Regulador de voltaje basado en un convertidor SEPIC con una celda de inductores conmutados

Abstract

"Los convertidores de corriente directa a corriente directa han sido típicamente usados para elevar o disminuir el voltaje; sin embargo, en algunas aplicaciones existe la necesidad de mantener un voltaje regulado a partir de fuentes de corriente directa en donde el voltaje varía por arriba o por debajo de un valor nominal, como por ejemplo con las baterías de Litio. El convertidor SEPIC es comúnmente usado en este tipo de aplicaciones ya que funciona como reductor-elevador. Las principales ventajas de este convertidor son: (a) cuenta con una entrada de corriente no pulsante con lo cual ayuda a alargar la vida de las baterías, (b) proporciona un voltaje no invertido, y (c) muestra una gran robustez al ruido. Sin embargo, tiene la desventaja de usar capacitores más grandes ya que proporcionan una corriente de salida pulsante. Estructuras de inductores conmutados pueden ser combinadas con el convertidor SEPIC para mejorar algunas de sus características. Las ventajas son: usan capacitores más pequeños y la tensión en los dispositivos de conmutación es más pequeña. En esta tesis se lleva a cabo un estudio completo del convertidor SEPIC con inductores conmutados. Se establecen las ganancias de voltaje y corriente, así como los valores promedio de las variables de estado. Se proporcionan las expresiones para los rizos de corriente de los inductores y de voltaje en los capacitores que permiten diseñar apropiadamente el convertidor. Se describe el comportamiento del convertidor a través de modelos: (a) conmutado, (b) promediado no lineal, y (c) promediado lineal. Usando el último modelo, se desarrolla una estrategia de control para un regulador de voltaje. Al final, se muestran resultados experimentales en un prototipo de 120 W que validan los procedimientos de diseño y control del convertidor."

"The DC-DC switching converters have typically been used to step-up or step-down input voltages; however, in some applications there is the need to regulate an output voltage from DC sources where the voltage is above or below a nominal value, for example in applications using Lithium batteries. The SEPIC converter can be used in this application because it can step-up or step-down an input voltage. The most important advantages of this converter are: (a) it has a non-pulsating input current, which can help to increase the lifetime of the batteries, (b) it can provide a non-inverting output voltage, and (c) it shows high robustness against noise perturbations. It has the disadvantage of using capacitors of high value mainly due to the pulsating output current. Switched-inductor cells can be combined with a SEPIC converter, which can provide interesting properties. The resulting converter has the advantages of lower value capacitors and a reduced voltage stress on the switching devices. In this thesis, a complete study of the SEPIC converter with a switched-inductor cell is given with the corresponding relations for the voltage and current gains. The relationships between voltages, currents and duty ratio are given, as well as the corresponding ripples of the inductor currents and capacitor voltages that allow the proper selection of the converter elements. The bilinear switching, nonlinear averaged and linear averaged models are developed such a control strategy can be developed. A control strategy is proposed to regulate the output voltage. Experimental results for a 120 W switching regulator are given to validate the controller design procedure."