¿Qué es un convertidor CC-CC?
A Convertidor CC-CC es un sistema eléctrico (dispositivo) que convierte fuentes de corriente continua (CC) de un nivel de voltaje a otro. En otras palabras, un convertidor CC-CC toma como entrada un voltaje de entrada CC y genera un voltaje CC diferente. El voltaje CC de salida puede ser más alto o más bajo que el voltaje de entrada de CC. Como su nombre lo indica, un convertidor DC-DC solo funciona con fuentes de corriente continua (DC) y no con fuentes de corriente alternativa (AC).
Un convertidor DC-DC también se llama Convertidor de potencia CC-CC o regulador de voltaje.
Imagen: Principio de funcionamiento de un convertidor DC-DC
Si tenemos dos sistemas eléctricos, funcionando a diferentes niveles de tensión, uno de nivel alto (140 V) y otro de nivel bajo (14 V), un conversor DC-DC puede convertir la tensión entre ellos, de alta a baja o de baja a alto. La conversión de un nivel de voltaje a otro nivel de voltaje se realiza con algunos perdidas de potencia. Dependiendo del punto de funcionamiento del convertidor DC-DC (tensión y corriente) y del tipo de convertidor, la eficiencia puede estar entre el 75 % y el 95 % o más.
El convertidor CC-CC en un vehículo eléctrico de batería (BEV) se utiliza para convertir el alto voltaje de la batería (por ejemplo, 400 V) en bajo voltaje de corriente continua (por ejemplo, 12 V), para cargas convencionales de 12 V (luces, multimedia, elevalunas eléctricos, etc.).
Un convertidor CC-CC es un convertidor de potencia que convierte una fuente de corriente continua (CC) de un nivel de voltaje a otro, almacenando la energía de entrada temporalmente y luego liberándola a la salida con un voltaje diferente. El almacenamiento de energía eléctrica se puede realizar en componentes de almacenamiento de campo magnético (inductores, transformadores) o en componentes de almacenamiento de campo eléctrico (condensadores).
Eficiencia de los convertidores DC-DC
la energia electrica P [W] es el producto entre el voltaje Ud. [V] y corriente electrica I [A].
(1)
P=U⋅I
Si, por ejemplo, el voltaje de entrada Ud.in = 120V y la corriente máxima Iin = 5A esto dará una potencia de entrada de:
Pin=120⋅5=600 W
Dado que la energía eléctrica se conserva (Pout =Pin) y asumimos que el convertidor DC-DC no tiene pérdidas (100 % de eficiencia), para un voltaje de salida Ud.out = 14 voltiospodemos calcular la corriente de salida como:
En realidad, habrá algunas pérdidas asociadas con la conversión y la corriente de salida máxima será menor que la calculada para una eficiencia del 100 %.
El eficiencia del convertidor DC-DC se calcula como:
Existen varios tipos de convertidores DC-DC. La clasificación más común es desde el punto de vista de la relación entre el voltaje de entrada y salida:
- impulsar los convertidores CC-CC
- convertidores reductores CC-CC
en un impulsar el convertidor CC-CC, el voltaje de salida es mayor que el voltaje de entrada. Debido a la conservación de energía (si ignoramos las pérdidas), la corriente de salida será menor que la corriente de entrada.
Imagen: Principio de funcionamiento de un convertidor elevador CC-CC
Para este ejemplo, la eficiencia del convertidor DC-DC elevador es:
en un convertidor reductor CC-CC, el voltaje de salida es menor que el voltaje de entrada. Debido a la conservación de energía (si ignoramos las pérdidas), la corriente de salida será mayor que la corriente de entrada.
Imagen: Principio de funcionamiento de un convertidor reductor CC-CC
Para este ejemplo, la eficiencia del convertidor reductor CC-CC es:
Clasificación de convertidores DC-DC.
Existen varios tipos de convertidores DC-DC. La forma más simple de convertidor CC-CC es el convertidor lineal, también llamado regulador de voltaje lineal.
Un regulador de voltaje lineal solo puede funcionar como un convertidor reductor CC-CC, lo que significa que solo reducirá un nivel de voltaje más alto. Al ser un regulador, también asegura que el voltaje de salida se mantenga en un valor específico, incluso si la carga de salida es variable.
Un tipo más eficiente de convertidores DC-DC es el Convertidor DC-DC de conmutación. Existen varias topologías de conmutación de convertidores CC-CC; la más común se presenta en la imagen a continuación.
Imagen: Clasificación de convertidores DC-DC
Antes de la conmutación de convertidores CC-CC, se utilizaban habitualmente convertidores lineales. El regulador de voltaje lineal (convertidor CC-CC) viene en dos topologías principales: la regulador de voltaje en derivación y el regulador de voltaje en serie. En este tipo de reguladores de voltaje, los transistores funcionan en la región activa como fuentes de corriente dependientes con caídas de voltaje relativamente altas a corrientes altas, disipando una gran cantidad de energía. Debido a la alta disipación de potencia, la eficiencia de un regulador de voltaje lineal suele ser baja. Los reguladores lineales tienden a ser pesados y grandes, pero tienen la ventaja de un bajo nivel de ruido y son adecuados para aplicaciones de audio.
 Imagen: Regulador de voltaje en derivación simple |  Imagen: Regulador de voltaje en serie simple |
Vs – tensión de alimentación (entrada)
R1 – resistencia
R2 – resistencia de carga (el voltaje en su terminal es el voltaje de salida)
DZ – Diodo Zener
Q-transistor
El regulador de voltaje en derivación simple, llamado simplemente regulador de derivación, es un tipo de regulador de voltaje en el que el componente regulador desvía la corriente a tierra. El regulador de derivación funciona manteniendo un voltaje constante en sus terminales y toma la corriente adicional para mantener el voltaje en la carga eléctrica. Uno de los elementos más comunes del regulador de derivación contiene el circuito de diodo Zener simple donde el diodo Zener tiene la función de elemento de derivación.
El regulador de voltaje en serie simple, también llamado regulador de paso en serie, es el enfoque más común para proporcionar la regulación de voltaje final en una fuente de alimentación regulada lineal. El regulador lineal en serie se caracteriza por un alto nivel de rendimiento de la tensión de salida en términos de baja ondulación y ruido.
Imagen: Convertidor lineal CC-CC
Crédito: Microchip
El convertidor lineal DC-DC solo convierte voltajes más altos en voltajes más bajos. En términos de disipación de energía, veamos un ejemplo. Si el voltaje de entrada es de 42 V, el voltaje de salida de 12 V y la corriente de salida de 5 A, la potencia disipada P [W] se va a calcular como:
P=Iout⋅(Vin–Vout)=150W
Toda esa potencia disipada se convertirá en calor. Sin una refrigeración adecuada, el convertidor lineal DC-DC puede sobrecalentarse y destruirse. Por este motivo, los convertidores lineales CC-CC se suelen utilizar para aplicaciones de baja potencia.
En conmutación de convertidores CC-CC, los transistores funcionan como interruptores, lo que significa que disipan mucha menos energía que los transistores que funcionan como fuentes de corriente dependientes. La caída de voltaje a través de los transistores es muy baja cuando conducen una corriente alta y los transistores conducen una corriente casi nula cuando la caída de voltaje a través de ellos es alta. Por lo tanto, las pérdidas por conducción son bajas y la eficiencia de los convertidores de modo conmutado es alta, normalmente superior al 80% o 90%. Sin embargo, las pérdidas de conmutación reducen la eficiencia a altas frecuencias; cuanto mayor es la frecuencia de conmutación, mayores son las pérdidas de potencia.
Los convertidores CC-CC de tipo interruptor tienen una mejor eficiencia en comparación con los convertidores lineales porque no disipan energía continuamente.
Imagen: Esquema del convertidor Buck DC-DC
Convertidor reductor CC-CC, también llamado convertidor reductor CC-CC, es un convertidor de potencia CC-CC que reduce el voltaje de salida, mientras aumenta la corriente de salida. Consiste en al menos cuatro componentes:
- un transistor de potencia utilizado como elemento de conmutación (S)
- un diodo rectificador (D)
- un inductor (L) como elemento de almacenamiento de energía
- un condensador de filtro (C)
Las relaciones entre el voltaje, la corriente y la potencia de entrada y salida son las siguientes:
- Uout < Uin
- Iout > Iin
- Pout =Pin – Ppérdida
En aplicaciones de vehículos eléctricos, los convertidores reductores CC-CC se utilizan para reducir el alto voltaje de la batería principal (por ejemplo, 400 V) a valores más bajos (12-14 V) requeridos por los sistemas auxiliares del vehículo (multimedia, navegación, radio, rayos, sensores, etc.).
Imagen: Esquema del convertidor Boost DC-DC
Impulsar el convertidor DC-DC, también llamado convertidor elevador DC-DC, es un convertidor de potencia DC-DC que aumenta el voltaje de salida, mientras disminuye la corriente de salida. Contiene los mismos componentes que un convertidor CC-CC reductor, pero dispuestos en una topología diferente.
Las relaciones entre el voltaje, la corriente y la potencia de entrada y salida son las siguientes:
- Uout > Uin
- Iout < Iin
- Pout =Pin – Ppérdida
En algunas aplicaciones de vehículos eléctricos híbridos (HEV), se utilizan convertidores CC-CC elevadores para aumentar el voltaje de la batería de 202 V a 500 V. El voltaje de la batería en una aplicación de vehículos eléctricos híbridos (HEV) está limitado por la Número de celdas de batería en serie. Debido al espacio limitado, las baterías tienen un número limitado de celdas en serie, por lo que el voltaje de salida también es limitado. Utilizando convertidores elevadores CC-CC, el voltaje de la batería se puede aumentar al voltaje más alto requerido por la máquina eléctrica.
Imagen: Esquema del convertidor Buck-Boost DC-DC (topología invertida)
En los convertidores Buck DC-DC, el voltaje de salida es siempre menor que el voltaje de entrada. Por otro lado, en los convertidores DC-DC Boost, la tensión de salida siempre es mayor que la tensión de entrada. A Convertidor CC-CC Buck-Boost combina los dos y puede tener un voltaje de salida mayor o menor en comparación con el voltaje de entrada, dependiendo de la relación de trabajo aplicada al interruptor.
El convertidor CC-CC reductor-elevador de topología inversora genera un voltaje con polaridad opuesta en comparación con el voltaje de entrada. El voltaje de salida se ajusta en función del ciclo de trabajo del elemento de conmutación (transistor).
Imagen: Esquema del convertidor CC-CC de Ćuk
El Convertidor CC-CC es otro tipo de convertidor reductor-elevador que genera una corriente sin ondulación. El convertidor Ćuk puede verse como una combinación de convertidor elevador y convertidor reductor, que tienen un dispositivo de conmutación y un condensador mutuo, para acoplar la energía. De manera similar al convertidor reductor-elevador con topología inversora, el voltaje de salida del convertidor Ćuk no aislado generalmente está invertido, con valores más bajos o más altos con respecto al voltaje de entrada. Por lo general, en los convertidores CC-CC, el inductor se utiliza como componente principal de almacenamiento de energía, mientras que en los convertidores Ćuk el componente principal de almacenamiento de energía es el condensador. [8].
Imagen: Esquema del convertidor SEPIC CC-CC
El Convertidor CC-CC de inductor primario de un solo extremo (SEPIC) permite que el potencial eléctrico (voltaje) en su salida (Uout) para ser mayor o menor que el voltaje de entrada (Uin). La salida del convertidor SEPIC DC-DC está controlada por el ciclo de trabajo del interruptor de control (S).
Un SEPIC consta de un convertidor elevador seguido de un convertidor reductor-elevador invertido, por lo que es similar a un convertidor reductor-elevador tradicional, pero tiene las ventajas de tener una salida no invertida (la salida tiene la misma polaridad de voltaje que la entrada), usar un capacitor en serie para acoplar energía de la entrada a la salida (y así poder responder más elegantemente a una salida de cortocircuito) y ser capaz de realizar un apagado verdadero: cuando el interruptor S se apaga lo suficiente, la salida (Uout) cae a 0 V, después de una descarga transitoria de carga bastante considerable [9].
Imagen: Esquema del convertidor Zeta DC-DC
Similar a la topología del convertidor SEPIC DC/DC, el Convertidor Zeta CC-CC La topología proporciona un voltaje de salida positivo a partir de un voltaje de entrada que varía por encima y por debajo del voltaje de salida. El convertidor Zeta también necesita dos inductores y un condensador en serie, a veces llamado condensador volante. A diferencia del convertidor SEPIC, que está configurado con un convertidor elevador estándar, el convertidor Zeta está configurado desde un controlador reductor que impulsa un FET PMOS de lado alto. El convertidor Zeta es otra opción para regular una fuente de alimentación de entrada no regulada. [10].
En un convertidor DC-DC los dispositivos de conmutación (S) tienen que abrir y cerrar un circuito eléctrico. Por lo tanto, tienen dos funciones: como conductor eléctrico para cerrar el circuito, así como como aislante eléctrico para romper/abrir el circuito. Esta doble función define lo que es un semiconductor: un dispositivo capaz de conducir corriente de forma eficiente, así como bloquearla.
Los semiconductores se clasifican en términos del voltaje máximo que pueden manejar y aún comportarse como aislante, y la corriente máxima que puede circular a través de ellos sin dañar el dispositivo. La corriente máxima permitida no sólo depende de la clasificación del módulo sino también de las propiedades térmicas del semiconductor. Así, según el embalaje del módulo de potencia, así como el disipador de calor utilizado, la corriente máxima permitida puede variar para un mismo dispositivo.
Para aplicaciones automotrices, un convertidor CC-CC debe cumplir varios requisitos de diseño, como:
- peso ligero
- alta eficiencia
- pequeño volumen
- rechazar la interferencia electromagnética
- ondulación de corriente de salida baja
En los siguientes artículos discutiremos sobre los modos de operación de los convertidores DC-DC, derivaremos sus modelos matemáticos y realizaremos simulaciones usando Scilab/Xcos.
Referencias: