Convertidor de CC a CC

Un convertidor de CC a CC es un circuito electrónico o un dispositivo electromecánico que convierte una fuente de corriente continua (CC) de un nivel de voltaje a otro. Es un tipo de convertidor de energía eléctrica . Los niveles de potencia varían de muy bajos (baterías pequeñas) a muy altos (transmisión de energía de alto voltaje).

Antes del desarrollo de los semiconductores de potencia, una forma de convertir el voltaje de una fuente de CC a un voltaje más alto, para aplicaciones de baja potencia, era convertirlo a CA mediante el uso de un vibrador , luego mediante un transformador elevador y, finalmente, un rectificador . ^{[1] [2]} Cuando se necesitaba mayor potencia, a menudo se utilizaba una unidad de motor-generador , en la que un motor eléctrico impulsaba un generador que producía el voltaje deseado. (El motor y el generador podían ser dispositivos separados, o podían combinarse en una sola unidad de "dinamotor" sin eje de potencia externo). Estos diseños relativamente ineficientes y costosos se usaban solo cuando no había alternativa, como para alimentar una radio de automóvil (que entonces usaba válvulas termoiónicas (tubos) que requieren voltajes mucho más altos que los disponibles en una batería de automóvil de 6 o 12 V). ^[1]

La introducción de semiconductores de potencia y circuitos integrados hizo que fuera económicamente viable mediante el uso de técnicas que se describen a continuación. Por ejemplo, en primer lugar, se convierte la fuente de alimentación de CC en CA de alta frecuencia como entrada de un transformador (es pequeño, ligero y barato debido a la alta frecuencia) que cambia el voltaje que se rectifica de nuevo a CC. ^[3] Aunque en 1976 los receptores de radio de automóvil con transistores no requerían altos voltajes, algunos radioaficionados continuaron utilizando fuentes de alimentación vibratorias y dinamotores para transceptores móviles que requerían altos voltajes, aunque existían fuentes de alimentación transistorizadas. ^[4]

Si bien era posible derivar un voltaje más bajo a partir de uno más alto con un regulador lineal o incluso una resistencia, estos métodos disipaban el exceso en forma de calor; la conversión energéticamente eficiente solo fue posible con circuitos de modo conmutado de estado sólido.

Los convertidores de CC a CC se utilizan en dispositivos electrónicos portátiles, como teléfonos celulares y computadoras portátiles , que se alimentan principalmente con baterías . Dichos dispositivos electrónicos a menudo contienen varios subcircuitos , cada uno con su propio requisito de nivel de voltaje diferente del suministrado por la batería o una fuente de alimentación externa (a veces mayor o menor que el voltaje de suministro). Además, el voltaje de la batería disminuye a medida que se agota su energía almacenada. Los convertidores de CC a CC conmutados ofrecen un método para aumentar el voltaje a partir de un voltaje de batería parcialmente reducido, ahorrando así espacio en lugar de usar múltiples baterías para lograr lo mismo.

La mayoría de los circuitos convertidores de CC a CC también regulan el voltaje de salida. Algunas excepciones incluyen las fuentes de alimentación de LED de alta eficiencia , que son un tipo de convertidor de CC a CC que regula la corriente a través de los LED, y las bombas de carga simples que duplican o triplican el voltaje de salida.

Los convertidores de CC a CC que están diseñados para maximizar la cosecha de energía para sistemas fotovoltaicos y turbinas eólicas se denominan optimizadores de potencia .

Los transformadores utilizados para la conversión de tensión a frecuencias de red de 50-60 Hz deben ser grandes y pesados ​​para potencias superiores a unos pocos vatios. Esto los hace caros y están sujetos a pérdidas de energía en sus bobinados y debido a corrientes parásitas en sus núcleos. Las técnicas de CC a CC que utilizan transformadores o inductores funcionan a frecuencias mucho más altas, requiriendo solo componentes bobinados mucho más pequeños, ligeros y económicos. En consecuencia, estas técnicas se utilizan incluso cuando podría utilizarse un transformador de red; por ejemplo, para los aparatos electrónicos domésticos es preferible rectificar la tensión de red a CC, utilizar técnicas de modo conmutado para convertirla a CA de alta frecuencia a la tensión deseada y luego, normalmente, rectificar a CC. Todo el circuito complejo es más barato y más eficiente que un circuito de transformador de red simple de la misma salida. Los convertidores de CC a CC se utilizan ampliamente para aplicaciones de microrredes de CC, en el contexto de diferentes niveles de tensión.

Los convertidores de conmutación o convertidores de CC a CC de modo conmutado almacenan la energía de entrada temporalmente y luego liberan esa energía a la salida a un voltaje diferente, que puede ser mayor o menor. El almacenamiento puede estar en componentes de almacenamiento de campo magnético (inductores, transformadores) o componentes de almacenamiento de campo eléctrico (condensadores). Este método de conversión puede aumentar o disminuir el voltaje. La conversión de conmutación a menudo es más eficiente energéticamente (la eficiencia típica es del 75% al ​​98%) que la regulación de voltaje lineal, que disipa la energía no deseada en forma de calor. Se requieren tiempos rápidos de subida y bajada del dispositivo semiconductor para la eficiencia; sin embargo, estas transiciones rápidas se combinan con efectos parásitos de diseño para hacer que el diseño del circuito sea un desafío. ^[5] La mayor eficiencia de un convertidor de modo conmutado reduce la disipación de calor necesaria y aumenta la resistencia de la batería de los equipos portátiles. La eficiencia ha mejorado desde fines de la década de 1980 debido al uso de FET de potencia , que pueden conmutar de manera más eficiente con menores pérdidas de conmutación  [de] a frecuencias más altas que los transistores bipolares de potencia y utilizan circuitos de control menos complejos. Otra mejora importante en los convertidores DC-DC es la sustitución del diodo flyback por rectificación síncrona ^[6] utilizando un FET de potencia, cuya "resistencia de encendido" es mucho menor, lo que reduce las pérdidas de conmutación. Antes de la amplia disponibilidad de semiconductores de potencia, los convertidores síncronos de CC a CC de baja potencia consistían en un vibrador electromecánico seguido de un transformador elevador de tensión que alimentaba un tubo de vacío o un rectificador de semiconductores, o contactos de rectificador síncrono en el vibrador.

La mayoría de los convertidores de CC a CC están diseñados para mover la potencia en una sola dirección, desde la entrada dedicada a la salida. Sin embargo, todas las topologías de reguladores de conmutación se pueden hacer bidireccionales y capaces de mover la potencia en cualquier dirección reemplazando todos los diodos con rectificación activa controlada de forma independiente . Un convertidor bidireccional es útil, por ejemplo, en aplicaciones que requieren frenado regenerativo de vehículos, donde la potencia se suministra a las ruedas mientras se conduce, pero las ruedas la suministran cuando se frena.

Aunque requieren pocos componentes, los convertidores de conmutación son complejos desde el punto de vista electrónico. Como todos los circuitos de alta frecuencia, sus componentes deben especificarse cuidadosamente y organizarse físicamente para lograr un funcionamiento estable y mantener el ruido de conmutación ( EMI/RFI ) en niveles aceptables. ^[7] Su costo es mayor que el de los reguladores lineales en aplicaciones de caída de voltaje, pero su costo ha ido disminuyendo con los avances en el diseño de chips.

Los convertidores de CC a CC están disponibles como circuitos integrados (CI) que requieren pocos componentes adicionales. Los convertidores también están disponibles como módulos de circuito híbrido completos , listos para usar dentro de un conjunto electrónico.

Los reguladores lineales que se utilizan para generar una corriente continua estable independientemente del voltaje de entrada y de la carga de salida a partir de una entrada más alta pero menos estable, disipando el exceso de voltamperios en forma de calor , podrían describirse literalmente como convertidores de CC a CC, pero este no es su uso habitual. (Lo mismo podría decirse de una simple resistencia reductora de voltaje , ya sea estabilizada o no por un regulador de voltaje posterior o un diodo Zener ).

También existen circuitos simples duplicadores de voltaje capacitivos y multiplicadores de Dickson que utilizan diodos y capacitores para multiplicar un voltaje de CC por un valor entero, generalmente entregando solo una pequeña corriente.

En estos convertidores de CC a CC, la energía se almacena periódicamente dentro y se libera desde un campo magnético en un inductor o un transformador , normalmente dentro de un rango de frecuencia de 300 kHz a 10 MHz. Al ajustar el ciclo de trabajo de la tensión de carga (es decir, la relación de los tiempos de encendido/apagado), la cantidad de energía transferida a una carga se puede controlar más fácilmente, aunque este control también se puede aplicar a la corriente de entrada, la corriente de salida o para mantener una potencia constante. Los convertidores basados ​​en transformadores pueden proporcionar aislamiento entre la entrada y la salida. En general, el término convertidor de CC a CC se refiere a uno de estos convertidores de conmutación. Estos circuitos son el corazón de una fuente de alimentación de modo conmutado . Existen muchas topologías. Esta tabla muestra las más comunes.

Además, cada topología puede ser:

Conmutación dura

Los transistores cambian rápidamente cuando están expuestos tanto al voltaje completo como a la corriente completa.

Resonante

Un circuito LC da forma al voltaje a través del transistor y la corriente a través de él de modo que el transistor conmuta cuando el voltaje o la corriente son cero.

Los convertidores magnéticos de CC a CC pueden funcionar en dos modos, según la corriente en su componente magnético principal (inductor o transformador):

Continuo

La corriente fluctúa pero nunca baja a cero.

Discontinuo

La corriente fluctúa durante el ciclo y baja a cero al final de cada ciclo o antes.

Un convertidor puede estar diseñado para funcionar en modo continuo a alta potencia y en modo discontinuo a baja potencia.

Las topologías flyback y de medio puente son similares en el sentido de que la energía almacenada en el núcleo magnético debe disiparse para que el núcleo no se sature. La transmisión de potencia en un circuito flyback está limitada por la cantidad de energía que se puede almacenar en el núcleo, mientras que los circuitos directos suelen estar limitados por las características I/V de los conmutadores.

Aunque los interruptores MOSFET pueden tolerar corriente y voltaje completos simultáneos (aunque el estrés térmico y la electromigración pueden acortar el MTBF ), los interruptores bipolares generalmente no pueden, por lo que requieren el uso de un amortiguador (o dos).

Los sistemas de alta corriente a menudo utilizan convertidores multifásicos, también llamados convertidores intercalados. ^{[9] [10] [11]} Los reguladores multifásicos pueden tener mejor ondulación y mejores tiempos de respuesta que los reguladores monofásicos. ^[12]

Muchas placas base de computadoras portátiles y de escritorio incluyen reguladores reductores intercalados, a veces como un módulo regulador de voltaje . ^[13]

La particularidad de estos convertidores es que la energía fluye en ambas direcciones del convertidor. Estos convertidores se utilizan comúnmente en diversas aplicaciones y están conectados entre dos niveles de voltaje de CC, donde la energía se transfiere de un nivel a otro. ^[14]

• Convertidor CC-CC bidireccional Boost
• Convertidor CC-CC bidireccional Buck
• Convertidor CC-CC bidireccional no inversor tipo boost-buck
• Convertidor CC-CC bidireccional inversor boost-buck
• Convertidor CC-CC bidireccional SEPIC
• Convertidor CC-CC bidireccional CUK

Los convertidores CC-CC bidireccionales aislados múltiples también se utilizan comúnmente en casos donde se necesita aislamiento galvánico . ^[15]

• Flyback bidireccional
• ĆUK y SEPIC/ZETA aislados
• Empujar y tirar
• Adelante
• Puente activo dual (DAB)
• Doble medio puente
• Puente medio lleno
• DAB multipuerto

Los convertidores de condensadores conmutados se basan en la conexión alternada de condensadores a la entrada y la salida en diferentes topologías. Por ejemplo, un convertidor reductor de condensadores conmutados podría cargar dos condensadores en serie y luego descargarlos en paralelo. Esto produciría la misma potencia de salida (menos la que se pierde por una eficiencia inferior al 100 %) a, idealmente, la mitad del voltaje de entrada y el doble de la corriente. Debido a que operan con cantidades discretas de carga, a veces también se los denomina convertidores de bomba de carga . Por lo general, se utilizan en aplicaciones que requieren corrientes relativamente pequeñas, ya que a corrientes más altas la mayor eficiencia y el menor tamaño de los convertidores de modo conmutado los convierten en una mejor opción. ^[16] También se utilizan a voltajes extremadamente altos, ya que los elementos magnéticos se descompondrían a tales voltajes.

Un conjunto motor-generador, de interés principalmente histórico, consta de un motor eléctrico y un generador acoplados entre sí. Un dinamotor combina ambas funciones en una sola unidad con bobinas para las funciones de motor y generador enrolladas alrededor de un solo rotor; ambas bobinas comparten las mismas bobinas de campo externas o imanes. ^[4] Por lo general, las bobinas del motor se accionan desde un conmutador en un extremo del eje, cuando las bobinas del generador dan salida a otro conmutador en el otro extremo del eje. Todo el conjunto de rotor y eje es más pequeño que un par de máquinas y puede no tener ningún eje de transmisión expuesto.

Los motogeneradores pueden convertir entre cualquier combinación de voltajes de CC y CA y estándares de fase. Los grandes grupos motogeneradores se usaban ampliamente para convertir cantidades industriales de energía, mientras que las unidades más pequeñas se usaban para convertir la energía de la batería (6, 12 o 24 V CC) a un alto voltaje de CC, que era necesario para operar equipos de tubos de vacío (válvulas termoiónicas).

Para requisitos de menor potencia a voltajes superiores a los suministrados por una batería de vehículo, se utilizaban fuentes de alimentación con vibrador o "zumbador". El vibrador oscilaba mecánicamente, con contactos que cambiaban la polaridad de la batería muchas veces por segundo, convirtiendo efectivamente la CC en CA de onda cuadrada , que luego podía ser alimentada a un transformador con el voltaje de salida requerido. ^[1] Emitía un zumbido característico.

Otro medio de conversión de CC a CC en el rango de kilovatios a megavatios se presenta mediante el uso de baterías de flujo redox como la batería redox de vanadio .

Los convertidores de CC a CC están sujetos a diferentes tipos de dinámica caótica , como bifurcación , ^[17] crisis e intermitencia . ^{[18] [19]}

Paso hacia abajo

Un convertidor donde el voltaje de salida es menor que el voltaje de entrada (como un convertidor reductor ).

Subir de nivel

Un convertidor que genera un voltaje mayor que el voltaje de entrada (como un convertidor elevador ).

Modo de corriente continua

La corriente y, por tanto, el campo magnético en el almacenamiento de energía inductiva nunca llegan a cero.

Modo de corriente discontinua

La corriente y, por tanto, el campo magnético en el almacenamiento de energía inductiva pueden alcanzar o cruzar el cero.

Ruido

Ruido de señales eléctricas y electromagnéticas no deseadas , generalmente artefactos de conmutación.

Ruido de RF

Los convertidores de conmutación emiten inherentemente ondas de radio a la frecuencia de conmutación y sus armónicos. Los convertidores de conmutación que producen corriente de conmutación triangular, como el convertidor split-pi , el convertidor directo o el convertidor Ćuk en modo de corriente continua, producen menos ruido armónico que otros convertidores de conmutación. ^[20] El ruido de RF causa interferencia electromagnética (EMI). Los niveles aceptables dependen de los requisitos, por ejemplo, la proximidad a los circuitos de RF necesita más supresión que simplemente cumplir con las regulaciones.

Convertidores CC/CC integrados en bobina

Estos pueden incluir un circuito integrado de control de potencia, una bobina, un condensador y una resistencia; disminuyen el espacio de montaje con una pequeña cantidad de componentes en una única solución integrada.

Ruido de entrada

El voltaje de entrada puede tener un ruido no despreciable. Además, si el convertidor carga la entrada con bordes de carga agudos, el convertidor puede emitir ruido de RF desde las líneas de alimentación. Esto se debe evitar con un filtrado adecuado en la etapa de entrada del convertidor.

Ruido de salida

La salida de un convertidor CC a CC ideal es una tensión de salida plana y constante. Sin embargo, los convertidores reales producen una salida CC a la que se superpone un cierto nivel de ruido eléctrico. Los convertidores de conmutación producen ruido de conmutación en la frecuencia de conmutación y sus armónicos. Además, todos los circuitos electrónicos tienen algo de ruido térmico . Algunos circuitos analógicos y de radiofrecuencia sensibles requieren una fuente de alimentación con tan poco ruido que solo puede proporcionarse mediante un regulador lineal. ^[21] Algunos circuitos analógicos que requieren una fuente de alimentación con un ruido relativamente bajo pueden tolerar algunos de los convertidores de conmutación menos ruidosos, por ejemplo, utilizando formas de onda triangulares continuas en lugar de ondas cuadradas. ^{[20] [ verificación fallida ]}

• Convertidor Buck-Boost
• Sistema de carga combinado
• Fuente de alimentación de modo conmutado
• Cargador de CC a CC

• Tecnologías de convertidores CC-CC para vehículos eléctricos/híbridos
• Libros de electrónica de potencia
• Nota de aplicación del regulador de conmutación para la fuente de alimentación de LCD