Célula de conmutación

La celda de conmutación es la estructura básica en la electrónica de potencia . Está compuesta por dos interruptores electrónicos (actualmente, un semiconductor de alta potencia , no un interruptor mecánico). Tradicionalmente se la conocía como chopper , pero desde que las fuentes de alimentación conmutadas se convirtieron en una forma importante de conversión de energía, este nuevo término se ha popularizado. ^{[ 1 ]}

La función de la celda de conmutación es convertir la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA) de onda cuadrada . Esto permite utilizar un inductor y un condensador en un circuito LC para modificar la tensión. En teoría, este proceso no genera pérdidas; en la práctica, se alcanzan eficiencias superiores al 80-90%. La salida suele filtrarse para obtener corriente continua limpia. Al controlar los tiempos de encendido y apagado ( ciclo de trabajo ) del interruptor en la celda de conmutación, se puede regular la tensión de salida .

Este principio básico es la base de la mayoría de las fuentes de alimentación modernas, desde los diminutos convertidores CC-CC de los dispositivos portátiles hasta las enormes estaciones de conmutación para la transmisión de energía CC de alto voltaje .

Conexión de dos elementos de potencia

Una celda de conmutación conecta dos elementos de potencia, a menudo denominados fuentes, aunque pueden producir o absorber potencia. ^{[ 2 ]}

Existen algunos requisitos para conectar las fuentes de alimentación. Las configuraciones imposibles se muestran en la figura 1. Básicamente son:

Una fuente de voltaje no puede cortocircuitarse, ya que el cortocircuito impondría un voltaje cero que contradiría el voltaje generado por la fuente;
De igual modo, una fuente de corriente no puede colocarse en un circuito abierto;
No se pueden conectar dos (o más) fuentes de voltaje en paralelo, ya que cada una de ellas intentaría imponer el voltaje en el circuito;
No se pueden conectar dos (o más) fuentes de corriente en serie, ya que cada una de ellas intentaría imponer la corriente en el circuito.

Esto se aplica a las fuentes clásicas (batería, generador), condensadores e inductores: en una escala de tiempo pequeña, un condensador es idéntico a una fuente de voltaje y un inductor a una fuente de corriente. Conectar dos condensadores con diferentes niveles de voltaje en paralelo equivale a conectar dos fuentes de voltaje, una de las conexiones prohibidas en la figura 1.

La figura 2 ilustra la baja eficiencia de dicha conexión. Un condensador se carga a un voltaje V y se conecta a otro condensador de la misma capacidad, pero descargado.

Antes de la conexión, la energía en el circuito es $E={\frac {1}{2}}C\cdot V^{2}$ y la cantidad de cargas Q es igual a $C\cdot U$ donde U es la energía potencial.

Después de que se ha realizado la conexión, la cantidad de cargas es constante y la capacitancia total es $2C$ Por lo tanto, el voltaje a través de las capacitancias es ${\frac {Q}{2C}}={\frac {V}{2}}$ La energía en el circuito es entonces ${\frac {1}{2}}(2C)\left({\frac {V}{2}}\right)^{2}={\frac {E}{2}}$ Por lo tanto, la mitad de la energía se ha disipado durante la conexión.

Lo mismo se aplica a las conexiones en serie de dos inductancias. El flujo magnético ( $\Phi =L\cdot I$ ) permanece constante antes y después de la conmutación. Como la inductancia total después de la conmutación es 2L, la corriente se convierte en ${\frac {I}{2}}$ (véase la figura 2). La energía antes de la conmutación es ${\frac {1}{2}}L\cdot I^{2}$ . Después, es ${\frac {1}{2}}L\cdot \left({\frac {I}{2}}\right)^{2}$ Aquí también, la mitad de la energía se disipa durante la conmutación.

En consecuencia, se observa que una celda de conmutación solo puede conectar una fuente de voltaje a una fuente de corriente (y viceversa). Sin embargo, mediante el uso de inductores y condensadores, es posible transformar el comportamiento de una fuente: por ejemplo, se pueden conectar dos fuentes de voltaje a través de un convertidor si este utiliza un inductor para transferir energía.

La estructura de una celda de conmutación

Como se mencionó anteriormente, una celda de conmutación debe colocarse entre una fuente de voltaje y una fuente de corriente. Según el estado de la celda, ambas fuentes están conectadas o aisladas. Cuando están aisladas, la fuente de corriente debe estar en cortocircuito, ya que es imposible que se genere corriente en un circuito abierto. El esquema básico de una celda de conmutación se muestra en la figura 3 (arriba). Utiliza dos interruptores con estados opuestos: En la configuración representada en la figura 3, ambas fuentes están aisladas y la fuente de corriente está en cortocircuito. Ambas fuentes están conectadas cuando el interruptor superior está encendido (y el interruptor inferior está apagado).

Es imposible lograr una sincronización perfecta entre los interruptores. En algún momento de la conmutación, estarían encendidos (cortocircuitando así la fuente de tensión) o apagados (dejando la fuente de corriente en circuito abierto). Por ello, uno de los interruptores debe sustituirse por un diodo. Un diodo es un dispositivo de conmutación natural, es decir, su estado está controlado por el propio circuito. Se encenderá o apagará en el momento preciso. La consecuencia de utilizar un diodo en una celda de conmutación es que la convierte en unidireccional (véase la figura 3). Se puede construir una celda bidireccional, pero equivale a dos celdas unidireccionales conectadas en paralelo.

La celda de conmutación en los convertidores

La celda de conmutación se encuentra en cualquier convertidor electrónico de potencia . En la figura 4 se muestran algunos ejemplos. Como se puede observar, una "fuente de corriente" (en realidad, un bucle que contiene una inductancia) siempre está conectada entre el punto medio y una de las conexiones externas de la celda de conmutación, mientras que una fuente de tensión (o un condensador, o una conexión en serie de fuente de tensión y condensador) siempre está conectada a las dos conexiones externas. ^{[ 3 ]}

Véase también

Referencias

↑ Perret, Robert (1 de marzo de 2013). Dispositivos semiconductores de electrónica de potencia . John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-62320-6.
^ Lemmen, E. (2017). La celda de conmutación extendida : un camino hacia el procesamiento flexible de energía multinivel . Universidad Técnica de Eindhoven. ISBN 978-90-386-4216-1.
↑ Cheron, Y. (6 de diciembre de 2012). Soft Commutation . Springer Science & Business Media. ISBN 978-94-011-2350-1.

Enlaces externos

Las cuatro topologías de Boostbuck

[1] Perret, Robert (1 de marzo de 2013). Dispositivos semiconductores de electrónica de potencia . John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-62320-6.

[2] Lemmen, E. (2017). La celda de conmutación extendida : un camino hacia el procesamiento flexible de energía multinivel . Universidad Técnica de Eindhoven. ISBN 978-90-386-4216-1.

[3] Cheron, Y. (6 de diciembre de 2012). Soft Commutation . Springer Science & Business Media. ISBN 978-94-011-2350-1.

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