Los convertidores conmutados dc-dc son circuitos electrónicos de potencia que transforman un nivel de tensión de corriente continua en otro nivel distinto mediante acciones de conmutación. En esta tesis se estudia un convertidor del tipo reductor-elevador
pensado para aplicaciones donde varía la tensión de entrada, de la manera que ocurre
normalmente en una batería. La topología deriva de la versión sincrónica del BuckBoost no inversor. Dicho circuito admite el manejo independiente de sus dos pares de
transistores. Gracias a esta flexibilidad, es posible plantear distintos modos de operación para mejorar la eficiencia del sistema.
La forma de trabajo del así llamado Buck-Boost de cuatro llaves se elige de acuerdo a
la relación que existe entre el nivel de entrada y de salida. Se definen tres modos clásicos
basados en los convertidores Buck (o reductor), Buck-Boost no inversor (o reductorelevador no inversor) y Boost (o elevador). Para suavizar los transitorios durante los
cambios de modo, se introducen dos modos adicionales que combinan períodos de
conmutación operando como Buck con períodos operando como Boost. El desempeño
de estas combinaciones depende fuertemente de cómo se defina la secuencia en que
alternan estos períodos y de cómo se asignen los ciclos de trabajo de las llaves. Aún así,
parecen ser más eficientes que la operación tradicional como Buck-Boost no inversor.
Por ello, se plantea eliminar dicho modo de operación.
El control del convertidor se realiza en forma digital. Por ello, el comportamiento dinámico en los modos de operación clásicos es modelado mediante la técnica de
variables de estado en tiempo discreto. A partir de estos modelos se desarrolla un
procedimiento para determinar la secuencia adecuada a implementar en los modos
combinados. El mismo se basa en la minimización del error medio cuadrático de la
tensión de salida con respecto al valor medio deseado. Los ciclos de trabajo se asignan
de tres formas distintas y se evalúa el efecto de las mismas. Mediante la linealización
de los modelos en tiempo discreto, se diseña además un controlador capaz de regular
la tensión de salida en todos los modos de operación.
Un prototipo de laboratorio diseñado y construido durante la tesis es utilizado
para ensayar y verificar el comportamiento del convertidor en todos sus modos de
funcionamiento. Para ello, se realizan distintas pruebas ante variaciones en la tensión
entrada y perturbaciones en la carga. Los resultados de eficiencia obtenidos corroboran
que la eliminación del modo Buck-Boost no inversor permite mejorar el desempeño del
circuito conmutado y con ello, lograr un mejor aprovechamiento de la energía entregada
al mismo / Dc-dc switching converters are power electronic circuits that transform a level of
direct current voltage into another one by means of switching actions. A dc-dc up-down
converter designed for applications where the input voltage varies as normally occurs
in a batery is estudied in this thesis. Its topology derives from the synchronous version
of the noninverter Buck-Boost converter. This configuration permits the independent
operation of the two pairs of transistors. Thanks to this flexibility, it is possible to
propose different modes of operation to improve the efficiency of the system. The form of operation of the so-called four switch Buck-Boost converter is chosen
according to the relationship between the input and output levels. Three classic modes
based on the well-known Buck, non-inverting Buck-Boost and Boost converters are defined. To improve transients during mode changes, two additional modes are introduced
that combine switching periods operating as a Buck with periods operating as a Boost.
The performance of these combinations strongly depends on how the sequence of alternations is delineated and on how the duty cycles of the switches are assigned. Even
so, they seem to be more efficient than the traditional operation as a non-inverting
buck-boost converter. Thus, the elimination of this mode of operation is proposed.
The converter is controlled in a digital form. So, the dynamic behavior in the
classical modes is modeled by using the discrete-time state-space technique. Based on
the obtained models, a procedure to determine which is the proper sequence to be
applied in the combined modes is developed. It is based on the minimization of the
square error of the output voltage with respect to the desired mean value. The duty
cycles are assigned in three different ways and the effect of each of them is evaluated.
Through the linearization of the discrete-time models, a controller capable of regulating
the output voltage in all modes of operation is also implemented.
A laboratory prototype designed and built during the Thesis is used to test and
verify the behavior of the converter in all its modes of operation. For this, different
tests were performed in response to variations in input voltage and load disturbances.
Efficiency results corroborate that the elimination of the non-inverting buck-boost mode allows to improve the performance of the switched circuit and thus, to achieve a
better management of the energy delivered to it.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uns.edu.ar/oai:repositorio.bc.uns.edu.ar:123456789/4249 |
| Date | 14 July 2017 |
| Creators | Ceci, Martín Federico |
| Contributors | D'Amico, Edith María Belén |
| Publisher | Universidad Nacional del Sur |
| Source Sets | Universidad Nacional del Sur |
| Language | Spanish |
| Detected Language | English |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
| Rights | 2 |
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