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TecnuraPrintversionISSN0123921X

Tecnuravol.14no.26BogotJan./June2010

DiseoestticodeunconvertidorDC/DCreductorelevadorbidireccional

Bidirectionalbuckboostdc/dcconverterstaticdesign

MarcelaGonzlezValencia1,AlfonsoAlzateGmez2

1IngenieraElectrnica,MagisterenIngenieraElctrica.DocenteAuxiliardelaUniversidadTecnolgicadePereira.Pereira,Colombia.mgonzalez@ohm.utp.edu.co2IngenieroElectricista,MagisterenIngenieraElctrica,DoctorenAutomtica.DocenteTitulardelaUniversidadTecnolgicadePereira.Pereira,Colombia.alalzate@utp.edu.co

Fechaderecepcin:mayo12de2009Fechadeaceptacin:noviembre17de2009

ResumenSepresentaeldiseoestticodeunconvertidorreductorelevadorbidireccionalcontresconmutadoresyconexinencascada.Laprincipalaplicacindelconvertidoreslaadministracindebaterasensistemasdealimentacinininterrumpida,controlandoelflujodeenergayregulandolatensindealimentacinDCdurantelosdiferentesmodosdeoperacindelabatera

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comofuenteysumidero.

Palabrasclave:Batera,ConvertidorDCDC,Elevador,Reductor.

AbstractThispapershowsabuckboostconverterstaticdesignwith3switchesandcascadeconnection.Themainapplicationoftheconverteristhebatterymanagementonuninterruptiblepowersupplies,controllingenergyflowandregulatingtheDCsupplyvoltageforthedifferentbatteryoperationmodesassourceandsink.

Keywords:Battery,DCDCConverter,Boost,Buck.

1.IntroduccinEnlaelectrnicadepotenciaocupanunaimportanteposicinelestudioydesarrollodelosconvertidoresDC/DC.Estossedividenendiferentestopologas:reductoraobuckelevadoraoboosty,yunhbridodelasdosanterioresllamadoflyback,sepicycuk[1],[2]y[3].

Elfuncionamientobsicodelosconvertidoresconmutadosconsisteenelalmacenamientotemporaldeenergaylacesindeestaenunperiododetiempo.Esteperiododetiempodeterminalacantidaddeenergacedidaalacarga.

LosconvertidoresdeDC/DCsepuedendividirentresbloques:

Conmutacin:seencargadetrocearlasealdeentradasegnlafrecuenciayelciclodetrabajorequerido.Acumulacindeenerga:dependeestrictamentedelaconmutacin,yaqueestedeterminacundoseliberaenergahacialacargadelsistema.Filtrado:seencargadefiltrarlasealconmutada.

EsimportantemencionarlasventajasydesventajasenelusodeconvertidoresDC/DCcomoreguladoresdetensin.

Ventajas:

Rendimientoconmrgenesentreel60%yel90%contrael14%delasfuentesdealimentacinlineales.Tamaoreducido.

Desventajas:

GeneracindeEMI(emisinelectromagntica),tantoconducidacomoradiada.Aumentodelasprdidasconelaumentodelafrecuencia.

LosconvertidoresDC/DCsonmuyutilizadosenlaindustriadeampliodesarrollotecnolgico,graciasasusnumerosas

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ventajasenelreadeconversindepotencia[1].Susprincipalesaplicacionesestnorientadasafuentesdepoder,sistemasdepotenciafotovoltaicos,pilasdecombustibles,vehculoshbridos,entreotros,comoprimerasetapasdeacondicionamientoyadministracindeenerga[4]y[5].Estosdescribenunatopologafcildetrabajarsinembargo,sudinmicaesmuycomplejaporquesonsistemasdenaturalezanolineal,generalmentedefasenomnima,loquedificultaeldiseodeuncontrolcapazdegarantizarlaestabilidadylascondicionesdeoperacinconsideradasduranteeldiseofrenteaperturbacionesdecargaodelnea[8],[5]y[6].

Latensindesalidayladireccindelflujodepotenciadelconvertidormostradoacontinuacinpuedenserreductorasoelevadoras,dependiendodelciclodetrabajoylascondicionesdeoperacin[4]y[7].

Enlafigura1semuestraunesquemageneraldelsistemapropuestoadems,sepuedenobservarlosconmutadorescorrespondientesacadamododeoperacin(comoelevadorocomoreductor),losdiferentesnivelesdetensinDCylatopologageneraldelconvertidorDC/DCbidireccionalconconexinencascada.

EstetrabajopretendeabordarconsideracionesbsicaseneldiseodelosconvertidoresDC/DC,apartirdelanlisisestticoenmododeconduccincontinua.Despusdelaintroduccinsemuestraeldiseodelconvertidor.Acontinuacinsepresentanlosresultadosdelasimulacinyfinalmentelasconclusionesdeltrabajorealizado.

2.Metodologa

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2.1.Funcionamientodelconvertidor

Enlafigura1semuestralatopologadelconvertidorpropuesto.ElbancodebaterasestrepresentadoporunafuentedetensinVgycorrienteIg.LatensinycorrientedesalidaporVeI,respectivamente.LacorrientedelcapacitordesalidaporICyyladelinductorporIL.ElcapacitordeentradaCisecolocaparadisminuirelrizadodecorrienteenlasbateras[2].Dependiendodelmododeoperacin,trabajanS1yD4comoreductoroS2yS3comoelevador.LaconmutacionentreS2yS3escomplementaria.

Cuandoelconvertidortrabajacomodescargadordebateria,esdecir,labaterafuncionacomofuentedealimentacin,elflujodeenergaocurredeizquierdaaderechayelnivelDCbajodelasbateriasseelevaatravsdelelevador(S2yS3)paralograrunnivelDCptimoparaelfuncionamientodelinversor.Lasbateriassolofuncionancuandohayunafallaenlaalimentacin(red).Enelcasocontrario,elconvertidortrabajacomocargadordebateriaestoocurrecuandolabaterasecomportacomosumidero.ElflujodeenergavadederechaaizquierdayelniveldeDCaltosereduceatravsdelreductor(S1yD4)parapodercargarlasbateriasconelnivelDCrequerido.

LainductanciaLesmuyimportante,yaqueconectalosbloquesreductoryelevadorencascada(serie)yeselprincipalelementoalmacenadordeenergadelsistema.

Enlatabla1semuestralarelacinentreelmododeoperacinylosestadosdelosconmutadores.

ElflujodecorrientesecontrolaconelestadodeS1,determinandosisecarganosedescarganlasbateras.LosconmutadoresS2yS3complementariosgarantizanproteccindelacargaypuedenevitarconduccincruzada(crossconduction)ocortosenunamismaramadelconvertidoryelcapacitordesalida,alconsiderarlostiemposmuertos(delayblanking)necesariosentrelassealesdedisparodecadaconmutador.

LaEc.(1)muestralarelacinentreelvoltajedesalidaV,elvoltajedeentradaVgyelciclotilDe.

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2.2.Condicionesdeoperacin

Acontinuacin,enlatabla2,seestablecenlosparmetrosdefuncionamientonecesarios,paracalcularloscomponentesqueintegranelconvertidoryestablecenlascondicionesmnimasdelmismo(lafrecuenciadeconmutacinseabreviacomofs).

2.3.DiseoEsttico

Paraelclculodeloscomponentesdelconvertidorsetieneencuenta:

Corrienteeficazycorrientepicoenelinductor.Rizadomximodeseadoenlacorrienteenelinductor.Rizadomximopermitidoenelvoltajedesalida(voltajeenelcapacitordesalida).

2.3.1.Clculodelinductor

ParaelclculodelinductorseconsideranlasEc.(2)y(3):

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EnlaEc.(3),elpeorcasoocurrecuando(verEc.(4)):

DeestemodosehallaelmnimovalornecesariodeLbajolaspeorescondicionesdeoperacin(vertabla3).

2.3.2.Clculodecapacitores(entradaysalida)

Comoenelclculodelinductor,serepitelacondicindelpeorcaso(Ec.(4))ysehallaelvalordeC,talcomosemuestraenlatabla3paradiferentesfrecuenciasdeoperacin,empleandolaEc.(5).

Dadalanaturalezabidireccionaldelconvertidor,noesnecesariocalcularunvalorparaelcapacitordeentradayotroparaelcapacitordesalidasepuedesimplementeconsiderarelmismovaloryutilizardoscapacitoresigualesenanlisisposteriores.Estosejustificaconelhechodequeenuninstantedetiempodeterminadoelprimercapacitoresdeentradayelsegundoeselcapacitordesalida,ycuandoelflujodeenergacambiededireccinenuninstantedetiempoposteriorelprimercapacitorserelcapacitordesalidayelsegundoserelcapacitordeentrada.

Enlatabla3semuestranlosvaloresobtenidosparaCyL,paradiferentescasos.

Losvaloresobtenidossonlosvaloresmnimosquegarantizanconduccincontinuaporestarazn,enimplementacinsepuedenutilizarelementosdemayorvalornominalqueseancomerciales.

2.4.DiseoDinmico

Acontinuacinsedescribeelmodeloenpequeasealparaelconvertidorenlosmodosdeoperacinpropuestos,

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dondeTseselperiododeconmutacinyDeelciclodetrabajo[2].

Intervalo0

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LasEc.promediadasenTSson,Ec.(10),(11)y(12):

Paracompletarelanlisisdinmicodelsistemasedebenestablecerlassiguientesrelacionesentrevalorespromediadosyvaloresdepequeaseal:

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Finalmenteseobtieneelmodeloenpequeaseal(Ec.(13),(14)y(15)),considerandoqueloselementosbilinealespresentesenladinmicadelsistemasonnulosparaentradaoestadoconstante.

3.ResultadosLasfiguras2y3muestranelesquemageneralrealizadoenPSIMparalosdiferentesmodosdeoperacin.PSIMesunsofttaredesimulacindiseadoespecficamenteparalaelectrnicadepotenciayelcontroldemotores,elaboradoporPowersim.

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Larespuestadelconvertidorpropuestotrabajandoenmododescargadordebatera(verfigura4)muestraunbuencomportamiento.Talcomoseespecificaeneldiseo,lacorrientedesalidaesde10Aylosnivelesdevoltajeenestadoestticocorrespondena85Vy170V,conuntransitoriocortoyrizadospequeos.Seproponemejorarla

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respuestadinmica,tiempodeestablecimientoysobresaltos,(especialmenteenlacorrientedelabobina)conuncontroladorqueseadapteadecuadamentealtipodesistemaanalizado.

Paraelmododeoperacincomocargadordebaterassetienenencuentalassiguientesconsideraciones:lasbaterassonsumiderosdeenergaynofuentes,poresosemodelaconunaresistencia.ElniveldeVdcaltode170V(verfigura1)esahoraunafuenteynounsumiderodeenerga,poresosemodelaconunafuentedevoltajeconstante.En

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trminosgenerales,estemododeoperacinmuestratambinundesempeoeficiente.

4.conclusionesEstetrabajohamostradoeldiseoestticobsico,anlisisdefuncionamiento,diferentesmodosdeoperacinysimulacindeunconvertidorreductorelevadorbidireccionalencascada,operandoenmododeconduccincontina.

Lassimulacionesmuestranunbuencomportamientodinmicodelasvariablesdeestadodelconvertidor,apesardelanaturalezanolinealdelsistemaydequesecuentaconuncontrolsimpleenlazoabierto.

ElusocadavezmsfrecuentedeconvertidoresDC/DCbidireccionalescomodispositivosadministradoresdepotenciaensistemasdealimentacinininterrumpidayaccionamientosparamanejarmotoresenvehculoshbridossedebenosoloasueficaciaenlaregulacindetensionesDC,sinotambinasuconstruccininternayalosdispositivosdeelectrnicadepotenciaempleadosparaconmutacin,capacesdegarantizanunamenorpresenciaderuidoydetransitorios,mejorandoaslacalidaddelaenergainvolucrada.Estetipodeconvertidoresseconviertedeestemodoenpartefundamentaldesistemasecolgicosyahorradoresdeenerga.

5.TrabajofuturoComotrabajofuturo,seproponemejorarlarespuestadinmicadelconvertidorconlaaplicacindeuncontroladorqueseadaptealascaractersticasnolinealesydefasenomnimadelsistema,utilizandouncontroldeestructurasvariablescomoloeselcontrolporplanosdeslizantes.

6.FinanciamientoEstetrabajodeinvestigacinsedesarrollenelmarcodelproyecto"ImplementacindeunaUPSmonofsicausandoPWMconunatopologasimplificada",presentadoenlaConvocatoria418deJvenesInnovadores,ProgramaJvenesInvestigadoreseInnovadores,2007.EstainvestigacincontconelavalyelfinanciamientodelaUniversidadTecnolgicadePereirayelInstitutoColombianoparaelDesarrollodelaCienciaylaTecnologaFranciscoJosdeCaldasColciencias.

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