TIPOS DE CONVERTIDORES DC DC

Dependiendo de la direccin en la que fluyan la corriente y el voltaje, los

convertidores DC/DC se pueden clasificar en cinco tipos:
Convertidor Clase A
Convertidor Clase B
Convertidor Clase C
Convertidor Clase D
Convertidor Clase E
En los convertidores clase A, la corriente de la carga fluye hacia la carga.
Tanto el voltaje como la corriente con positivos. Es un pulsador de un solo cuadrante,
nombrndosele como rectificador.
Los conversores clase B tienen como caracterstica que la corriente de la carga
fluye fuera de la carga. El voltaje de la carga es positivo, pero la corriente de la carga
es negativa. Es tambien un conversor de un solo cuadrante, pero a diferencia del
anterior, opera en el segundo cuadrante, por lo que se dice que opera como inversor.

Cuando el interruptor es activado, el voltaje E impulsa la corriente a travs del

inductor y el voltaje de carga se convierte en cero. La corriente de carga est descrita
por

que con la condicin: IL(t=0)=I1 da

En t = t1
IL (t = t1 = kT) = I2
Cuando se desactiva el interruptor, una magnitud de energa almacenada en
el inductor es devuelta a la alimentacin, va el diodo. La corriente de carga cae.
Redefiniendo el origen de los tiempos t = 0, la corriente de carga esta descrita por:

que, con la condicin inicial, I (t = t2) = I2, da

donde t2 = (1-k)T. En t = t2,

IL (t=t2) = I1 para una corriente continua en rgimen permanente

= 0 para una corriente discontinua en rgimen permanente.
En los pulsadores de clase C, la corriente de carga es positiva o negativa,
pero el volyaje en la carga es siempre positivo. Se le conoce como conversor de dos
cuadrantes. Se pueden combinar pulsadores de clase A y de clase B para formar un
pulsador de clase C.

S1 y D2 operan como un pulsador de clase A, mientras que S2 y D1 operan

como un pulsador de clase B. Se debe tener cuidado en asegurarse que los dos
interruptores no sean disparados juntos; de los contrario la alimentacin Vs quedar
en cortocircuito. Un pulsador de clase C puede operar como rectificador o como
inversor.
En los conversores clase D, la corriente de carga es siempre positiva y el
voltaje en la carga es positivo o negativo. Pueden actuar como rectificador o como
inversor.

Si S1 y S4 son activados, Vl e Il se convierten en positivos. Si son

desactivados, la corriente de carga Il ser positiva y continuar fluyendo a travs de la
carga altamente inductiva. Los diodos D2 y D3 proporcionan una trayectoria para la
corriente de carga y Vl de invierte.
Los convertidores de clase E se caracterizan por que la corriente de carga
puede ser positiva o negativa. Se le conoce tambien como pulsador de cuatro
cuadrantes. Se puede combinar dos pulsadores de clase C para formar un pulsador de
clase E.

Para operar en el cuarto cuadrante se invierte la polaridad de la bateria E.

Este pulsador es la base del inversor monofsico de puente completo.

CONVERTIDOR CC-CC DE PUENTE COMPLETO

Existen tres aplicaciones para los convertidores de modo de conmutacin de

puente completo:
1. Accionamiento de motores de corriente continua (DC).
2. Conversin DC-AC (onda sinusoidal) en fuentes de energa AC
ininterrumpidas monofsicas.
3. Conversin de CC a CA (frecuencia intermedia alta) en fuentes de potencia
de CC de modo de conmutacin con aislamiento por transformador.
En el convertidor de puente completo, la entrada es un voltaje de corriente
continua de magnitud fija Vd. La salida del convertidor, para este caso, es un voltaje
Vo , que se controla enmagnitud y polaridad. Asimismo, se controlan la magnitud y el
sentido de la corriente de salida Io . Por tanto, un convertidor de puente completo
puede operar en los cuatro cuadrantes del plano io-vo,, y el flujo de potencia a travs

del convertidor puede ser en ambos sentidos.

En una topologa de convertidor como la del convertidor de puente
completo, donde los diodos estn conectados en antiparalelo con los interruptores, se
tiene que hacer una distincin entre el estado activo versus el estado de conduccin
de un interruptor. Como los diodos estn en antiparalelo con los interruptores, cuando
se enciende un interruptor podr o no conducir una corriente segn el sentido de la
corriente de salida io . Si el interruptor conduce una corriente, est en un estado de
conduccin. Esta distincin no es necesaria cuando el interruptor est apagado.
El convertidor de puente completo consiste en dos patas, A y B. Cada pata
consta de dos interruptores y sus diodos antiparalelos. Los dos interruptores en cada
pata se conmutan de manera que cuando una de ellas est en su estado inactivo, el
otro interruptor est encendido. Por tanto, los dos interruptores nunca estn apagados
al mismo tiempo. En la prctica, ambos estn apagados durante un breve intervalo
que se conoce como tiempo de borrado, para evitar un cortocircuito de la entrada de
CC.
Si los interruptores del convertidor en cada pata se conmutan de manera que
ambos interruptores en una pata no estn apagados simultneamente, la corriente de
salida io fluir en forma continua. Por tanto, el voltaje de salida slo se determina por
el estatus de los interruptores. Por ejemplo, considrese la pata A en la figura anterior.
El voltaje de salida VAN, respecto del bus de CC negativo N, se determina por los
estados de interruptores como sigue: cuando TA+ est encendido, la corriente de salida
fluir a travs de TA+ si io es positivo, o fluir a travs de D A+ si io es negativo. En
ambos casos, el TA+ encendido asegura que la pata A est en el mismo potencial que
la terminal positiva
de la entrada de CC, y por tanto
VAN = Vd (si TA+ est encendido y TA est apagado)

De la misma manera, cuando TA- est encendido, un io negativo fluir a

travs de TA- (pues DA+ est en polarizacin inversa) y un io positivo fluir a travs de
DA-. Por tanto,
VAN = 0 (si TA est encendido y TA+ est apagado)
Las ecuaciones anteriores muestran que VAN depende nicamente del estatus
de los interruptores y es independiente del sentido de io. Por ende, el voltaje de salida
de la pata A del convertidor, promediado a lo largo de un periodo de frecuencia de
conmutacin Ts, depende slo del voltaje de entrada Vd y de la relacin de trabajo de
TA+:

V AN =

V dTenc +0 . t apag
=V d . Relacionde trabajo de T A
TS

donde tenc y tapag son los intervalos de encendido y apagado de T A+ ,

respectivamente.
Argumentos similares se aplican a la pata B del convertidor, y VBN depende
de Vd y la relacin de trabajo del interruptor TB+:
VBN = Vd relacin de trabajo de TB+
De manera independiente del sentido de io. Por tanto, la salida del
convertidor Vo (=VAN - VBN) se controla por medio del control de las relaciones de
trabajo de los interruptores y es independiente de la magnitud y el sentido de io.
Es posible controlar el voltaje de salida de una pata del convertidor mediante
la desconexin de ambos interruptores en forma simultnea para algn intervalo. Sin
embargo, este esquema hara el voltaje de salida dependiente del sentido de i o. Esto es

obviamente indeseable, pues introducira una no linealidad en la relacin entre el

voltaje de control y el promedio de voltaje de salida. Por tanto, este tipo de esquema
no se considera con una carga, como una carga de motor de CC.
En los convertidores de un solo interruptor, la polaridad del voltaje de salida
es unidireccional y, por tanto, el interruptor del convertidor se modula por el ancho de
impulso, comparando una forma de onda de dientes de sierra de frecuencia de
conmutacin con el voltaje de control vcontrol. En contraste, el voltaje de salida del
convertidor de puente completo es de polaridad reversible, y por tanto se usa una
forma de onda triangular de frecuencia de conmutacin para el PWM de los
interruptores del convertidor.
1. PWM con conmutacin de voltaje bipolar, donde (TA+ , TB-) y
(TA- ,TB+) se tratan como dos pares de interruptores; los interruptores
en cada par se encienden y apagan en forma simultnea.
2. PWM con conmutacin de voltaje bipolar, que tambin se denomina
conmutacin por PWM doble. Aqu los interruptores en cada pata del
convertidor se controlan independientemente de la otra pata.
La corriente de salida a travs de estos convertidores de CC-CC de PWM de
puente completo, mientras alimente cargas de CC , no se vuelve discontinua con
valores bajos de Io. En el convertidor de puente completo, la corriente de entrada i d
cambia de sentido en forma instantnea. Por tanto, es importante que la entrada a este
convertidor sea una fuente de voltaje de CC con una baja impedancia interna. En la
prctica, un gran condensador de filtrado proporciona esta ruta de baja impedancia a
id.

CONVERSORES DC-AC DE MODO CONMUTADO

Los inversores de CC a CA de modo conmutado se usan en motores de CA y

fuentes de alimentacin no interrumpibles, donde el objetivo es producir una salida
sinusoidal de CA cuya magnitud y frecuencia pueden controlarse. El inversor de CC a
CA de modo conmutado acepta un voltaje de CC como entrada y produce voltaje de
CA.

La mayora del tiempo el flujo de potencia va desde el lado de CC hacia el

motor en el lado CA, lo que requiere un modo de operacin de inversor. Por tanto,
estos convertidores de modo conmutado frecuentemente se llaman inversores de
modo conmutado.
Para desacelerar el motor de CA en la figura, la energa cintica asociada con
la inercia del motor y su carga se recupera, y el motor de CA acta como generador.
Durante el llamado frenado del motor, la potencia fluye desde el lado de CA hacia el
lado de CC del convertidor de modo conmutado, y de esta manera trabaja en modo de
rectificador. La potencia recuperada durante el frenado del motor CA se disipa en un
restato que puede conmutarse en paralelo con el condensador (o capacitor) del bus
de CC para este propsito en la figura. Sin embargo, en aplicaciones donde este
frenado se realiza con frecuencia, es mejor el frenado regenerativo, donde la potencia
recuperada de la inercia de la carga del motor realimenta a la red del sistema de

electricidad. Esto requiere que el convertidor que conecta el motor a la red de

electricidad sea un convertidor de dos cuadrantes con una corriente CC reversible que
opere como rectificador durante el modo de motorizado del motor de CA y como
inversor durante el frenado del motor. Este tipo de convertidor de dos cuadrantes y
corriente reversible se realiza o construye por medio de dos convertidores por
tiristores de frecuencia de lnea en conexin espalda con espalda, o por medio de un
convertidor de modo conmutado.
Los inversores cd-ca se emplean en fuentes de energa ininterrumpida y
controles de velocidad para motores de ca. Esto se aplica en el control de la magnitud
y la frecuencia de la seal de salida. En la mayor parte del tiempo, el flujo de potencia
se da desde el lado de cd hacia el lado de ca, requiriendo una operacin en modo
inversor, lo cual ms comnmente es conocido como inversor controlado.
Los inversores controlados son de dos tipos: los VSI o inversores fuente de
voltaje y los CSI o inversores fuente de corriente. En nuestro caso, el primer tipo ser
motivo de atencin debido a su mayor aplicacin dentro de la ingeniera industrial.
Existen tres categoras en las que se dividen los VSI, ellas son:
1. Inversores modulados por ancho de pulsos. En estos inversores, el voltaje
de CC de entrada es esencialmente de magnitud constante, donde se usa un
rectificador de diodos para rectificar el voltaje de lnea. Por tanto, el inversor
debe controlar la magnitud y la frecuencia de los voltajes de CA de salida.
Esto se logra mediante PWM de los interruptores del inversor, y por ende
estos inversores se llaman inversores PWM. Hay varios mtodos para modular
los interruptores del inversor por ancho de pulsos a fin de formar los voltajes
de CA de salida, de modo que sean lo ms parecido posible a una onda
sinusoidal.
2. Inversores de onda cuadrada. En estos inversores, el voltaje de CC de
entrada se controla a fin de controlar la magnitud del voltaje de CC de salida,

y por tanto el inversor slo tiene que controlar la frecuencia del voltaje de
salida. El voltaje de CA de salida tiene una forma de onda parecida a una onda
cuadrada, y por este motivo estos inversores se denominan inversores de onda
cuadrada.
3. Inversores monofsicos con cancelacin de voltaje. En el caso de inversores
con salida monofsica es posible controlar la magnitud y la frecuencia del
voltaje de salida del inversor, aunque la entrada al inversor sea un voltaje de
CC constante y los interruptores del inversor no se modulen por anchura de
pulsos (y por ende la forma de onda del voltaje de salida sea como una onda
cuadrada). Por tanto, estos inversores combinan las caractersticas de los dos
inversores anteriores. Se debe notar que la tcnica de cancelacin de voltaje
slo funciona en el caso de inversores monofsicos y no para trifsicos.
CONCEPTOS BSICOS DE LOS INVERSORES DE MODO CONMUTADO

Para que un convertidor de energa funcione como inversor, debe transferir

potencia desde un BUS de C.C. hasta una carga de C.A. El sentido de la tensin y
corriente en la carga,nos habla del flujo de potencia.

1. Cuadrante I: Tensin Vo > 0, corriente Io > 0. Potencia absorbida Po > 0.

2. Cuadrante II: Tensin Vo < 0, corriente Io > 0. Potencia absorbida Po < 0.
3. Cuadrante III: Tensin Vo < 0, corriente Io < 0. Potencia absorbida Po > 0.
4. Cuadrante IV: Tensin Vo > 0, corriente Io < 0. Potencia absorbida Po < 0.
Potencia Instantnea Po = vo . o
En el inversor monofsico que se muestra en forma de diagrama de bloques en
la figura anterior donde el voltaje de salida del inversor es filtrado, as que se puede
suponer que vo es sinusoidal. Como el inversor alimenta a una carga inductiva, por
ejemplo, un motor de CA, io se quedar atrs de vo. Las formas de onda de salida de
la figura muestran que durante el intervalo 1, tanto vo como io son positivos, mientras
que durante el intervalo 3, tanto vo como io son negativos. Por tanto, durante los
intervalos 1 y 3, el flujo de potencia instantneo po (=vo . io) va desde el lado de CC
hacia el lado de CA, correspondiente a un modo de operacin de inversor. A
diferencia de esto, vo e io son de signos opuestos durante los intervalos 2 y 4, y por
ende po fluye desde el lado de CA hacia el lado de CC del inversor, correspondiente
al modo de operacin de rectificador. Por tanto, el inversor de modo conmutado debe
ser capaz de trabajar en los cuatro cuadrantes del plano io-vo durante cada ciclo de la
salida de CA. En el convertidor de puente completo, io es reversible y vo puede ser
de cualquier polaridad, independiente de la direccin de io. Slo una de las dos patas
del convertidor de puente completo, digamos, la pata o terminal A.
Inversor de una pata

MTODO DE CONMUTACIN MODULADO POR ANCHO DE PULSOS

En elcaso de los convertidores de CC-CC de puente completo, se compara una
seal de control vcontrol (constante o variable poco a poco con el tiempo) con una forma
de onda triangular repetitiva de frecuencia de conmutacin a fin de generar las
seales de conmutacin. El control de las relaciones de trabajo del interruptor
permiti as controlar la salida del voltaje medio de CC.
En circuitos de inversores, el PWM es un poco ms complejo, se busca
generar una salida de forma sinusoidal, con magnitud y frecuencia controlables. A fin
de producir una forma de onda sinusoidal de voltaje de salida en una frecuencia
deseada, se compara una seal de control sinusoidal con la frecuencia deseada con
una forma de onda triangular.

La frecuencia de la forma de onda triangular establece la frecuencia de

conmutacin del inversor y por lo general se mantiene constante junto con su
amplitud Vtri.
La forma de onda triangular vtri en la figura anterior est en una frecuencia de
conmutacin fs, lo que establece la frecuencia con que se conmutan los interruptores
del inversor (a fs tambin se le denomina frecuencia portadora). La seal de control
vcontrol se usa para modular la relacin de trabajo del interruptor y tiene una frecuencia
f1, que es la frecuencia fundamental deseada de la salida de voltaje del inversor (f1
tambin se llama frecuencia moduladora), reconociendo que el voltaje de salida del
inversor no ser una onda sinusoidal perfecta y contendr componentes de voltaje en
frecuencias armnicas de f 1 . La relacin de modulacin de amplitud m a se define
como
ma = (Vcontrol / Vtri)
donde Vcontrol es la amplitud pico de la seal de control. La amplitud Vtri de la
seal triangular por lo general se mantiene constante.
La relacin de modulacin de frecuencia m f se define como
mf = fs / f1

En el inversor de la figura, los interruptores TA+ y TA- se controlan por la

comparacin entre vcontrol y vtri y el resultado es el siguiente voltaje de salida,
independientemente del sentido de io:
vcontrol > vtri , TA+ est encendido , vAo = 1/2 Vd
o
vcontrol > vtri , TA est encendido , vAo = 1/2 V d
Como los dos interruptores nunca estn apagados al mismo tiempo, el voltaje
de salida vAo flucta entre dos valores (1/2Vd y -1/2Vd). El voltaje vAo y su
componente de frecuencia fundamental (curva de lnea interrumpida) se muestran en
la figura, para mf = 15 y ma = 0.8.

La amplitud pico del componente de frecuencia fundamental ( VAo ) es ma

multiplicado por 1/2 Vd. Esto se explica cuando se considera primero un vcontrol
constante. Esto genera una forma de onda de salida v Ao. As como en un convertidor
de CC-CC de puente completo, se observa que el voltaje medio de salida (o, en forma
ms especfica, el voltaje de salida promediado a lo largo de un periodo de
conmutacin Ts = 1/fs) VAo depende de la relacin entre vcontrol y Vtri para un Vd
dado:

El valor de promedio instantneo de vAo (promediado a lo largo de un

periodo de conmutacin Ts) vara de un periodo de conmutacin al siguiente. Este
promedio instantneo es el mismo que el componente de frecuencia fundamental de
vAo.
Se elige vcontrol en forma sinusoidal para proporcionar un voltaje de salida
sinusoidal con menos armnicos. Supongamos que el voltaje de control vara en
forma sinusoidal con la frecuencia f1 = 1/(2), que es la frecuencia deseada (o
fundamental) de la salida del inversor:

vcontrol = Vcontrol . sen 1t

donde
Vcontrol Vtri
Con las ecuaciones anteriores, as como los argumentos que anteceden, que
muestran que el componente de frecuencia fundamental (vAo)1 vara en forma
sinusoidal y en fase con vcontrol como funcin del tiempo, tenemos

Por tanto,

Los armnicos en la forma de onda del voltaje de salida del inversor aparecen
como bandas laterales, centradas alrededor de la frecuencia de conmutacin y sus
mltiplos, es decir, alrededor de los armnicos mf, 2mf, 3mf, etc. Este patrn general
conserva su validez para todos los valores de ma en el rango de 0-1.
Para una relacin de modulacin de frecuencia mf 9 (lo que siempre es el
caso, salvo en potencias nominales muy altas), las amplitudes armnicas son casi
independientes de mf, aunque mf define las frecuencias en las que ocurren. En teora,
las frecuencias en las que ocurren armnicos de frecuencia se indican como

f h = ( jmf k ) f1
Es decir, el orden armnico h corresponde a la banda lateral nmero k de j
veces la relacin de modulacin de frecuencia mf :
h = j( mf ) k
donde la frecuencia fundamental corresponde a h 1. Para valores impares de
j, los armnicos existen solamente para valores pares de k. Para valores pares de j, los
armnicos existen solamente para valores impares de k.
El armnico mf debe ser un entero impar. La eleccin de mf como entero
impar resulta en una simetra impar [f(-t) = -f(t)] as como en una simetra de media
onda [f(t) = -f(t + 1/2 T1)] con el origen de tiempo que se muestra en la figura 8-5b,
trazado para mf = 15. Por tanto, slo los armnicos impares estn presentes y los
armnicos pares desaparecen de la forma de onda de vAo. Adems, slo los
coeficientes de la serie sinusoidal en el anlisis de Fourier son finitos; los coeficientes
para la serie de coseno son cero.

CLASIFICACION DE LOS INVERSORES

Varios son los puntos de vista respecto a los que podemos realizar la
clasificacin de los inversores:

Topologa del circuito de potencia.

Funcionamiento como fuente de tensin o de intensidad.

Mtodo de sntesis de la onda de salida, o control de la tensin de salida.

INVERSOR MONOFASICO DE PUENTE COMPLETO

Este inversor consiste en dos inversores de una pata, y se prefiere ante otros
arreglos en potencias nominales ms altas. Con el mismo voltaje de CC de entrada, el
voltaje mximo de salida del inversor de puente completo es el doble del inversor de
medio puente. Esto implica que, para la misma potencia, la corriente de salida y la
corriente de los interruptores conforman la mitad de las corrientes de un inversor de
medio puente. En niveles de potencia ms alta, esto es una clara ventaja, pues
requiere menos conexiones paralelas de dispositivos.

Aqu, los interruptores diagonalmente opuestos (TA+ , TB- ) y (TA- , TB+ )

de las dos patas o terminales se conmutan como pares de interruptores 1 y 2,
respectivamente. En este tipo de conmutacin de PWM, la forma de onda de voltaje
de salida de la pata A es idntica a la salida del inversor bsico de una pata, que se
determina de la misma manera por medio de la comparacin entre vcontrol y vtri. La
salida de la pata B del inversor es negativa de la salida de la pata A: por ejemplo,
cuando TA+ est encendido y vAo es igual a +1/2 Vd, TB- tambin est encendido y
vBo = - 1/2 Vd. Por tanto,
vBo(t) = vAo(t)

vo(t) = vAo(t) vBo(t) = 2vAo(t)

El voltaje de salida vo conmuta entre los niveles de voltaje Vd y +Vd . Por
esta razn, este tipo de conmutacin se llama PWM con conmutacin por voltaje
bipolar. Las amplitudes de los armnicos en el voltaje de salida.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS
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de http://gsep.uc3m.es
Mohan, N. (2009). Electrnica de Potencia. Convertidores, aplicaciones y diseo
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