strong> n p y n f .<br />
En general, tal como se mencionó con anterioridad, conviene que las tensiones <strong>de</strong><br />
bloqueo en los componentes sean lo menor posibles para sele<strong>cc</strong>ionar componentes<br />
<strong>de</strong> mejores prestaciones eléctricas.<br />
• Tensión <strong>de</strong> M1 a M4.- Tal como se aprecia en la Tabla XXV, la máxima<br />
tensión <strong>de</strong> bloqueo que se tendrá para los MOSFETs M1 a M4, será el<br />
máximo valor <strong>de</strong> V C . En este caso, no importa el valor que se escoja para las<br />
relaciones <strong>de</strong> transformación n p y n f , ya que estos interruptores siempre<br />
soportarán el mismo valor <strong>de</strong> tensión.<br />
171
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
• Tensión <strong>de</strong> D F1 y D F2 .- Para el caso <strong>de</strong> los diodos D F1 y D F2 y sustituyendo las<br />
especificaciones <strong>de</strong> diseño <strong>de</strong>l convertidor, la tensión <strong>de</strong> bloqueo que<br />
correspon<strong>de</strong> para los posibles valores <strong>de</strong> n p y con las tensiones <strong>de</strong> diseño, se<br />
obtiene la Figura 4.27, en la que se observa que para cualquiera <strong>de</strong> los valores<br />
<strong>de</strong> n p , la tensión <strong>de</strong> bloqueo esta comprendida entre 400V y 600V lo que<br />
obliga en cualquier caso a utilizar diodos <strong>de</strong> 600V.<br />
600<br />
400<br />
200<br />
0 0 2 4 6 8 10<br />
n p<br />
Figura 4.27 Tensión <strong>de</strong> bloqueo para los diodos D F1 y D F2 para los posibles valores <strong>de</strong> n p<br />
• Tensión <strong>de</strong> M5 y M6.- En este caso en particular, se preten<strong>de</strong> colocar<br />
interruptores MOSFET en M5 y M6 <strong>de</strong> baja tensión drenador-fuente (máximo<br />
100V). Para conseguir este objetivo, se observa cuales son los posibles valores<br />
<strong>de</strong> n p y/o n f que se pue<strong>de</strong>n sele<strong>cc</strong>ionar. En la Figura 4.28 se muestra la curva<br />
<strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> bloqueo que se presenta en los MOSFETs M5 y M6 cuando el<br />
convertidor opera en modo reductor o en modo elevador. En esta curva, se<br />
aprecia que si se <strong>de</strong>sean utilizar MOSFETs <strong>de</strong> 100 voltios, será necesario<br />
sele<strong>cc</strong>ionar n p para valores mayores o iguales a 6. En éste caso, los únicos<br />
valores que se pue<strong>de</strong>n sele<strong>cc</strong>ionar son 6 y 7 <strong>de</strong>bido a la limitación <strong>de</strong> n p para<br />
el ciclo <strong>de</strong> trabajo en modo reductor. En el caso <strong>de</strong> la tensión que soportan<br />
estos mismos MOSFETs pero por parte <strong>de</strong> los <strong>de</strong>vanados auxiliares (Figura<br />
4.29), se pue<strong>de</strong>n escoger valores para n f mayores o iguales a 7, pero como<br />
mucho hasta 9 <strong>de</strong>bido a la condición que se <strong>de</strong>be satisfacer para la<br />
bidire<strong>cc</strong>ionalidad <strong>de</strong>l convertidor. Esta tensión la soportan los MOSFETs<br />
cuando el convertidor funciona en el arranque como un convertidor Flyback.<br />
172
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
Por lo tanto, los valores que pue<strong>de</strong>n adoptar tanto n p como n f , para garantizar<br />
que las tensiones <strong>de</strong> bloqueo en los MOSFETs M5 y M6 sean inferiores a<br />
100V son:<br />
6 ≤ n ≤ 7<br />
(4.59)<br />
p<br />
6 ≤ n ≤ 9<br />
(4.60)<br />
f<br />
500<br />
Tensión <strong>de</strong> bloqueo (Voltios)<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
Tensión <strong>de</strong> bloqueo (Voltios)<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10<br />
0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10<br />
n p<br />
n f<br />
Figura 4.28 Tensión <strong>de</strong> bloqueo crítica en<br />
M5 y M6 para modo reductor y elevador<br />
Figura 4.29 Tensión <strong>de</strong> bloqueo crítica en<br />
M5 y M6 para modo arranque (Flyback)<br />
4.5.1.3 Calculo <strong>de</strong> pérdidas en el convertidor<br />
Una vez realizado el análisis <strong>de</strong> los posibles valores que pue<strong>de</strong> tomar n p , el siguiente<br />
paso consiste en <strong>de</strong>terminar cual es la mejor relación <strong>de</strong> transformación para que sea<br />
ésta la que se sele<strong>cc</strong>ione. La manera correcta <strong>de</strong> hacerlo es implementando las<br />
ecuaciones <strong>de</strong> las corrientes y tensiones <strong>de</strong>l convertidor en un programa o una hoja <strong>de</strong><br />
cálculo, para que sea con este programa u hoja <strong>de</strong> cálculo con la que se <strong>de</strong>terminen las<br />
pérdidas a través <strong>de</strong> los semiconductores (pérdidas <strong>de</strong> condu<strong>cc</strong>ión, conmutación,<br />
encendido-apagado y las <strong>de</strong> convivencia corriente-tensión). En este caso, la<br />
implementación fue hecha en una hoja <strong>de</strong> <strong>de</strong> cálculo con el programa MathCAD. Esta<br />
hoja <strong>de</strong> cálculo esta incluida en el ANEXO II <strong>de</strong> este documento.<br />
La manera correcta <strong>de</strong> calcular las pérdidas, es variando los posibles valores <strong>de</strong> n p e<br />
intercambiando los semiconductores para que se pueda hacer un análisis cuantitativo<br />
<strong>de</strong> los resultados y sele<strong>cc</strong>ionar <strong>de</strong> éste modo el valor más a<strong>de</strong>cuado <strong>de</strong> n p . En este caso<br />
173
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
en particular, los mejores resultados que se obtuvieron y <strong>de</strong> acuerdo a los datos <strong>de</strong> la<br />
Tabla XXVI, fueron para n p = 7, ya que con este valor las pérdidas <strong>de</strong>l convertidor<br />
fueron mínimas.<br />
Para la sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> un valor para n f , es necesario <strong>de</strong>terminar qué tipo <strong>de</strong> arranque se<br />
implementará en el convertidor. En el apartado siguiente, <strong>de</strong> entre los posibles valores<br />
<strong>de</strong> n f , se <strong>de</strong>termina el valor más a<strong>de</strong>cuado.<br />
4.5.2 Sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong>l arranque en modo elevador<br />
Tal como se explicó en el apartado 4.3.4, cuando el convertidor funciona en modo<br />
elevador, es posible implementar el arranque <strong>de</strong> éste <strong>de</strong> dos formas distintas, Arranque<br />
I y Arranque II.<br />
Para implementar a<strong>de</strong>cuadamente el Arranque I, es necesario que la relación <strong>de</strong><br />
transformación en n f , sea el doble <strong>de</strong> n p . Esto con la finalidad <strong>de</strong> que en el momento <strong>de</strong><br />
la transición <strong>de</strong> un modo <strong>de</strong> operación a otro (d = 50%), la transición se realice <strong>de</strong><br />
forma a<strong>de</strong>cuada. En el caso <strong>de</strong>l Arranque II, se pue<strong>de</strong>n sele<strong>cc</strong>ionar valores <strong>de</strong> n p y n f<br />
sin seguir ninguna restri<strong>cc</strong>ión entre ellos.<br />
Al mismo tiempo, se recordará que el Arranque II frente el Arranque I, presenta<br />
mejores prestaciones <strong>de</strong> implementación física al no tener que hacer cambio en las<br />
estrategias <strong>de</strong> las señales <strong>de</strong> control y al hacer el cambio <strong>de</strong> un modo <strong>de</strong> operación a<br />
otro <strong>de</strong> forma automática conforme aumenta el ciclo <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong>s<strong>de</strong> 0 a 100%.<br />
Por lo tanto se consi<strong>de</strong>ra la implementación <strong>de</strong>l Arranque II como la opción idónea<br />
para esta aplicación. De este modo su puesta en marcha permitirá <strong>de</strong>mostrar que es<br />
un nuevo modo <strong>de</strong> funcionamiento y que es a<strong>de</strong>cuado para el arranque <strong>de</strong> este<br />
convertidor en modo elevador. De igual manera su puesta en marcha es una<br />
aportación original, ya que hasta el momento en ninguna bibliografía se ha<br />
encontrado su análisis y diseño.<br />
El Arranque II cuenta con dos casos particulares, uno <strong>de</strong> ellos es cuando la ganancia<br />
<strong>de</strong>l convertidor se pue<strong>de</strong> comportar como la <strong>de</strong> un convertidor reductor. En este caso<br />
n f <strong>de</strong>be ser el doble <strong>de</strong> n p . El otro caso, se presenta cuando n f es igual a n p , <strong>de</strong> este<br />
modo, la ganancia <strong>de</strong>l convertidor se comporta como la <strong>de</strong> un convertidor <strong>de</strong> retroceso<br />
ó flyback. Sin embargo y dado que el valor <strong>de</strong> n f no pue<strong>de</strong> tomar el doble <strong>de</strong> n p por la<br />
174
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
condición <strong>de</strong> bidire<strong>cc</strong>ionalidad en el convertidor. Se iguala la relación <strong>de</strong><br />
transformación <strong>de</strong> los <strong>de</strong>vanados auxiliares con n p . De esta manera, el valor <strong>de</strong> n f es:<br />
n n = 7<br />
(4.61)<br />
f<br />
= p<br />
4.5.3 Control <strong>de</strong>l convertidor bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Para implementar el control <strong>de</strong> forma bidire<strong>cc</strong>ional, es necesario hacerlo en dos partes<br />
por separado, un control para el convertidor funcionando en modo reductor y un<br />
control distinto para el modo elevador. En el caso <strong>de</strong>l convertidor en modo reductor,<br />
en el apartado 4.2.3.1 se explicó la manera <strong>de</strong> implementar el control utilizando el<br />
controlador <strong>de</strong> TEXAS INSTRUMENT (TI) llamado UC3875 que es utilizado para<br />
controlar circuitos <strong>de</strong> puentes completos aplicando control por <strong>de</strong>splazamiento <strong>de</strong> fase.<br />
En este caso, la implementación <strong>de</strong>l control en modo reductor resulta sencilla. Al<br />
mismo tiempo, se <strong>de</strong>ben incluir los circuitos necesarios para generar las señales <strong>de</strong><br />
rectificación síncrona en este modo <strong>de</strong> funcionamiento.<br />
En el caso <strong>de</strong>l convertidor funcionando en modo elevador y dado que el método<br />
sele<strong>cc</strong>ionado para arrancar el convertidor fue el Arranque II, las señales <strong>de</strong> control que<br />
se necesitan son dos y <strong>de</strong>ben estar <strong>de</strong>sfasadas 180º. En estas señales <strong>de</strong> control, el<br />
ciclo <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong>be incrementar simultáneamente <strong>de</strong>s<strong>de</strong> 0 hasta 100%.<br />
En esta aplicación en particular, el autor para conseguir las dos señales <strong>de</strong> control,<br />
emplea dos controladores UC3825 <strong>de</strong> Texas Instrument. En la Figura 4.30 se muestra<br />
el diagrama <strong>de</strong> bloques que se utiliza para implementar el control en modo elevador<br />
empleando dichos controladores. Sin embargo, para conseguir estas dos señales <strong>de</strong><br />
control <strong>de</strong> una manera más sencilla, existen otros controladores para <strong>convertidores</strong><br />
Multifase que proporcionan múltiples salidas y <strong>de</strong>sfasadas entre ellas. Estos<br />
controladores son por ejemplo el LTC1629 <strong>de</strong> Linear Technology para 2 fases, y el<br />
TPS40090 <strong>de</strong> Texas Instrument para 2, 3 y 4 fases.<br />
El funcionamiento <strong>de</strong>l control en modo elevador utilizando dos controladores<br />
UN3825 se explica a continuación. El controlador llamado "Arranque", se encarga<br />
como su nombre indica, <strong>de</strong> generar las formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l arranque. Estas formas <strong>de</strong><br />
onda van <strong>de</strong>s<strong>de</strong> 0 hasta 50% <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo total <strong>de</strong>l convertidor. Una vez que se<br />
ha alcanzado el 50% <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo, un circuito generado a partir <strong>de</strong> puertas<br />
175
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
lógicas, se encarga <strong>de</strong> activar el segundo controlador llamado "Normal". Esta<br />
activación se hace a través <strong>de</strong>l pin SS (Soft Start). El segundo controlador, es el que se<br />
encarga <strong>de</strong> controlar la tensión <strong>de</strong> salida en modo normal. Las dos salidas <strong>de</strong>l<br />
controlador "Normal" se suman entre si, para dar paso a una señal que se <strong>de</strong>nomina<br />
"d N ". Esta señal "d N ", a su vez se suma con cada una <strong>de</strong> las señales <strong>de</strong>l controlador<br />
"Arranque" (d A1 y d A2 ), <strong>de</strong> este modo se consiguen las dos señales que controlan el<br />
convertidor en modo elevador. En la Figura 4.31 se muestra el conjunto <strong>de</strong> formas <strong>de</strong><br />
onda que proporciona cada controlador, las señales d A1 , d A2 , la señal d N , y las señales<br />
M5 y M6 que controlan a sus respectivos MOSFETs.<br />
V B<br />
DOBLADOR<br />
DE<br />
CORRIENTE<br />
PUENTE<br />
DE<br />
RECTIFICACIÓN<br />
V C<br />
M5 = d A1 + d N<br />
M6 = d A2 + d N<br />
d N<br />
d A1<br />
d A2<br />
UC3825<br />
(Arranque)<br />
SINCRO<br />
SS<br />
UC3825<br />
(Normal)<br />
ARREGLO DE<br />
PUERTAS<br />
LÓGICAS<br />
Ref<br />
Error<br />
Figura 4.30 Diagrama <strong>de</strong> bloques para el control en modo elevador<br />
176
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
ARRANQUE<br />
d A1<br />
t<br />
d A2<br />
d A2 + d N<br />
t<br />
NORMAL<br />
t<br />
t<br />
d N<br />
M5<br />
d A1 + d N<br />
t<br />
t<br />
M6<br />
dT<br />
T<br />
t<br />
Figura 4.31 Formas <strong>de</strong> onda para el modo elevador utilizando el Arranque II a partir <strong>de</strong><br />
dos controladores UC3825<br />
4.6 Resultados experimentales<br />
Se ha construido un prototipo que correspon<strong>de</strong> a la topología puente completo y<br />
rectificador doblador <strong>de</strong> corriente presentada en este capítulo. Se ha diseñado y<br />
construido la etapa <strong>de</strong> potencia (Figura 4.32) y el control, en el laboratorio <strong>de</strong> la<br />
División <strong>de</strong> Ingeniería Electrónica para validar el concepto <strong>de</strong> funcionamiento <strong>de</strong> esta<br />
nueva topología como bidire<strong>cc</strong>ional. La potencia para la que ha sido construido es <strong>de</strong><br />
150W, en esta topología se ha implementado el que en esta tesis se ha llamado<br />
Arranque II. Se le han practicado las pruebas como convertidor reductor, convertidor<br />
elevador y se ha puesto a funcionar <strong>de</strong> manera permanente en la etapa <strong>de</strong>l Arranque II<br />
obteniendo en los tres casos buenos resultados.<br />
177
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Figura 4.32 Aspecto <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l convertidor Puente completo y<br />
rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
En la Figura 4.33 se muestra la etapa <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l convertidor puente completo y<br />
rectificador doblador <strong>de</strong> corriente para funcionar en modo reductor. En el Anexo III se<br />
presenta la lista <strong>de</strong> los componentes <strong>de</strong>l convertidor, así como el correspondiente<br />
layout <strong>de</strong> la placa <strong>de</strong> potencia.<br />
D F2<br />
DF1<br />
1 : n f<br />
L 1 TF1 L 2<br />
1 : n f<br />
TF2<br />
V C<br />
M1<br />
M3<br />
TR i L1 i L2 C B<br />
V<br />
C B<br />
C i p<br />
Vp<br />
M2<br />
M4<br />
n p : 1<br />
M5<br />
M6<br />
Figura 4.33 Etapa <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l prototipo experimental realizado con la topología<br />
puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente bidire<strong>cc</strong>ional<br />
Las especificaciones y datos <strong>de</strong> diseño más significativos se dan a continuación:<br />
• Potencia <strong>de</strong> operación: 200W<br />
• Voltaje en el con<strong>de</strong>nsador o batería <strong>de</strong> alta tensión: V C = 260V...416V con<br />
rizado <strong>de</strong>l 1% pico a pico (tensión <strong>de</strong> operación típica 400V)<br />
178
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
• Voltaje en batería <strong>de</strong> baja tensión: V B = 10V...16V con rizado <strong>de</strong>l 1% pico a<br />
pico (tensión típica <strong>de</strong> operación 12V)<br />
• Frecuencia <strong>de</strong> conmutación: fc = 100kHz<br />
• Relación <strong>de</strong> transformación en transformador principal: n p = 7<br />
• Relación <strong>de</strong> transformación en <strong>de</strong>vanados auxiliares: n f = 7<br />
• Inductancia <strong>de</strong> las bobinas <strong>de</strong>l convertidor: L 1 = L 2 = 7,48uH<br />
• Con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> alta tensión: C C = 3uF<br />
• Con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> baja tensión: C B = 100uF<br />
A continuación se presentan los correspondientes resultados <strong>de</strong>l convertidor para cada<br />
uno <strong>de</strong> los modos <strong>de</strong> operación.<br />
4.6.1 Resultados modo reductor<br />
Control: Tal como se explicó en el apartado <strong>de</strong>l convertidor en modo reductor, el<br />
control <strong>de</strong> este convertidor se realizó con el controlador UC3875. De este controlador<br />
se obtuvieron las señales para controlar el convertidor en modo reductor. Fue<br />
necesaria la utilización <strong>de</strong> circuitos disparadores (drivers), para garantizar que los<br />
MOSFETs <strong>de</strong> alta tensión se mantuvieran apagados cuando no <strong>de</strong>bían conducir. Estos<br />
circuitos disparadores, encien<strong>de</strong>n y apagan los interruptores MOSFETs con tensión<br />
positiva y negativa respectivamente, estos circuitos son utilizados en la División <strong>de</strong><br />
Ingeniería Electrónica (DIE) cada vez que se usan MOSFETs <strong>de</strong> alta tensión.<br />
En la Figura 4.34 se muestra una fotografía <strong>de</strong>l circuito disparador que se conecta<br />
directamente en las terminales <strong>de</strong> los MOSFETs <strong>de</strong> alta tensión.<br />
179
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Figura 4.34 Circuito disparador utilizado para MOSFETs <strong>de</strong> alta tensión (cara anterior y<br />
posterior <strong>de</strong> la placa <strong>de</strong>l disparador)<br />
En la Figura 4.35 se muestran las señales <strong>de</strong> puerta <strong>de</strong> los cuatro interruptores<br />
MOSFETs <strong>de</strong>l puente completo.<br />
Rectificación Síncrona: Para el circuito <strong>de</strong> control en modo reductor, se utilizó<br />
rectificación síncrona en los interruptores <strong>de</strong> baja tensión (M5 y M6), esto se hizo con<br />
la finalidad <strong>de</strong> reducir las pérdidas <strong>de</strong> estos interruptores. En la Figura 4.36 se<br />
muestran las señales <strong>de</strong> la rectificación síncrona junto con dos <strong>de</strong> las señales <strong>de</strong>l<br />
puente completo.<br />
Figura 4.35 Señales <strong>de</strong> control para los<br />
MOSFETs <strong>de</strong> alta tensión Ch1=M1,<br />
Ch2=M2, Ch3=M3 y Ch4=M4<br />
Figura 4.36 Señales <strong>de</strong> control para la<br />
rectificación síncrona Ch1=M1, Ch2=M2,<br />
Ch3=M5 y Ch4=M6<br />
El convertidor en modo reductor fue probado en distintos puntos <strong>de</strong> operación para<br />
comprobar su a<strong>de</strong>cuado funcionamiento. Debido a que el convertidor tiene<br />
implementada rectificación síncrona en los interruptores M5 y M6, la corriente en las<br />
bobinas L 1 y L 2 se pue<strong>de</strong> hacer negativa si la carga es baja.<br />
180
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
En la Figura 4.37, se muestran las señales para una tensión <strong>de</strong> entrada V C = 400V y<br />
una tensión <strong>de</strong> salida V B = 12V. En esta Figura la corriente <strong>de</strong> las bobinas se hace<br />
negativa lo cual indica que se esta operando con muy baja carga. La Figura 4.38,<br />
tienen las mismas señales que la figura anterior, pero en esta otra la tensión <strong>de</strong> entrada<br />
es <strong>de</strong> V C = 260V y para la misma tensión <strong>de</strong> salida V B = 12V. En esta Figura, las<br />
corrientes han <strong>de</strong>jado <strong>de</strong> ser negativas <strong>de</strong>bido a que se <strong>de</strong>manda mayor potencia a la<br />
salida.<br />
Figura 4.37 (5µs/div) Ch1(10V/div) =<br />
Disparo en M1, Ch2(500V/div) = Tensión<br />
en V p , Ch3(5A/div) = Corriente en L 1<br />
Ch4(5A/div) = Corriente en L 2<br />
Figura 4.38 (5µs/div) Ch1(10V/div) =<br />
Disparo en M1, Ch2(500V/div) = Tensión<br />
en V p , Ch3(10A/div) = Corriente en L 1<br />
Ch4(10A/div) = Corriente en L 2<br />
Desequilibrio <strong>de</strong> corrientes: El control <strong>de</strong>l convertidor no fue realizado utilizando los<br />
métodos <strong>de</strong> control por corriente. La tensión <strong>de</strong> salida se modificó manualmente por<br />
medio <strong>de</strong> un potenciómetro. De igual manera, no se colocó con<strong>de</strong>nsador en serie con<br />
el transformador para evitar el <strong>de</strong>sequilibrio <strong>de</strong> la corriente en las bobinas <strong>de</strong>l<br />
convertidor. En estas condiciones <strong>de</strong> funcionamiento, pue<strong>de</strong> haber un <strong>de</strong>sequilibrio en<br />
las corrientes <strong>de</strong>l convertidor el cual se compensa con las resistencias parásitas <strong>de</strong>l<br />
transformador y las bobinas. En la experimentación, no se presentó problema por<br />
pequeños <strong>de</strong>sequilibrios que se presentaron en las corrientes. En la Figura 4.39 se<br />
muestran la tensión V p <strong>de</strong>l transformador principal, la corriente i p y la corriente en L 1 y<br />
L 2 para V C = 400V, V B =12V y con una potencia <strong>de</strong> salida <strong>de</strong> 150W. En esta figura,<br />
realizó la lectura <strong>de</strong> la corriente promedio por cada bobina. Ambas corrientes eran<br />
distintas <strong>de</strong>bido a pequeñas variaciones <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo ocasionadas por los<br />
181
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
retrasos <strong>de</strong> cada señal. A pesar <strong>de</strong> las diferencias en los ciclos <strong>de</strong> trabajo y <strong>de</strong>l<br />
<strong>de</strong>sequilibrio <strong>de</strong> corriente en el convertidor, la operación <strong>de</strong>l mismo no presentó mal<br />
funcionamiento. Las lecturas registradas para cada una <strong>de</strong> las bobinas en estas<br />
condiciones <strong>de</strong> operación fueron <strong>de</strong> 5,66A para i L1 y <strong>de</strong> 6,56A para i L2 .<br />
Figura 4.39 (10µs/div) Ch1(2A/div) = Corriente i p , Ch2(500V/div) = Tensión en V p ,<br />
Ch3(10A/div) = Corriente en L 1 Ch4(10A/div) = Corriente en L 2<br />
Rendimiento: El rendimiento <strong>de</strong>l convertidor, está obtenido para distintas tensiones<br />
<strong>de</strong> entrada, distinta potencia <strong>de</strong> salida y para la tensión típica <strong>de</strong> baja tensión (V B =<br />
12V). El rendimiento en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada y <strong>de</strong> la carga, aparece en la<br />
Tabla XXVII. Este rendimiento es únicamente <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> potencia, ya que la etapa<br />
<strong>de</strong> control esta alimentada por un circuito in<strong>de</strong>pendiente. El máximo rendimiento <strong>de</strong>l<br />
convertidor es <strong>de</strong>l 93,6% (74W y 260V). Los datos mostrados en la Tabla XXVII se<br />
muestran gráficamente en la Figura 4.40. Se pue<strong>de</strong> observar <strong>de</strong> esta Figura, que el<br />
rendimiento está comprendido entre el 87% y 93,6%. Los valores <strong>de</strong> rendimiento más<br />
altos se alcanzaron para la menor tensión <strong>de</strong> entrada.<br />
182
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
Tabla XXVII Rendimientos medidos sobre el prototipo en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong><br />
entrada y <strong>de</strong> la potencia <strong>de</strong> salida<br />
η(%)<br />
Tensión <strong>de</strong> entrada V C<br />
P 400V 330V 260V<br />
51 W 89,74 91,06 92,33<br />
61 W 91,33 92,07 93,62<br />
74 W 92,02 93,30 93,61<br />
86 W 91,50 92,22 92,40<br />
99 W 89,78 90,30 91,74<br />
109 W 88,12 88,86 90,95<br />
120 W 87,40 88,62 90,94<br />
143 W 87,29 88,76 90,77<br />
95<br />
Rendimiento (%)<br />
93<br />
91<br />
89<br />
87<br />
85<br />
50 70 90 110 130 150<br />
Potencia <strong>de</strong> salida (W)<br />
VC=400V Vc=330V Vc=260V<br />
Figura 4.40 Rendimiento <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> potencia en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada y <strong>de</strong><br />
la potencia <strong>de</strong> salida<br />
En general, el convertidor opera a<strong>de</strong>cuadamente <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> los márgenes <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong><br />
entrada. Esto permite consi<strong>de</strong>rar a la topología puente completo y rectificador<br />
doblador <strong>de</strong> corriente a<strong>de</strong>cuada para la aplicación <strong>de</strong> un convertidor bidire<strong>cc</strong>ional en<br />
modo reductor.<br />
183
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
4.6.2 Resultados <strong>de</strong>l funcionamiento permanentemente en el arranque<br />
Tal como se explicó en el apartado 4.3.4, tanto el Arranque I como el Arranque II,<br />
pue<strong>de</strong>n funcionar <strong>de</strong> manera permanente para ciclos <strong>de</strong> trabajo inferiores al 50%. En<br />
esta tesis doctoral, se utiliza el arranque que el autor ha <strong>de</strong>nominado Arranque II.<br />
En la Figura 4.41 se muestra el diagrama <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l convertidor para<br />
funcionar <strong>de</strong> manera permanente con el Arranque II. Al trabajar el convertidor en la<br />
etapa <strong>de</strong> arranque o como convertidor elevador, se incluyen cuatro diodos (D1-D4)<br />
que están en paralelo con los MOSFETs <strong>de</strong> alta tensión. Estos diodos se colocan para<br />
que sea a través <strong>de</strong> ellos por los que circule la corriente y no por los diodos parásitos<br />
<strong>de</strong> los interruptores. Estos diodos son <strong>de</strong> la misma tensión que los MOSFETs <strong>de</strong>l<br />
circuito puente, pero <strong>de</strong> mejores prestaciones eléctricas y dinámicas comparados con<br />
los diodos parásitos <strong>de</strong> los MOSFETs.<br />
C B<br />
1 : n f<br />
M6<br />
1 : n f i DF1<br />
i L1 TF1 i L2 TF2<br />
i DF2<br />
D F1<br />
D F2<br />
L 1 L 2<br />
M1<br />
TR<br />
D1 M3<br />
D3<br />
V B<br />
C C<br />
1<br />
n p<br />
V C<br />
M5<br />
V DSM5<br />
V DSM6<br />
M2<br />
D2 M4<br />
D4<br />
Figura 4.41 Etapa <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l prototipo experimental realizado con la topología<br />
puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente para funcionar permanentemente<br />
con el Arranque II<br />
Las especificaciones y datos <strong>de</strong> diseño para que el convertidor funcione <strong>de</strong> manera<br />
permanente en la etapa <strong>de</strong> arranque se dan a continuación:<br />
• Potencia <strong>de</strong> operación: 200W<br />
• Voltaje en el con<strong>de</strong>nsador o batería <strong>de</strong> alta tensión: V C = 100V<br />
• Voltaje en batería <strong>de</strong> baja tensión: V B = 14V<br />
• Frecuencia <strong>de</strong> conmutación: fc = 100kHz<br />
184
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
Control: El control para asegurar que se encuentra funcionando como la combinación<br />
<strong>de</strong> un convertidor <strong>de</strong> retroceso y <strong>de</strong> un convertidor elevador, se hace con dos señales<br />
<strong>de</strong> disparo <strong>de</strong>sfasadas 180º y que el valor máximo <strong>de</strong> ciclo <strong>de</strong> trabajo sea <strong>de</strong>l 50%.<br />
Estas señales se pue<strong>de</strong>n obtener a partir <strong>de</strong>l controlador UC3825. En este caso, como<br />
el circuito que se utiliza para controlar el convertidor en modo elevador es la<br />
combinación <strong>de</strong> dos controladores UC3825, se configura para que únicamente sea el<br />
<strong>de</strong>l arranque <strong>de</strong>l convertidor el que se utilice.<br />
Figura 4.42 Señales <strong>de</strong> control para funcionar permanentemente en el arranque.<br />
Ch1(10V/div, 2µs/div) = V GSM5 , Ch2(10V/div, 2µs/div) = V GSM6<br />
El convertidor funciona sin problemas en este modo <strong>de</strong> operación y transfiere energía<br />
hacia la salida <strong>de</strong> la forma esperada sin problemas.<br />
Corriente y tensión: Con la corriente en las bobinas y la tensión drenador fuente en<br />
M5 y M6, se comprueba que el convertidor está transfiriendo energía a la salida, como<br />
un convertidor <strong>de</strong> retroceso y como un convertidor elevador. De acuerdo al análisis<br />
realizado en el apartado 4.3.4.3 y a la simulación realizada en el apartado 4.3.4.4, se<br />
comprueba, que las formas <strong>de</strong> onda que se obtienen <strong>de</strong>l prototipo <strong>de</strong>l convertidor<br />
coinci<strong>de</strong>n con las formas <strong>de</strong> onda presentadas en la teoría y en la simulación <strong>de</strong>l<br />
arranque.<br />
En la Figura 4.43 se muestran la señal <strong>de</strong> disparo así como la tensión drenador fuente<br />
<strong>de</strong> M5. En esta misma Figura, se muestra la corriente a través <strong>de</strong> L 1 y <strong>de</strong> su<br />
correspondiente diodo D F1 . En estas formas <strong>de</strong> onda, se aprecia que tanto la tensión<br />
185
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
drenador fuente <strong>de</strong>l MOSFET como las corrientes mencionadas, cambian según cada<br />
periodo <strong>de</strong>finido en un ciclo <strong>de</strong> conmutación (tal como se aprecia en la Figura 4.13 y<br />
como se explicó en el apartado 4.3.4.3)<br />
t 0 – t 1 t 1 – t 2 t 2 – t 3 t 3 – t 4<br />
V GSM5<br />
V DSM5<br />
i L1<br />
i DF1<br />
Figura 4.43 Señales <strong>de</strong>l convertidor al funcionar permanentemente en el arranque. Ch1<br />
(20V/div, 2µs/div) = V GSM5 , Ch2 (20V/div, 2µs/div) = V DSM5 , Ch3 (2A/div, 5µs/div) = i L1 ,<br />
Ch4 (500mA/div, 5µs/div) = i DF1<br />
De acuerdo a las formas <strong>de</strong> onda, se pue<strong>de</strong> establece, que el convertidor opera<br />
correctamente para ciclos <strong>de</strong> trabajo inferiores al 50%. Que es posible controlar la<br />
tensión <strong>de</strong> salida modificando el ciclo <strong>de</strong> trabajo en M5 y M6. A medida que el ciclo<br />
<strong>de</strong> trabajo aumenta, la corriente en las bobinas se asemeja cada vez más a la corriente<br />
<strong>de</strong> un convertidor elevador tal como se aprecia en la Figura 4.44.<br />
186
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
Figura 4.44 Señales <strong>de</strong>l convertidor para d = 45%. Ch1 (20V/div, 2µs/div) = V GSM5 , Ch2<br />
(50V/div, 2µs/div) = V DSM5 , Ch3 (5A/div, 5µs/div) = i L1 , Ch4 (500mA/div, 5µs/div) = i DF1<br />
V GSM5<br />
V DSM5<br />
i L1<br />
i DF1<br />
Figura 4.45 Señales <strong>de</strong>l convertidor para d = 51%. Ch1 (20V/div, 2µs/div) = V GSM5 , Ch2<br />
(50V/div, 2µs/div) = V DSM5 , Ch3 (5A/div, 5µs/div) = i L1 , Ch4 (500mA/div, 5µs/div) = i DF1<br />
El convertidor se comporta cada vez más como un convertidor elevador a medida que<br />
el ciclo <strong>de</strong> trabajo se acerca al 50%. Al llegar el ciclo <strong>de</strong> trabajo al 50%, el convertidor<br />
<strong>de</strong>ja <strong>de</strong> transferir energía como una combinación <strong>de</strong> convertidor <strong>de</strong> retroceso y <strong>de</strong><br />
convertidor elevador, pasando a comportarse únicamente como un convertidor<br />
elevador. Esto se pue<strong>de</strong> comprobar en la Figura 4.45 en la que se muestran las formas<br />
<strong>de</strong> onda para un ciclo <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong>l 51%. En esta Figura, el comportamiento <strong>de</strong> la<br />
187
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
tensión en drenador fuente <strong>de</strong> M5 y la corriente a través L1, cambian para funcionar<br />
como en un convertidor elevador. Por su parte, la corriente que fluía a través <strong>de</strong> D F1 ,<br />
ha <strong>de</strong>jado <strong>de</strong> hacerlo, ya que estos diodos no conducen para ciclo <strong>de</strong> trabajo mayor <strong>de</strong>l<br />
50%.<br />
Rendimiento: El rendimiento se ha obtenido con el convertidor funcionando <strong>de</strong><br />
manera permanente en el arranque. Este rendimiento se ha medido para una tensión <strong>de</strong><br />
entrada (V B = 14V) y para distinta potencia <strong>de</strong> salida. El rendimiento en función <strong>de</strong> la<br />
tensión <strong>de</strong> entrada y <strong>de</strong> la carga, aparece en la Tabla XXVIII. Este rendimiento es<br />
únicamente <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> potencia, ya que la etapa <strong>de</strong> control esta alimentada por un<br />
circuito in<strong>de</strong>pendiente.<br />
Tabla XXVIII Valores <strong>de</strong>l rendimiento <strong>de</strong>l convertidor operando <strong>de</strong> manera permanente<br />
en la etapa <strong>de</strong> arranque. Las tensiones son: V B =14V y V C = 100V<br />
P<br />
η(%)<br />
53W 92<br />
91W 91<br />
143W 90<br />
206W 88<br />
Los datos mostrados en la Tabla XXVIII se muestran gráficamente en la Figura 4.46.<br />
El máximo rendimiento <strong>de</strong>l convertidor es <strong>de</strong>l 92% y se alcanza para 53W <strong>de</strong> salida.<br />
El rendimiento <strong>de</strong>l convertidor disminuye a medida que aumenta la carga, lo cual hace<br />
suponer que las pérdidas se van incrementando <strong>de</strong>bido a las corrientes eficaces que<br />
circulan a través <strong>de</strong>l convertidor, causando una disminución <strong>de</strong>l rendimiento total <strong>de</strong>l<br />
convertidor.<br />
188
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
94<br />
Rendimiento (%)<br />
92<br />
90<br />
88<br />
86<br />
84<br />
0 50 100 150 200 250<br />
Potencia <strong>de</strong> salida P (W)<br />
Figura 4.46 Rendimiento <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> potencia en función <strong>de</strong> la potencia <strong>de</strong> salida<br />
4.6.3 Resultados modo elevador<br />
Este es el tercer y último <strong>de</strong> los resultados que se presentan <strong>de</strong>l convertidor<br />
bidire<strong>cc</strong>ional propuesto y en el que se verifica el funcionamiento en modo elevador.<br />
Las especificaciones <strong>de</strong> diseño son las mismas que para modo reductor, solo que en<br />
este caso la tensión <strong>de</strong> entrada es V B y la tensión <strong>de</strong> salida es V C . Principalmente se<br />
presentan dos resultados en éste modo <strong>de</strong> operación:<br />
• Transición <strong>de</strong>l modo arranque al modo normal explicado en el apartado 4.3 y<br />
• Rendimiento y formas <strong>de</strong> onda para el régimen permanente en modo elevador<br />
En la Figura 4.47 se muestra la etapa <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l convertidor puente completo y<br />
rectificador doblador <strong>de</strong> corriente para funcionar en modo elevador. En el Anexo III se<br />
presenta la lista <strong>de</strong> los componentes <strong>de</strong>l convertidor, así como el correspondiente<br />
layout <strong>de</strong> la placa <strong>de</strong> potencia.<br />
189
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
C B<br />
1 : n f<br />
M6<br />
D F1<br />
i L1<br />
TF1<br />
i L2<br />
i B<br />
i p<br />
i C<br />
1 : n f<br />
TF2<br />
D F2<br />
L 1 L 2<br />
M1<br />
TR<br />
D1 M3<br />
D3<br />
V B<br />
C C<br />
1<br />
n p<br />
V p<br />
V C<br />
M5<br />
V DSM5<br />
V DSM6<br />
M2<br />
D2 M4<br />
D4<br />
Figura 4.47 Etapa <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l prototipo experimental realizado con la topología<br />
puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente para funcionar permanentemente<br />
en modo elevador<br />
Transición Arranque-Normal: Esta transición, a<strong>de</strong>más <strong>de</strong> la topología funcionando<br />
como bidire<strong>cc</strong>ional, es una <strong>de</strong> las principales aportaciones que se presenta en esta tesis<br />
<strong>de</strong> manera original. La originalidad <strong>de</strong> la aportación, radica en que se hace utilizando<br />
los <strong>de</strong>vanados auxiliares para cargar el con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida. Esta carga <strong>de</strong>l<br />
con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida se hace sin que se presente sobre-corriente en el arranque <strong>de</strong>l<br />
convertidor. En esta transición, el convertidor pasa <strong>de</strong>l modo arranque al modo normal<br />
al evolucionar el ciclo <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong>s<strong>de</strong> 0% hasta el ciclo <strong>de</strong> trabajo nominal.<br />
En la Tabla XXIX se muestran los valores <strong>de</strong> los parámetros <strong>de</strong>l convertidor con los<br />
que se capturaron todas las formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong> la transición <strong>de</strong>l arranque a modo<br />
normal. Se pue<strong>de</strong> apreciar que las medidas fueron hechas para prácticamente la<br />
potencia <strong>de</strong> salida nominal (150W).<br />
Tabla XXIX Valores con los que fueron tomadas las formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l convertidor para<br />
la transición <strong>de</strong>l modo arranque al modo normal<br />
Condiciones <strong>de</strong> la medición <strong>de</strong> la transición<br />
V B (V) i B (A) V C (V) i C (A) η(%)<br />
12 19,19 402,59 0,497 87<br />
190
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
V C<br />
Arranque<br />
Modo Normal<br />
i B<br />
Figura 4.48 Transición <strong>de</strong>l convertidor <strong>de</strong>l Arranque al modo Normal <strong>de</strong> operación<br />
Ch1(100V/div, 500ms/div) = V C , Ch2(5A/div, 500ms/div) = i B<br />
La manera <strong>de</strong> implementar el control se explicó en el apartado 4.5.3. En la Figura 4.48<br />
se muestra la tensión <strong>de</strong> salida V C y la corriente <strong>de</strong> la batería i B . En esta figura, se<br />
aprecia que la tensión <strong>de</strong> salida aumenta gradualmente en el Arranque hasta llegar a un<br />
valor <strong>de</strong> tensión en el que se mantiene constante por unos milisegundos (d = 50%,<br />
área sombreada). Cuando se activa el modo normal, la tensión aumenta con una<br />
pendiente muy elevada ya que en ese momento comienza a funcionar el convertidor<br />
como un convertidor elevador. Es en este momento cuando se efectúa la transición <strong>de</strong>l<br />
modo arranque al modo normal. Obsérvese, que la corriente <strong>de</strong> entrada i B al igual que<br />
la tensión <strong>de</strong> salida V C , aumenta lentamente hasta llegar a un valor fijo antes <strong>de</strong><br />
comenzar a operar el convertidor en modo elevador. Cuando la transición se efectúa la<br />
corriente al igual que la tensión <strong>de</strong> salida, se dispara con una pendiente muy gran<strong>de</strong> y<br />
se estabiliza cuando la tensión <strong>de</strong> salida alcanza el valor pre-establecido, en este caso<br />
400V.<br />
En la Figura 4.49 se muestra una vez más la tensión <strong>de</strong> salida pero ahora con la<br />
corriente por cada una <strong>de</strong> las bobinas <strong>de</strong>l convertidor. En esta figura, se aprecia que la<br />
corriente tiene la misma evolución para cada una <strong>de</strong> las bobinas, y comparada con la<br />
corriente en i B , también son iguales.<br />
191
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
V C<br />
i L1<br />
i L2<br />
Figura 4.49 Corriente en las bobinas L 1 y L 2 para la transición <strong>de</strong>l convertidor<br />
Ch1(100V/div, 500ms/div) =V C , Ch3(5A/div, 500ms/div) = i L1 Ch4(5A/div, 500ms/div) = i L1<br />
Con los resultados obtenidos <strong>de</strong> la transición <strong>de</strong>l modo <strong>de</strong> funcionamiento en el<br />
convertidor, se pue<strong>de</strong> afirmar que ha sido una implementación a<strong>de</strong>cuada al cumplirse<br />
el objetivo <strong>de</strong> arrancar el convertidor sin que se presentaran sobre-corrientes en el<br />
arranque.<br />
Rendimiento y formas <strong>de</strong> onda para el régimen permanente en modo elevador:<br />
Para concluir los resultados <strong>de</strong>l convertidor puente completo y rectificador doblador<br />
<strong>de</strong> corriente funcionando en modo elevador, se presentan las formas <strong>de</strong> onda más<br />
significativas funcionando en régimen permanente.<br />
En la Figura 4.50 se muestra el <strong>de</strong>talle <strong>de</strong> la tensión V p <strong>de</strong>l convertidor, la corriente i p ,<br />
y la corriente en cada una <strong>de</strong> las bobinas <strong>de</strong>l convertidor (i L1 , i L2 ). Estas formas <strong>de</strong><br />
onda, correspon<strong>de</strong>n con el funcionamiento en régimen permanente realizado en el<br />
convertidor para modo elevador. Se aprecia cierto <strong>de</strong>sequilibrio entre la corriente <strong>de</strong><br />
una bobina y otra, éste <strong>de</strong>sequilibrio <strong>de</strong> corriente se compensa con las resistencias<br />
parásitas tanto <strong>de</strong> las bobinas como <strong>de</strong>l transformador mismo. Sin embargo si el<br />
<strong>de</strong>sequilibrio es muy gran<strong>de</strong>, se pue<strong>de</strong> saturar el transformador o las bobinas. Para<br />
eliminar este <strong>de</strong>sequilibrio <strong>de</strong> corrientes, se pue<strong>de</strong> utilizar control en modo corriente<br />
<strong>de</strong> pico y evitar que se puedan saturar el transformador y las bobinas.<br />
192
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
Figura 4.50 Formas <strong>de</strong> onda en modo elevador normal Ch1(500V/div, 5µs/div) = Vp,<br />
Ch2(2A/div, 5µs/div) = i p Ch3(5A/div, 5µs /div) = i L1 , Ch4(5A/div, 5µs /div) = i L2<br />
Los valores promedio para cada una <strong>de</strong> las corrientes <strong>de</strong> las bobinas son 8,99A para i L1<br />
y 5,42A para i L2 .<br />
Rendimiento: El rendimiento <strong>de</strong>l convertidor, esta obtenido para distintas tensiones<br />
<strong>de</strong> entrada, distinta potencia <strong>de</strong> salida y para la tensión típica <strong>de</strong> alta tensión (V C =<br />
400V) y se muestra en la Tabla XXX. Este rendimiento es únicamente <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong><br />
potencia, ya que la etapa <strong>de</strong> control esta alimentada por un circuito in<strong>de</strong>pendiente. El<br />
máximo rendimiento <strong>de</strong>l convertidor es <strong>de</strong>l 93% (68W y 14V). Los datos mostrados<br />
en la Tabla XXX se muestran gráficamente en la Figura 4.51. Se pue<strong>de</strong> observar <strong>de</strong><br />
esta Figura, que el rendimiento está comprendido entre el 88% y 93%. Los valores <strong>de</strong><br />
rendimiento más altos se alcanzaron para la mayor tensión <strong>de</strong> entrada y para la menor<br />
potencia <strong>de</strong> salida. Esto indica, que las pérdidas van aumentando con el aumento <strong>de</strong> la<br />
carga lo cual significa que son producidas por caídas resistivas. Esto también lo<br />
<strong>de</strong>muestran las curvas <strong>de</strong> rendimiento, ya que la curva <strong>de</strong> menor tensión presenta<br />
menores rendimientos. Esto se <strong>de</strong>be a que para menor tensión <strong>de</strong> entrada, <strong>de</strong>be ser<br />
mayor corriente <strong>de</strong> entrada para mantener la misma potencia; esto significa que las<br />
corrientes eficaces aumenten disminuyendo el rendimiento <strong>de</strong>l convertidor.<br />
193
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Tabla XXX Rendimientos medidos sobre el prototipo en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada<br />
y <strong>de</strong> la potencia <strong>de</strong> salida<br />
η(%)<br />
Tensión <strong>de</strong> entrada V C<br />
P V B = 12V V B = 14V<br />
68 W 86,94 92,81<br />
80 W 86,53 91,19<br />
101 W 86,31 89,46<br />
121 W 86,17 88,64<br />
161 W 85,99 88,07<br />
202 W 85,80 88,10<br />
94<br />
Rendimiento (%)<br />
92<br />
90<br />
88<br />
86<br />
84<br />
0 50 100 150 200 250<br />
Potencia <strong>de</strong> salida P (W)<br />
VB = 12V<br />
VB = 14V<br />
Figura 4.51 Rendimiento <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> potencia en función <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> entrada y <strong>de</strong><br />
la potencia <strong>de</strong> salida<br />
4.6.4 Resumen <strong>de</strong>l capítulo<br />
Una nueva topología <strong>de</strong> convertidor bidire<strong>cc</strong>ional basada en un convertidor un puente<br />
completo con rectificador doblador <strong>de</strong> corriente se ha presentado. De esta nueva<br />
topología, se ha diseñado y construido un prototipo, <strong>de</strong>l cual se resaltan las siguientes<br />
ventajas y <strong>de</strong>sventajas en cada uno <strong>de</strong> los modos <strong>de</strong> funcionamiento.<br />
194
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
Del convertidor funcionando en Modo Reductor, se pue<strong>de</strong>n resaltar las siguientes<br />
ventajas y <strong>de</strong>sventajas:<br />
Ventajas<br />
• Funciona a<strong>de</strong>cuadamente para todo el rango <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> entrada que se<br />
necesita en la aplicación <strong>de</strong> Vehículos Híbridos (VH)<br />
• Topología que permite ser diseñada <strong>de</strong> una manera muy sencilla para<br />
funcionar en modo reductor.<br />
• La implementación <strong>de</strong>l control también es sencilla al hacer control por<br />
<strong>de</strong>splazamiento <strong>de</strong> fase.<br />
• Se pue<strong>de</strong> implementar rectificación síncrona para aumentar el rendimiento <strong>de</strong>l<br />
convertidor en los interruptores <strong>de</strong>l rectificador doblador <strong>de</strong> corriente.<br />
• A pesar <strong>de</strong> incluir <strong>de</strong>vanados auxiliares, es una topología que resulta compacta<br />
y con pocos elementos <strong>de</strong> control y potencia.<br />
Desventajas<br />
• Se pue<strong>de</strong>n <strong>de</strong>sequilibrar las corrientes en las bobinas, causando que una <strong>de</strong><br />
ellas este más penalizada en el funcionamiento permanente.<br />
• Se pue<strong>de</strong> saturar el transformador si el <strong>de</strong>sequilibrio <strong>de</strong> las corrientes en las<br />
bobinas es muy gran<strong>de</strong>.<br />
• Se <strong>de</strong>be tener especial consi<strong>de</strong>ración en el diseño <strong>de</strong>l convertidor para que en<br />
este modo <strong>de</strong> funcionamiento, no regrese energía a la entrada a través <strong>de</strong> los<br />
<strong>de</strong>vanados auxiliares.<br />
Del convertidor funcionando en Modo Elevador, se pue<strong>de</strong>n resaltar las siguientes<br />
ventajas y <strong>de</strong>sventajas:<br />
Ventajas<br />
• La transición <strong>de</strong>l arranque al modo normal se realiza sin ningún problema. No<br />
se presentan sobre-corrientes en el convertidor en el arranque.<br />
195
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
• Se alcanza la tensión <strong>de</strong> salida <strong>de</strong>l convertidor con las bajas tensiones <strong>de</strong><br />
entrada.<br />
• Funciona a<strong>de</strong>cuadamente para todo el rango <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> entrada que se<br />
necesita en la aplicación <strong>de</strong> Vehículos Híbridos (VH)<br />
• Se alcanza la tensión <strong>de</strong> salida incluso con las bajas tensiones <strong>de</strong> entrada. Es<br />
<strong>de</strong>cir el convertidor opera correctamente para todos los niveles <strong>de</strong> tensión que<br />
requiere la aplicación <strong>de</strong> VH.<br />
• Tiene la capacidad <strong>de</strong> arrancar <strong>de</strong>s<strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> salida <strong>de</strong> cero voltios y<br />
regular cualquier tensión hasta llegar a la tensión <strong>de</strong> salida nominal<br />
• Se alcanzan altos rendimientos en el convertidor<br />
Desventajas<br />
• Es necesaria la utilización <strong>de</strong> <strong>de</strong>vanados auxiliares en las bobinas para que el<br />
convertidor pueda arrancar.<br />
• Se pue<strong>de</strong>n presentar <strong>de</strong>sequilibrios en la corriente <strong>de</strong> las bobinas lo cual pue<strong>de</strong><br />
causar que una <strong>de</strong> ellas se sobrecargue más que la otra<br />
• El tamaño <strong>de</strong> las bobinas es mayor al tener que utilizarlas para el arranque <strong>de</strong>l<br />
convertidor, y al tener que alojar un <strong>de</strong>vanado auxiliar en cada una <strong>de</strong> ellas<br />
Resumen <strong>de</strong>l modo permanente <strong>de</strong> funcionamiento en el arranque: Se ha<br />
presentado <strong>de</strong> manera original el arranque <strong>de</strong>l convertidor mediante la utilización <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>vanados auxiliares en las bobinas. Se ha puesto a trabajar <strong>de</strong> manera permanente el<br />
convertidor en este modo <strong>de</strong> funcionamiento con una tensión y potencia <strong>de</strong> salida <strong>de</strong><br />
100V y 200W respectivamente. En resumen, los aspectos más importantes a <strong>de</strong>stacar<br />
<strong>de</strong> este modo <strong>de</strong> funcionamiento son:<br />
Ventajas<br />
• A<strong>de</strong>cuado funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor para ciclo <strong>de</strong> trabajo menor <strong>de</strong>l<br />
50%, ya que es posible regular la tensión <strong>de</strong> salida <strong>de</strong>s<strong>de</strong> cero voltios hasta la<br />
tensión máxima posible.<br />
196
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
• La operación <strong>de</strong>l convertidor a medida que el ciclo <strong>de</strong> trabajo se acerca al<br />
50%, se asemeja a la <strong>de</strong> un convertidor elevador<br />
• Cuando el ciclo <strong>de</strong> trabajo alcanza el 50%, <strong>de</strong>ja <strong>de</strong> funcionar como la<br />
combinación <strong>de</strong> convertidor <strong>de</strong> retroceso y elevador, haciéndolo únicamente<br />
como un convertidor elevador<br />
• Se alcanza alto rendimiento en el convertidor, al transferir energía <strong>de</strong> dos<br />
modos distintos a la vez<br />
Desventajas<br />
• La máxima ganancia que se pue<strong>de</strong> alcanzar con esta topología, es <strong>de</strong>l doble <strong>de</strong><br />
la relación <strong>de</strong> transformación que se utilice, limitando las aplicaciones <strong>de</strong> la<br />
misma<br />
4.7 Comparación <strong>de</strong>l convertidor Puente completo y Rectificador<br />
doblador <strong>de</strong> corriente con el estado <strong>de</strong> la técnica<br />
Al igual que en el capitulo anterior, se presenta una comparación <strong>de</strong> la nueva<br />
topología Puente completo con Rectificador doblador <strong>de</strong> corriente para ver las<br />
ventajas y/o <strong>de</strong>sventajas <strong>de</strong> esta nueva topología frente a las topologías presentadas en<br />
el estado <strong>de</strong> la técnica.<br />
En la Tabla XXXI se muestran las características <strong>de</strong> los <strong>convertidores</strong> presentados en<br />
el estado <strong>de</strong> la técnica y al final <strong>de</strong> esta tabla se muestran las características <strong>de</strong>l<br />
convertidor Puente completo y Rectificador doblador <strong>de</strong> corriente presentado en este<br />
capítulo. De esta tabla, se observa que la nueva topología, tiene una cantidad<br />
intermedia <strong>de</strong> componentes <strong>de</strong> entre las <strong>soluciones</strong> que al autor le resultaron más<br />
interesantes <strong>de</strong>l estado <strong>de</strong> la técnica (2.2.2 y 2.2.3). Esta nueva topología presenta<br />
claras ventajas ante la topología <strong>de</strong>l doble medio puente bidire<strong>cc</strong>ional presentado en el<br />
apartado 2.2.2, ya que su diseño es mucho más sencillo y a<strong>de</strong>más se utiliza frecuencia<br />
constante. Una <strong>de</strong>sventaja que presenta, es mayor número <strong>de</strong> componentes <strong>de</strong><br />
potencia, sin embargo su sencillez y alta frecuencia, hacen <strong>de</strong> esta topología una<br />
alternativa interesante para tener una topología <strong>de</strong> alta potencia con componentes<br />
magnéticos <strong>de</strong> menor tamaño.<br />
197
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Tabla XXXI Comparación <strong>de</strong>l convertidor Puente completo y rectificador Doblador <strong>de</strong><br />
corriente con el estado e la técnica<br />
TOPOLOGIA<br />
Tensión en<br />
transistores<br />
AT/BT<br />
Frec.<br />
(kHz)<br />
Potencia<br />
(W)<br />
η (%)<br />
2.2.1 Doble puente<br />
completo sin bobina<br />
2.2.2 Doble medio<br />
puente<br />
2.2.3 Puente completo<br />
con ZVZCS<br />
2.2.4 Medio puente y<br />
push-pull<br />
2.2.5 Flyback<br />
bidire<strong>cc</strong>ional<br />
3 Reductor más puente<br />
completo<br />
4 Puente completo y<br />
doblador <strong>de</strong> corriente<br />
8 1 V C V B 50 (vble) 50000 90<br />
4 2 2V C 2V B 20 (vble) 1600 92<br />
9 2 V C 2V B 20 1600 94,5<br />
4 2 V C 2V B 100 200 91<br />
2 2 2V C 2V B 120 60 94<br />
10 2 V C V B 100/50 500 94<br />
6 3 V C 2V B 100 150 93,6<br />
En la Tabla XXXII se muestra la comparación cualitativa <strong>de</strong>l convertidor Puente<br />
completo y Rectificador doblador <strong>de</strong> corriente frente a las topologías <strong>de</strong>l estado <strong>de</strong> la<br />
técnica. Cabe <strong>de</strong>stacar, a juicio <strong>de</strong>l autor, el buen equilibrio <strong>de</strong> todos los parámetros<br />
que se han consi<strong>de</strong>rado. Es una topología sencilla, que permite el arranque <strong>de</strong>s<strong>de</strong> cero,<br />
no presenta muchos componentes y permite alcanzar un buen rendimiento. Teniendo<br />
en cuenta que el prototipo es <strong>de</strong> baja potencia (150W), el rendimiento alcanzado<br />
(93,6%) es muy prometedor y permite pensar en un rendimiento mucho mayor cuando<br />
se diseñe en el margen 500-1500W.<br />
Como elementos más negativos cabe <strong>de</strong>stacar que las dos bobinas llevan <strong>de</strong>vanados<br />
adicionales para el arranque, lo que aumenta su volumen y que el diseño <strong>de</strong>l<br />
198
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
convertidor se complica algo por esta razón. En este trabajo se han dado reglas <strong>de</strong><br />
diseño para minimizar este último aspecto.<br />
Tabla XXXII Comparación cualitativa <strong>de</strong>l convertidor Puente completo y Rectificador<br />
doblador <strong>de</strong> corriente con el estado <strong>de</strong> la técnica<br />
TOPOLOGIA<br />
Tamaño<br />
Coste<br />
Fiabilidad<br />
Complejidad<br />
Rendimiento<br />
Arranque<br />
2.2.1 Doble puente<br />
completo sin bobina<br />
2.2.2 Doble medio<br />
puente<br />
2.2.3 Puente completo<br />
con ZVZCS<br />
2.2.4 Medio puente y<br />
push-pull<br />
2.2.5 Flyback<br />
bidire<strong>cc</strong>ional<br />
3 Reductor más puente<br />
completo<br />
4 Puente completo y<br />
doblador <strong>de</strong> corriente<br />
B R R M M R<br />
B B B M R M<br />
M R M R B B<br />
R B B B R M<br />
R B B B M B<br />
R R M B B B<br />
R B R R B B<br />
Comparando con la topología propuesta en el capítulo 3, la <strong>de</strong> este capítulo es más<br />
sencilla (tiene menos interruptores) y parece más interesante. Aunque tiene 2 bobinas<br />
en lugar <strong>de</strong> una, esto permite que cada una lleve la mitad <strong>de</strong> la corriente y, <strong>de</strong>bido al<br />
<strong>de</strong>sfase, se produzca una cierta cancelación <strong>de</strong> los rizados <strong>de</strong> corriente. A<strong>de</strong>más no es<br />
necesario adicionar circuitos auxiliares para cambiar <strong>de</strong> modo ya que la transición se<br />
hace <strong>de</strong> forma natural.<br />
199
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
4.8 Conclusiones y aportaciones <strong>de</strong>l capítulo<br />
En éste capítulo, se han realizado un análisis exhaustivo <strong>de</strong> la topología puente<br />
completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente trabajando en Modo Reductor, Modo<br />
Arranque y en Modo Elevador. Se han analizado, establecido reglas <strong>de</strong> diseñado y<br />
construido un prototipo <strong>de</strong> convertidor bidire<strong>cc</strong>ional, basado en esta topología.<br />
De los análisis mencionados, se han establecido los criterios <strong>de</strong> diseño <strong>de</strong> cada modo<br />
<strong>de</strong> operación <strong>de</strong>l convertidor. Al mismo tiempo, se ha establecido también un criterio<br />
<strong>de</strong> diseño para garantizar que el convertidor funcione correctamente como un<br />
convertidor bidire<strong>cc</strong>ional.<br />
Dentro <strong>de</strong>l Modo Arranque, se han estudiado y propuesto dos arranques distintos para<br />
este convertidor. Ambos con la intención <strong>de</strong> evitar que el convertidor presente sobrecorrientes<br />
en el momento <strong>de</strong>l arranque en modo elevador. El arranque <strong>de</strong>nominado en<br />
este trabajo <strong>de</strong> tesis como Arranque II, se presenta <strong>de</strong> manera original, ya que hasta<br />
hoy en día no se han presentado ni su análisis ni criterio <strong>de</strong> diseño para ser aplicado en<br />
el arranque <strong>de</strong> este tipo <strong>de</strong> convertidor. De éste mismo análisis, se presentan los<br />
resultados <strong>de</strong> las características que presenta la ganancia <strong>de</strong>l Arranque II, ya que pue<strong>de</strong><br />
comportarse como la ganancia <strong>de</strong> un convertidor reductor, la <strong>de</strong> un convertidor<br />
flyback o la <strong>de</strong> la topología misma que el autor ha <strong>de</strong>nominado retroceso-elevador.<br />
También <strong>de</strong> manera completamente original, se ha presentado una nueva topología<br />
basada en el funcionamiento <strong>de</strong>l convertidor en régimen permanente utilizando el<br />
Arranque II. Este es un nuevo convertidor que transfiere energía a la salida como la<br />
combinación <strong>de</strong> un convertidor flyback y un convertidor elevador. Al igual que el<br />
Arranque II, esta topología tampoco ha sido presentada en ninguna bibliografía como<br />
un convertidor para funcionar <strong>de</strong> manera permanente.<br />
Por lo tanto y con los resultados obtenidos <strong>de</strong>l análisis teórico y práctico <strong>de</strong>l<br />
convertidor, se concluye que esta topología, es una propuesta interesante para ser<br />
utilizada como un convertidor bidire<strong>cc</strong>ional. De manera particular, esta topología<br />
resulta interesante para aplicaciones como la que se ha dado en esta tesis, Vehículos<br />
Híbridos (VH).<br />
200
Convertidor puente completo y rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
Tras comparar esta solución propuesta con otras presentes en el estado <strong>de</strong> la técnica y<br />
con la también propuesta en el capítulo 3 <strong>de</strong> este trabajo, al autor consi<strong>de</strong>ra que esta<br />
solución es muy competitiva frente a las <strong>de</strong>más y presenta ventajas específicas para<br />
ciertas aplicaciones.<br />
201
Conclusiones<br />
5 Conclusiones<br />
Las aportaciones <strong>de</strong> este trabajo <strong>de</strong> investigación se centran en el campo <strong>de</strong> los<br />
<strong>convertidores</strong> CC – CC bidire<strong>cc</strong>ionales. En particular, el <strong>estudio</strong> se centra en el<br />
análisis <strong>de</strong> las topologías <strong>de</strong> potencia que se utilizan en los sistemas eléctricos <strong>de</strong> los<br />
Vehículos Híbridos (VH). Una <strong>de</strong> las necesida<strong>de</strong>s que se presenta en los Vehículos<br />
Híbridos, es disponer <strong>de</strong> un convertidor que sea capaz <strong>de</strong> trabajar con dos buses <strong>de</strong><br />
tensión muy distintos, uno con baja tensión y altas corrientes y otro con alta tensión y<br />
baja corriente. Este convertidor <strong>de</strong>be ser bidire<strong>cc</strong>ional para transferir energía <strong>de</strong>l bus<br />
<strong>de</strong> baja tensión al bus <strong>de</strong> alta tensión y viceversa, y contar con la capacidad <strong>de</strong> trabajar<br />
con un margen <strong>de</strong> variación <strong>de</strong> tensión muy gran<strong>de</strong>.<br />
Es en éste entorno, don<strong>de</strong> se sitúan las aportaciones <strong>de</strong> la presente tesis doctoral. En<br />
éste trabajo <strong>de</strong> investigación hay que <strong>de</strong>stacar que, se proponen y analizan <strong>de</strong> forma<br />
original dos nuevas topologías <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales que pue<strong>de</strong>n ser<br />
utilizadas para resolver las necesida<strong>de</strong>s que se presentan en el sistema eléctrico<br />
<strong>de</strong> los Vehículos Híbridos. Asimismo también hay otras aportaciones originales<br />
que se <strong>de</strong>tallan aquí a continuación.<br />
Es importante mencionar, que en este trabajo <strong>de</strong> investigación, se han obtenido<br />
resultados prácticos mediante la elaboración <strong>de</strong> prototipos experimentales <strong>de</strong><br />
laboratorio, en los cuales se ha podido validar el funcionamiento teórico <strong>de</strong> las<br />
topologías <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> propuestas. En general, las topologías que están basadas<br />
en el convertidor elevador tienen dificultad para funcionar a<strong>de</strong>cuadamente con baja<br />
tensión <strong>de</strong> salida. En las topologías que se presentan <strong>de</strong> manera original en esta tesis,<br />
se ha buscado que tengan la capacidad <strong>de</strong> funcionar permanentemente en modo<br />
elevador con tensiones <strong>de</strong> salida muy bajas, lo que representa una ventaja frente a la<br />
mayor parte <strong>de</strong> las topologías <strong>de</strong>l estado <strong>de</strong>l arte<br />
5.1 Aportaciones originales<br />
De las aportaciones originales que se <strong>de</strong>stacan <strong>de</strong>l presente trabajo <strong>de</strong> investigación, se<br />
pue<strong>de</strong>n <strong>de</strong>spren<strong>de</strong>r las principales conclusiones que son:<br />
203
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
• En el capítulo tercero, se presenta una nueva topología <strong>de</strong> convertidor<br />
bidire<strong>cc</strong>ional basada en el convertidor reductor mas un puente completo<br />
trabajando al 50%. Esta topología, tiene la capacidad <strong>de</strong> satisfacer las<br />
necesida<strong>de</strong>s que se presentan en los Vehículos Híbridos al cumplir con los<br />
requisitos eléctricos. Esta topología es muy flexible, ya que cuenta con un bus<br />
<strong>de</strong> tensión intermedio que ofrece un grado <strong>de</strong> libertad adicional. Este bus <strong>de</strong><br />
tensión, permite que sea posible diseñar al convertidor para que los<br />
componentes <strong>de</strong> un lado <strong>de</strong>l puente completo no se vean sometidos a gran<strong>de</strong>s<br />
esfuerzos <strong>de</strong> tensión y corriente. Una <strong>de</strong> las características principales <strong>de</strong> éste<br />
convertidor, es que pue<strong>de</strong> arrancar con un banco <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores en el<br />
bus <strong>de</strong> alta tensión sin que se presente sobre-corriente. Dos prototipos<br />
experimentales fueron diseñados y construidos para ésta nueva topología. El<br />
primero <strong>de</strong> ellos se utilizó para verificar el correcto funcionamiento <strong>de</strong> la<br />
topología y fue diseñado para una potencia <strong>de</strong> 150W. En éste primer prototipo,<br />
se alcanzó un rendimiento <strong>de</strong>l 85% en modo reductor y <strong>de</strong>l 86% en modo<br />
elevador, ambos rendimientos en la etapa <strong>de</strong> potencia. Es importante mencionar,<br />
que el diseño y constru<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> éste primer prototipo se realizó con el material<br />
<strong>de</strong> laboratorio disponible, lo cual significa que el rendimiento no fue<br />
completamente optimizado. El diseño y sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> los componentes <strong>de</strong>l<br />
segundo prototipo fue más riguroso, alcanzándose un 94% para ambos modos<br />
<strong>de</strong> operación <strong>de</strong>l convertidor. Lo anterior significa, que la nueva topología <strong>de</strong><br />
convertidor bidire<strong>cc</strong>ional, pue<strong>de</strong> alcanzar altos rendimientos con una a<strong>de</strong>cuada<br />
sele<strong>cc</strong>ión <strong>de</strong> los componentes <strong>de</strong> potencia. Un circuito para estimar la corriente<br />
magnetizante <strong>de</strong>l transformador, y <strong>de</strong>terminar si se presentan <strong>de</strong>sequilibrios en<br />
la misma ha sido presentado, diseñado y se consi<strong>de</strong>ra como otra aportación<br />
original <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> ésta tesis doctoral. Es también una aportación<br />
original, el circuito <strong>de</strong> transición que se utiliza para cambiar <strong>de</strong> un modo <strong>de</strong><br />
operación a otro en modo elevador junto con el circuito <strong>de</strong> <strong>de</strong>te<strong>cc</strong>ión en modo<br />
elevador.<br />
• En el capítulo cuarto, se presenta <strong>de</strong> manera original la topología <strong>de</strong>l<br />
convertidor puente completo con rectificador doblador <strong>de</strong> corriente<br />
funcionando como convertidor bidire<strong>cc</strong>ional. Esta topología, también tiene la<br />
capacidad <strong>de</strong> satisfacer las necesida<strong>de</strong>s eléctricas que se presentan en los<br />
204
Conclusiones<br />
Vehículos Híbridos al cumplir con los requisitos <strong>de</strong> aislamiento galvánico, y la<br />
capacidad <strong>de</strong> manejar dos buses <strong>de</strong> tensión con un margen <strong>de</strong> variación <strong>de</strong><br />
tensión muy gran<strong>de</strong>. Una <strong>de</strong> las características principales que también tiene<br />
éste convertidor, es que pue<strong>de</strong> arrancar con un banco <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores en<br />
el bus <strong>de</strong> alta tensión sin que se presente sobre-corriente para ello se han<br />
incluido unos <strong>de</strong>vanados adicionales en la topología. Un análisis <strong>de</strong>tallado <strong>de</strong><br />
los posibles métodos <strong>de</strong> Arranque en modo elevador se presenta como una<br />
pequeña aportación <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> ésta nueva topología <strong>de</strong> convertidor bidire<strong>cc</strong>ional.<br />
El <strong>estudio</strong> <strong>de</strong> la relación que guardan tanto la relación <strong>de</strong> transformación en el<br />
transformador principal como la relación <strong>de</strong> transformación en los <strong>de</strong>vanados<br />
auxiliares, también se presenta como otra aportación original <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l análisis<br />
<strong>de</strong> este convertidor bidire<strong>cc</strong>ional. El máximo rendimiento que se alcanzó en el<br />
convertidor para modo reductor fue <strong>de</strong>l 93,6%; en tanto que el máximo<br />
rendimiento que se alcanzó para modo elevador fue <strong>de</strong>l 92,8%. Los resultados<br />
obtenidos <strong>de</strong> este convertidor, en general fueron buenos, ya que a diferencia <strong>de</strong>l<br />
primer convertidor bidire<strong>cc</strong>ional (reductor mas puente completo), éste sí fue<br />
mas optimizado para producir el mínimo <strong>de</strong> pérdidas con los componentes <strong>de</strong>l<br />
laboratorio existentes. Este convertidor es una opción interesante, <strong>de</strong>bido a su<br />
sencillez <strong>de</strong> diseño y sobre todo lo compacto que resulta por tener<br />
únicamente 6 interruptores. Esta topología, es una atractiva solución para ser<br />
implementada en los Vehículos Híbridos.<br />
• Las dos nuevas topologías <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales explicadas por<br />
separado en el capítulo 3 y 4, son opciones interesantes para aplicaciones <strong>de</strong><br />
Vehículos Híbridos. Comparadas estas dos nuevas topologías con el estado <strong>de</strong><br />
la técnica, resultan favorecidas respecto a la sencillez <strong>de</strong> su funcionamiento. La<br />
topología Reductor-Puente presentada en el capítulo 3, es comparable con las<br />
topologías basadas en puentes completos <strong>de</strong>l estado <strong>de</strong> la técnica aunque<br />
presenta un mayor número <strong>de</strong> interruptores. Esta topología cuenta con la ventaja<br />
<strong>de</strong> proporcionar un nivel <strong>de</strong> tensión intermedio que permite optimizar el diseño.<br />
La topología <strong>de</strong>l convertidor Puente completo y Rectificador doblador <strong>de</strong><br />
corriente presentada en el capitulo 4, es otra alternativa completamente original<br />
que pue<strong>de</strong> ser utilizada sin problemas en aplicaciones <strong>de</strong> Vehículos Híbridos.<br />
Esta topología a<strong>de</strong>más <strong>de</strong> contar con el carácter <strong>de</strong> completa originalidad y<br />
205
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
sencillez <strong>de</strong> funcionamiento, tiene muy reducido número <strong>de</strong> componentes <strong>de</strong><br />
potencia, lo cual la hace una solución aún más interesante pensando en<br />
costos <strong>de</strong> fabricación. Su buen funcionamiento y los altos rendimientos<br />
alcanzados, hacen <strong>de</strong> esta solución la que el autor consi<strong>de</strong>re mejor para las<br />
aplicaciones <strong>de</strong> vehículos híbridos.<br />
Las topologías propuestas tienen la capacidad <strong>de</strong> arrancar con tensión cero en el lado<br />
<strong>de</strong> alta tensión sin provocar sobre-corrientes. Es posible conseguir altos rendimientos<br />
en la etapa <strong>de</strong> potencia para estas dos nuevas topologías <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong><br />
bidire<strong>cc</strong>ionales. En ambas topologías, se han propuesto las ecuaciones <strong>de</strong> diseño para<br />
po<strong>de</strong>r funcionar como <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales.<br />
5.2 Sugerencias para futuros trabajos<br />
Una vez concluida la tesis doctoral, varias líneas <strong>de</strong> investigación se pue<strong>de</strong>n explorar.<br />
A continuación se <strong>de</strong>tallan las i<strong>de</strong>as que a juicio <strong>de</strong>l autor se <strong>de</strong>ben <strong>de</strong>sarrollar como<br />
futuras líneas <strong>de</strong> investigación:<br />
• Es importante mencionar, que la presente tesis doctoral está centrada en<br />
encontrar y diseñar <strong>convertidores</strong> <strong>de</strong> potencia bidire<strong>cc</strong>ionales y no en el <strong>estudio</strong><br />
<strong>de</strong> los temas <strong>de</strong> control <strong>de</strong> las topologías. Por lo tanto, resulta interesante <strong>de</strong>s<strong>de</strong><br />
el punto <strong>de</strong> vista <strong>de</strong>l control, complementar el trabajo <strong>de</strong>sarrollado en esta tesis<br />
con la obtención <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>los <strong>de</strong>l convertidor y el <strong>estudio</strong> <strong>de</strong> métodos<br />
avanzados <strong>de</strong> control.<br />
• Se pue<strong>de</strong> continuar con la búsqueda <strong>de</strong> nuevas alternativas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong><br />
bidire<strong>cc</strong>ionales con menos interruptores.<br />
• Explorar las topologías que utilizan la inductancia <strong>de</strong> dispersión como elemento<br />
<strong>de</strong> control <strong>de</strong>l flujo <strong>de</strong> energía en los <strong>convertidores</strong> bidire<strong>cc</strong>ionales y adicionar<br />
una inductancia en serie con ésta inductancia parásita y estudiar el<br />
comportamiento <strong>de</strong>l convertidor.<br />
206
Conclusiones<br />
207
Referencias<br />
6 Referencias<br />
INTRODUCCIÓN A LOS VEHICUOLOS HÍBRIDOS<br />
[1] Chan, C.C.; "The state of the art of electric and hybrid vehicles" [Prolog]<br />
Proceedings of the IEEE, Volume: 90 Issue: 2, Feb. 2002 Page(s): 245 -246<br />
[2] Chan, C.C.; "The state of the art of electric and hybrid vehicles"<br />
Proceedings of the IEEE, Volume: 90 Issue: 2 , Feb. 2002 Page(s): 247 -<br />
275<br />
[3] Chan, C.C.; "An overview of electric vehicle technology" Proceedings of the<br />
IEEE, Volume: 81 Issue: 9 , Sept. 1993 Page(s): 1202 -1213<br />
[4] Ray, B.; "Bidirectional DC/DC power conversion using quasi-resonant<br />
topology" PESC '92 Annual IEEE , Page(s): 617 -624 vol.1<br />
[5] Sable, D.M.; Lee, F.C.; Cho, B.H.; "A zero-voltage-switching bidirectional<br />
battery charger/discharger for the NASA EOS satellite", APEC '92. Page(s):<br />
614 -621<br />
[6] David G. Morrison, Lisa E<strong>cc</strong>les "Construction And Classification Of Hybrid-<br />
Electric Vehicles" DAC ED Online ID #4331 January 8, 2001<br />
[7] Emadi, A.; Ehsani, M.; Miller, J.M.; "Advanced silicon rich automotive<br />
electrical power systems" Digital Avionics Systems Conference, 1999.<br />
Proceedings. 18th , Volume: 2 , 1999 Page(s): 8.B.1-1 -8.B.1-8 vol.2<br />
[8] Kassakian, J.G "Automotive electrical systems-the power electronics market<br />
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CONTROL Y TOPOLOGIAS DE CONVERTIDORES BIDIRECCIONALES<br />
209
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
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210
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211
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
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212
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PUENTE COMPLETO Y RECTIFICADOR DOBLADOR DE CORRIENTE<br />
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213
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
[48] Yungtaek Jang; Jovanovic, M.M.; "New two-inductor boost converter with<br />
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PATENTES<br />
[53] WO03003552 BIDIRECTIONAL FLYBACK SWITCH MODE POWER SUPPLY<br />
(SMPS)<br />
[54] US6501194 Energy recovery snubber circuit for bidirectional power<br />
converter and method of operation thereof<br />
[55] US5255174 Regulated bi-directional DC-to-DC voltage converter which<br />
maintains a continuous input current during step-up conversion<br />
[56] US5027264 Power conversion apparatus for DC/DC conversion using<br />
dual active bridges<br />
[57] US4864479 Full-bridge lossless switching converter<br />
[58] US2002_0159280A1 START-UP CIRCUIT AND CONTROL FOR HIGH POWER<br />
ISOLATED BOOST DC/DC CONVERTERS<br />
214
Anexo I<br />
Anexo I Hoja <strong>de</strong> cálculo Capítulo 3<br />
Convertidor BI-Dire<strong>cc</strong>ional Modo Reductor<br />
Potencia <strong>de</strong> salida<br />
Po := 1500W<br />
Tensiones <strong>de</strong><br />
operación<br />
Vc min := 260V<br />
Vc max := 416V<br />
VB min := 10V<br />
VB max := 16V<br />
Vc tip := 400V<br />
VB tip := 12V<br />
Vc := Vc min , Vc min + 40V..<br />
Vc max<br />
VB:=<br />
VB min , VB min + 1V..<br />
VB max<br />
Frecuencia y<br />
periodo <strong>de</strong>l<br />
reductor<br />
fs := 100KHz<br />
1<br />
T :=<br />
fs<br />
T = 1 × 10 − 5 s<br />
Relación<br />
<strong>de</strong>transformación<br />
n TR := 1..<br />
16<br />
n sel := 11<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo para distintos valores <strong>de</strong> Vc y n TR<br />
n<br />
d( Vc, VB,<br />
n TR )<br />
TR ⋅VB<br />
:=<br />
Vc<br />
1<br />
d<br />
0.5<br />
0<br />
0 4 8 12 16<br />
n TR<br />
215
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Variación <strong>de</strong> la inductancia en la bobina "L"<br />
Corriente promedio<br />
en la bobina<br />
( )<br />
I L VB,<br />
n TR<br />
:=<br />
Po<br />
n TR ⋅VB<br />
Rizado<br />
Riz:=<br />
1<br />
( ) := Riz⋅<br />
I L ( VB,<br />
n TR )<br />
∆i VB,<br />
n TR<br />
Inductancia<br />
( )<br />
L Vc, VB,<br />
n TR<br />
( Vc − n TR ⋅ VB) ⋅d( Vc, VB,<br />
n TR ) ⋅T<br />
:=<br />
∆i( VB,<br />
n TR )<br />
2 . 10 4<br />
1.5 . 10 4<br />
L (H)<br />
1 . 10 4<br />
5 .10 5<br />
0<br />
0 5 10 15 20<br />
n TR<br />
Inductancia mínima para satisfacer<br />
el rizado en todas las tensiones<br />
( ) = 1.191 10 − 4<br />
L Vc max , VB max , n sel<br />
× H<br />
2 . 10 4 .<br />
1.5 . 10 4<br />
L (H)<br />
1 . 10 4<br />
5 .10 5<br />
0<br />
0 4 8 12 16<br />
VB min , Vc min n TR<br />
.<br />
.<br />
VB tip , Vc tip<br />
VB max , Vc max<br />
216
Anexo I<br />
Tensiones <strong>de</strong> bloqueo en semiconductores<br />
Nota: Debido a la estructura <strong>de</strong>l convertidor, las tensiones <strong>de</strong> bloqueo en los componentes<br />
son las mismas para ambos modos <strong>de</strong> fucnionamiento. A<strong>de</strong>mas, al tratarse <strong>de</strong> arreglos <strong>de</strong><br />
puentes completos y <strong>de</strong> un convertidor reductor, las máximas tensiones <strong>de</strong> bloqueo son las<br />
máximas tensiones <strong>de</strong> entrada y salida segun sea el caso.<br />
Los únicos componentes que modifican su tension <strong>de</strong> bloqueo, son los MOSFETs que<br />
soportan la tension V bus , ya que el valor <strong>de</strong> esta, <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> n TR y <strong>de</strong> VB.<br />
M1 y D2<br />
Tensión en M1 y D2 (V)<br />
600<br />
400<br />
200<br />
V M1 := Vc max<br />
0<br />
0 5 10 15 20<br />
M3 - M6<br />
V M3_6 n TR<br />
( ) := VB max ⋅n TR<br />
300<br />
Tensión en M3-M6 (V)<br />
200<br />
100<br />
0<br />
0 5 10 15 20<br />
n TR<br />
D7 - D10 V D7_10 := VB max<br />
20<br />
Tensión en D7-D10 (V)<br />
10<br />
0<br />
0 5 10 15 20<br />
217
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Convertidor BI-Dire<strong>cc</strong>ional Modo Reductor<br />
Potencia <strong>de</strong> salida<br />
Po := 1500W<br />
Tensiones <strong>de</strong><br />
operación<br />
Vc min := 260V<br />
Vc max := 416V<br />
VB min := 10V<br />
VB max := 16V<br />
Vc tip<br />
VB tip<br />
:= 400V<br />
:= 12V<br />
Vc := Vc min , Vc min + 40V..<br />
Vc max<br />
VB:=<br />
VB min , VB min + 1V..<br />
VB max<br />
Frecuencia y<br />
periodo <strong>de</strong>l<br />
reductor<br />
fs := 100KHz<br />
1<br />
T :=<br />
fs<br />
Relación<br />
<strong>de</strong>transformación<br />
n TR := 1..<br />
16<br />
n sel := 11<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo para distintos valores <strong>de</strong> Vc y n TR<br />
( )<br />
d Vc, VB,<br />
n TR :=<br />
n TR ⋅VB<br />
Vc<br />
1<br />
d<br />
0.5<br />
0<br />
0 4 8 12 16<br />
n TR<br />
218
Anexo I<br />
n sel ⋅VB tip<br />
d :=<br />
Vc tip<br />
d = 0.33<br />
Tensión aplicada a<br />
la bobina<br />
V L ( t) := Vc tip − n sel ⋅VB tip if 0 < t ≤ d⋅T<br />
−n sel ⋅VB tip<br />
if<br />
d⋅T<br />
< t ≤ T<br />
200<br />
V L ( t)<br />
0<br />
200<br />
0 2 .10 6 4 .10 6 6 .10 6 8 .10 6<br />
t<br />
Recor<strong>de</strong>mos la tensión<br />
en una Bobina<br />
V =<br />
d<br />
L⋅<br />
i<br />
d t<br />
Cálculo <strong>de</strong> corrientes<br />
L := 119.1µH<br />
NOTA : El valor <strong>de</strong> L se calcula en la hoja <strong>de</strong><br />
estreses para todas las tensiones <strong>de</strong> entrada y<br />
salida <strong>de</strong>l convertidor.<br />
Rizado<br />
I L :=<br />
∆i :=<br />
Po<br />
n sel ⋅VB tip<br />
( )<br />
Vc tip − n sel ⋅VB tip<br />
⋅<br />
L<br />
n sel ⋅VB tip<br />
Vc tip<br />
⋅T<br />
I L = 11.364A<br />
∆i = 7.426A<br />
∆i<br />
Corriente <strong>de</strong> pico I pk := I L +<br />
2<br />
Definición <strong>de</strong> las corrientes en el circuito<br />
∆i ∆i<br />
I 1 ( t)<br />
:= ⋅t<br />
+ I L −<br />
d⋅T<br />
2<br />
I pk = 15.076A<br />
−∆i<br />
I 2 ( t)<br />
:= ⋅( t − d⋅T)<br />
+ I L +<br />
( 1 − d) ⋅T<br />
∆i<br />
2<br />
∆i<br />
∆i<br />
I 3 ( t)<br />
:= ⋅( t − T)<br />
+ I L −<br />
d⋅T<br />
2<br />
−∆i<br />
I 4 ( t)<br />
:= ⋅( t − d⋅T<br />
− T)<br />
+ I L +<br />
( 1 − d) ⋅T<br />
∆i<br />
2<br />
219
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Corriente en la bobina<br />
20<br />
I L1 ( t) := I 1 ( t) if 0 < t ≤ d⋅T<br />
I 2 ( t) if d⋅T<br />
< t ≤ T<br />
16<br />
I L1 ( t)<br />
12<br />
8<br />
4<br />
0<br />
0 2 .10 6 4 .10 6 6 .10 6 8 .10 6<br />
T<br />
T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I L1prom := ⋅⎮<br />
I L1 ( t)<br />
dt<br />
I L1ef := ⋅⎮<br />
I L1 ( t) 2 dt<br />
T ⌡<br />
T ⌡<br />
0 0<br />
I L1prom = 11.364A<br />
I L1ef = 11.565A<br />
t<br />
Corriente en M1<br />
I M1 ( t) := I 1 ( t) if 0 < t ≤ d⋅T<br />
0A<br />
if<br />
d⋅T<br />
< t ≤ T<br />
20<br />
16<br />
I M1 ( t)<br />
12<br />
8<br />
4<br />
0<br />
0 2 . 10 6 4 . 10 6 6 . 10 6 8 . 10 6<br />
t<br />
T<br />
T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I M1prom := ⋅⎮<br />
I M1 ( t)<br />
dt<br />
I M1ef := ⋅⎮<br />
I M1 ( t) 2 dt<br />
T ⌡<br />
T ⌡<br />
0 0<br />
I M1prom = 3.921A<br />
I M1ef = 6.834A<br />
220
Anexo I<br />
Corriente en D2<br />
I D2 ( t) := 0A if 0 < t ≤ d⋅T<br />
I 2 ( t) if d⋅T<br />
< t ≤ T<br />
20<br />
16<br />
I D2 ( t)<br />
12<br />
8<br />
4<br />
0<br />
0 2 .10 6 4 .10 6 6 .10 6 8 .10 6<br />
T<br />
T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I D2prom := ⋅⎮<br />
I D2 ( t)<br />
dt<br />
I D2ef := ⋅⎮<br />
I D2 ( t) 2 dt<br />
T ⌡<br />
T ⌡<br />
0 0<br />
I D2prom = 7.443A<br />
I D2ef = 9.329A<br />
t<br />
Corriente en M3 y M6 ó M4 y M5<br />
I M3_6 ( t) := I 1 ( t) if 0 < t ≤ d⋅T<br />
I M4_5 ( t) := 0A if 0 < t ≤ T<br />
20<br />
I 2 ( t) if d⋅T<br />
< t ≤ T<br />
0A if T < t ≤ 2T<br />
I 3 ( t) if T < t ≤ T + d⋅T<br />
I 4 ( t) if T + d⋅T<br />
< t ≤ 2T<br />
I M3_6 ( t)<br />
I M4_5 ( t)<br />
16<br />
12<br />
8<br />
4<br />
0<br />
0 4 . 10 6 8 . 10 6 1.2 . 10 5 1.6 . 10 5<br />
t<br />
2T<br />
2T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I M3_6prom := ⋅⎮<br />
I M3_6 ( t)<br />
dt<br />
I M3_6ef := ⋅⎮<br />
I M3_6 ( t) 2 dt<br />
2T ⌡<br />
2T ⌡<br />
0 0<br />
I M3_6prom = 5.68A<br />
I M3_6ef = 8.173A<br />
221
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Corriente en i p <strong>de</strong>l transformador modo reductor<br />
I p ( t) := I M3_6 ( t) − I M4_5 ( t)<br />
20<br />
I p ( t)<br />
0<br />
20<br />
0 5 . 10 6 1 . 10 5 1.5 . 10 5<br />
t<br />
2T<br />
2T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I pprom := ⋅⎮<br />
I p ( t)<br />
dt<br />
I Tpef := ⋅⎮<br />
I p ( t) 2 dt<br />
2T ⌡<br />
2T ⌡<br />
0 0<br />
I pprom = 1.355× 10 − 15 A<br />
I Tpef = 11.559A<br />
Corriente i s <strong>de</strong>l transformador modo reductor<br />
⋅( )<br />
I s ( t) := n sel I p ( t)<br />
200<br />
I s ( t)<br />
0<br />
200<br />
0 5 . 10 6 1 . 10 5 1.5 . 10 5<br />
t<br />
Nota: falta adicionar la<br />
corriente magnetizante,<br />
ya que esta circula<br />
atraves <strong>de</strong>l secundario<br />
<strong>de</strong>l transformador.<br />
2T<br />
2T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I sprom := ⋅⎮<br />
I s ( t)<br />
dt<br />
I sef := ⋅⎮<br />
I s ( t) 2 dt<br />
2T ⌡<br />
2T ⌡<br />
0 0<br />
I sprom<br />
= 0A<br />
I sef = 127.205A<br />
222
Anexo I<br />
Corriente en D7 y D10 ó D8 y D9<br />
I D7_10 ( t) := n sel ⋅I 1 ( t)<br />
if 0 < t ≤ d⋅T<br />
I D8_9 ( t) := 0A if 0 < t ≤ T<br />
I D7_10 ( t)<br />
I D8_9 ( t)<br />
200<br />
160<br />
120<br />
80<br />
40<br />
n sel ⋅I 2 ( t)<br />
if<br />
d⋅T<br />
0A if T < t ≤ 2T<br />
< t ≤ T<br />
0<br />
0 4 .10 6 8 .10 6 1.2 .10 5 1.6 .10 5<br />
t<br />
n sel ⋅I 3 ( t)<br />
if T < t ≤ T + d⋅T<br />
n sel ⋅I 4 ( t)<br />
if T + d⋅T<br />
< t ≤ 2T<br />
2T<br />
2T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I D7_10prom := ⋅⎮<br />
I D7_10 ( t)<br />
dt<br />
I D7_10ef := ⋅⎮<br />
I D7_10 ( t) 2 dt<br />
2T ⌡<br />
2T ⌡<br />
0 0<br />
I D7_10prom = 62.477A<br />
I D7_10ef = 89.948A<br />
Corriente rectificada <strong>de</strong>spues <strong>de</strong>l secundario <strong>de</strong>l transformador modo reductor (corriente en batería)<br />
⋅( )<br />
I srec ( t) := n sel I M3_6 ( t) + I M4_5 ( t)<br />
200<br />
I srec ( t)<br />
100<br />
0<br />
0 5 .10 6 1 .10 5 1.5 .10 5<br />
t<br />
2T<br />
2T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I srecprom := ⋅⎮<br />
I srec ( t)<br />
dt<br />
I srecef := ⋅⎮<br />
I srec ( t) 2 dt<br />
2T ⌡<br />
2T ⌡<br />
0 0<br />
I srecprom = 124.955A<br />
I srecef = 127.205A<br />
223
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> entrada Cc<br />
Cálculo <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores modo reductor<br />
Corriente en<br />
con<strong>de</strong>nsador<br />
I Cc ( t) I M1prom − I M1 ( t)<br />
:= ( )<br />
T<br />
1 ⌠<br />
I Ccprom := ⋅⎮<br />
I Cc ( t)<br />
dt<br />
T ⌡ 0<br />
T<br />
1 ⌠<br />
I Ccef := ⋅⎮<br />
I Cc ( t) 2 dt<br />
T ⌡ 0<br />
I Ccprom<br />
= 0A<br />
I Ccef = 5.598A<br />
Rizado <strong>de</strong> tensión (%)<br />
1<br />
∆ Cc :=<br />
100 Vc tip<br />
∆ Cc = 4V<br />
Cálculo <strong>de</strong> Capacitancia<br />
T<br />
1 ⌠<br />
Cc := ⋅⎮<br />
I Cc ( t)<br />
dt<br />
∆ Cc ⌡<br />
d⋅T<br />
Cc = 6.567× 10 − 6 F<br />
Recor<strong>de</strong>mos la tensión<br />
en un con<strong>de</strong>nsador<br />
TOL<br />
TOL :=<br />
10000<br />
Tolerancia<br />
en el cálculo<br />
Nota : puse el límite<br />
superior a ojo<br />
V = 1 ⌠<br />
⋅⎮<br />
C ⌡<br />
i dt<br />
t<br />
1 ⌠<br />
V Cc ( t)<br />
:= ⋅⎮<br />
I Cc ( t)<br />
dt<br />
Cc ⌡<br />
0<br />
Ec. Rizado <strong>de</strong> tensión<br />
en con<strong>de</strong>nsador<br />
TOL := TOL⋅<br />
10000<br />
15<br />
9<br />
I Cc ( t)<br />
3<br />
0<br />
V Cc ( t)<br />
3<br />
9<br />
15<br />
0 2 .10 6 4 .10 6 6 .10 6 8 .10 6<br />
t<br />
224
Anexo I<br />
Con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida VB<br />
Recor<strong>de</strong>mos la tensión<br />
en un con<strong>de</strong>nsador<br />
V = 1 ⌠<br />
⎮<br />
C<br />
⋅<br />
⌡<br />
i d t<br />
Rizado <strong>de</strong> tensión (%)<br />
Corriente en con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida<br />
⎛<br />
⎝<br />
Po<br />
I CB ( t) := −⎜<br />
I srec ( t)<br />
−<br />
VB tip<br />
1<br />
∆ CB :=<br />
100 VB tip<br />
⎞ ⎟⎠<br />
∆ CB = 0.12V<br />
Cálculo <strong>de</strong> Capacitancia<br />
Ec. Rizado <strong>de</strong> tensión<br />
en con<strong>de</strong>nsador<br />
( 1+<br />
d)<br />
⋅T<br />
⌠<br />
−1 ⎮ 2<br />
CB := ⋅⎮<br />
I CB ( t)<br />
dt<br />
∆ CB ⎮<br />
⌡ d⋅T<br />
2<br />
t<br />
1 ⌠<br />
V CB ( t)<br />
:= ⋅⎮<br />
I CB ( t)<br />
dt<br />
CB ⌡ 0<br />
CB = 850.964× 10 − 6 F<br />
100<br />
60<br />
d⋅T<br />
2<br />
( 1+<br />
d)<br />
2<br />
⋅T<br />
I CB ( t)<br />
20<br />
20<br />
0<br />
60<br />
100<br />
0 4 . 10 6 8 . 10 6 1.2 . 10 5 1.6 . 10 5<br />
t<br />
Corriente promedio y eficaz en con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida<br />
2T<br />
1 ⌠<br />
I CBprom := ⋅⎮<br />
I CB ( t)<br />
dt<br />
2T ⌡ 0<br />
2T<br />
1 ⌠<br />
I CBef := ⋅⎮<br />
I CB ( t) 2 dt<br />
2T ⌡ 0<br />
I CBprom = 0.045A<br />
I CBef = 23.577A<br />
225
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
0.05<br />
0.02<br />
d⋅T<br />
2<br />
( 1+<br />
d)<br />
2<br />
⋅T<br />
0<br />
V CB ( t)<br />
0.01<br />
0.04<br />
0.07<br />
0.1<br />
0 4 .10 6 8 .10 6 1.2 .10 5 1.6 .10 5<br />
t<br />
Con<strong>de</strong>nsador intermedio C bus<br />
Corriente en con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida<br />
Recor<strong>de</strong>mos la tensión<br />
en un con<strong>de</strong>nsador<br />
V = 1 ⌠<br />
⎮<br />
C<br />
⋅<br />
⌡<br />
i d t<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
I Cbus ( t) := − I M3_6 ( t) + I M4_5 ( t)<br />
−<br />
Po<br />
n sel ⋅VB tip<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
Rizado <strong>de</strong> tensión (%)<br />
Cálculo <strong>de</strong> Capacitancia<br />
Ec. Rizado <strong>de</strong> tensión<br />
en con<strong>de</strong>nsador<br />
1<br />
∆ Cbus :=<br />
100 n sel⋅VB tip<br />
∆ Cbus = 1.32V<br />
( 1+<br />
d)<br />
⋅T<br />
⌠<br />
−1<br />
⎮ 2<br />
C bus := ⋅⎮<br />
I Cbus ( t)<br />
dt<br />
∆ CB ⎮<br />
⌡d⋅T<br />
C bus = 77.36× 10 − 6 F<br />
2<br />
t<br />
1 ⌠<br />
V Cbus ( t)<br />
:= ⋅⎮<br />
I Cbus ( t)<br />
dt<br />
C bus ⌡<br />
0<br />
226
Anexo I<br />
10<br />
6<br />
d⋅T<br />
2<br />
( 1+<br />
d)<br />
2<br />
⋅T<br />
I Cbus ( t)<br />
2<br />
2<br />
0<br />
6<br />
10<br />
0 4 .10 6 8 .10 6 1.2 .10 5 1.6 .10 5<br />
t<br />
Corriente promedio y eficaz en con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida<br />
2T<br />
2T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I Cbusprom := ⋅⎮<br />
I Cbus ( t)<br />
dt<br />
I Cbusef := ⋅⎮<br />
I Cbus ( t) 2 dt<br />
2T ⌡<br />
2T ⌡<br />
0 0<br />
I Cbusprom = 4.114× 10 − 3 A<br />
I Cbusef = 2.137A<br />
0.05<br />
0.02<br />
d⋅T<br />
2<br />
( 1+<br />
d)<br />
2<br />
⋅T<br />
0<br />
V Cbus ( t)<br />
0.01<br />
0.04<br />
0.07<br />
0.1<br />
0 4 .10 6 8 .10 6 1.2 .10 5 1.6 .10 5<br />
t<br />
227
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Cálculo <strong>de</strong> pérdidas ensemiconductores <strong>de</strong>l<br />
convertidor en modo reductor<br />
Pérdidas M1 y D2<br />
MOSFETs en<br />
Paralelo<br />
Tensión<br />
Puerta-Fuente<br />
Tensión<br />
Drenador-Fuente<br />
Frecuencia<br />
mos := 3<br />
V gs := 15V<br />
Vc tip fs = 1 × 10 5 Hz<br />
Corrientes en las<br />
Conmutaciones<br />
∆i<br />
∆i<br />
i sw := I L − i sw2 := I L +<br />
2<br />
2<br />
Datos <strong>de</strong>l MOSFET S1<br />
IRFPS43N50K<br />
R on := 2⋅78⋅<br />
10 − 3 ⋅Ω<br />
T on := 140⋅<br />
10 − 9 s<br />
C oos := 200⋅<br />
10 − 12 F<br />
Q gs := 350⋅<br />
10 − 9<br />
T off := 74⋅<br />
10 − 9 s<br />
C<br />
SPA11N60C3<br />
R on := 1.8⋅ 340⋅<br />
10 − 3 Ω<br />
C oos := 40⋅<br />
10 − 12 F<br />
Q gs := 45⋅<br />
10 − 9 C<br />
T on := 5⋅10 − 9 s<br />
T off := 5⋅10 − 9 s<br />
Pérdidas por condu<strong>cc</strong>ión<br />
R on<br />
P on := ⋅( I M1ef ) 2 P on = 9.529W<br />
mos<br />
Pérdidas por Carga <strong>de</strong> la Puerta <strong>de</strong>l MOSFET<br />
P gs := mos⋅Q gs ⋅V gs ⋅fs<br />
P gs = 0.203W<br />
Pérdidas por "Capacitancia Parasita" en drenador-fuente<br />
mos<br />
2<br />
P coos := ⋅C oos ⋅Vc tip ⋅fs<br />
P coos = 0.96W<br />
2<br />
228
Anexo I<br />
Pérdidas por convivencia "Corriente-Tension" (switching losses)<br />
Vc tip<br />
P sw := ⋅fs⋅( T on ⋅i sw + T off ⋅i sw2 )<br />
P sw = 2.273W<br />
2<br />
Pérdidas totales <strong>de</strong> M1<br />
P TM1 := P on + P gs + P coos + P sw<br />
P TM1 = 12.964W<br />
Datos <strong>de</strong> diodo D2 que en realidad es MOSFET M2<br />
mos := 3<br />
SPA11N60C3<br />
R on := 1.8⋅ 340⋅<br />
10 − 3 Ω<br />
C oos := 40⋅<br />
10 − 12 F<br />
Q gs := 45⋅<br />
10 − 9 C<br />
IRFPS43N50K<br />
T on := 5⋅10 − 9 s<br />
T off := 5⋅10 − 9 s<br />
R on := 2⋅78⋅<br />
10 − 3 Ω<br />
C oos := 200⋅<br />
10 − 12 F<br />
Q gs := 350⋅<br />
10 − 9 C<br />
R on := 1.8⋅ 250⋅<br />
10 − 3 Ω<br />
C oos := 50⋅<br />
10 − 12 F<br />
Q gs := 39⋅<br />
10 − 9 C<br />
T on := 140⋅<br />
10 − 9 s<br />
T off := 74⋅<br />
10 − 9 s<br />
STP20NM60<br />
T on := 20⋅<br />
10 − 9 s<br />
T off := 11⋅<br />
10 − 9 s<br />
Pérdidas por condu<strong>cc</strong>ión<br />
R on<br />
P on :=<br />
mos<br />
⋅( ) 2<br />
I D2ef<br />
P on = 13.055W<br />
Pérdidas por Carga <strong>de</strong> la Puerta <strong>de</strong>l MOSFET<br />
P gs := mos⋅Q gs ⋅V gs ⋅fs<br />
P gs = 0.176W<br />
229
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Pérdidas por "Capacitancia Parasita" en drenador-fuente<br />
mos<br />
2<br />
P coos := ⋅C oos ⋅Vc tip ⋅fs<br />
P coos = 1.2W<br />
2<br />
Pérdidas por convivencia "Corriente-Tension" (switching losses)<br />
Vc tip<br />
P sw := ⋅fs⋅( T on ⋅i sw )<br />
P sw = 3.06W<br />
2<br />
Pérdidas totales <strong>de</strong> D2<br />
P TD2 := P on + P gs + P coos + P sw<br />
P TD2 = 17.49W<br />
Pérdidas M3 - M6<br />
MOSFETs en<br />
Paralelo<br />
Tensión<br />
Puerta-Fuente<br />
mos := 2<br />
V gs := 15V Vbus n TR<br />
Corrientes en las<br />
Conmutaciones<br />
Tensión<br />
Drenador-Fuente<br />
( ) := n TR ⋅VB tip<br />
∆i<br />
i sw := I L −<br />
2<br />
Frecuencia<br />
fs<br />
f t :=<br />
2<br />
f t = 5 × 10 4 Hz<br />
Datos <strong>de</strong>l MOSFET M3<br />
IRFP264<br />
R on := 1.75⋅ 75⋅<br />
10 3 ⋅Ω<br />
n sel := 7..<br />
10 V ds = 250V<br />
C oos := 140⋅<br />
10 12 F<br />
T on := 99⋅<br />
10 9 s<br />
Q gs := 210⋅<br />
10 9 C<br />
T off := 92⋅<br />
10 9 s<br />
STP40NS15<br />
R on := 1.8⋅ 44⋅<br />
10 3 ⋅Ω<br />
n sel := 7<br />
V ds = 150V<br />
C oos := 380⋅<br />
10 12 F<br />
T on := 45⋅<br />
10 9 s<br />
Q gs := 100⋅<br />
10 9 C<br />
T off := 35⋅<br />
10 9 s<br />
230
Anexo I<br />
PSMN020-150W<br />
R on := 1.8⋅ 20⋅<br />
10 3 ⋅Ω<br />
n sel := 7<br />
V ds = 150V<br />
C oos := 854⋅<br />
10 12 F<br />
T on := 79⋅<br />
10 9 s<br />
Q gs := 227⋅<br />
10 9 C<br />
T off := 101⋅<br />
10 9 s<br />
PSMN030-150W<br />
R on := 1.8⋅ 30⋅<br />
10 3 ⋅Ω<br />
n sel := 7<br />
V ds = 150V<br />
C oos := 140⋅<br />
10 12 F<br />
T on := 71⋅<br />
10 9 s<br />
Q gs := 98⋅<br />
10 9 C<br />
T off := 76⋅<br />
10 9 s<br />
IRFP360LC<br />
R on := 1.75⋅ 200⋅<br />
10 3 ⋅Ω<br />
n sel := 11 V ds = 400V<br />
C oos := 500⋅<br />
10 12 F<br />
T on := 75⋅<br />
10 9 s<br />
Q gs := 110⋅<br />
10 9 C<br />
T off := 50⋅<br />
10 9 s<br />
FQA35N40<br />
R on := 1.8⋅ 80⋅<br />
10 3 ⋅Ω<br />
n sel := 15 V ds = 400V<br />
C oos := 750⋅<br />
10 12 F<br />
T on := 360⋅<br />
10 9 s<br />
Q gs := 110⋅<br />
10 9 C<br />
T off := 190⋅<br />
10 9 s<br />
FDH34N40<br />
R on := 1.8⋅ 106⋅<br />
10 3 ⋅Ω<br />
n sel := 11 V ds = 400V<br />
C oos := 500⋅<br />
10 12 F<br />
T on := 72⋅<br />
10 9 s<br />
Q gs := 57⋅<br />
10 9 C<br />
T off := 58⋅<br />
10 9 s<br />
STW18NB40<br />
R on := 1.8⋅ 190⋅<br />
10 3 ⋅Ω<br />
n sel := 11 V ds = 400V<br />
C oos := 500⋅<br />
10 12 F<br />
T on := 14⋅<br />
10 9 s<br />
Q gs := 60⋅<br />
10 9 C<br />
T off := 15⋅<br />
10 9 s<br />
231
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Pérdidas por condu<strong>cc</strong>ión<br />
R on<br />
P on :=<br />
mos<br />
⋅( ) 2<br />
I M3_6ef<br />
P on = 11.423W<br />
Pérdidas por Carga <strong>de</strong> la Puerta <strong>de</strong>l MOSFET<br />
P gs := mos⋅Q gs ⋅V gs ⋅fs<br />
P gs = 0.18W<br />
Pérdidas por "Capacitancia Parasita" en drenador-fuente<br />
mos<br />
P coos := ⋅C oos ⋅<br />
2<br />
( ) 2<br />
n sel ⋅VB tip<br />
⋅fs<br />
P coos = 0.871W<br />
Pérdidas por convivencia "Corriente-Tension" (switching losses)<br />
P sw :=<br />
( ) ⋅fs⋅( )<br />
n sel ⋅VB tip<br />
T on ⋅i sw<br />
P sw = 1.414W<br />
Pérdidas individuales <strong>de</strong> M3<br />
P M3 := P on + P gs + P coos + P sw<br />
P M3 = 13.888W<br />
Pérdidas totales <strong>de</strong>s<strong>de</strong> M3 a M6<br />
( ) 4<br />
P M3_6 := P on + P gs + P coos + P sw ⋅<br />
P M3_6 = 55.553W<br />
232
Anexo I<br />
Pérdidas D7 - D10<br />
Están representados diodos aunque en realidad son MOSFETs<br />
MOSFETs en<br />
Paralelo<br />
Tensión<br />
Puerta-Fuente<br />
Tensión<br />
Drenador-Fuente<br />
Frecuencia<br />
mos := 3<br />
V gs := 15V<br />
VB tip f t = 5 × 10 4 Hz<br />
Corrientes en las<br />
Conmutaciones<br />
⎛<br />
⎝<br />
∆i<br />
i sw := ⎜ I L −<br />
2<br />
⎞ ⎟⎠ ⋅n sel<br />
Datos <strong>de</strong>l MOSFET M7<br />
FDB7045L<br />
R on := 1.2⋅ 4.5⋅<br />
10 3 ⋅Ω<br />
n sel := 11 V ds = 30V<br />
C oos := 1000⋅<br />
10 12 F T on := 114⋅<br />
10 9 s<br />
Q gs := 50⋅<br />
10 9 C<br />
T off := 115⋅<br />
10 9 s<br />
ISL9N302AP3<br />
R on := 1.25⋅ 3.6⋅<br />
10 3 ⋅Ω<br />
n sel := 11 V ds = 30V<br />
C oos := 800⋅<br />
10 12 F<br />
T on := 67⋅<br />
10 9 s<br />
Q gs := 70⋅<br />
10 9 C<br />
T off := 19⋅<br />
10 9 s<br />
ISL9N302AS3ST<br />
R on := 1.4⋅ 1.9⋅<br />
10 3 ⋅Ω<br />
n sel := 11 V ds = 30V<br />
C oos := 2200⋅<br />
10 12 F T on := 120⋅<br />
10 9 s<br />
Q gs := 200⋅<br />
10 9 C<br />
T off := 34⋅<br />
10 9 s<br />
Pérdidas por condu<strong>cc</strong>ión<br />
R on<br />
P on := ⋅( I D7_10ef ) 2 P on = 7.174W<br />
mos<br />
Pérdidas por Carga <strong>de</strong> la Puerta <strong>de</strong>l MOSFET<br />
P gs := mos⋅Q gs ⋅V gs ⋅fs<br />
P gs = 0.9W<br />
233
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Pérdidas por "Capacitancia Parasita" en drenador-fuente<br />
mos<br />
P coos := ⋅C oos ⋅( VB tip ) 2 ⋅fs<br />
P coos = 0.048W<br />
2<br />
Pérdidas por convivencia "Corriente-Tension" (switching losses)<br />
( ) fs⋅( )<br />
P sw := VB tip ⋅ T on ⋅i sw<br />
P sw = 12.119W<br />
Pérdidas individuales <strong>de</strong> M7<br />
P M7 := P on + P gs + P coos + P sw<br />
P M3 = 13.888W<br />
Pérdidas totales <strong>de</strong>s<strong>de</strong> M7 a M10<br />
( ) 4<br />
P M7_10 := P on + P gs + P coos + P sw ⋅ P M7_10 = 80.96W<br />
234
Anexo I<br />
Convertidor BI-Dire<strong>cc</strong>ional modo elevador<br />
Potencia <strong>de</strong> salida<br />
Po := 1500W<br />
Tensiones <strong>de</strong><br />
operación<br />
Vc min := 260V<br />
Vc max := 416V<br />
VB min := 10V<br />
VB max := 16V<br />
Vc tip<br />
VB tip<br />
:= 400V<br />
:= 12V<br />
Vc := Vc min , Vc min + 40V..<br />
Vc max<br />
VB:=<br />
VB min , VB min + 1V..<br />
VB max<br />
Frecuencia y<br />
periodo <strong>de</strong>l<br />
elevador<br />
fs := 100KHz<br />
1<br />
T :=<br />
fs<br />
Relación<br />
<strong>de</strong>transformación<br />
n TR := 1..<br />
16<br />
n sel := 11<br />
Variación <strong>de</strong>l<br />
ciclo <strong>de</strong> trabajo<br />
d := 0.01, 0.01 + 0.01..<br />
1<br />
235
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Arranque modo elevador<br />
Tension <strong>de</strong> salida en<br />
el arranque<br />
( ) := d⋅n TR<br />
Vc A VB, n TR , d<br />
⋅VB<br />
300<br />
260V<br />
200<br />
Vc (V)<br />
100<br />
0<br />
0 0.25 0.5 0.75 1<br />
d<br />
n<br />
. TR := 1<br />
.<br />
n TR := 9<br />
. n TR := 16<br />
NOTA: para no sobrepasar el valor minimo <strong>de</strong> tensión que se <strong>de</strong>be regular en modo elevador<br />
permanente o normal, el valor <strong>de</strong> n TR<br />
no <strong>de</strong>be ser superior 16 vueltas.<br />
236
Anexo I<br />
Permanente ó Normal, modo elevador<br />
Tensión <strong>de</strong> bus<br />
( ) := VB⋅<br />
n TR<br />
V bus n TR , VB<br />
V bus ( n sel , VB tip ) = 132V<br />
Variación <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> salida para distintas relaciones <strong>de</strong> transformación n TR<br />
( ) := VB⋅<br />
n TR<br />
Vc VB, n TR , d<br />
⋅<br />
1<br />
1 − d<br />
600<br />
400<br />
416V<br />
Vc (V)<br />
260V<br />
200<br />
0<br />
0 0.25 0.5 0.75 1<br />
d<br />
n<br />
. TR := 1<br />
.<br />
n TR := 9<br />
. n TR := 16<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo para las tensiones <strong>de</strong> entrada y salida típicas<br />
n sel ⋅VB tip<br />
d := 1 −<br />
d = 0.67<br />
Vc tip<br />
237
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Tensión aplicada a<br />
la bobina<br />
V L ( t) := n sel ⋅VB tip if 0 < t ≤ d⋅T<br />
n sel ⋅VB tip<br />
− Vc tip<br />
if<br />
d⋅T<br />
< t ≤ T<br />
500<br />
V L ( t)<br />
0<br />
500<br />
0 2 . 10 6 4 . 10 6 6 . 10 6 8 . 10 6<br />
t<br />
Cálculo <strong>de</strong> corrientes modo normal elevador<br />
Recor<strong>de</strong>mos la tensión<br />
en una Bobina<br />
V =<br />
d<br />
L⋅<br />
i<br />
d t<br />
I L :=<br />
L := 119.1µH<br />
Po<br />
n sel ⋅VB tip<br />
I L = 11.364A<br />
Rizado<br />
∆i :=<br />
( )<br />
n sel ⋅VB tip<br />
L<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
⋅ 1 −<br />
n sel ⋅VB tip<br />
Vc tip<br />
⎞ ⎟⎠<br />
⋅T<br />
∆i = 7.426A<br />
Corriente <strong>de</strong> pico<br />
∆i<br />
I pk := I L +<br />
2<br />
I pk = 15.076A<br />
Definición <strong>de</strong> las corrientes en el circuito<br />
I 1 ( t)<br />
∆i<br />
:= ⋅t<br />
+ I L −<br />
d⋅T<br />
∆i<br />
2<br />
I 2 ( t)<br />
−∆i<br />
:= ⋅( t − d⋅T)<br />
+ I L +<br />
( 1 − d) ⋅T<br />
∆i<br />
2<br />
I 3 ( t)<br />
∆i<br />
:= ⋅( t − T)<br />
+ I L −<br />
d⋅T<br />
∆i<br />
2<br />
I 4 ( t)<br />
−∆i<br />
:= ⋅( t − d⋅T<br />
− T)<br />
+ I L +<br />
( 1 − d) ⋅T<br />
∆i<br />
2<br />
238
Anexo I<br />
Corriente en la bobina<br />
I L1 ( t) := I 1 ( t) if 0 < t ≤ d⋅T<br />
I 2 ( t) if d⋅T<br />
< t ≤ T<br />
20<br />
16<br />
I L1 ( t)<br />
12<br />
8<br />
4<br />
0<br />
0 2 .10 6 4 .10 6 6 .10 6 8 .10 6<br />
T<br />
T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I L1prom := ⋅⎮<br />
I L1 ( t)<br />
dt<br />
I L1ef := ⋅⎮<br />
I L1 ( t) 2 dt<br />
T ⌡<br />
T ⌡<br />
0 0<br />
I L1prom = 11.364A<br />
I L1ef = 11.565A<br />
t<br />
Corriente en M2<br />
I M2 ( t) := I 1 ( t) if 0 < t ≤ d⋅T<br />
0A<br />
if<br />
d⋅T<br />
< t ≤ T<br />
20<br />
16<br />
I M2 ( t)<br />
12<br />
8<br />
4<br />
0<br />
0 2 . 10 6 4 . 10 6 6 . 10 6 8 . 10 6<br />
t<br />
T<br />
T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I M2prom := ⋅⎮<br />
I M2 ( t)<br />
dt<br />
I M2ef := ⋅⎮<br />
I M2 ( t) 2 dt<br />
T ⌡<br />
T ⌡<br />
0 0<br />
I M2prom = 7.443A<br />
I M2ef = 9.329A<br />
239
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Corriente en D1<br />
I D1 ( t) := 0A if 0 < t ≤ d⋅T<br />
I 2 ( t) if d⋅T<br />
< t ≤ T<br />
20<br />
16<br />
I D1 ( t)<br />
12<br />
8<br />
4<br />
0<br />
0 2 .10 6 4 .10 6 6 .10 6 8 .10 6<br />
T<br />
T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I D1prom := ⋅⎮<br />
I D1 ( t)<br />
dt<br />
I D1ef := ⋅⎮<br />
I D1 ( t) 2 dt<br />
T ⌡<br />
T ⌡<br />
0 0<br />
I D1prom = 3.921A<br />
I D1ef = 6.834A<br />
t<br />
Corriente en D3 y D6 ó D4 y D5<br />
I D3_6 ( t) := I 1 ( t) if 0 < t ≤ d⋅T<br />
I D4_5 ( t) := 0A if 0 < t ≤ T<br />
20<br />
I 2 ( t) if d⋅T<br />
< t ≤ T<br />
0A if T < t ≤ 2T<br />
I 3 ( t) if T < t ≤ T + d⋅T<br />
I 4 ( t) if T + d⋅T<br />
< t ≤ 2T<br />
I D3_6 ( t)<br />
I D4_5 ( t)<br />
16<br />
12<br />
8<br />
4<br />
0<br />
0 4 . 10 6 8 . 10 6 1.2 . 10 5 1.6 . 10 5<br />
t<br />
2T<br />
2T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I D3_6prom := ⋅⎮<br />
I D3_6 ( t)<br />
dt<br />
I D3_6ef := ⋅⎮<br />
I D3_6 ( t) 2 dt<br />
2T ⌡<br />
2T ⌡<br />
0 0<br />
I D3_6prom = 5.68A<br />
I D3_6ef = 8.173A<br />
240
Anexo I<br />
Corriente i p <strong>de</strong>l transformador modo elevador<br />
I p ( t) := I D3_6 ( t) − I D4_5 ( t)<br />
20<br />
I p ( t)<br />
0<br />
20<br />
0 5 . 10 6 1 . 10 5 1.5 . 10 5<br />
t<br />
2T<br />
2T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I pprom := ⋅⎮<br />
I p ( t)<br />
dt<br />
I Tpef := ⋅⎮<br />
I p ( t) 2 dt<br />
2T ⌡<br />
2T ⌡<br />
0 0<br />
I pprom = −1.355× 10 − 15 A<br />
I Tpef = 11.559A<br />
Corriente i s <strong>de</strong>l transformador modo elevador<br />
⋅( )<br />
I s ( t) := n sel I p ( t)<br />
200<br />
I s ( t)<br />
0<br />
200<br />
0 5 . 10 6 1 . 10 5 1.5 . 10 5<br />
t<br />
Nota: falta adicionar la<br />
corriente magnetizante,<br />
ya que esta circula<br />
atraves <strong>de</strong>l secundario<br />
<strong>de</strong>l transformador.<br />
2T<br />
2T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I sprom := ⋅⎮<br />
I s ( t)<br />
dt<br />
I sef := ⋅⎮<br />
I s ( t) 2 dt<br />
2T ⌡<br />
2T ⌡<br />
0 0<br />
I sprom<br />
= 0A<br />
I sef = 127.205A<br />
241
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Corriente en M7 y M10 ó M8 y M9<br />
I M7_10 ( t) := n sel ⋅I 1 ( t)<br />
if 0 < t ≤ d⋅T<br />
I M8_9 ( t) := 0A if 0 < t ≤ T<br />
I M7_10 ( t)<br />
I M8_9 ( t)<br />
200<br />
160<br />
120<br />
80<br />
40<br />
n sel ⋅I 2 ( t)<br />
if<br />
d⋅T<br />
0A if T < t ≤ 2T<br />
< t ≤ T<br />
0<br />
0 4 . 10 6 8 . 10 6 1.2 . 10 5 1.6 . 10 5<br />
t<br />
n sel ⋅I 3 ( t)<br />
if T < t ≤ T + d⋅T<br />
n sel ⋅I 4 ( t)<br />
if T + d⋅T<br />
< t ≤ 2T<br />
2T<br />
2T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I M7_10prom := ⋅⎮<br />
I M7_10 ( t)<br />
dt<br />
I M7_10ef := ⋅⎮<br />
I M7_10 ( t) 2 dt<br />
2T ⌡<br />
2T ⌡<br />
0 0<br />
I M7_10prom = 62.477A<br />
I M7_10ef = 89.948A<br />
Corriente <strong>de</strong>mandada por el convertidor antes <strong>de</strong> entrar al transformador en modo elevador<br />
(corriente en batería)<br />
I srec ( t) := n sel I D3_6 ( t) + I D4_5 ( t)<br />
⋅( )<br />
200<br />
I srec ( t)<br />
100<br />
0<br />
0 5 .10 6 1 .10 5 1.5 .10 5<br />
t<br />
2T<br />
2T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I srecprom := ⋅⎮<br />
I srec ( t)<br />
dt<br />
I srecef := ⋅⎮<br />
I srec ( t) 2 dt<br />
2T ⌡<br />
2T ⌡<br />
0 0<br />
I srecprom = 124.955A<br />
I srecef = 127.205A<br />
242
Anexo I<br />
Con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> entrada VB<br />
Recor<strong>de</strong>mos la tensión<br />
en un con<strong>de</strong>nsador<br />
V = 1 ⌠<br />
⎮<br />
C<br />
⋅<br />
⌡<br />
i d t<br />
Rizado <strong>de</strong> tensión (%)<br />
Cálculo <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores modo elevador<br />
Corriente en con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> entrada<br />
⎛<br />
⎝<br />
Po<br />
I CB ( t) := −⎜<br />
I srec ( t)<br />
−<br />
VB tip<br />
1<br />
∆ CB :=<br />
100 VB tip<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
∆ CB = 0.12V<br />
Cálculo <strong>de</strong> Capacitancia<br />
Ec. Rizado <strong>de</strong> tensión<br />
en con<strong>de</strong>nsador<br />
( 1+<br />
d)<br />
⋅T<br />
⌠<br />
−1 ⎮ 2<br />
CB := ⋅⎮<br />
I CB ( t)<br />
dt<br />
∆ CB ⎮<br />
⌡d⋅T<br />
2<br />
t<br />
1 ⌠<br />
V CB ( t)<br />
:= ⋅⎮<br />
I CB ( t)<br />
dt<br />
CB ⌡ 0<br />
CB = 850.964× 10 − 6 F<br />
100<br />
60<br />
d⋅T<br />
2<br />
( 1+<br />
d)<br />
2<br />
⋅T<br />
I CB ( t)<br />
20<br />
20<br />
0<br />
60<br />
100<br />
0 4 .10 6 8 .10 6 1.2 .10 5 1.6 .10 5<br />
t<br />
Corriente promedio y eficaz en con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> entrada<br />
2T<br />
1 ⌠<br />
I CBprom := ⋅⎮<br />
I CB ( t)<br />
dt<br />
2T ⌡ 0<br />
2T<br />
1 ⌠<br />
I CBef := ⋅⎮<br />
I CB ( t) 2 dt<br />
2T ⌡ 0<br />
I CBprom = 0.045A<br />
I CBef = 23.577A<br />
243
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
0.1<br />
0.07<br />
d⋅T<br />
2<br />
( 1+<br />
d)<br />
⋅T<br />
2<br />
V CB ( t)<br />
0.04<br />
0.01<br />
0<br />
0.02<br />
0.05<br />
0 4 . 10 6 8 . 10 6 1.2 . 10 5 1.6 . 10 5<br />
t<br />
Con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida Cc<br />
Corriente en<br />
con<strong>de</strong>nsador<br />
I Cc ( t) I M2prom − I M2 ( t)<br />
:= ( )<br />
T<br />
1 ⌠<br />
I Ccprom := ⋅⎮<br />
I Cc ( t)<br />
dt<br />
T ⌡ 0<br />
I Ccprom = −2.711× 10 − 15 A<br />
T<br />
1 ⌠<br />
I Ccef := ⋅⎮<br />
I Cc ( t) 2 dt<br />
T ⌡ 0<br />
I Ccef = 5.624A<br />
Rizado <strong>de</strong> tensión (%)<br />
1<br />
∆ Cc :=<br />
100 Vc tip<br />
∆ Cc = 4V<br />
Cálculo <strong>de</strong> Capacitancia<br />
T<br />
1 ⌠<br />
Cc := ⋅⎮<br />
I Cc ( t)<br />
dt<br />
∆ Cc ⌡<br />
d⋅T<br />
Cc = 6.141× 10 − 6 F<br />
Recor<strong>de</strong>mos la tensión<br />
en un con<strong>de</strong>nsador<br />
TOL<br />
TOL :=<br />
10000<br />
Tolerancia<br />
en el cálculo<br />
Nota : puse el límite<br />
superior a ojo<br />
V = 1 ⌠<br />
⎮<br />
C<br />
⋅<br />
⌡<br />
i d t<br />
t<br />
1 ⌠<br />
V Cc ( t)<br />
:= ⋅⎮<br />
I Cc ( t)<br />
dt<br />
Cc ⌡<br />
0<br />
Ec. Rizado <strong>de</strong> tensión<br />
en con<strong>de</strong>nsador<br />
TOL := TOL⋅<br />
10000<br />
244
Anexo I<br />
15<br />
9<br />
I Cc ( t)<br />
V Cc ( t)<br />
3<br />
3<br />
0<br />
9<br />
15<br />
0 2 .10 6 4 .10 6 6 .10 6 8 .10 6<br />
t<br />
Con<strong>de</strong>nsador intermedio C bus<br />
Corriente en con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida<br />
Recor<strong>de</strong>mos la tensión<br />
en un con<strong>de</strong>nsador<br />
V = 1 ⌠<br />
⎮<br />
C<br />
⋅<br />
⌡<br />
i d t<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
I Cbus ( t) := − I D3_6 ( t) + I D4_5 ( t)<br />
−<br />
Po<br />
n sel ⋅VB tip<br />
⎞ ⎟⎠<br />
Rizado <strong>de</strong> tensión (%)<br />
Cálculo <strong>de</strong> Capacitancia<br />
Ec. Rizado <strong>de</strong> tensión<br />
en con<strong>de</strong>nsador<br />
1<br />
∆ Cbus :=<br />
100 n sel⋅VB tip<br />
∆ Cbus = 1.32V<br />
( 1+<br />
d)<br />
⋅T<br />
⌠<br />
−1<br />
⎮ 2<br />
C bus := ⋅⎮<br />
I Cbus ( t)<br />
dt<br />
∆ CB ⎮<br />
⌡d⋅T<br />
C bus = 77.36× 10 − 6 F<br />
2<br />
t<br />
1 ⌠<br />
V Cbus ( t)<br />
:= ⋅⎮<br />
I Cbus ( t)<br />
dt<br />
C bus ⌡<br />
0<br />
245
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
10<br />
6<br />
d⋅T<br />
2<br />
( 1+<br />
d)<br />
2<br />
⋅T<br />
I Cbus ( t)<br />
2<br />
2<br />
0<br />
6<br />
10<br />
0 4 .10 6 8 .10 6 1.2 .10 5 1.6 .10 5<br />
t<br />
Corriente promedio y eficaz en con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida<br />
2T<br />
2T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I Cbusprom := ⋅⎮<br />
I Cbus ( t)<br />
dt<br />
I Cbusef := ⋅⎮<br />
I Cbus ( t) 2 dt<br />
2T ⌡<br />
2T ⌡<br />
0 0<br />
I Cbusprom = 4.114× 10 − 3 A<br />
I Cbusef = 2.137A<br />
0.1<br />
0.07<br />
d⋅T<br />
2<br />
( 1+<br />
d)<br />
2<br />
⋅T<br />
V Cbus ( t)<br />
0.04<br />
0.01<br />
0<br />
0.02<br />
0.05<br />
0 4 .10 6 8 .10 6 1.2 .10 5 1.6 .10 5<br />
t<br />
246
Anexo I<br />
Cálculo <strong>de</strong> pérdidas ensemiconductores <strong>de</strong>l<br />
convertidor en modo elevador<br />
Pérdidas M1 y D2<br />
MOSFETs en<br />
Paralelo<br />
Tensión<br />
Puerta-Fuente<br />
Tensión<br />
Drenador-Fuente<br />
Frecuencia<br />
mos := 3<br />
V gs := 15V<br />
Vc tip fs = 1 × 10 5 Hz<br />
Corrientes en las<br />
Conmutaciones<br />
∆i<br />
∆i<br />
i sw := I L − i sw2 := I L +<br />
2<br />
2<br />
Datos <strong>de</strong>l diodo D1 que en realidad es MOSFET M1<br />
IRFPS43N50K<br />
R on := 2⋅78⋅<br />
10 − 3 ⋅Ω<br />
T on := 140⋅<br />
10 − 9 s<br />
C oos := 200⋅<br />
10 − 12 F<br />
Q gs := 350⋅<br />
10 − 9<br />
T off := 74⋅<br />
10 − 9 s<br />
C<br />
SPA11N60C3<br />
R on := 1.8⋅ 340⋅<br />
10 − 3 Ω<br />
C oos := 40⋅<br />
10 − 12 F<br />
Q gs := 45⋅<br />
10 − 9 C<br />
T on := 5⋅10 − 9 s<br />
T off := 5⋅10 − 9 s<br />
Pérdidas por condu<strong>cc</strong>ión<br />
R on<br />
P on := ⋅( I D1ef ) 2<br />
P on = 9.529W<br />
mos<br />
Pérdidas por Carga <strong>de</strong> la Puerta <strong>de</strong>l MOSFET<br />
P gs := mos⋅Q gs ⋅V gs ⋅fs<br />
P gs = 0.203W<br />
Pérdidas por "Capacitancia Parasita" en drenador-fuente<br />
mos<br />
2<br />
P coos := ⋅C oos ⋅Vc tip ⋅fs<br />
P coos = 0.96W<br />
2<br />
247
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Pérdidas por convivencia "Corriente-Tension" (switching losses)<br />
Vc tip<br />
P sw := ⋅fs⋅( T on ⋅i sw + T off ⋅i sw2 )<br />
P sw = 2.273W<br />
2<br />
Pérdidas totales <strong>de</strong> M1<br />
P TM1 := P on + P gs + P coos + P sw<br />
P TM1 = 12.964W<br />
Datos <strong>de</strong>l MOSFET M2<br />
mos := 3<br />
SPA11N60C3<br />
R on := 1.8⋅ 340⋅<br />
10 − 3 Ω<br />
C oos := 40⋅<br />
10 − 12 F<br />
Q gs := 45⋅<br />
10 − 9 C<br />
T on := 5⋅10 − 9 s<br />
T off := 5⋅10 − 9 s<br />
IRFPS43N50K<br />
R on := 2⋅78⋅<br />
10 − 3 Ω<br />
C oos := 200⋅<br />
10 − 12 F<br />
Q gs := 350⋅<br />
10 − 9 C<br />
R on := 1.8⋅ 250⋅<br />
10 − 3 Ω<br />
C oos := 50⋅<br />
10 − 12 F<br />
Q gs := 39⋅<br />
10 − 9 C<br />
T on := 140⋅<br />
10 − 9 s<br />
T off := 74⋅<br />
10 − 9 s<br />
STP20NM60<br />
T on := 20⋅<br />
10 − 9 s<br />
T off := 11⋅<br />
10 − 9 s<br />
Pérdidas por condu<strong>cc</strong>ión<br />
R on<br />
P on :=<br />
mos<br />
⋅( ) 2<br />
I M2ef<br />
P on = 13.055W<br />
Pérdidas por Carga <strong>de</strong> la Puerta <strong>de</strong>l MOSFET<br />
P gs := mos⋅Q gs ⋅V gs ⋅fs<br />
P gs = 0.176W<br />
248
Anexo I<br />
Pérdidas por "Capacitancia Parasita" en drenador-fuente<br />
mos<br />
2<br />
P coos := ⋅C oos ⋅Vc tip ⋅fs<br />
P coos = 1.2W<br />
2<br />
Pérdidas por convivencia "Corriente-Tension" (switching losses)<br />
Vc tip<br />
P sw := ⋅fs⋅( T on ⋅i sw )<br />
P sw = 3.06W<br />
2<br />
Pérdidas totales <strong>de</strong> D2<br />
P TD2 := P on + P gs + P coos + P sw<br />
P TD2 = 17.49W<br />
Pérdidas D3 - D6<br />
MOSFETs en<br />
Paralelo<br />
Tensión<br />
Puerta-Fuente<br />
mos := 2<br />
V gs := 15V Vbus n TR<br />
Corrientes en las<br />
Conmutaciones<br />
Tensión<br />
Drenador-Fuente<br />
( ) := n TR ⋅VB tip<br />
∆i<br />
i sw := I L −<br />
2<br />
Frecuencia<br />
fs<br />
f t :=<br />
2<br />
f t = 5 × 10 4 Hz<br />
Datos <strong>de</strong>l MOSFET M3<br />
IRFP264<br />
R on := 1.75⋅ 75⋅<br />
10 3 ⋅Ω<br />
n sel := 7..<br />
10 V ds = 250V<br />
C oos := 140⋅<br />
10 12 F<br />
T on := 99⋅<br />
10 9 s<br />
Q gs := 210⋅<br />
10 9 C<br />
T off := 92⋅<br />
10 9 s<br />
STP40NS15<br />
R on := 1.8⋅ 44⋅<br />
10 3 ⋅Ω<br />
n sel := 7<br />
V ds = 150V<br />
C oos := 380⋅<br />
10 12 F<br />
T on := 45⋅<br />
10 9 s<br />
Q gs := 100⋅<br />
10 9 C<br />
T off := 35⋅<br />
10 9 s<br />
249
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
PSMN020-150W<br />
R on := 1.8⋅ 20⋅<br />
10 − 3 ⋅Ω<br />
n sel := 7<br />
V ds = 150V<br />
C oos := 854⋅<br />
10 − 12 F<br />
T on := 79⋅<br />
10 − 9 s<br />
Q gs := 227⋅<br />
10 − 9 C<br />
T off := 101⋅<br />
10 − 9 s<br />
PSMN030-150W<br />
R on := 1.8⋅ 30⋅<br />
10 − 3 ⋅Ω<br />
n sel := 7<br />
V ds = 150V<br />
C oos := 140⋅<br />
10 − 12 F<br />
T on := 71⋅<br />
10 − 9 s<br />
Q gs := 98⋅<br />
10 − 9 C<br />
T off := 76⋅<br />
10 − 9 s<br />
IRFP360LC<br />
R on := 1.75⋅ 200⋅<br />
10 − 3 ⋅Ω<br />
n sel := 11 V ds = 400V<br />
C oos := 500⋅<br />
10 − 12 F<br />
T on := 75⋅<br />
10 − 9 s<br />
Q gs := 110⋅<br />
10 − 9 C<br />
T off := 50⋅<br />
10 − 9 s<br />
FQA35N40<br />
R on := 1.8⋅ 80⋅<br />
10 − 3 ⋅Ω<br />
n sel := 15 V ds = 400V<br />
C oos := 750⋅<br />
10 − 12 F<br />
T on := 360⋅<br />
10 − 9 s<br />
Q gs := 110⋅<br />
10 − 9 C<br />
T off := 190⋅<br />
10 − 9 s<br />
FDH34N40<br />
R on := 1.8⋅ 106⋅<br />
10 − 3 ⋅Ω<br />
n sel := 11 V ds = 400V<br />
C oos := 500⋅<br />
10 − 12 F<br />
T on := 72⋅<br />
10 − 9 s<br />
Q gs := 57⋅<br />
10 − 9 C<br />
T off := 58⋅<br />
10 − 9 s<br />
STW18NB40<br />
R on := 1.8⋅ 190⋅<br />
10 3 ⋅Ω<br />
n sel := 11 V ds = 400V<br />
C oos := 500⋅<br />
10 12 F<br />
T on := 14⋅<br />
10 9 s<br />
Q gs := 60⋅<br />
10 9 C<br />
T off := 15⋅<br />
10 9 s<br />
250
Anexo I<br />
Pérdidas por condu<strong>cc</strong>ión<br />
R on<br />
P on :=<br />
mos<br />
⋅( ) 2<br />
I D3_6ef<br />
P on = 11.423W<br />
Pérdidas por Carga <strong>de</strong> la Puerta <strong>de</strong>l MOSFET<br />
P gs := mos⋅Q gs ⋅V gs ⋅fs<br />
P gs = 0.18W<br />
Pérdidas por "Capacitancia Parasita" en drenador-fuente<br />
mos<br />
P coos := ⋅C oos ⋅<br />
2<br />
( ) 2<br />
n sel ⋅VB tip<br />
⋅fs<br />
P coos = 0.871W<br />
Pérdidas por convivencia "Corriente-Tension" (switching losses)<br />
P sw :=<br />
( ) ⋅fs⋅( )<br />
n sel ⋅VB tip<br />
T on ⋅i sw<br />
P sw = 1.414W<br />
Pérdidas individuales <strong>de</strong> M3<br />
P M3 := P on + P gs + P coos + P sw<br />
P M3 = 13.888W<br />
Pérdidas totales <strong>de</strong>s<strong>de</strong> M3 a M6<br />
( ) 4<br />
P M3_6 := P on + P gs + P coos + P sw ⋅<br />
P M3_6 = 55.553W<br />
251
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Pérdidas M7 - M10<br />
Están representados diodos aunque en realidad son MOSFETs<br />
MOSFETs en<br />
Paralelo<br />
Tensión<br />
Puerta-Fuente<br />
Tensión<br />
Drenador-Fuente<br />
Frecuencia<br />
mos := 3<br />
V gs := 15V<br />
VB tip f t = 5 × 10 4 Hz<br />
Corrientes en las<br />
Conmutaciones<br />
⎛<br />
⎝<br />
∆i<br />
i sw := ⎜ I L −<br />
2<br />
⎞ ⎟⎠ ⋅n sel<br />
Datos <strong>de</strong>l MOSFET M7<br />
FDB7045L<br />
R on := 1.2⋅ 4.5⋅<br />
10 3 ⋅Ω<br />
n sel := 11 V ds = 30V<br />
C oos := 1000⋅<br />
10 12 F T on := 114⋅<br />
10 9 s<br />
Q gs := 50⋅<br />
10 9 C<br />
T off := 115⋅<br />
10 9 s<br />
ISL9N302AP3<br />
R on := 1.25⋅ 3.6⋅<br />
10 3 ⋅Ω<br />
n sel := 11 V ds = 30V<br />
C oos := 800⋅<br />
10 12 F<br />
T on := 67⋅<br />
10 9 s<br />
Q gs := 70⋅<br />
10 9 C<br />
T off := 19⋅<br />
10 9 s<br />
ISL9N302AS3ST<br />
R on := 1.4⋅ 1.9⋅<br />
10 3 ⋅Ω<br />
n sel := 11 V ds = 30V<br />
C oos := 2200⋅<br />
10 12 F T on := 120⋅<br />
10 9 s<br />
Q gs := 200⋅<br />
10 9 C<br />
T off := 34⋅<br />
10 9 s<br />
Pérdidas por condu<strong>cc</strong>ión<br />
R on<br />
P on := ⋅( I M7_10ef ) 2 P on = 7.174W<br />
mos<br />
Pérdidas por Carga <strong>de</strong> la Puerta <strong>de</strong>l MOSFET<br />
P gs := mos⋅Q gs ⋅V gs ⋅fs<br />
P gs = 0.9W<br />
252
Anexo I<br />
Pérdidas por "Capacitancia Parasita" en drenador-fuente<br />
mos<br />
P coos := ⋅C oos ⋅( VB tip ) 2 ⋅fs<br />
P coos = 0.048W<br />
2<br />
Pérdidas por convivencia "Corriente-Tension" (switching losses)<br />
( ) fs⋅( )<br />
P sw := VB tip ⋅ T on ⋅i sw<br />
P sw = 12.119W<br />
Pérdidas individuales <strong>de</strong> M7<br />
P M7 := P on + P gs + P coos + P sw<br />
P M3 = 13.888W<br />
Pérdidas totales <strong>de</strong>s<strong>de</strong> M7 a M10<br />
( ) 4<br />
P M7_10 := P on + P gs + P coos + P sw ⋅ P M7_10 = 80.96W<br />
253
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Transición Arranque-Normal modo elevador<br />
( ) := d⋅n TR<br />
Vc A VB, n TR , d<br />
( ) := VB⋅<br />
n TR<br />
Vc VB, n TR , d<br />
⋅VB<br />
⋅<br />
1<br />
2 − d<br />
Variación <strong>de</strong>l<br />
ciclo <strong>de</strong> trabajo<br />
d := 0.01, 0.01 + 0.01..<br />
2<br />
( ) := Vc A ( VB, n TR , d) if 0 d<br />
( , , d) if 1 d ≤<br />
Vc T VB, n TR , d<br />
Vc VB n TR<br />
< ≤ 1<br />
< 2<br />
600<br />
1<br />
416V<br />
400<br />
Vc (V)<br />
260V<br />
200<br />
0<br />
0 0.5 1 1.5 2<br />
d<br />
.<br />
.<br />
.<br />
254
Anexo II<br />
Anexo II Hoja <strong>de</strong> cálculo Capítulo 4<br />
PUENTE COMPLETO CON RECTIFICADOR<br />
DOBLADOR DE CORRIENTE (MODO REDUCTOR)<br />
Potencia <strong>de</strong> salida<br />
Po := 500W<br />
Tensiones <strong>de</strong><br />
operación<br />
Control por <strong>de</strong>splazamiento <strong>de</strong> fase<br />
Frecuencia <strong>de</strong> conmutación<br />
1<br />
fs := 100KHz T :=<br />
fs<br />
Relación <strong>de</strong> vueltas<br />
Ns := 1<br />
Np := 1..<br />
9<br />
Vc min := 260V VB min := 10V Vc tip := 400V<br />
Vc max := 416V VB max := 16V VB tip := 12V<br />
Vc := Vc min , Vc min + 40V..<br />
Vc max<br />
VB:=<br />
VB min , VB min + 1V..<br />
VB max<br />
Nsel := 7<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo<br />
d( Np, Vc,<br />
VB)<br />
:=<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
2⋅( VB)<br />
Ns<br />
Np<br />
⎞ ⎟⎠ ⋅( Vc)<br />
Nota: d = 1 = 180º = T/2 = φ<br />
El filtro <strong>de</strong> salida solo ve como<br />
un Buck en la entrada<br />
1.2<br />
1.03<br />
Variación <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo "d"<br />
Nsel<br />
( )<br />
d Np , Vc 0.86<br />
min<br />
, VB max<br />
( )<br />
d Np , Vc min<br />
, VB min<br />
0.69<br />
( )<br />
d Np , Vc tip<br />
, VB tip<br />
0.51<br />
0.34<br />
0.17<br />
0<br />
0 2 4 6 8 10<br />
Np<br />
( ) = 0.42<br />
d Nsel, Vc tip , VB tip<br />
255
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Corriente promedio<br />
en cada bobina<br />
Variación <strong>de</strong> la Inductancia en la Bobina<br />
I L1 ( VB)<br />
:=<br />
Po<br />
2⋅VB<br />
Rizado Riz:= 1 ∆i( VB) := Riz⋅<br />
I L1 ( VB)<br />
L 1 ( Np, Vc,<br />
VB)<br />
:=<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
Vc⋅<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
Ns<br />
Np<br />
⎞ ⎟⎠<br />
− VB ⋅<br />
⎤ ⎥⎦ d Np Vc<br />
∆i( VB)<br />
T<br />
( , , VB)<br />
⋅<br />
2<br />
2<br />
L X ( Np, Vc,<br />
VB)<br />
:= ⋅<br />
Po<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
VB 2 −<br />
VB3 ⋅ Np<br />
Vc<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
1<br />
⋅<br />
fs<br />
1 . 10 5<br />
Nsel<br />
( )<br />
L 8 .10 6<br />
1<br />
Np , Vc max<br />
, VB max<br />
( )<br />
L 1<br />
Np , Vc min<br />
, VB min<br />
( )<br />
L 1<br />
Np , Vc tip<br />
, VB tip<br />
( )<br />
6 . 10 6<br />
L X<br />
Np , Vc max<br />
, VB max<br />
4 . 10 6<br />
2 .10 6<br />
0 2 4 6 8 10<br />
Np<br />
NOTA: Cualquier rizado esta<br />
consi<strong>de</strong>rado <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> este valor <strong>de</strong> "L"<br />
( ) 7.483 10 − 6<br />
L 1 Nsel, Vc max , VB max =<br />
× H<br />
256
Anexo II<br />
MODO ELEVADOR<br />
El convertidor doblador <strong>de</strong> corriente funcionando en modo inverso, se comporta como<br />
un convertidor Boost, pero con la diferencia <strong>de</strong> que se <strong>de</strong>ben disparar los interruptores<br />
con un ciclo <strong>de</strong> trabajo mayor ó igual al 50% para que exista flujo <strong>de</strong> energía <strong>de</strong>s<strong>de</strong> VB<br />
hacia el con<strong>de</strong>nsador Cc <strong>de</strong> salida.<br />
Si queremos trabjar con ciclos <strong>de</strong> trabajo inferiores al 50% es necesario colocar dos<br />
<strong>de</strong>vanados auxiliares en las bobinas <strong>de</strong>l converidor para que estas funciones como<br />
<strong>convertidores</strong> Flyback in<strong>de</strong>pendientes. Esto a<strong>de</strong>más es útil al momento <strong>de</strong> arrancar el<br />
convertidor, ya que es posible arrancar <strong>de</strong>s<strong>de</strong> tensión cero en el con<strong>de</strong>nsador y tener la<br />
capacidad <strong>de</strong> regular la tensión <strong>de</strong> salida.<br />
Funcionando con d >= 50% (Funcionamiento Normal)<br />
Po = 500W fs = 1 × 10 5 Hz T = 1 × 10 − 5 s<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo<br />
d( Np, Vc,<br />
VB) := 1 −<br />
Np<br />
( VB)<br />
⋅⎛<br />
⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ Ns ⎠<br />
Vc<br />
Nota: d = 1 = 360º = T = 2 π<br />
Para cada convertidor Boost<br />
1<br />
0.94<br />
Nsel<br />
( )<br />
0.89<br />
d Np , Vc max<br />
, VB min<br />
( )<br />
0.83<br />
d Np , Vc max<br />
, VB max<br />
( )<br />
d Np , Vc tip<br />
, VB tip<br />
0.77<br />
0.71<br />
0.66<br />
0.6<br />
0 2 4 6 8 10<br />
Np<br />
( ) 0.79<br />
d Nsel, Vc tip , VB tip =<br />
257
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Funcionando con d
Anexo II<br />
Relación <strong>de</strong> Transformación en Flyback´s + Boost<br />
Calculamos la relación <strong>de</strong> transformación en el convertidor Flyback para que nos <strong>de</strong> una<br />
tensión <strong>de</strong> salida mayor o igual que VTR con ciclo <strong>de</strong> trabajo al 50%., con esto nos<br />
aseguramos que en el momento que se produzca la transición <strong>de</strong> un modo Flyback+Boost<br />
a modo Boost, la tensión en la salida será <strong>de</strong> valor a<strong>de</strong>cuado.<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo<br />
y tensión <strong>de</strong><br />
transición<br />
d TR = 0.5<br />
V TR ( Nsel,<br />
VB tip ) = 168V<br />
Vueltas Flyback para conseguir una transición a<strong>de</strong>cuada en modo UP<br />
⎛ Np ⎞<br />
⎜ ⎟⎠<br />
⎝ Ns<br />
nF( Np)<br />
:=<br />
d TR<br />
NOTA: es importante asegurar que la tensión en el diodo Flyback no valla a conducir en<br />
modo reductor, para eso, se <strong>de</strong>be cumplir la siguiente condición: nF
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Vueltas primario Nsel = 7<br />
Vueltas Flyback<br />
Vueltas Down<br />
nF( Nsel) = 14<br />
( ) floor( nF Down ( Nsel, Vc max , VB min ))<br />
nF Down Nsel, Vc max , VB min :=<br />
( ) = 8<br />
nF Down Nsel, Vc max , VB min<br />
nF( Np)<br />
( )<br />
nF Down<br />
Np , Vc max<br />
, VB min<br />
( )<br />
nF Down<br />
Np , Vc tip<br />
, VB tip<br />
Igualamos vueltas nF<br />
a la mas restrictivas<br />
16<br />
15<br />
14<br />
13<br />
12<br />
11<br />
10<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8<br />
Np<br />
( )<br />
nF( Np) := nF Down Np, Vc max , VB min<br />
nF( Np)<br />
( )<br />
nF Down<br />
Np , Vc max<br />
, VB min<br />
12<br />
11<br />
10<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8<br />
Np<br />
260
Anexo II<br />
Nsel = 7<br />
Arranque I<br />
Variación <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> salida en modo elevador<br />
V FbkBoost ( Np, VB,<br />
d)<br />
:=<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
d := 0.01, 0.01 + 0.01..<br />
0.98<br />
2⋅VB⋅<br />
d<br />
1 − 2⋅d<br />
nF( Np)<br />
d<br />
+ ⎞<br />
Np ⎟⎠<br />
Para d
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Particularización <strong>de</strong> la ganancia <strong>de</strong>l convertidor para nF = Np<br />
en Tramo I <strong>de</strong>l Arranque<br />
(Convertidor Flyback con 2ble Ganancia)<br />
Nsel = 7<br />
d<br />
V FbkBoost ( Np, VB,<br />
d) := 2⋅VB⋅<br />
Np⋅<br />
Para d
Anexo II<br />
Evaluación <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> transición variando nF<br />
NF := 5..<br />
Nsel<br />
V sal ( Np, NF, VB,<br />
d)<br />
:=<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
2⋅VB⋅<br />
d<br />
1 − 2⋅d<br />
NF<br />
+<br />
d<br />
Np<br />
⎞ ⎟⎠<br />
200<br />
180<br />
( )<br />
V sal<br />
Nsel, 5, VB tip<br />
, d<br />
( )<br />
V sal<br />
Nsel, 6, VB tip<br />
, d<br />
( )<br />
V sal<br />
Nsel, 7, VB tip<br />
, d<br />
( )<br />
V sal<br />
Nsel, 8, VB tip<br />
, d<br />
160<br />
140<br />
120<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5<br />
Nota: En la gráfica anterior, se aprecia que la máxima<br />
tensión a la que se llega en la transición (d=50%), es<br />
in<strong>de</strong>pendiente <strong>de</strong> nF.<br />
También, es observable que mientras nF sea mas<br />
gran<strong>de</strong>, la ganancia <strong>de</strong>l convertidor en este tramo<br />
<strong>de</strong> operación, será mayor.<br />
d<br />
263
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
TENSIONES<br />
EN MOSFET<br />
DOWN<br />
UP FLYBACK<br />
Np := 1..<br />
9<br />
Tensiones <strong>de</strong> bloqueo en Diodos y MOSFETS<br />
V M5Down ( Np,<br />
Vc) := Vc⋅<br />
Ns<br />
Np<br />
1<br />
V M5UP_FB ( Np, Vc,<br />
VB) := VB + Vc⋅<br />
nF( Np)<br />
Nsel = 7<br />
500<br />
V M5Down ( Np , Vc max )<br />
( )<br />
V M5UP_FB<br />
Np , Vc max<br />
, VB max<br />
400<br />
300<br />
200<br />
Nsel<br />
100<br />
0<br />
0 1.43 2.86 4.29 5.71 7.14 8.57 10<br />
Np<br />
Máxima tensión <strong>de</strong> bloqueo MOS<br />
( ) 68V<br />
V M5UP_FB Nsel, Vc max , VB max =<br />
TENSION<br />
EN DIODOS<br />
UP FLYBACK<br />
UP<br />
nF( Np)<br />
V DFB ( Np, Vc,<br />
VB) := Vc + ⋅VB<br />
1<br />
V DUP ( Np, Vc,<br />
VB) := Vc<br />
Vc − ⎛<br />
⎜ − VB⎞<br />
⎟ nF Np<br />
⎝ Np ⎠ ⋅ ( )<br />
600<br />
Nsel<br />
( )<br />
V DFB<br />
Np , Vc max<br />
, VB max<br />
( )<br />
V DUP<br />
Np , Vc min<br />
, VB max<br />
( )<br />
V DUP<br />
Np , Vc max<br />
, VB min<br />
400<br />
200<br />
0<br />
0 2 4 6 8 10<br />
Np<br />
CUIDADO: Si la tension se hace negativa,<br />
significa que conduciría el diodo en modo<br />
elevador <strong>de</strong>spues <strong>de</strong>l arranque y en modo<br />
reductor, regresando energía a la entrada<br />
( ) 0.667V<br />
V DUP 6, Vc max , VB min =<br />
264
Anexo II<br />
Observaciones:<br />
_ Es conveniente que Np sea <strong>de</strong> un valor en el que se pueda tener variación <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong><br />
salida <strong>de</strong>s<strong>de</strong> 260V hasta 400V.<br />
_ Para MOSFETs <strong>de</strong> BT, es conveniente que la tensión <strong>de</strong> bloqueo no pase <strong>de</strong> 100V para<br />
po<strong>de</strong>r sele<strong>cc</strong>ionarlos <strong>de</strong> baja resistencia en condu<strong>cc</strong>ión (Np>=6 para MOS <strong>de</strong> 100V)<br />
_ Para los Diodos, es conveniente no pasar <strong>de</strong> Np=7 para que se puedan utilizar <strong>de</strong> 600V<br />
TENSION<br />
EN DIODOS<br />
UP FLYBACK<br />
Down<br />
V DFB ( Np, Vc,<br />
VB) := Vc +<br />
V DDown ( Np, Vc,<br />
VB) := Vc −<br />
( Np)<br />
⋅VB<br />
1<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎞ ⎟⎠ Np<br />
Vc<br />
− VB ⋅( )<br />
Np<br />
600<br />
Nsel<br />
( )<br />
V DFB<br />
Np , Vc tip<br />
, VB tip<br />
( )<br />
V DDown<br />
Np , Vc tip<br />
, VB tip<br />
400<br />
200<br />
0<br />
0 2 4 6 8 10<br />
Np<br />
265
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Puente completo con rectificador<br />
Doblador <strong>de</strong> Corriente<br />
Vc := 400V<br />
VB:=<br />
14V<br />
Po := 500W<br />
Tensión aplicada a<br />
las bobinas<br />
V L1 ( t) := ( Vc⋅<br />
n − VB) if 0 < t ≤ d⋅<br />
T 2<br />
−VB<br />
if d⋅<br />
T < t ≤ T<br />
2<br />
Modo reductor<br />
Control por <strong>de</strong>splazamiento <strong>de</strong> fase<br />
1<br />
T :=<br />
fs<br />
d :=<br />
fs := 100KHz<br />
2⋅VB<br />
n⋅Vc<br />
T = 1 × 10 − 5 s<br />
d = 0.49<br />
d⋅0.5<br />
= 0.245<br />
T<br />
V L2 ( t) := −VB<br />
if 0 < t ≤<br />
2<br />
( Vc⋅<br />
n − VB)<br />
if<br />
T<br />
−VB if ⎛<br />
⎜ +<br />
⎝ 2<br />
Nota: d = 1 = 180º = T/2 = φ<br />
El filtro <strong>de</strong> salida solo ve como<br />
un Buck en la entrada<br />
T<br />
2<br />
d⋅<br />
T 2<br />
< t<br />
⎞ ⎟⎠<br />
T<br />
≤ ⎛<br />
⎜ +<br />
⎝ 2<br />
< t ≤ T<br />
Np := 7<br />
Ns := 1<br />
Ns<br />
n :=<br />
Np<br />
d⋅<br />
T 2<br />
⎞ ⎟⎠<br />
V L1<br />
( t)<br />
V L2<br />
( t)<br />
50<br />
0<br />
50<br />
0 2 .10 6 4 .10 6 6 .10 6 8 .10 6<br />
t<br />
266
Anexo II<br />
Recor<strong>de</strong>mos la tensión<br />
en una Bobina<br />
V =<br />
d<br />
L⋅<br />
i<br />
d t<br />
Cálculo <strong>de</strong> corrientes<br />
I LA :=<br />
Riz:=<br />
1<br />
Po<br />
2⋅VB<br />
I LA = 17.857A<br />
∆i := Riz⋅<br />
I LA<br />
∆i = 17.857A<br />
Corriente <strong>de</strong> pico<br />
∆i<br />
I pk := I LA +<br />
2<br />
L A := 7.483µH<br />
I pk = 26.786A<br />
NOTA : El valor <strong>de</strong> L1 se calcula en la hoja <strong>de</strong> estreses para todas las tensiones <strong>de</strong><br />
entrada y salida <strong>de</strong>l convertidor resultando<br />
Definición <strong>de</strong> las corrientes en el circuito<br />
2⋅∆i<br />
∆i<br />
I 1 ( t)<br />
:= ⋅t<br />
+ I<br />
d⋅T<br />
LA −<br />
2<br />
2⋅∆i<br />
I 4 ( t)<br />
⎛ T<br />
t − ⎞ ∆i<br />
:= ⋅⎜<br />
⎟⎠ + I<br />
−∆i<br />
I 2 ( t)<br />
t d T d⋅T<br />
⎝ 2 LA −<br />
2<br />
⎛ − ⋅ ⎞ ∆i<br />
:=<br />
⋅⎜<br />
⎛ d<br />
1 − ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ 2 ⎠ ⋅T<br />
2 ⎟⎠ + I LA +<br />
⎝<br />
2<br />
−∆i T<br />
I 5 ( t)<br />
:=<br />
⋅⎛<br />
⎜ t − − d⋅<br />
T ⎞<br />
⎛ d<br />
−∆i T<br />
I 3 ( t)<br />
⋅⎛<br />
⎜ t − ⎞ ∆i<br />
⎜ 1 − ⎞<br />
⎟<br />
:=<br />
⎟⎠ + I<br />
⎛ d<br />
⎜ 1 − ⎞<br />
⎟<br />
⎝ 2 ⎠ ⋅T<br />
⎝ 2 LA −<br />
⎝ 2 ⎠ ⋅T<br />
⎝ 2 2 ⎟⎠ + I LA +<br />
2<br />
∆i<br />
2<br />
Corriente en c/bobina<br />
I L1 ( t) := I 1 ( t) if 0 < t ≤ d⋅<br />
T 2<br />
I 2 ( t) if d⋅<br />
T < t ≤ T<br />
2<br />
Corriente Total <strong>de</strong> salida<br />
T<br />
I L2 ( t) := I 3 ( t) if 0 < t ≤<br />
2<br />
I 4 ( t)<br />
I 5 ( t)<br />
I LT ( t) := I L1 ( t) + I L2 ( t)<br />
if<br />
if<br />
T<br />
2<br />
T<br />
2<br />
< t<br />
T<br />
≤ +<br />
2<br />
d⋅<br />
T 2<br />
+ d⋅<br />
T < t ≤ T<br />
2<br />
50<br />
I L1<br />
( t)<br />
I L2<br />
( t)<br />
I LT<br />
( t)<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
0 2 .10 6 4 .10 6 6 .10 6 8 .10 6<br />
t<br />
267
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
T<br />
T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I L1prom := ⋅⎮<br />
I t<br />
T L1 ( t)<br />
d<br />
I L1ef := ⋅⎮<br />
I t<br />
⌡<br />
T L1 ( t) 2 d<br />
⌡<br />
0 0<br />
I L1prom = 17.841A<br />
I L1ef = 18.564A<br />
T<br />
T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I LTprom := ⋅⎮<br />
I t<br />
T LT ( t)<br />
d<br />
I LTef := ⋅⎮<br />
I t<br />
⌡<br />
T LT ( t) 2 d<br />
⌡<br />
0 0<br />
I LTprom = 35.721A<br />
I LTef = 35.883A<br />
Corriente en Rectificadores<br />
I M5 ( t) := 0A if 0 < t ≤ d⋅<br />
T I<br />
2<br />
M6 ( t) := I 1 ( t) + I 3 ( t)<br />
if 0 < t ≤ d⋅<br />
T 2<br />
I 2 ( t) if d⋅<br />
T 2<br />
< t<br />
I 2 ( t) + I 4 ( t)<br />
if<br />
I 2 ( t)<br />
if<br />
T<br />
2<br />
T<br />
≤<br />
2<br />
T<br />
2<br />
< t<br />
T<br />
≤ +<br />
2<br />
+ d⋅<br />
T < t ≤ T<br />
2<br />
d⋅<br />
T 2<br />
I 3 ( t) if d⋅<br />
T 2<br />
0A<br />
I 5 ( t)<br />
if<br />
if<br />
T<br />
2<br />
< t<br />
T<br />
2<br />
< t<br />
T<br />
≤<br />
2<br />
T<br />
≤ +<br />
2<br />
d⋅<br />
T 2<br />
+ d⋅<br />
T < t ≤ T<br />
2<br />
60<br />
48<br />
I M5<br />
( t)<br />
I M6<br />
( t)<br />
36<br />
24<br />
12<br />
0<br />
0 2 .10 6 4 .10 6 6 .10 6 8 .10 6<br />
t<br />
T<br />
T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I M5prom := ⋅⎮<br />
I t<br />
T M5 ( t)<br />
d<br />
I M5ef := ⋅⎮<br />
I t<br />
⌡<br />
T M5 ( t) 2 d<br />
⌡<br />
0 0<br />
I M5prom = 17.861A<br />
I M5ef = 22.294A<br />
268
Anexo II<br />
Corriente que circula en cada rama <strong>de</strong>l puente en primario<br />
I M1 ( t) I 1 ( t) ⋅n<br />
0 < t d T T<br />
:= if ≤ ⋅<br />
I<br />
2<br />
M3 ( t) := 0A if 0 < t ≤<br />
2<br />
0A if d⋅<br />
T < t ≤ T<br />
2<br />
I 4 ( t) ⋅n<br />
0A<br />
if<br />
if<br />
T<br />
2<br />
T<br />
2<br />
< t<br />
T<br />
≤ +<br />
2<br />
+ d⋅<br />
T < t ≤ T<br />
2<br />
d⋅<br />
T 2<br />
4<br />
I M1<br />
( t)<br />
I M3<br />
( t)<br />
3.2<br />
2.4<br />
1.6<br />
0.8<br />
Po<br />
Vc<br />
0<br />
0 2 .10 6 4 .10 6 6 .10 6 8 .10 6<br />
t<br />
T<br />
T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I M1prom := ⋅⎮<br />
I t<br />
T M1 ( t)<br />
d<br />
I M1ef := ⋅⎮<br />
⌡<br />
T ⌡<br />
0 0<br />
I M1 ( t) 2 dt<br />
I M1prom = 0.573A<br />
I M1ef = 1.237A<br />
Corriente que circula en primario <strong>de</strong>l transformador modo Down<br />
I Tp ( t) := I M1 ( t) − I M3 ( t)<br />
5<br />
I Tp<br />
( t)<br />
0<br />
5<br />
0 2 .10 6 4 .10 6 6 .10 6 8 .10 6<br />
t<br />
T<br />
T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I Tpprom := ⋅⎮<br />
I t<br />
T Tp ( t)<br />
d<br />
I Tpef := ⋅⎮<br />
I t<br />
⌡<br />
T Tp ( t) 2 d<br />
⌡<br />
0 0<br />
I Tpprom = 0A<br />
I Tpef = 1.749A<br />
269
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Corriente que circula en Secundario <strong>de</strong>l transformador modo reductor<br />
I Ts ( t)<br />
:=<br />
I Tp ( t)<br />
n<br />
30<br />
18<br />
I Ts<br />
( t)<br />
6<br />
6<br />
18<br />
30<br />
0 2 .10 6 4 .10 6 6 .10 6 8 .10 6<br />
t<br />
T<br />
T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I Tsprom := ⋅⎮<br />
I t<br />
T Ts ( t)<br />
d<br />
I Tsef := ⋅⎮<br />
I t<br />
⌡<br />
T Ts ( t) 2 d<br />
⌡<br />
0 0<br />
I Tsprom = −1.355× 10 − 15 A<br />
I Tsef = 12.981A<br />
270
Anexo II<br />
Corriente que el con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> entrada <strong>de</strong>berá ser capaz <strong>de</strong> aportar<br />
2<br />
0.8<br />
I Cc ( t) := −I M1 ( t)<br />
− I M3 ( t)<br />
+<br />
Po<br />
Vc<br />
Po<br />
Vc<br />
I Cc<br />
( t)<br />
0.4<br />
1.6<br />
2.8<br />
4<br />
0 2 . 10 6 4 . 10 6 6 . 10 6 8 . 10 6<br />
t<br />
T<br />
1 ⌠<br />
I Ccprom := ⋅⎮<br />
I t<br />
T Cc ( t)<br />
d<br />
⌡ 0<br />
I Ccprom = 0.104A<br />
T<br />
1 ⌠<br />
I Ccef := ⋅⎮<br />
I t<br />
T Cc ( t) 2 d<br />
⌡ 0<br />
I Ccef = 1.326A<br />
Rizado <strong>de</strong> tensión (%)<br />
1<br />
∆ Cc :=<br />
100 Vc<br />
∆ Cc = 4V<br />
Cálculo <strong>de</strong> Capacitancia<br />
T<br />
⌠<br />
1 ⎮ 2<br />
Cc := ⋅⎮<br />
∆ Cc ⎮<br />
⌡<br />
d⋅<br />
T 2<br />
I Cc ( t)<br />
dt<br />
Cc = 796.875× 10 − 9 F<br />
Recor<strong>de</strong>mos la tensión<br />
en un con<strong>de</strong>nsador<br />
V = 1 ⌠<br />
⋅⎮<br />
C ⌡<br />
i dt<br />
TOL<br />
TOL :=<br />
10000<br />
Tolerancia<br />
en el cálculo<br />
t<br />
1 ⌠<br />
V Cc ( t)<br />
:= ⋅⎮<br />
I t<br />
Cc Cc ( t)<br />
d<br />
⌡<br />
0<br />
Nota : puse el límite<br />
superior a ojo<br />
Ec. Rizado <strong>de</strong> tensión<br />
en con<strong>de</strong>nsador<br />
TOL := TOL⋅<br />
10000<br />
d⋅T<br />
2<br />
= 2.45× 10 − 6 s<br />
271
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
4<br />
2.2<br />
d⋅T<br />
2<br />
T<br />
2<br />
I Cc<br />
( t)<br />
0.4<br />
V Cc<br />
( t)<br />
1.4<br />
3.2<br />
5<br />
0 2 . 10 6 4 . 10 6 6 . 10 6 8 . 10 6<br />
t<br />
Recor<strong>de</strong>mos la tensión<br />
Corriente en con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida<br />
en un con<strong>de</strong>nsador<br />
V = 1 ⌠<br />
⋅⎮<br />
C ⌡<br />
i dt<br />
Rizado <strong>de</strong> tensión (%)<br />
I CB ( t) := I LT ( t) − 2⋅I LA<br />
I LA = 17.857A<br />
1<br />
∆ CB := ∆ CB = 0.14V<br />
100 VB<br />
Cálculo <strong>de</strong> Capacitancia<br />
Ec. Rizado <strong>de</strong> tensión<br />
en con<strong>de</strong>nsador<br />
10<br />
6<br />
d⋅<br />
T 4<br />
( 1+<br />
d) ⋅<br />
T ⌠<br />
1 ⎮ 4<br />
CB := ⋅⎮<br />
I CB ( t)<br />
dt<br />
∆ CB ⎮<br />
⌡<br />
d⋅<br />
T 4<br />
t<br />
1 ⌠<br />
V CB ( t)<br />
:= ⋅⎮<br />
I t<br />
CB CB ( t)<br />
d<br />
⌡ 0<br />
( 1+<br />
d) ⋅<br />
T 4<br />
CB = 53.848× 10 − 6 F<br />
I CB<br />
( t)<br />
V CB<br />
( t) ⋅10<br />
2<br />
2<br />
0<br />
6<br />
10<br />
0 2 . 10 6 4 . 10 6 6 . 10 6 8 . 10 6<br />
t<br />
Corriente promedio y eficaz en con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida<br />
T<br />
1 ⌠<br />
I CBprom := ⋅⎮<br />
I<br />
T CB ( t)<br />
dt<br />
⌡ 0<br />
I CBprom = 6.873× 10 − 3 A<br />
T<br />
1 ⌠<br />
I CBef := ⋅⎮<br />
I t<br />
T CB ( t) 2 d<br />
⌡ 0<br />
I CBef = 3.494A<br />
272
Anexo II<br />
PÉRDIDAS EN SEMICONDUCTORES MODO REDUCTOR<br />
IRFIB7N50A C oos := 97pF<br />
t r := 35⋅<br />
10 − 9 s<br />
:= Q gs := 32⋅<br />
10 − 9 C<br />
t f := 28⋅<br />
10 − 9 s<br />
R on 1.8⋅( 0.52Ω )<br />
SPA11N60C3 C oos := 40pF<br />
t r := 5⋅10 − 9 s<br />
:= Q gs := 45⋅<br />
10 − 9 C<br />
t f := 5⋅10 − 9 s<br />
R on 1.8⋅( 0.34Ω )<br />
Puente M1 - M4<br />
MOS paralelo mos := 1 V gs := 15V V DS := Vc fs = 1 × 10 5 Hz<br />
Datos <strong>de</strong>l MOSFET<br />
STP20NM60 C oos := 50pF<br />
t r := 20⋅<br />
10 − 9 s<br />
:= Q gs := 39⋅<br />
10 − 9 C<br />
R on 1.8⋅( 0.25Ω )<br />
t f := 11⋅<br />
10 − 9 s<br />
Condu<strong>cc</strong>ión<br />
R on<br />
Pon M<br />
mos I 2<br />
:= ⋅ M1ef Pon M = 0.688W Pon M ⋅4<br />
= 2.754W<br />
mos<br />
Capacidad Parásita<br />
2<br />
P Coos := ⋅C 2 oos ⋅V DS ⋅fs<br />
P Coos = 0.4W P Coos ⋅4<br />
= 1.6W<br />
Carga <strong>de</strong> Puerta Pgs := mos⋅Q gs ⋅V gs ⋅fs<br />
Pgs = 0.059W Pgs⋅4<br />
= 0.234W<br />
Conmutación<br />
NOTA: 2 ON con I Mín y 2 off con I Máx en puente<br />
1<br />
Psw on := 2 2 ⋅ V DS⋅( I 1 ( 0s ) ⋅ n ) ⋅t r ⋅fs<br />
⎡⎣<br />
⎤⎦<br />
Psw 1<br />
off := ⎡<br />
2 2 ⋅ V DS⋅⎛<br />
I ⎛ 1 ⎜ d⋅<br />
T ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ ⎝ 2 ⎠ ⋅n<br />
⎞<br />
⎢<br />
⎟⎠ ⋅t f ⋅fs⎤ ⎥⎦<br />
⎣<br />
Psw on = 1.02W<br />
Psw off = 1.684W<br />
Psw := Psw on + Psw off<br />
Psw = 2.704W<br />
P TM14 := Pon M ⋅4<br />
+ Pgs⋅4<br />
+ P Coos ⋅4<br />
+ Psw<br />
TOTALES M1-M4<br />
P TM14 = 7.292W<br />
Nota: las pérdidas por convivencia corriente tensión no se ven afectadas al colocar MOSFETs<br />
en paralelo, ya que si la corriente disminuye para cada dispositivo, la suma <strong>de</strong> ellas da como<br />
resultado como si ubiese sido solo un dispositivo<br />
273
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
HUF75639P3 C oos := 350pF<br />
t r := 60⋅<br />
10 − 9 s<br />
:= Q gs := 110⋅<br />
10 − 9 C t f := 25⋅<br />
10 − 9 s<br />
R on 1.6⋅( 0.025Ω )<br />
STP80NF10 C oos := 600pF<br />
t r := 145⋅<br />
10 − 9 s<br />
R on<br />
( 0.012Ω )<br />
:= Q gs := 140⋅<br />
10 − 9 C t f := 115⋅<br />
10 − 9 s<br />
Rectificadores M5 - M6<br />
MOS paralelo mos := 5 V gs := 15V V DS := Vc⋅<br />
n<br />
fs = 1 × 10 5 Hz<br />
Datos <strong>de</strong>l MOSFET<br />
V DS = 57.143V<br />
STY140NS10 C oos := 2100pF<br />
t r := 150⋅<br />
10 − 9 s<br />
R on<br />
( 0.009Ω )<br />
:= Q gs := 450⋅<br />
10 − 9 C<br />
t f := 170⋅<br />
10 − 9 s<br />
Condu<strong>cc</strong>ión<br />
R on<br />
Pon M := ⋅<br />
mos I M5ef 2 Pon M = 0.895W Pon M ⋅2<br />
= 1.789W<br />
mos<br />
Capacidad Parásita<br />
2<br />
P Coos := ⋅C 2 oos ⋅V DS ⋅fs<br />
P Coos = 1.714W P Coos ⋅2<br />
= 3.429W<br />
Carga <strong>de</strong> Puerta Pgs := mos⋅Q gs ⋅V gs ⋅fs<br />
Pgs = 3.375W Pgs⋅2<br />
= 6.75W<br />
Conmutación<br />
1<br />
Psw on<br />
2 V ⎛ ∆i ⎞<br />
1<br />
:= ⋅ DS⋅⎜<br />
I LA + ⎟⋅t ⎝ 2 r ⋅fs<br />
Psw off<br />
⎠<br />
2 V ⎛ ∆i ⎞<br />
:= ⋅ DS⋅⎜<br />
I LA − ⎟⎠ ⋅t ⎝ 2 f ⋅fs<br />
Psw on = 11.48W<br />
Psw off = 4.337W<br />
Psw := Psw on + Psw off<br />
Psw = 15.816W Psw⋅2<br />
= 31.633W<br />
TOTALES M5-M6<br />
P TM56 := Pon M ⋅2<br />
+ Pgs⋅2<br />
+ P Coos ⋅2<br />
+ Psw⋅2<br />
P TM56 = 43.601W<br />
Nota: las pérdidas por convivencia corriente tensión no se ven afectadas al colocar MOSFETs<br />
en paralelo, ya que si la corriente disminuye para cada dispositivo, la suma <strong>de</strong> ellas da como<br />
resultado como si ubiese sido solo un dispositivo<br />
274
Anexo II<br />
Modo Elevador<br />
El convertidor doblador <strong>de</strong> corriente funcionando en modo inverso, se comporta como<br />
un convertidor Boost, pero con la diferencia <strong>de</strong> que se <strong>de</strong>ben disparar los interruptores<br />
con un ciclo <strong>de</strong> trabajo mayor ó igual al 50% para que exista flujo <strong>de</strong> energía <strong>de</strong>s<strong>de</strong> VB<br />
hacia el con<strong>de</strong>nsador Cc <strong>de</strong> salida.<br />
Si queremos trabjar con ciclos <strong>de</strong> trabajo inferiores al 50% es necesario colocar dos<br />
<strong>de</strong>vanados auxiliares en las bobinas <strong>de</strong>l converidor para que estas funciones como<br />
<strong>convertidores</strong> Flyback in<strong>de</strong>pendientes. Esto a<strong>de</strong>más es útil al momento <strong>de</strong> arrancar el<br />
convertidor, ya que es posible arrancar <strong>de</strong>s<strong>de</strong> tensión cero en el con<strong>de</strong>nsador y tener la<br />
capacidad <strong>de</strong> regular la tensión <strong>de</strong> salida.<br />
Funcionando con d >= 50% (Funcionamiento Normal)<br />
Vc := 400V<br />
VB:=<br />
14V<br />
Po := 500W<br />
Np<br />
n1 :=<br />
Ns<br />
fs = 1 × 10 5 Hz<br />
1<br />
T :=<br />
fs<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo en modo Boost<br />
d := 1 −<br />
VB⋅<br />
n1<br />
Vc<br />
d = 0.755<br />
Disparos en los interruptores<br />
V gs5 ( t) := 1 if 0 ≤ t ≤ d⋅T<br />
0 if d⋅T<br />
< t ≤ T<br />
V gs6 ( t) := 1 if<br />
1<br />
0 < t ⎛<br />
⎜ d − ⎞<br />
⎟<br />
⎝ 2 ⎠ 0 ⎛ 1<br />
⎜ d − ⎞<br />
⎟<br />
⎝ 2 ⎠ ⎛ T<br />
if<br />
≤ ⎞<br />
⎜ ⎟⎠<br />
⎝ 2<br />
1 ⎛ T<br />
if ⎞<br />
⎜ ⎟⎠ < t ≤ T<br />
⎝ 2<br />
1.5<br />
V gs5<br />
( t)<br />
V gs6<br />
( t)<br />
1.1<br />
0.7<br />
0.3<br />
0.1<br />
0<br />
0.5<br />
0 2 .10 6 4 .10 6 6 .10 6 8 .10 6<br />
t<br />
275
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Tensión aplicada a las bobinas<br />
V LA ( t) := VB if 0 ≤ t ≤ d⋅T<br />
VB −<br />
Vc if<br />
n1<br />
d⋅T<br />
< t ≤ T<br />
1<br />
V LB ( t) := VB if 0 < t ≤ ⎛<br />
⎜ d − ⎞<br />
⎟<br />
⎝ 2 ⎠ ⋅T<br />
VB −<br />
Vc ⎛ 1<br />
d − ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
n1 ⎝ 2 ⎠ ⋅T<br />
≤ t ⎛ T<br />
if<br />
≤ ⎞<br />
⎜<br />
⎝ 2 ⎟⎠<br />
T<br />
VB if ⎛ ⎞<br />
⎜<br />
⎝ 2 ⎟⎠ < t ≤ T<br />
V LA<br />
( t)<br />
V LB<br />
( t)<br />
30<br />
14<br />
2<br />
18<br />
34<br />
0<br />
50<br />
0 2 .10 6 4 .10 6 6 .10 6 8 .10 6<br />
t<br />
Cálculo <strong>de</strong> corrientes<br />
Corriente promedio<br />
L A = 7.483× 10 − 6 H<br />
Po<br />
I LA :=<br />
VB⋅<br />
d⋅T<br />
2⋅VB<br />
∆i :=<br />
∆i = 14.125A<br />
L A<br />
I Corriente <strong>de</strong> pico<br />
LA = 17.857A<br />
∆i<br />
I Pk := I LA +<br />
2<br />
Definición <strong>de</strong> las corrientes en el circuito<br />
I pk = 26.786A<br />
∆i<br />
∆i<br />
I 1 ( t)<br />
:= ⋅t<br />
+ I<br />
d⋅T<br />
LA −<br />
2<br />
−∆i<br />
∆i<br />
I 2 ( t)<br />
:= ⋅( t − d⋅T)<br />
+ I<br />
( 1 − d) ⋅T<br />
LA +<br />
2<br />
∆i<br />
I 3 ( t)<br />
⎡t<br />
⎛ 1<br />
d − ⎞<br />
⎢ ⎜ ⎟<br />
d⋅T<br />
⎣<br />
−<br />
⎝ 2 ⎠ ⋅T<br />
⎤ ∆i<br />
:= ⋅<br />
⎥ + I<br />
⎦ LA +<br />
2<br />
−∆i<br />
1<br />
I 4 ( t)<br />
:= ⋅⎡t<br />
⎛ d − ⎞<br />
⎢ ⎜ ⎟<br />
( 1 − d) ⋅T<br />
⎣<br />
−<br />
⎝ 2 ⎠ ⋅T<br />
⎤<br />
⎥ + I LA +<br />
⎦<br />
∆i<br />
I 5 ( t)<br />
⎛ T<br />
t − ⎞ ∆i<br />
:= ⋅⎜<br />
d⋅T<br />
⎝ 2 ⎟⎠ + I LA −<br />
2<br />
Corriente en c/bobina<br />
∆i<br />
2<br />
I L1 ( t) := I 1 ( t) if 0 ≤ t ≤ d⋅T<br />
I 2 ( t) if d⋅T<br />
≤ t ≤ T<br />
I L2 ( t) := I 3 ( t) if<br />
1<br />
0 < t ⎛<br />
⎜ d − ⎞<br />
⎟<br />
⎝ 2 ⎠ I 4 ( t) ⎛ 1<br />
⎜ d − ⎞<br />
⎟<br />
⎝ 2 ⎠ ⎛ T<br />
if<br />
≤ ⎞<br />
⎜<br />
⎝ 2 ⎟⎠<br />
I 5 ( t)<br />
⎛ T<br />
if ⎞<br />
⎜ ⎟ < t ≤ T<br />
⎝ 2 ⎠<br />
276
Anexo II<br />
Corriente Total<br />
I LT ( t) := I L1 ( t) + I L2 ( t)<br />
60<br />
I L1<br />
( t)<br />
I L2<br />
( t)<br />
I LT<br />
( t)<br />
48<br />
36<br />
24<br />
12<br />
0<br />
0 2 . 10 6 4 . 10 6 6 . 10 6 8 . 10 6<br />
t<br />
Corriente en Mosfet´s<br />
1<br />
I M5 ( t) := I 1 ( t) if 0 < t ≤ ⎛<br />
⎜ d −<br />
⎝ 2<br />
1<br />
I 1 ( t) + I 4 ( t)<br />
if ⎛<br />
⎜ d −<br />
⎝ 2<br />
T<br />
I 1 ( t)<br />
if ⎛ ⎞<br />
⎜ ⎟ < t ≤ d⋅T<br />
⎝ 2 ⎠<br />
0A<br />
if<br />
d⋅T<br />
< t ≤ T<br />
⎞ ⎟⎠ ⋅T<br />
⎞ ⎟⎠ ⋅T<br />
≤ t<br />
T<br />
≤ ⎛ ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ 2 ⎠<br />
60<br />
48<br />
I M5<br />
( t)<br />
36<br />
24<br />
12<br />
0<br />
0 2 . 10 6 4 . 10 6 6 . 10 6 8 . 10 6<br />
t<br />
T<br />
T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I M5prom := ⋅⎮<br />
I t<br />
T M5 ( t)<br />
d<br />
I M5ef := ⋅⎮<br />
I t<br />
⌡<br />
T M5 ( t) 2 d<br />
⌡<br />
0 0<br />
I M5prom = 17.86A<br />
I M5ef = 22.106A<br />
277
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Corriente que cada Bobina hace circular por secundario <strong>de</strong>l trasformador<br />
I Cc1 ( t) := 0A if 0 < t ≤ d⋅T<br />
I 2 ( t)<br />
n1<br />
if<br />
d⋅T<br />
< t ≤ T<br />
1<br />
I Cc2 ( t) := 0A if 0 < t ≤ ⎛<br />
⎜ d − ⎞<br />
⎝ 2 ⎟⎠ ⋅T<br />
I 4 ( t)<br />
⎛ 1<br />
d − ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
n1 ⎝ 2 ⎠ ⋅T<br />
< t T<br />
if<br />
≤ ⎛ ⎞<br />
⎜<br />
⎝ 2 ⎟⎠<br />
T<br />
0A if ⎛ ⎞<br />
⎜<br />
⎝ 2 ⎟⎠ < t ≤ T<br />
I Cc1<br />
( t)<br />
I Cc2<br />
( t)<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
0 2 . 10 6 4 . 10 6 6 . 10 6 8 . 10 6<br />
t<br />
Po<br />
Vc<br />
T<br />
T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I Cc1prom := ⋅⎮<br />
I t<br />
T Cc1 ( t)<br />
d<br />
I Cc1ef := ⋅⎮<br />
I t<br />
⌡<br />
T Cc1 ( t) 2 d<br />
⌡<br />
0 0<br />
I Cc1prom = 0.577A<br />
I Cc1ef = 1.227A<br />
Corriente que circula en secundario <strong>de</strong>l transformador modo Boost<br />
I Tp ( t) := I Cc2 ( t) − I Cc1 ( t)<br />
5<br />
I Tp<br />
( t)<br />
0<br />
0<br />
5<br />
0 2 .10 6 4 .10 6 6 .10 6 8 .10 6<br />
t<br />
T<br />
T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I Tpprom := ⋅⎮<br />
I t<br />
T Tp ( t)<br />
d<br />
I Tpef := ⋅⎮<br />
I t<br />
⌡<br />
T Tp ( t) 2 d<br />
⌡<br />
0 0<br />
I Tpprom = 0A<br />
I Tpef = 1.736A<br />
278
Anexo II<br />
Corriente en con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida<br />
( )<br />
I Cc ( t) := I Cc1 ( t) + I Cc2 ( t )<br />
−<br />
Po<br />
Vc<br />
I Cc<br />
( t)<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
1<br />
2<br />
0 2 . 10 6 4 . 10 6 6 . 10 6 8 . 10 6<br />
t<br />
Po<br />
Vc<br />
0<br />
Tolerancia<br />
en el cálculo<br />
T<br />
TOL<br />
T<br />
1 ⌠<br />
TOL := 1 ⌠<br />
I<br />
100<br />
Ccef := ⋅⎮<br />
I t<br />
T Cc ( t) 2 d<br />
I Ccprom := ⋅⎮<br />
I t<br />
T Cc ( t)<br />
d<br />
⌡<br />
⌡<br />
0 0<br />
TOL := TOL⋅<br />
100<br />
I Ccprom = −0.05A<br />
I Ccef = 1.301A<br />
1<br />
Rizado <strong>de</strong> tensión (%) ∆ Cc := 100 Vc<br />
∆ Cc = 4V<br />
Cálculo <strong>de</strong> Capacitancia<br />
T<br />
⌠<br />
1 ⎮ 2<br />
Cc := ⋅⎮<br />
I Cc ( t)<br />
dt<br />
∆ Cc ⎮<br />
⌡⎛<br />
⎜d−<br />
1 ⎞<br />
⎟<br />
⎝ 2 ⎠ ⋅T<br />
Cc = 796.875× 10 − 9 F<br />
279
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Recor<strong>de</strong>mos la tensión<br />
en un con<strong>de</strong>nsador<br />
V = 1 ⌠<br />
⋅⎮<br />
C ⌡<br />
i dt<br />
TOL<br />
TOL :=<br />
10000<br />
V Cc ( t)<br />
Tolerancia<br />
en el cálculo<br />
t<br />
1 ⌠<br />
:= ⋅⎮<br />
I t<br />
Cc Cc ( t)<br />
d<br />
Ec. Rizado <strong>de</strong> tensión<br />
⌡<br />
en con<strong>de</strong>nsador<br />
0<br />
TOL := TOL⋅<br />
10000<br />
5<br />
3<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
d−<br />
1 2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠ ⋅T<br />
T<br />
2<br />
I Cc<br />
( t)<br />
V Cc<br />
( t)<br />
1<br />
1<br />
0<br />
3<br />
5<br />
0 2 .10 6 4 .10 6 6 .10 6 8 .10 6<br />
t<br />
280
Anexo II<br />
PÉRDIDAS EN SEMICONDUCTORES MODO ELEVADOR<br />
IRFIB7N50A C oos := 97pF<br />
t r := 35⋅<br />
10 − 9 s<br />
:= Q gs := 32⋅<br />
10 − 9 C<br />
t f := 28⋅<br />
10 − 9 s<br />
R on 1.8⋅( 0.52Ω )<br />
Puente M1 - M4<br />
STP20NM60 C oos := 50pF<br />
t r := 20⋅<br />
10 − 9 s<br />
:= Q gs := 39⋅<br />
10 − 9 C<br />
t f := 11⋅<br />
10 − 9 s<br />
R on 1.8⋅( 0.25Ω )<br />
MOS paralelo mos := 1 V gs := 15V V DS := Vc fs = 1 × 10 5 Hz<br />
Datos <strong>de</strong>l MOSFET<br />
SPA11N60C3 C oos := 40pF<br />
t r := 5⋅10 − 9 s<br />
:= Q gs := 45⋅<br />
10 − 9 C<br />
R on 1.8⋅( 0.34Ω )<br />
t f := 5⋅10 − 9 s<br />
Condu<strong>cc</strong>ión<br />
R on<br />
Pon M<br />
mos I 2<br />
:= ⋅ Cc1ef Pon M = 0.922W Pon M ⋅4<br />
= 3.687W<br />
mos<br />
Capacidad Parásita<br />
2<br />
P Coos := ⋅C 2 oos ⋅V DS ⋅fs<br />
P Coos = 0.32W P Coos ⋅4<br />
= 1.28W<br />
Carga <strong>de</strong> Puerta Pgs := mos⋅Q gs ⋅V gs ⋅fs<br />
Pgs = 0.068W Pgs⋅4<br />
= 0.27W<br />
Conmutación<br />
⎛<br />
1 I 2 ( d⋅T)<br />
Psw on ⋅<br />
2 V 1<br />
:= DS⋅⎜<br />
⋅t n1 r ⋅fs<br />
Psw off := ⋅<br />
2 V DS⋅<br />
⎝<br />
⎞ ⎟⎠<br />
Psw on = 0.356W<br />
Psw off = 0.154W<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
I 2 ( T)<br />
n1<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
⋅t f ⋅fs<br />
Psw := Psw on + Psw off Psw = 0.51W Psw⋅4<br />
= 2.041W<br />
P TM14 := Pon M ⋅4<br />
+ Pgs⋅4<br />
+ P Coos ⋅4<br />
+ Psw⋅4<br />
TOTALES M1-M4<br />
P TM14 = 7.278W<br />
281
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
¿Uso <strong>de</strong> la rectificación Síncrona en modo elevador<br />
En este apartado se valora cuantitativamente el uso o no <strong>de</strong> la rectificación síncrona en<br />
los interruptores <strong>de</strong>l puente completo (M1-M4) en modo elevador. Para hacer esta valoración,<br />
es necesario conocer las características <strong>de</strong>l diodo parásito que se encuentra en estos<br />
MOSFETs. El cálculo <strong>de</strong> estas perdidas se hace con la tensión <strong>de</strong> caida en condu<strong>cc</strong>ion<br />
directa <strong>de</strong>l diodo multiplicada por la corriente promedio que circula a traves <strong>de</strong> él. Para<br />
justificar el uso <strong>de</strong> la rectificacion síncrona en modo elevador, las pérdidas resultantes en<br />
este modo al hacer conmutar los interruptores <strong>de</strong>ben ser inferiores a las que se producen al<br />
<strong>de</strong>jar conducir libremente a los diodos parásitos <strong>de</strong> los mismos.<br />
Caida Forward en<br />
diodo <strong>de</strong> M1-M4<br />
V Fw := 1.5V<br />
Corriente promedio<br />
en Diodo parásito<br />
I Cc1prom = 0.577A<br />
Pérdidas por diodo<br />
P didUP := V Fw ⋅I Cc1prom P didUP = 0.865W<br />
Pérdidas Totales<br />
por diodos<br />
P didUP ⋅4<br />
= 3.46W<br />
Conclusión: obtenidos los resultados <strong>de</strong> las pérdidas que se producen al hacer conmutar los<br />
MOFETs M1 a M4 (7.27W), y las pérdidas que se producen al <strong>de</strong>jar conducir el diodo<br />
parásito (3.46W), se concluye que no es viable utilizar la Rectificación Síncrona. Lo que se<br />
<strong>de</strong>be hacer, es <strong>de</strong>jar conducir libremente al diodo parásito <strong>de</strong>l MOSFET, ó en su <strong>de</strong>fecto<br />
poner en paralelo un diodo <strong>de</strong> mejores prestaciones, es <strong>de</strong>cir, <strong>de</strong> menor caida forward.<br />
282
Anexo II<br />
HUF75639P3 C oos := 350pF<br />
t r := 60⋅<br />
10 − 9 s<br />
:= Q gs := 110⋅<br />
10 − 9 C t f := 25⋅<br />
10 − 9 s<br />
R on 1.6⋅( 0.025Ω )<br />
STP80NF10 C oos := 600pF<br />
t r := 145⋅<br />
10 − 9 s<br />
R on<br />
( 0.012Ω )<br />
:= Q gs := 140⋅<br />
10 − 9 C t f := 115⋅<br />
10 − 9 s<br />
Rectificadores M5 - M6<br />
MOS paralelo mos := 1<br />
Vc<br />
V gs := 15V V DS :=<br />
n1<br />
fs = 1 × 10 5 Hz<br />
Datos <strong>de</strong>l MOSFET V DS = 57.143V<br />
STY140NS10 C oos := 2100pF<br />
t r := 150⋅<br />
10 − 9 s<br />
R on<br />
( 0.009Ω )<br />
:= Q gs := 450⋅<br />
10 − 9 C<br />
t f := 170⋅<br />
10 − 9 s<br />
Condu<strong>cc</strong>ión<br />
R on<br />
Pon M := ⋅<br />
mos I M5ef 2 Pon M = 4.398W Pon M ⋅2<br />
= 8.796W<br />
mos<br />
Capacidad Parásita<br />
2<br />
P Coos := ⋅C 2 oos ⋅V DS ⋅fs<br />
P Coos = 0.343W P Coos ⋅2<br />
= 0.686W<br />
Carga <strong>de</strong> Puerta Pgs := mos⋅Q gs ⋅V gs ⋅fs<br />
Pgs = 0.675W Pgs⋅2<br />
= 1.35W<br />
Conmutación<br />
1<br />
Psw on<br />
2 V 1<br />
:= ⋅ DS⋅( I 2 ( T)<br />
) ⋅t r ⋅fs<br />
Psw off := ⋅<br />
2 V DS⋅( I 2 ( d ⋅ T)<br />
) ⋅t f ⋅fs<br />
Psw on = 4.626W<br />
Psw off = 12.104W<br />
Psw := Psw on + Psw off<br />
Psw = 16.73W Psw⋅2<br />
= 33.46W<br />
TOTALES M5-M6<br />
P TM56 := Pon M ⋅2<br />
+ Pgs⋅2<br />
+ P Coos ⋅2<br />
+ Psw⋅2<br />
P TM56 = 44.292W<br />
Nota: las pérdidas por convivencia corriente tensión no se ven afectadas al colocar MOSFETs<br />
en paralelo, ya que si la corriente disminuye para cada dispositivo, la suma <strong>de</strong> ellas da como<br />
resultado como si ubiese sido solo un dispositivo<br />
283
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Arranque <strong>de</strong>l convertidor<br />
Este convertidor tiene dos arranques distintos.<br />
• El primero consiste en hacer fucncionar los dos <strong>convertidores</strong> <strong>de</strong> retroceso en paralelo, es<br />
<strong>de</strong>cir, con el mismo ciclo <strong>de</strong> trabajo y en fase.<br />
• El otro consiste en hacer funcionar los dos <strong>convertidores</strong> <strong>de</strong>sfasados 180º, y con el mismo<br />
ciclo <strong>de</strong> trabajo, con lo que se obtiene un funcionamiento interesante, <strong>de</strong> modo retroceso y<br />
modo elevador.<br />
Convertidores <strong>de</strong> retroceso en fase<br />
Realmente, el convertidor funciona como la asociación paralela <strong>de</strong> dos <strong>convertidores</strong><br />
<strong>de</strong> retroceso que operan cada uno con ciclo <strong>de</strong> trabajo dT, y que entregan energía al<br />
con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> slida Cc a través <strong>de</strong> los <strong>de</strong>vanados auxiliares que están colocados en<br />
cada una <strong>de</strong> las bobinas.<br />
La tension <strong>de</strong> salida se varía hasta alcanzar la tensión <strong>de</strong>seada. Una vez que se<br />
alcanza este valor <strong>de</strong> tensión, el convertidor pasa a operar como un puente completo.<br />
Este convertidor se calcula como cualquier convertidor <strong>de</strong> retroceso normal, pero<br />
dividiendo la potencia por dos para cada uno <strong>de</strong> ellos.<br />
Vc := 400V<br />
fs := 100KHz<br />
VB:=<br />
14V<br />
Po := 500W<br />
1<br />
T :=<br />
fs<br />
T = 1 × 10 − 5 s<br />
nF := Np<br />
d :=<br />
Vc<br />
nF⋅VB<br />
+ Vc<br />
d = 0.803<br />
Disparos <strong>de</strong> los MOSFETS M5 y M6<br />
V gs5 ( t) := 1 if 0 ≤ t ≤<br />
d⋅T<br />
0 if d⋅T<br />
< t ≤ T<br />
V gs6 ( t) := 1 if 0 ≤ t ≤<br />
d⋅T<br />
0 if d⋅T<br />
< t ≤ T<br />
V gs5<br />
( t)<br />
V gs6<br />
( t)<br />
1.5<br />
1.2<br />
0.9<br />
0.6<br />
0.3<br />
0<br />
0 2 .10 6 4 .10 6 6 .10 6 8 .10 6<br />
t<br />
284
Anexo II<br />
Tensión aplicada a las bobinas<br />
V L1 ( t) := VB if 0 ≤ t ≤<br />
Vc<br />
−<br />
nF<br />
if<br />
d⋅T<br />
d⋅T<br />
< t ≤ T<br />
V L2 ( t) := VB if 0 ≤ t ≤<br />
Vc<br />
−<br />
nF<br />
if<br />
d⋅T<br />
d⋅T<br />
< t ≤ T<br />
60<br />
V L1<br />
( t)<br />
V L2<br />
( t)<br />
36<br />
12<br />
12<br />
36<br />
0 2 .10 6 4 .10 6 6 .10 6 8 .10 6<br />
60<br />
t<br />
Cálculo <strong>de</strong> corrientes<br />
Inductancia magnetizante<br />
L A = 7.483× 10 − 6 H<br />
Corriente promedio<br />
<strong>de</strong> salida c/ Fbk<br />
I of :=<br />
Po<br />
2⋅Vc<br />
I of = 0.625A<br />
VB⋅<br />
d⋅T<br />
∆i :=<br />
L A<br />
Primario<br />
I of<br />
I maxfs :=<br />
( 1 − d)<br />
I maxfs = 3.176A<br />
1<br />
∆i s := ∆i⋅<br />
nF<br />
Secundario<br />
Definición <strong>de</strong> las corrientes<br />
I 1 ( t)<br />
:=<br />
∆i s ⋅nF<br />
d⋅T<br />
⋅t<br />
+<br />
I maxfs ⋅nF<br />
−<br />
∆i s ⋅nF<br />
2<br />
I 2 ( t)<br />
−∆i s<br />
:= ⋅( t − d⋅T)<br />
+ I<br />
( 1 − d) ⋅T<br />
maxfs +<br />
∆i s<br />
2<br />
285
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Corriente en Mosfet y Diodo<br />
I M5 ( t) := I 1 ( t) if 0 < t ≤ d⋅T<br />
0A<br />
if<br />
d⋅T<br />
< t ≤ T<br />
I DF5 ( t) := 0A if 0 < t ≤ d⋅T<br />
I 2 ( t) if d⋅T<br />
< t ≤ T<br />
I M6 ( t) := I 1 ( t) if 0 < t ≤ d⋅T<br />
0A<br />
if<br />
d⋅T<br />
< t ≤ T<br />
I DF6 ( t) := 0A if 0 < t ≤ d⋅T<br />
I 2 ( t) if d⋅T<br />
< t ≤ T<br />
50<br />
I M5<br />
( t)<br />
I M6<br />
( t)<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
0 2 . 10 6 4 . 10 6 6 . 10 6 8 . 10 6<br />
t<br />
6<br />
I DF5<br />
( t)<br />
I DF6<br />
( t)<br />
4<br />
2<br />
0<br />
0 2 .10 6 4 .10 6 6 .10 6 8 .10 6<br />
t<br />
T<br />
1 ⌠<br />
I M5prom := ⋅⎮<br />
I t<br />
T M5 ( t)<br />
d<br />
⌡ 0<br />
I M5prom = 17.928A<br />
T<br />
1 ⌠<br />
I DF5prom := ⋅⎮<br />
I t<br />
T DF5 ( t)<br />
d<br />
⌡ 0<br />
I DF5prom = 0.614A<br />
T<br />
T<br />
1 ⌠<br />
I M5ef ⎮ I t<br />
T M5 ( t) 2<br />
1 ⌠<br />
:= ⋅<br />
d<br />
I DF5ef := ⋅⎮<br />
I t<br />
⌡<br />
T DF5 ( t) 2 d<br />
⌡<br />
0 0<br />
I M5ef = 20.167A<br />
I DF5ef = 1.419A<br />
286
Anexo II<br />
Cálculo <strong>de</strong>l con<strong>de</strong>n<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> entrada, Arranque modo elevador<br />
Recor<strong>de</strong>mos la tensión<br />
en un con<strong>de</strong>nsador<br />
V = 1 ⌠<br />
⋅⎮<br />
C ⌡<br />
i dt<br />
Rizado <strong>de</strong> tensión (%)<br />
Corriente en con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> entrada<br />
I CB ( t)<br />
:= Po<br />
VB<br />
− I M6 ( t)<br />
− I M5 ( t)<br />
1<br />
∆ CB := ∆ CB = 0.14V<br />
100 VB<br />
Cálculo <strong>de</strong> Capacitancia<br />
Ec. Rizado <strong>de</strong> tensión<br />
en con<strong>de</strong>nsador<br />
d⋅T<br />
−1 ⌠<br />
CB := ⋅⎮<br />
I CB ( t)<br />
dt<br />
∆ CB ⎮<br />
⌡ d⋅T<br />
4.5<br />
TOL<br />
TOL :=<br />
10000<br />
t<br />
1 ⌠<br />
V CB ( t)<br />
:= ⋅⎮<br />
I t<br />
CB CB ( t)<br />
d<br />
⌡ 0<br />
Tolerancia<br />
en el cálculo<br />
CB = 539.465× 10 − 6 F<br />
TOL := TOL⋅<br />
10000<br />
40<br />
24<br />
d⋅T<br />
4.5<br />
d⋅T<br />
I CB<br />
( t)<br />
8<br />
8<br />
0<br />
24<br />
40<br />
0 2 .10 6 4 .10 6 6 .10 6 8 .10 6<br />
t<br />
Corriente promedio y eficaz en con<strong>de</strong>nsador<br />
T<br />
1 ⌠<br />
I CBprom := ⋅⎮<br />
I<br />
T CB ( t)<br />
dt<br />
⌡ 0<br />
I CBprom = −0.141A<br />
T<br />
1 ⌠<br />
I CBef := ⋅⎮<br />
I t<br />
T CB ( t) 2 d<br />
⌡ 0<br />
I CBef = 19.425A<br />
287
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
0.12<br />
d⋅T<br />
4.5<br />
d⋅T<br />
V CB<br />
( t)<br />
0.04<br />
0.04<br />
0<br />
0.12<br />
0.2<br />
0 2 . 10 6 4 . 10 6 6 . 10 6 8 . 10 6<br />
t<br />
Cálculo <strong>de</strong>l con<strong>de</strong>n<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> salida, Arranque modo elevador<br />
Corriente en Con<strong>de</strong>nsador Cc <strong>de</strong>bida a los Flyback's<br />
( )<br />
I Cc ( t) := I DF5 ( t) + I DF6 ( t )<br />
Po<br />
−<br />
Vc<br />
8<br />
6<br />
I Cc<br />
( t)<br />
4<br />
2<br />
0<br />
0<br />
2<br />
0 2 . 10 6 4 . 10 6 6 . 10 6 8 . 10 6<br />
t<br />
Corriente promedio y eficaz en con<strong>de</strong>nsador<br />
T<br />
T<br />
1 ⌠<br />
1 ⌠<br />
I Ccprom := ⋅⎮<br />
I t<br />
T Cc ( t)<br />
d<br />
I Ccef := ⋅⎮<br />
I t<br />
⌡<br />
T Cc ( t) 2 d<br />
⌡<br />
0 0<br />
I Ccprom = −0.022A<br />
I Ccef = 2.558A<br />
288
Anexo II<br />
1<br />
Rizado <strong>de</strong> tensión (%) ∆ Cc := 100 Vc<br />
∆ Cc = 4V<br />
Cálculo <strong>de</strong> Capacitancia<br />
d⋅T<br />
−1 ⌠<br />
Cc := ⋅⎮<br />
I Cc ( t)<br />
dt<br />
∆ Cc ⌡<br />
0<br />
Cc = 2.51× 10 − 6 F<br />
Recor<strong>de</strong>mos la tensión<br />
en un con<strong>de</strong>nsador<br />
V = 1 ⌠<br />
⋅⎮<br />
C ⌡<br />
i dt<br />
TOL<br />
TOL :=<br />
10000<br />
V Cc ( t)<br />
Tolerancia<br />
en el cálculo<br />
t<br />
1 ⌠<br />
:= ⋅⎮<br />
I t<br />
Cc Cc ( t)<br />
d<br />
Ec. Rizado <strong>de</strong> tensión<br />
⌡<br />
en con<strong>de</strong>nsador<br />
0<br />
TOL := TOL⋅<br />
10000<br />
0<br />
0<br />
1<br />
V Cc<br />
( t)<br />
2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
0 2 . 10 6 4 . 10 6 6 . 10 6 8 . 10 6<br />
t<br />
289
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Convertidores <strong>de</strong> retroceso <strong>de</strong>sfasados 180º<br />
Arranque Retroceso-Elevador<br />
En este arranque, la corriente sigue caminos distintos en diferentes intervalos, ya que<br />
en <strong>de</strong>terminados intervalos <strong>de</strong>l período, la corriente es como la <strong>de</strong> un convertidor <strong>de</strong><br />
retroceso que va a través <strong>de</strong>l diodo DF, y en otro intervalo va a través <strong>de</strong>l transformador TR<br />
como en un convertidor elevador con aislamiento. Este arranque termina cuando el ciclo <strong>de</strong><br />
trabajo alcanza el 50% en cada uno <strong>de</strong> los MOSFETS M5 y M6.<br />
Vc := 98V<br />
VB:=<br />
14V<br />
Po := 500W<br />
Ciclo <strong>de</strong> trabajo<br />
fs := 100KHz<br />
1<br />
T := T = 1 × 10 − 5 s<br />
fs<br />
d :=<br />
Vc<br />
nF<br />
2VB<br />
2Vc Vc<br />
+ −<br />
nF Np<br />
d = 0.333<br />
nF := Np<br />
V gs5<br />
( t)<br />
V gs5 ( t) := 1 if 0 < t ≤ d⋅T<br />
2<br />
Disparos <strong>de</strong> los MOSFETS M5 y M6<br />
0 if d⋅T<br />
< t ≤ T<br />
V gs6 ( t) := 1 if<br />
1<br />
0 < t ⎛<br />
⎜ d − ⎞<br />
⎟<br />
⎝ 2 ⎠ 0 if ⎛ 1<br />
⎜ d − ⎞<br />
⎟<br />
⎝ 2 ⎠ 1<br />
2 1 if 1<br />
2 ⎛ d 1<br />
⎜ + ⎞<br />
⎟<br />
⎝ 2 ⎠ 0 if ⎛ 1<br />
⎜ d + ⎞<br />
⎟<br />
⎝ 2 ⎠ V gs6<br />
( t)<br />
1<br />
0<br />
0 2.5 .10 6 5 .10 6 7.5 .10 6 1 .10 5<br />
t<br />
290
Anexo II<br />
⎝<br />
−⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
Vc<br />
nF<br />
⎞ ⎟⎠<br />
if<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
1<br />
d +<br />
2<br />
Tensión aplicada a las bobinas<br />
V L1 ( t) := VB if 0 ≤ t ≤ d⋅T<br />
V L2 ( t) := ⎜ VB −<br />
Vc<br />
⎝ Np<br />
⎛ Vc<br />
−<br />
⎞ 1<br />
⎜ ⎟⎠ d⋅T<br />
< t<br />
⎝ nF<br />
if ≤<br />
2 ⋅T<br />
Vc<br />
−⎛<br />
⎞<br />
⎜ ⎟⎠<br />
⎛<br />
⎜ VB −<br />
Vc<br />
⎝ nF<br />
if<br />
⎞ 1<br />
⎟⎠<br />
Np 2 ⋅T<br />
< t ⎛<br />
d 1<br />
if ≤ ⎜ +<br />
⎞ ⎟⎠ ⋅T<br />
1<br />
⎝ 2<br />
VB if<br />
2 ⋅T<br />
20<br />
⎞ ⎟⎠ ⋅T<br />
< t ≤ T<br />
⎛<br />
−<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
Vc<br />
nF<br />
⎞ ⎟⎠<br />
if<br />
⎞ ⎟⎠ if 0 ≤ t<br />
d⋅T<br />
< t<br />
⎛<br />
⎝<br />
≤<br />
d⋅T<br />
≤ 1<br />
2 ⋅T<br />
< t d 1<br />
≤ ⎜ +<br />
2<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
1<br />
d +<br />
2<br />
⎞ ⎟⎠ ⋅T<br />
⎞ ⎟⎠ ⋅T<br />
< t ≤ T<br />
V L1<br />
( t)<br />
10<br />
0<br />
10<br />
20<br />
0<br />
30<br />
0 2 .10 6 4 .10 6 6 .10 6 8 .10 6<br />
t<br />
20<br />
V L2<br />
( t)<br />
10<br />
0<br />
10<br />
20<br />
0<br />
30<br />
0 2 .10 6 4 .10 6 6 .10 6 8 .10 6<br />
t<br />
291
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Cálculo <strong>de</strong> corrientes<br />
Inductancia magnetizante<br />
L A = 7.483× 10 − 6 H<br />
Corriente promedio<br />
<strong>de</strong> salida c/ Fbk<br />
Corriente promedio<br />
<strong>de</strong> entrada c/ Fbk<br />
Po<br />
I of :=<br />
Vc<br />
Po<br />
I inf :=<br />
VB<br />
I of = 5.102A<br />
I inf = 35.714A<br />
Cálculo <strong>de</strong> incrementos <strong>de</strong> corrente<br />
VB⋅<br />
d⋅T<br />
∆i 1 :=<br />
L A<br />
∆i 1 = 6.236A<br />
d = 0.333<br />
⎛ Vc⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ nF ⎠<br />
⋅ ⎛ 1<br />
− d⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ 2 ⎠ T<br />
∆i 2 :=<br />
L A<br />
∆i 2 = 3.118A<br />
⎛ VB −<br />
Vc ⎞ 1<br />
⎜ ⎟⋅⎛<br />
− d⎞<br />
⎜ ⎟⋅T<br />
⎝ Np ⎠ ⎝ 2 ⎠<br />
∆i 3 :=<br />
L A<br />
∆i 3 = 0A<br />
Cálculo <strong>de</strong> las pendientes <strong>de</strong> las ecuaciones<br />
⎛ ∆i 1 ⎞ ⎛ ∆i 1 ⎞<br />
⎜ I inf + ⎟⎠<br />
2<br />
m ⎝<br />
− ⎜ I inf − ⎟⎠<br />
⎝ 2<br />
1 :=<br />
d⋅T<br />
− 0<br />
⎡⎛<br />
∆i 1 ⎞ ⎤ ⎛ ∆i 1 ⎞<br />
⎢⎜<br />
I inf +<br />
2<br />
m ⎝<br />
⎟ − ∆i<br />
⎣ ⎠ 2 ⎥ − ⎜ I<br />
⎦ inf + ⎟<br />
⎝ 2 ⎠<br />
2 :=<br />
1<br />
2 ⋅T<br />
− d⋅T<br />
⎡⎛<br />
∆i 1 ⎞ ⎤ ⎡⎛<br />
∆i 1 ⎞ ⎤<br />
⎢⎜<br />
I inf − ⎟⎠<br />
2<br />
m ⎝<br />
+ ∆i 2 ⎥ − ⎢⎜<br />
I inf + ⎟ − ∆i<br />
⎣<br />
⎦ ⎝ 2 2 ⎥<br />
⎣ ⎠ ⎦<br />
3 :=<br />
⎛ 1<br />
⎜ + d⎞ 1<br />
⎝ 2 ⎟⎠ ⋅T<br />
− ⎛<br />
⎜<br />
⎝ 2 T ⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎛ ∆i 1 ⎞ ⎡⎛<br />
∆i 1 ⎞ ⎤<br />
⎜ I inf −<br />
2<br />
m ⎝<br />
⎟ − ⎢⎜<br />
I<br />
⎠ inf − ⎟ + ∆i<br />
⎣⎝<br />
2 ⎠ 2 ⎥<br />
⎦<br />
4 :=<br />
1<br />
T − ⎛<br />
⎜ + d⎞<br />
⎟<br />
⎝ 2 ⎠ ⋅T<br />
m 1 1.871 10 6 A<br />
= ×<br />
s<br />
m 2 −1.871<br />
10 6 A<br />
= ×<br />
s<br />
m 3 = 0 A s<br />
m 4 −1.871×<br />
10 6 A<br />
=<br />
s<br />
292
Anexo II<br />
∆i 1<br />
I 1 ( t) := m 1 ⋅( t − 0)<br />
+ ⎜ I inf −<br />
2<br />
∆i 1<br />
I 2 ( t) := m 2 ⋅( t − d⋅T)<br />
+ ⎜ I inf +<br />
2<br />
⎛<br />
⎝<br />
⎛<br />
⎝<br />
Definición <strong>de</strong> las corrientes<br />
⎛<br />
⎝<br />
⎡⎛<br />
⎢⎜<br />
⎣⎝<br />
⎞ ⎟⎠<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
1<br />
∆i 1<br />
I 3 ( t) := m 3 ⋅⎜<br />
t −<br />
2 T + I inf +<br />
2<br />
∆i 1<br />
I 4 ( t) := m 4 ⋅( t − T)<br />
+ ⎜ I inf −<br />
2<br />
⎞ ⎟⎠<br />
⎛<br />
⎝<br />
⎞ ⎟⎠<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
− ∆i 2<br />
Corriente magnetizante en la bobina para el Arranque II<br />
I Lm ( t) := I 1 ( t) if 0 < t ≤ ( d⋅T)<br />
I 2 ( t) if d⋅T<br />
< t ≤<br />
I 3 ( t)<br />
I 4 ( t)<br />
if<br />
if<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
⎝<br />
1<br />
2 T<br />
1<br />
2 T < t 1<br />
≤ ⎜<br />
2<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
1<br />
+ d<br />
2<br />
⎞ ⎟⎠ ⋅T<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
+ d<br />
⎞ ⎟⎠ ⋅T<br />
< t ≤ T<br />
40<br />
30<br />
I Lm<br />
( t)<br />
20<br />
10<br />
0<br />
0 2 . 10 6 4 . 10 6 6 . 10 6 8 . 10 6<br />
t<br />
293
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Corriente en bobina L1 y diodo <strong>de</strong> retroceso DF1<br />
I L1 ( t) := I 1 ( t) if 0 < t ≤ ( d⋅T)<br />
I DF1 ( t) := 0A if 0 < t ≤ ( d⋅T)<br />
0A<br />
I 3 ( t)<br />
0A<br />
if<br />
if<br />
if<br />
d⋅T<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
< t ≤<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
1<br />
2 T<br />
⎛<br />
⎝<br />
1<br />
2 T < t ≤ 1<br />
⎜<br />
2<br />
1<br />
+ d<br />
2<br />
⎞ ⎟⎠ ⋅T<br />
⎞ ⎟⎠<br />
⎞<br />
⎟<br />
+ d<br />
⎠ ⋅T<br />
< t ≤ T<br />
I 2 ( t) if d⋅T<br />
< t ≤<br />
0A<br />
I 4 ( t)<br />
if<br />
⎛<br />
⎝<br />
⎞<br />
⎟ ⋅<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
1<br />
2 T < t 1<br />
≤ ⎜<br />
2<br />
if<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
1<br />
+ d<br />
2 ⎠ T<br />
1<br />
2 T<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
+ d<br />
⎞ ⎟⎠ ⋅T<br />
< t ≤ T<br />
40<br />
I L1<br />
( t)<br />
30<br />
I DF1<br />
( t)<br />
20<br />
10<br />
0<br />
0 2 .10 6 4 .10 6 6 .10 6 8 .10 6<br />
t<br />
El arranque finaliza cuando se alcanza el 50% <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> trabajo, por esta razon, en las<br />
especificaciones que se dan para este arranque, no se coloca 400V, ya que en el arraqnue<br />
nunca se alcanza este valor. Dependiendo <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> salida que se <strong>de</strong>see, las formas<br />
<strong>de</strong> onda <strong>de</strong> las corrientes modifican sus pendientes.<br />
294
Anexo III<br />
Anexo III Esquemáticos y lista <strong>de</strong> componentes<br />
<strong>de</strong> los <strong>convertidores</strong> diseñados<br />
Convertidor Reductor Puente Completo al 50% (Capítulo 3)<br />
Esquema eléctrico <strong>de</strong> potencia<br />
M1<br />
L<br />
Vgs3<br />
Vgs5<br />
Vgs7<br />
Vgs9<br />
C1<br />
C2<br />
Vgs1<br />
Vgs2<br />
C5<br />
M3<br />
M5<br />
T M7 M9<br />
C3<br />
C4<br />
M2<br />
Vgs11<br />
M11<br />
Vgs4<br />
Vgs6<br />
Vgs8<br />
Vgs10<br />
M4<br />
M6<br />
M8<br />
M10<br />
Lista <strong>de</strong> componentes<br />
Nombre Descripción Observación<br />
M1 , M2 IRFP460 -<br />
M3 - M6 IRFP360 -<br />
M7 - M10 SP60N06 -<br />
M11 IRFP460 -<br />
C1 1uF, 600V Electrolítico<br />
C2 1nF, 600V Cerámico<br />
C3 94uF, 35V 2 X 47uF<br />
C4 1uF, 35V Cerámico<br />
C5 1uF, 600V Cerámico<br />
L<br />
488uH<br />
E55/28/21 - 3C80 - GAP = 1,15mm, 36<br />
vueltas 14AWG<br />
T E65/32/27 - 3C80<br />
11 vueltas primario 14AWG; 1 vuelta<br />
secundario pletina <strong>de</strong> cobre 0,5mm<br />
295
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Placas <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l Convertidor Reductor Puente Completo al 50%<br />
Cara superior<br />
296
Anexo III<br />
Cara inferior<br />
297
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Convertidor Puente completo con rectificador doblador <strong>de</strong> corriente (Capítulo 4)<br />
Esquema eléctrico <strong>de</strong> potencia<br />
0<br />
D5<br />
T1<br />
Vgs1<br />
Vgs3<br />
0<br />
D6<br />
TR<br />
M1<br />
D1<br />
M3<br />
D3<br />
C2<br />
C1<br />
C3<br />
C4<br />
T2<br />
Vgs5<br />
Vgs6<br />
Vgs2<br />
Vgs4<br />
M5<br />
M6<br />
M2<br />
D2<br />
M4<br />
D4<br />
0<br />
Lista <strong>de</strong> componentes<br />
Nombre Descripción Observación<br />
M1 - M4 STP20NM60 -<br />
M5 - M6 HUF75639P3 3 EN PARALELO POR CADA RAMA<br />
D1 - D4 MUR460 -<br />
D5 - D6 MUR860 -<br />
C1 1uF, 600V Electrolítico<br />
C2 1nF, 600V Cerámico<br />
C3 94uF, 35V 2 X 47uF<br />
C4 1uF, 35V Cerámico<br />
T1 , T2<br />
TR<br />
7,5uH<br />
E42/21/15 - 3C85<br />
Kool Mu 77083A7, Rel (1:7), Primario =<br />
10 vueltas 3 paralelo litz 400 X 0,07mm;<br />
Secundario = 70 vueltas 0,75mm<br />
Rel (7:1), Primario = 42 vueltas 0,75mm;<br />
Secundario = 6 vueltas con 7 en paralelo<br />
y 0,75mm<br />
298
Anexo III<br />
Placa <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l Convertidor Puente completo con rectificador doblador <strong>de</strong><br />
corriente<br />
Placa inferior<br />
299
Estudio y análisis <strong>de</strong> <strong>soluciones</strong> topológicas <strong>de</strong> <strong>convertidores</strong> CC-CC bidire<strong>cc</strong>ionales para su<br />
aplicación en vehículos híbridos<br />
Placa superior<br />
300