Convertidor Ćuk - Ćuk converter

Comparación de topologías de convertidores CC a CC con conmutación no aislada: Buck , Boost , Buck-Boost , Ćuk. La entrada es del lado izquierdo, la salida con carga es del lado derecho. El interruptor suele ser un transistor MOSFET , IGBT o BJT .

El convertidor Ćuk (pronunciado chook ; a veces deletreado incorrectamente Cuk , Čuk o Cúk ) es un tipo de convertidor reductor - elevador con corriente de ondulación cero . Convertidor de Cuk se puede considerar como una combinación de convertidor elevador y convertidor reductor , que tiene un dispositivo de conmutación y un condensador mutuo, para acoplar la energía.

Similar al convertidor buck-boost con inversión de la topología, la tensión de salida no aislada convertidor de Cuk típicamente se invierte, con valores menores o mayores con respecto a la tensión de entrada. Por lo general, en los convertidores de CC, el inductor se utiliza como componente principal de almacenamiento de energía. En el convertidor ćuk, el principal componente de almacenamiento de energía es el condensador. Lleva el nombre de Slobodan Ćuk del Instituto de Tecnología de California , quien presentó por primera vez el diseño.

Convertidor Ćuk no aislado

Hay variaciones en el convertidor básico de Ćuk. Por ejemplo, las bobinas pueden compartir un solo núcleo magnético, lo que reduce la ondulación de salida y agrega eficiencia. Debido a que la transferencia de energía fluye continuamente a través del condensador, este tipo de conmutador ha minimizado la radiación EMI . El convertidor Ćuk permite que la energía fluya bidireccionalmente mediante el uso de un diodo y un interruptor.

Principio de operación

Un convertidor Ćuk no aislado consta de dos inductores , dos condensadores , un interruptor (generalmente un transistor ) y un diodo . Su esquema se puede ver en la figura 1. Es un convertidor inversor, por lo que el voltaje de salida es negativo con respecto al voltaje de entrada.

La principal ventaja de este convertidor son las corrientes continuas en la entrada y salida del convertidor. La principal desventaja es la alta tensión actual en el interruptor.

Fig. 1. Diagrama del circuito del convertidor Cuk.

El condensador C ₁ se utiliza para transferir energía. Se conecta alternativamente a la entrada y a la salida del convertidor mediante la conmutación del transistor y el diodo (ver figuras 2 y 3).

Los dos inductores L ₁ y L ₂ se utilizan para convertir respectivamente la fuente de voltaje de entrada ( V _s ) y la fuente de voltaje de salida ( V _o ) en fuentes de corriente. En una escala de tiempo corta, un inductor se puede considerar como una fuente de corriente ya que mantiene una corriente constante. Esta conversión es necesaria porque si el capacitor estuviera conectado directamente a la fuente de voltaje, la corriente estaría limitada solo por la resistencia parásita, lo que resultaría en una gran pérdida de energía. La carga de un condensador con una fuente de corriente (el inductor) evita la limitación de corriente resistiva y la pérdida de energía asociada.

Como con otros convertidores ( convertidor reductor , convertidor elevador , convertidor buck-boost ) el convertidor de Cuk puede operar ya sea en modo de corriente continua o discontinua. Sin embargo, a diferencia de estos convertidores, también puede operar en modo de voltaje discontinuo (el voltaje a través del capacitor cae a cero durante el ciclo de conmutación).

Modo continuo

Fig. 2: Los dos estados operativos de un convertidor Ćuk no aislado.

En estado estacionario, la energía almacenada en los inductores debe permanecer igual al principio y al final de un ciclo de conmutación. La energía en un inductor viene dada por:

${\ Displaystyle E = {\ frac {1} {2}} LI ^ {2}}$

Esto implica que la corriente a través de los inductores debe ser la misma al principio y al final del ciclo de conmutación. Como la evolución de la corriente a través de un inductor está relacionada con el voltaje a través de él:

${\ Displaystyle V_ {L} = L {\ frac {dI} {dt}}}$

Se puede ver que el valor promedio de los voltajes del inductor durante un período de conmutación debe ser cero para satisfacer los requisitos de estado estacionario.

Si consideramos que los condensadores C y C ₂ son lo suficientemente grandes como para que la ondulación del voltaje a través de ellos sea insignificante, los voltajes del inductor se vuelven:

• en el estado de desconexión , inductor L ₁ está conectado en serie con V _s y C ₁ (véase la figura 2). Por lo tanto . Como el diodo D tiene polarización directa (consideramos una caída de voltaje cero), L ₂ está conectado directamente al condensador de salida. Por lo tanto${\ textstyle V_ {L1} = V_ {s} -V_ {C1}}$${\ Displaystyle V_ {L2} = V_ {o}}$
• en el estado encendido , el inductor L ₁ está conectado directamente a la fuente de entrada. Por lo tanto . El inductor L ₂ está conectado en serie con C y el condensador de salida, por lo que${\ textstyle V_ {L1} = V_ {s}}$${\ Displaystyle V_ {L2} = V_ {o} + V_ {C}}$

Fig. 3: Los dos estados operativos de un convertidor Ćuk no aislado. En esta figura, el diodo y el interruptor se reemplazan por un cortocircuito cuando están encendidos o por un circuito abierto cuando están apagados. Se puede ver que cuando está apagado, el capacitor C está siendo cargado por la fuente de entrada a través del inductor L ₁ . Cuando está encendido, el condensador C transfiere la energía al condensador de salida a través de la inductancia L ₂ .

El convertidor opera en estado de encendido de a ( D es el ciclo de trabajo ), y en estado de apagado de D · T a T (es decir, durante un período igual a ). Por tanto, los valores medios de V _L1 y V _L2 son: ${\ textstyle t = 0}$${\ textstyle t = DT}$${\ textstyle (1-D) T}$

${\ Displaystyle {\ bar {V}} _ {L1} = D \ cdot V_ {s} + \ left (1-D \ right) \ cdot \ left (V_ {s} + V_ {C} \ right) = \ izquierda (V_ {s} + (1-D) \ cdot V_ {C} \ derecha)}$

${\ Displaystyle {\ bar {V}} _ {L2} = D \ left (V_ {o} + V_ {C} \ right) + \ left (1-D \ right) \ cdot V_ {o} = \ left (V_ {o} + D \ cdot V_ {C} \ right)}$

Como ambos voltajes promedio tienen que ser cero para satisfacer las condiciones de estado estable, usando la última ecuación podemos escribir:

${\ Displaystyle V_ {C} = - {\ frac {V_ {o}} {D}}}$

Entonces, el voltaje promedio en L _{1 se} convierte en:

${\ Displaystyle {\ bar {V}} _ {L1} = \ left (V_ {s} - (1-D) \ cdot {\ frac {V_ {o}} {D}} \ right) = 0}$

Que se puede escribir como:

${\ Displaystyle {\ frac {V_ {o}} {V_ {s}}} = {\ frac {D} {1-D}}}$

Se puede observar que esta relación es la misma que la obtenida para el convertidor reductor-elevador .

Modo discontinuo

Como todos los convertidores CC / CC, los convertidores Ćuk se basan en la capacidad de los inductores en el circuito para proporcionar corriente continua, de la misma manera que un condensador en un filtro rectificador proporciona voltaje continuo. Si este inductor es demasiado pequeño o está por debajo de la "inductancia crítica", entonces la pendiente de la corriente del inductor será discontinua donde la corriente llega a cero. Este estado de operación generalmente no se estudia con mucha profundidad, ya que generalmente no se usa más allá de una demostración de por qué la inductancia mínima es crucial, aunque puede ocurrir cuando se mantiene un voltaje de reserva a una corriente mucho más baja que la que se diseñó el convertidor.

La inductancia mínima viene dada por:

${\ displaystyle L_ {1} min = {\ frac {(1-D) ^ {2} R} {2Df_ {s}}}}$

¿Dónde está la frecuencia de conmutación? ${\ Displaystyle f_ {s}}$

Convertidor Ćuk aislado

Convertidor Ćuk aislado inductor acoplado.

Convertidor Ćuk magnético integrado.

Para la versión aislada del convertidor Ćuk, se debe agregar un transformador de CA y un capacitor adicional. Debido a que el convertidor Ćuk aislado está aislado, la polaridad del voltaje de salida se puede elegir libremente.

Convertidor de Ćuk aislado con transformador de CA sin gapeless.

Como convertidor Ćuk no aislado, el convertidor Ćuk aislado puede tener una magnitud de voltaje de salida mayor o menor que la magnitud de voltaje de entrada, incluso con un transformador de CA 1: 1. Sin embargo, la relación de vueltas se puede controlar para reducir la tensión del dispositivo en el lado de entrada. Además, los elementos parásitos del transformador, a saber, la inductancia de fuga y la inductancia de magnetización, se pueden utilizar sintonizados para modificar el circuito en un circuito convertidor resonante que tiene una eficiencia mucho mayor.

Estructuras relacionadas

Acoplamiento inductor

En lugar de utilizar dos componentes inductores discretos, muchos diseñadores implementan un convertidor Ćuk inductor acoplado , utilizando un solo componente magnético que incluye ambos inductores en el mismo núcleo. La acción del transformador entre los inductores dentro de ese componente da un convertidor Ćuk de inductor acoplado con una ondulación de salida más baja que un convertidor Ćuk que utiliza dos componentes inductores discretos independientes.

Convertidor Zeta

Un convertidor zeta es una topología de fuente de alimentación reductora-impulsora no aislada, no inversora.

Convertidor de inductancia primaria de un solo extremo (SEPIC)

Un convertidor SEPIC puede aumentar o reducir el voltaje.

Patentes

• Patente estadounidense 4257087, presentada en 1979, " Convertidor de conmutación CC a CC con ondulación de corriente de entrada y salida cero y circuitos magnéticos integrados ", inventor Slobodan Ćuk .
• Patente de Estados Unidos 4274133, presentada en 1979, " Convertidor CC a CC con ondulación reducida sin necesidad de ajustes ", inventor Slobodan Ćuk y RD Middlebrook .
• Patente de Estados Unidos 4184197, presentada en 1977, " Convertidor de conmutación de CC a CC ", inventor Slobodan Ćuk y RD Middlebrook .

Otras lecturas

• Electrónica de potencia, vol. 4: Convertidores Ćuk y promediado de espacio de estado ; Ćuk Slobodan; 378 páginas; 2016; ISBN  978-1519520289 .

Referencias

enlaces externos

• Fondo de topología