Fundamentos de Electrónica de Potencia y Sistemas de Conversión

1. Limitaciones en Convertidores Elevadores (Boost)

¿Por qué en los convertidores DC/DC elevadores es difícil superar una ganancia en tensión de 10?

En un convertidor elevador (Boost) ideal, la ganancia de tensión sigue la ecuación Vout / Vin = 1 / (1 – D). Para lograr una ganancia mayor a 10, necesitaríamos un ciclo de trabajo muy alto, con una D mayor a 0.9. Sin embargo, en un convertidor real los componentes no son ideales. A ciclos de trabajo tan altos, los efectos parásitos se vuelven críticos, destacando:

  • La resistencia equivalente en serie de la bobina.
  • La resistencia de conducción del transistor.
  • La caída de tensión en directa del diodo.

Dado que la corriente media por la bobina viene dada por IL = Io / (1 – D), al acercarse la D a 1, esta corriente se multiplica brutalmente. Esto provoca que las pérdidas por conducción en los elementos parásitos se disparen, haciendo que el rendimiento caiga en picado. Como resultado, la curva de ganancia de tensión real alcanza un máximo y luego se hunde, imposibilitando físicamente superar una ganancia de 10 de forma estable.

2. Medición de Corriente mediante Célula de Efecto Hall

¿Cuáles son las ventajas e inconvenientes de utilizar una célula de efecto Hall para medir la corriente?

Ventajas:

  • Aislamiento galvánico: Es su mayor ventaja. Separa eléctricamente el circuito de control del circuito de potencia, lo que es vital por seguridad en aplicaciones de alta tensión.
  • Flexibilidad de medida: Pueden medir tanto corriente continua (DC) como alterna (AC).
  • Bajas pérdidas: Al contrario que las resistencias shunt, apenas introducen caída de tensión ni disipan potencia en el circuito principal.

Inconvenientes:

  • Coste y tamaño: Son componentes más caros y voluminosos que otras alternativas.
  • Alimentación extra: Requieren de una fuente de alimentación auxiliar para su propio funcionamiento.
  • Precisión: Presentan derivas (offset) que varían con los cambios de temperatura, y pueden ser sensibles al ruido provocado por campos magnéticos externos.

3. Estrategias de Control en Electrónica de Potencia

Dependiendo de la variable que entra al regulador, ¿en qué dos grandes grupos se dividen los lazos de control?

En la electrónica de potencia, las estrategias de control se dividen en dos grandes grupos:

  • Control en Modo Tensión (Voltage Mode Control – VMC): Solo se realimenta la variable de tensión de salida para ajustar directamente el ciclo de trabajo.
  • Control en Modo Corriente (Current Mode Control – CMC): Se utilizan dos variables. Hay un lazo interno muy rápido que controla la corriente que pasa por la bobina, y un lazo externo más lento que regula la tensión de salida.

4. Uso de Reguladores PID

¿Por qué no se utilizan los reguladores PID en electrónica de potencia?

El problema radica exclusivamente en la acción Derivativa (D). La electrónica de potencia funciona mediante la conmutación a muy alta frecuencia de los transistores (PWM). Esto genera grandes picos y mucho ruido de alta frecuencia (rizado) en las señales medidas de tensión y corriente. La acción derivativa matemática es extremadamente sensible a los cambios rápidos, por lo que amplifica enormemente este ruido de conmutación. Si usáramos un PID, la señal de control se saturaría y oscilaría salvajemente, volviendo el sistema inestable. Por este motivo, se utilizan principalmente reguladores PI, descartando la acción derivativa en la gran mayoría de diseños.

5. Fuentes de Alimentación Lineales

¿Cuáles son las limitaciones (desventajas) de las fuentes lineales?

Las principales limitaciones de las fuentes de alimentación lineales son:

  • Baja eficiencia energética: Funcionan disipando la diferencia de tensión entre la entrada y la salida en forma de calor. Cuanto mayor es la diferencia de tensión, menor es su rendimiento.
  • Generación excesiva de calor: Debido a la potencia que disipan, necesitan incorporar disipadores de calor metálicos que son grandes y pesados para evitar que los componentes se quemen.
  • Gran tamaño y peso: Sumando los disipadores y los transformadores de baja frecuencia que suelen utilizar, resultan equipos mucho más voluminosos y pesados en comparación con las fuentes conmutadas.
  • Solo pueden actuar como reductores: La tensión de salida siempre tiene que ser inferior a la de entrada; es físicamente imposible que funcionen como elevadores de tensión.

6. Modo de Conducción Discontinua (DCM)

¿Qué le pasa a la tensión de salida de un convertidor reductor cuando entra en conducción discontinua?

Cuando un convertidor reductor (Buck) entra en modo de conducción discontinua (DCM), la tensión de salida deja de depender únicamente del ciclo de trabajo y de la tensión de entrada. En este modo, la tensión de salida pasa a depender fuertemente de la carga conectada (la corriente que se le demanda) y de la inductancia de la bobina. Si la demanda de corriente de la carga disminuye mucho, la tensión de salida tiende a dispararse hacia arriba, perdiendo la relación lineal y estable que tiene cuando funciona en modo continuo.

7. El Convertidor Forward

¿Para qué se incluye el tercer devanado en el transformador de los convertidores Forward?

El tercer devanado, conocido como devanado de desmagnetización, se incluye exclusivamente para resetear el núcleo del transformador. Durante el tiempo que el transistor principal está apagado, la energía magnética residual que se ha quedado almacenada en el núcleo del transformador necesita descargarse. Este tercer devanado proporciona un camino para devolver esa energía a la fuente de entrada, asegurando que el flujo magnético vuelva a cero. Esto evita que el núcleo se sature con el paso de los ciclos y protege al transistor frente a picos de sobretensión que acabarían destruyéndolo.

8. Cálculo de Umbral de Conducción Discontinua

En un momento dado, la corriente por la bobina de un convertidor reductor tiene un rizado de 18A. ¿A partir de qué valor de corriente de salida Is entrará en modo de conducción discontinua?

En un convertidor reductor (Buck), la corriente media por la bobina es exactamente igual a la corriente de salida. Un convertidor entra en modo de conducción discontinua (DCM) cuando el pico mínimo de la corriente por la bobina toca el valor de cero. Como el rizado total es de 18A, la corriente sube 9A por encima del valor medio y baja 9A por debajo del valor medio. Por lo tanto, si la corriente de salida (que es la corriente media) baja de 9A, la parte inferior del rizado cruzará el cero y el convertidor entrará en modo de conducción discontinua. La respuesta es que entrará en discontinua para cualquier corriente de salida inferior a 9A.

9. Transformadores de Alta Frecuencia

¿Qué ventajas tiene la utilización de transformadores de alta frecuencia?

  • Reducción drástica del tamaño y volumen: Al trabajar a frecuencias altas (decenas o cientos de kHz), la ley de inducción permite que el núcleo magnético y el número de espiras de cobre necesarios para transferir la misma potencia sean mucho menores.
  • Menor peso: Como consecuencia de usar menos cobre y núcleos de ferrita más pequeños, la fuente de alimentación completa resulta muchísimo más ligera que las que usan transformadores tradicionales de 50 Hz.
  • Componentes de filtrado más pequeños: Al conmutar a alta frecuencia, los condensadores y las bobinas que se necesitan a la salida para alisar la señal y eliminar el rizado también pueden ser mucho más pequeños y económicos.

10. Control en Lazo Abierto

¿A qué debe ser igual la función de transferencia del regulador en un control en lazo abierto?

En un sistema de control en lazo abierto no existe realimentación, por lo que no se mide la salida para corregir errores. Para que el sistema funcione idealmente y la salida alcance exactamente el valor de referencia que le pedimos, la función de transferencia del regulador debe ser igual a la inversa de la función de transferencia de la planta (el convertidor). De esta manera, matemáticamente, al multiplicar el bloque del regulador por el bloque de la planta, ambas funciones se anulan entre sí (el resultado es 1), consiguiendo que la señal de salida sea una copia exacta de la señal de referencia de entrada.

¿Cuáles son las ventajas y desventajas del control en lazo abierto?

Ventajas:

  • Es un sistema muy simple, fácil de implementar y de bajo coste.
  • No requiere sensores de medida (ni de tensión ni de corriente) para realimentar la señal.
  • No hay problemas de inestabilidad provocados por el control, ya que no existe un lazo cerrado que pueda oscilar.

Desventajas:

  • Baja precisión: La tensión de salida no se mantiene constante si hay variaciones (perturbaciones) en la tensión de entrada o en la carga conectada.
  • No es capaz de corregir automáticamente los errores.
  • Es muy sensible a las variaciones de los componentes físicos debido a tolerancias de fabricación, envejecimiento o cambios de temperatura.

11. Modelado de Sistemas No Lineales

¿Qué se hace para poder aplicar la teoría de control de sistemas lineales en los convertidores electrónicos?

Los convertidores son sistemas inherentemente no lineales porque funcionan a base de conmutaciones. Para poder usar las herramientas clásicas de control lineal (como reguladores PI, diagramas de Bode, etc.), se aplican dos pasos matemáticos fundamentales:

  1. Promediado: Se hace la media de las variables (tensiones y corrientes) a lo largo de un periodo de conmutación para eliminar el rizado de alta frecuencia, obteniendo un modelo de comportamiento medio.
  2. Linealización de pequeña señal: Se linealiza ese modelo promediado alrededor de un punto de operación (un punto de trabajo estable) asumiendo que las variaciones o perturbaciones van a ser pequeñas.

12. Funciones del Sensor de Corriente

¿Cuáles son las principales funciones del sensor de corriente?

El sensor de corriente cumple dos funciones vitales:

  • Control: En los convertidores controlados en Modo Corriente (CMC), el sensor proporciona la lectura instantánea o media de la corriente de la bobina, necesaria para cerrar el lazo interno de control y determinar cuándo apagar el transistor.
  • Protección: Permite detectar situaciones de fallo, como sobrecorrientes o cortocircuitos severos. Si la corriente supera un umbral de seguridad, el sistema de control bloquea los pulsos del transistor para evitar la destrucción del equipo.

13. Inconvenientes del Convertidor Buck-Boost

¿Cuáles son los principales inconvenientes del convertidor elevador-reductor?

  • Invierte la polaridad: La tensión de salida tiene polaridad negativa respecto a la tensión de entrada, lo que complica el diseño y el referenciado de las cargas a masa.
  • Disparo del transistor: El transistor (interruptor principal) no está referido a la masa común del circuito, por lo que requiere circuitos de disparo (drivers) especiales, flotantes o aislados.
  • Altos esfuerzos en semiconductores: Tanto el transistor como el diodo deben soportar en corte una tensión igual a la suma de la tensión de entrada y la de salida, y unas corrientes de pico más altas que en un Buck o Boost puro, lo que encarece los componentes.

14. Diseño del Lazo Interno de Corriente

Se tiene un convertidor reductor con una frecuencia de conmutación de 20 kHz. ¿Qué frecuencia de corte pondrías en el filtro del sensor de corriente según el tipo de control?

  • Si se implementa un control lineal PI (valor medio): El objetivo es controlar la corriente media, por lo que el filtro debe eliminar el rizado de conmutación. La frecuencia de corte del filtro paso bajo debe estar muy por debajo de la frecuencia de conmutación (20 kHz). Típicamente se coloca una década por debajo, es decir, alrededor de 1 kHz o 2 kHz.
  • Si se utiliza un control por pico de corriente: El objetivo es detectar cuándo la rampa de corriente alcanza un valor de pico. El filtro no debe eliminar la frecuencia de conmutación, solo el ruido de muy alta frecuencia. La frecuencia de corte debe estar muy por encima de los 20 kHz, típicamente entre 10 o 20 veces superior (200 kHz – 400 kHz).