Convertidor de inductor primario de un solo extremo
El convertidor de inductor primario de un solo extremo ( SEPIC ) es un tipo de convertidor CC/CC que permite que el potencial eléctrico ( voltaje ) en su salida sea mayor, menor o igual que el de su entrada. La salida del SEPIC está controlada por el ciclo de trabajo del interruptor electrónico (S1).
Un SEPIC es esencialmente un convertidor elevador seguido de un convertidor reductor-elevador invertido . Si bien es similar a un convertidor reductor-elevador tradicional, tiene algunas ventajas. Tiene una salida no invertida (la salida tiene la misma polaridad eléctrica que la entrada). Su uso de un condensador en serie para acoplar la energía de la entrada a la salida permite que el circuito responda de manera más elegante a una salida de cortocircuito. Y es capaz de apagarse realmente: cuando el interruptor S1 se apaga lo suficiente, la salida ( V 0 ) cae a 0 V, después de una descarga transitoria de carga bastante fuerte. [1]
Los SEPIC son útiles en aplicaciones en las que el voltaje de la batería puede ser superior o inferior al de la salida prevista del regulador. Por ejemplo, una sola batería de iones de litio normalmente se descarga de 4,2 voltios a 3 voltios; si otros componentes requieren 3,3 voltios, entonces el SEPIC sería eficaz.
Funcionamiento del circuito
El diagrama esquemático de un SEPIC básico se muestra en la Figura 1. Al igual que con otras fuentes de alimentación de modo conmutado (específicamente convertidores CC a CC ), el SEPIC intercambia energía entre los condensadores e inductores para convertir de un voltaje a otro. La cantidad de energía intercambiada está controlada por el interruptor S1, que normalmente es un transistor como un MOSFET . Los MOSFET ofrecen una impedancia de entrada mucho mayor y una caída de voltaje menor que los transistores de unión bipolar ( BJT ), y no requieren resistencias de polarización ya que la conmutación MOSFET está controlada por diferencias de voltaje en lugar de una corriente, como con los BJT.
Modo continuo
Se dice que un SEPIC está en modo de conducción continua ("modo continuo") si las corrientes a través de los inductores L1 y L2 nunca caen a cero durante un ciclo de operación. Durante la operación en estado estable de un SEPIC , el voltaje promedio a través del capacitor C1 ( V C1 ) es igual al voltaje de entrada ( V in ). [ ¿Por qué? ] Debido a que el capacitor C1 bloquea la corriente continua (CC), la corriente promedio a través de él ( I C1 ) es cero, lo que hace que el inductor L2 sea la única fuente de corriente de carga CC. Por lo tanto, la corriente promedio a través del inductor L2 ( I L2 ) es la misma que la corriente de carga promedio y, por lo tanto, independiente del voltaje de entrada.
Observando los voltajes promedio, se puede escribir lo siguiente:
Como el voltaje promedio de V C1 es igual a V IN , entonces V L1 = − V L2 . Por esta razón, los dos inductores pueden estar enrollados en el mismo núcleo , lo que comienza a parecerse a un convertidor flyback , la más básica de las topologías de fuente de alimentación conmutada con aislamiento de transformador . Como los voltajes son los mismos en magnitud, sus efectos sobre la inductancia mutua serán cero, suponiendo que la polaridad de los devanados sea correcta. Además, como los voltajes son los mismos en magnitud, las corrientes de ondulación de los dos inductores serán iguales en magnitud.
Las corrientes promedio se pueden sumar de la siguiente manera (las corrientes promedio de los capacitores deben ser cero):
Cuando se enciende el interruptor S1, la corriente IL1 aumenta y la corriente IL2 se vuelve más negativa . (Matemáticamente, disminuye debido a la dirección de la flecha). La energía para aumentar la corriente IL1 proviene de la fuente de entrada. Dado que S1 está cerrado por un corto tiempo y el voltaje instantáneo V L1 es aproximadamente V IN , el voltaje V L2 es aproximadamente − V C1 . Por lo tanto, D1 se abre y el capacitor C1 suministra la energía para aumentar la magnitud de la corriente en IL2 y , por lo tanto, aumentar la energía almacenada en L2. IL es suministrada por C2. La forma más fácil de visualizar esto es considerar los voltajes de polarización del circuito en un estado de CC, luego cerrar S1.
Cuando el interruptor S1 está apagado, la corriente I C1 se vuelve la misma que la corriente I L1 , ya que los inductores no permiten cambios instantáneos en la corriente. La corriente I L2 continuará en la dirección negativa, de hecho nunca invierte la dirección. Se puede ver en el diagrama que una I L2 negativa se sumará a la corriente I L1 para aumentar la corriente entregada a la carga. Usando la Ley de Corriente de Kirchhoff , se puede demostrar que I D1 = I C1 - I L2 . Entonces se puede concluir que, mientras S1 está apagado, se entrega energía a la carga desde L2 y L1. C1, sin embargo, está siendo cargada por L1 durante este ciclo de apagado (como C2 por L1 y L2), y a su vez recargará L2 durante el siguiente ciclo de encendido.
Debido a que el potencial (voltaje) a través del capacitor C1 puede invertir su dirección en cada ciclo, se debe utilizar un capacitor no polarizado. Sin embargo, en algunos casos se puede utilizar un capacitor electrolítico o de tantalio polarizado, [2] porque el potencial (voltaje) a través del capacitor C1 no cambiará a menos que el interruptor esté cerrado el tiempo suficiente para un medio ciclo de resonancia con el inductor L2, y para ese momento la corriente en el inductor L1 podría ser bastante grande.
El condensador C IN no tiene efecto en el análisis del circuito ideal, pero es necesario en los circuitos reguladores reales para reducir los efectos de la inductancia parásita y la resistencia interna de la fuente de alimentación.
Las capacidades de boost/buck del SEPIC son posibles gracias al condensador C1 y al inductor L2. El inductor L1 y el interruptor S1 crean un convertidor elevador estándar , que genera un voltaje ( V S1 ) que es mayor que V IN , cuya magnitud está determinada por el ciclo de trabajo del interruptor S1. Dado que el voltaje promedio a través de C1 es V IN , el voltaje de salida ( V O ) es V S1 - V IN . Si V S1 es menor que el doble de V IN , entonces el voltaje de salida será menor que el voltaje de entrada. Si V S1 es mayor que el doble de V IN , entonces el voltaje de salida será mayor que el voltaje de entrada.
Modo discontinuo
Se dice que un SEPIC está en modo de conducción discontinua o modo discontinuo si se permite que la corriente a través de cualquiera de los inductores L1 o L2 caiga a cero durante un ciclo operativo.
Fiabilidad y eficiencia
La caída de tensión y el tiempo de conmutación del diodo D1 son fundamentales para la fiabilidad y la eficiencia de un SEPIC. El tiempo de conmutación del diodo debe ser extremadamente rápido para no generar picos de tensión elevados en los inductores, lo que podría dañar los componentes. Se pueden utilizar diodos convencionales rápidos o diodos Schottky .
Las resistencias en los inductores y los capacitores también pueden tener grandes efectos en la eficiencia del convertidor y la ondulación de salida. Los inductores con menor resistencia en serie permiten que se disipe menos energía en forma de calor, lo que resulta en una mayor eficiencia (una porción mayor de la potencia de entrada se transfiere a la carga). También se deben usar capacitores con baja resistencia en serie equivalente (ESR) para C1 y C2 para minimizar la ondulación y evitar la acumulación de calor, especialmente en C1, donde la corriente cambia de dirección con frecuencia.
Desventajas
- Al igual que el convertidor buck-boost , el SEPIC tiene una corriente de salida pulsante. El convertidor Ćuk similar no tiene esta desventaja, pero solo puede tener polaridad de salida negativa, a menos que se utilice el convertidor Ćuk aislado.
- Dado que el convertidor SEPIC transfiere toda su energía a través del condensador en serie, se requiere un condensador con alta capacitancia y capacidad de manejo de corriente.
- La naturaleza de cuarto orden del convertidor también hace que el convertidor SEPIC sea difícil de controlar, lo que lo hace adecuado solo para aplicaciones de variación muy lenta.
Véase también
Referencias
- Maniktala, Sanjaya. Diseño y optimización de fuentes de alimentación conmutadas , McGraw-Hill, Nueva York 2005
- Ecuaciones SEPIC y clasificaciones de componentes , Maxim Integrated Products. Appnote 1051, 2005.
- Convertidor TM SEPIC en prerregulador PFC , STMicroelectronics. Nota de aplicación AN2435. Esta nota de aplicación presenta la ecuación básica del convertidor SEPIC, además de un ejemplo práctico de diseño.
- Convertidores de potencia de alta frecuencia , Intersil Corporation. Nota de aplicación AN9208, abril de 1994. Esta nota de aplicación cubre varias arquitecturas de convertidores de potencia, incluidos los diversos modos de conducción de los convertidores SEPIC.
- ^ Robert Warren, Erickson (1997). Fundamentos de electrónica de potencia . Chapman & Hall.
- ^ Dongbing Zhang, Diseño de un convertidor Sepic. Mayo de 2006, revisado en abril de 2013. Anteriormente, Nota de aplicación 1484 de National Semiconductor, ahora Informe de aplicación SNVA168E de Texas Instruments.
