convertidor CC-CC

Un convertidor CC-CC es un circuito electrónico o dispositivo electromecánico que transforma una fuente de corriente continua (CC) de un nivel de voltaje a otro. Es un tipo de convertidor de energía eléctrica . Los niveles de potencia varían desde muy bajos (baterías pequeñas) hasta muy altos (transmisión de energía de alto voltaje).

Antes del desarrollo de los semiconductores de potencia , una forma de convertir el voltaje de una fuente de CC a un voltaje más alto, para aplicaciones de baja potencia, era convertirlo a CA usando un vibrador , luego un transformador elevador y finalmente un rectificador . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Cuando se necesitaba mayor potencia, se solía usar una unidad motor-generador , en la que un motor eléctrico accionaba un generador que producía el voltaje deseado. (El motor y el generador podían ser dispositivos separados, o podían combinarse en una sola unidad "dinamotor" sin eje de potencia externo). Estos diseños relativamente ineficientes y costosos se usaban solo cuando no había alternativa, como para alimentar una radio de automóvil (que entonces usaba válvulas termoiónicas (tubos) que requieren voltajes mucho más altos que los disponibles de una  batería de automóvil de 6 o 12 V). ^{[ 1 ]}

La introducción de semiconductores de potencia y circuitos integrados lo hizo económicamente viable mediante el uso de las técnicas que se describen a continuación. Por ejemplo, primero se convierte la fuente de alimentación de CC a CA de alta frecuencia como entrada de un transformador —que es pequeño, ligero y barato debido a la alta frecuencia— que cambia el voltaje que se rectifica de nuevo a CC. ^{[ 3 ]} Aunque en 1976 los receptores de radio de transistores para automóviles no requerían altos voltajes, algunos radioaficionados continuaron utilizando fuentes de alimentación vibratorias y dinamotores para transceptores móviles que requerían altos voltajes, incluso cuando ya existían fuentes de alimentación transistorizadas. ^{[ 4 ]}

Si bien era posible obtener un voltaje menor a partir de uno mayor con un regulador lineal o incluso una resistencia, estos métodos disipaban el exceso de energía en forma de calor; la conversión energéticamente eficiente solo fue posible con circuitos de conmutación de estado sólido.

Los convertidores CC-CC se utilizan en dispositivos electrónicos portátiles como teléfonos celulares y computadoras portátiles , que se alimentan principalmente con baterías . Estos dispositivos suelen contener varios subcircuitos , cada uno con su propio requisito de nivel de voltaje, diferente al suministrado por la batería o una fuente de alimentación externa (a veces superior o inferior al voltaje de la fuente). Además, el voltaje de la batería disminuye a medida que se agota su energía almacenada. Los convertidores CC-CC conmutados ofrecen un método para aumentar el voltaje de una batería parcialmente descargada, ahorrando así espacio en lugar de utilizar varias baterías para lograr el mismo resultado.

La mayoría de los circuitos convertidores CC-CC también regulan la tensión de salida. Algunas excepciones incluyen las fuentes de alimentación LED de alta eficiencia, que son un tipo de convertidor CC-CC que regula la corriente que pasa a través de los LED, y las bombas de carga simples que duplican o triplican la tensión de salida.

Los convertidores CC-CC diseñados para maximizar la captación de energía en sistemas fotovoltaicos y turbinas eólicas se denominan optimizadores de potencia .

En los vehículos eléctricos , los convertidores CC-CC reducen el alto voltaje de la batería de propulsión a 12 voltios para permitir el uso de accesorios como iluminación, ventiladores de climatización, sistemas electrónicos de entretenimiento y otros sistemas. ^{[ 5 ]} Este convertidor también puede recargar la batería auxiliar de 12 voltios utilizada para el arranque y las cargas de reserva, como la entrada sin llave o los sistemas de seguridad, mientras el vehículo está parado.

Los convertidores conmutados o convertidores CC-CC de modo conmutado almacenan temporalmente la energía de entrada y luego la liberan a la salida a un voltaje diferente, que puede ser mayor o menor. El almacenamiento puede realizarse en componentes de almacenamiento de campo magnético (inductores, transformadores) o en componentes de almacenamiento de campo eléctrico (condensadores). Este método de conversión puede aumentar o disminuir el voltaje. La conversión conmutada suele ser más eficiente energéticamente (la eficiencia típica es del 75 % al 98 %) que la regulación lineal de voltaje, que disipa la potencia no deseada en forma de calor. Se requieren tiempos de subida y bajada rápidos de los dispositivos semiconductores para lograr eficiencia; sin embargo, estas transiciones rápidas, combinadas con los efectos parásitos del diseño, hacen que el diseño del circuito sea un desafío. ^{[ 6 ]} La mayor eficiencia de un convertidor de modo conmutado reduce la disipación de calor necesaria y aumenta la duración de la batería de los equipos portátiles. La eficiencia ha mejorado desde finales de la década de 1980 debido al uso de transistores FET de potencia , que pueden conmutar de manera más eficiente con menores pérdidas de conmutación a frecuencias más altas que los transistores bipolares de potencia , y utilizan circuitos de control menos complejos. Otra mejora importante en los convertidores CC-CC es la sustitución del diodo flyback por rectificación síncrona ^{[ 7 ]} mediante un FET de potencia, cuya resistencia de encendido es mucho menor, lo que reduce las pérdidas por conducción. Antes de la amplia disponibilidad de semiconductores de potencia, los convertidores síncronos CC-CC de baja potencia consistían en un vibrador electromecánico seguido de un transformador elevador de tensión que alimentaba un rectificador de tubo de vacío o semiconductor, o bien contactos rectificadores síncronos en el vibrador.

La mayoría de los convertidores CC-CC están diseñados para transferir energía en una sola dirección, desde una entrada específica a una salida. Sin embargo, todas las topologías de reguladores conmutados pueden hacerse bidireccionales y transferir energía en ambas direcciones reemplazando todos los diodos por rectificación activa controlada independientemente . Un convertidor bidireccional es útil, por ejemplo, en aplicaciones que requieren frenado regenerativo de vehículos, donde la energía se suministra a las ruedas durante la conducción, pero es suministrada por las ruedas durante el frenado.

Aunque requieren pocos componentes, los convertidores conmutados son electrónicamente complejos. Al igual que todos los circuitos de alta frecuencia, sus componentes deben especificarse y disponerse físicamente con precisión para lograr un funcionamiento estable y mantener el ruido de conmutación ( EMI/RFI ) en niveles aceptables. ^{[ 8 ]} Su costo es mayor que el de los reguladores lineales en aplicaciones de caída de voltaje, pero ha ido disminuyendo gracias a los avances en el diseño de chips.

Los convertidores CC-CC están disponibles como circuitos integrados (CI) que requieren pocos componentes adicionales. También se ofrecen como módulos de circuito híbridos completos , listos para su uso en un conjunto electrónico.

Los reguladores lineales, que se utilizan para generar una corriente continua estable, independiente de la tensión de entrada y la carga de salida, a partir de una entrada más alta pero menos estable, disipando el exceso de voltios-amperios en forma de calor , podrían describirse literalmente como convertidores CC-CC, pero este no es su uso habitual. (Lo mismo podría decirse de una simple resistencia limitadora de tensión , esté o no estabilizada por un regulador de tensión posterior o un diodo Zener ).

También existen circuitos sencillos de duplicación de voltaje capacitivo y multiplicadores de Dickson que utilizan diodos y condensadores para multiplicar un voltaje de CC por un valor entero, suministrando normalmente solo una pequeña corriente.

Antes de la disponibilidad de los dispositivos de electrónica de potencia, los convertidores electromecánicos tenían una gran importancia comercial.

Un grupo electrógeno consta de un motor eléctrico y un generador acoplados. Un dinamotor combina ambas funciones en una sola unidad con bobinas para ambas funciones enrolladas alrededor de un único rotor; ambas bobinas comparten las mismas bobinas de campo externo o imanes. ^{[ 4 ]} Normalmente, las bobinas del motor se alimentan desde un conmutador en un extremo del eje, mientras que las bobinas del generador se conectan a otro conmutador en el otro extremo del eje. El conjunto completo de rotor y eje es de menor tamaño que un par de máquinas y puede no tener ejes de transmisión expuestos.

Los grupos electrógenos pueden convertir entre cualquier combinación de voltajes y fases de CC y CA. Los grupos electrógenos de gran tamaño se utilizaban ampliamente para convertir cantidades industriales de energía, mientras que las unidades más pequeñas se empleaban para convertir la energía de las baterías (6, 12 o 24 V CC) a un alto voltaje de CC, necesario para el funcionamiento de equipos de tubos de vacío (válvulas termoiónicas).

Para requisitos de menor potencia a voltajes superiores a los suministrados por una batería de vehículo, se utilizaban fuentes de alimentación con vibrador o zumbador. El vibrador oscilaba mecánicamente, con contactos que invertían la polaridad de la batería muchas veces por segundo, convirtiendo así la corriente continua en corriente alterna de onda cuadrada , que luego podía alimentarse a un transformador con el voltaje o voltajes de salida requeridos. ^{[ 1 ]} Emitía un zumbido característico.

Los convertidores electrónicos acabaron sustituyendo a los convertidores electromecánicos, ya que no tenían piezas móviles (aparte de los ventiladores de refrigeración) y, por lo general, eran más pequeños, más ligeros y, con el tiempo, más baratos que los convertidores electromecánicos de potencia similar.

Los convertidores CC-CC están sujetos a diferentes tipos de dinámicas caóticas como bifurcación , ^{[ 18 ]} crisis e intermitencia . ^{[ 19 ] [ 20 ]}

Reducción gradual

Un convertidor donde el voltaje de salida es menor que el voltaje de entrada (como un convertidor reductor ).

Da un paso adelante

Un convertidor que produce un voltaje de salida superior al voltaje de entrada (como un convertidor elevador ).

Modo de corriente continua

La corriente y, por lo tanto, el campo magnético en el almacenamiento de energía inductiva nunca llegan a cero.

Modo de corriente discontinua

La corriente y, por lo tanto, el campo magnético en el almacenamiento de energía inductiva pueden alcanzar o cruzar el valor cero.

Ruido

Ruido de señal eléctrica y electromagnética no deseado , típicamente artefactos de conmutación.

Ruido de radiofrecuencia

Los convertidores conmutados emiten inherentemente ondas de radio a la frecuencia de conmutación y sus armónicos. Los convertidores conmutados que producen corriente de conmutación triangular, como el convertidor split-pi , el convertidor directo o el convertidor Ćuk en modo de corriente continua, producen menos ruido armónico que otros convertidores conmutados. ^{[ 21 ]} El ruido de RF causa interferencia electromagnética (EMI). Los niveles aceptables dependen de los requisitos; por ejemplo, la proximidad a circuitos de RF requiere una supresión mayor que simplemente cumplir con las regulaciones.

Convertidores CC/CC con bobina integrada

Estos componentes pueden incluir un circuito integrado de control de potencia, una bobina, un condensador y una resistencia; lo que reduce el espacio de montaje gracias a la pequeña cantidad de componentes en una única solución integrada.

Ruido de entrada

La tensión de entrada puede presentar un ruido considerable. Además, si el convertidor aplica cargas con picos pronunciados a la entrada, puede emitir ruido de radiofrecuencia procedente de la red eléctrica. Esto debe evitarse mediante un filtrado adecuado en la etapa de entrada del convertidor.

Ruido de salida

La salida de un convertidor CC-CC ideal es una tensión de salida plana y constante. Sin embargo, los convertidores reales producen una salida de CC sobre la que se superpone cierto nivel de ruido eléctrico. Los convertidores conmutados producen ruido de conmutación a la frecuencia de conmutación y sus armónicos. Además, todos los circuitos electrónicos presentan cierto ruido térmico . Algunos circuitos analógicos y de radiofrecuencia sensibles requieren una fuente de alimentación con tan poco ruido que solo puede ser proporcionada por un regulador lineal. ^{[ 22 ]} Algunos circuitos analógicos que requieren una fuente de alimentación con ruido relativamente bajo pueden tolerar algunos de los convertidores conmutados menos ruidosos, por ejemplo, utilizando formas de onda triangulares continuas en lugar de ondas cuadradas. ^{[ 21 ]}

• convertidor elevador-reductor
• Sistema de carga combinado
• Fuente de alimentación conmutada
• Cargador CC a CC

• Tecnologías de convertidores CC-CC para vehículos eléctricos/híbridos
• Libros de electrónica de potencia
• Nota de aplicación del regulador de conmutación para fuente de alimentación LCD