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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTN

FACULTAD DE INGENIERA DE PRODUCCIN Y SERVICIOS

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERA ELCTRICA

PROYECTO Y CONSTRUCCIN DE UN CONVERSOR CC-

CC ELEVADOR DE TENSIN (BOOST) EN MODO DE

CONDUCCIN DISCONTINUA

Responsables por el estudio:

MARAZA JALIRI SAMED CYLE HUGO

PAREDES PAREDES ALEX FERNANDO

QUISPE ERQUINIGO HCTOR

MERMA DURAND LUIS FERNANDO

AREQUIPA- PER

Mayo, 2015

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Resumen del Informe Final para la disciplina de Laboratorio de Electrnica de Potencia;

curso de Ingeniera Elctrica de la Universidad Nacional de San Agustn.

PROYECTO Y CONSTRUCCIN DE UN CONVERSOR CC-

CC ELEVADOR DE TENSIN (BOOST) EN MODO DE

CONDUCCIN CONTINUA

Setiembre/2015

Profesor: Ing. Ivar Ordoez Carpio

Palabra Clave: Conversor CC-CC, Conversor Boost, Conduccin continua...

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CONTENIDO

Introduccin ....................................................................................................................................... 1

1 Operacin del Conversor CC-CC Boost MCC ............................... Error! Marcador no definido.

1.1 - Etapas de operacin del conversor: .......................... Error! Marcador no definido.

1.2 - Principales Formas de Onda:.................................... Error! Marcador no definido. 1.3 - Ganancia Esttica: .................................................... Error! Marcador no definido.

2 Projeto do Conversor ...................................................................... Error! Marcador no definido.

3 Simulacin del Conversor ............................................................... Error! Marcador no definido.

4 Dimensionamento del Estado de Potencia y del Circuito de Comando ........ Error! Marcador no

definido.

4.1 Estado de Potencia ...................................................................................................... 15

4.2 Circuito de Comando .................................................. Error! Marcador no definido. 4.3 Clculo Trmico ......................................................... Error! Marcador no definido.

5 Construccin del Prototipo ............................................................. Error! Marcador no definido.

6 Resultados Experimentales ............................................................. Error! Marcador no definido.

6.1 Formas de Onda .......................................................... Error! Marcador no definido.

6.2 Rendimento ................................................................. Error! Marcador no definido. 6.3 Esquemas y Layout ..................................................... Error! Marcador no definido.

7 Conclusin ...................................................................................... Error! Marcador no definido.

8 Referencias Bibliogrficas .............................................................. Error! Marcador no definido.

I Apendice A Proyecto Fsico del Inductor ............... Error! Marcador no definido.

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OPERACIN DEL CONVERSOR CC-CC BOOST MCC

En el conversor CC-CC Boost MCC, se establece una tensin de salida Vo superior a la

tensin de entrada Vi y al igual que el convertidor reductor, el convertidor elevador puede

funcionar en MCC y en MCD.

Se analizar en lo sucesivo cada modo de operacin por separado teniendo en cuenta las

siguientes suposiciones.

1.1 ETAPAS DE OPERACIN DEL CONVERSOR:

En el conversor CC-CC Boost,....

Figura 1: Topologa de un conversor boost

En la 1 etapa de operacin.

El interruptor S esta encendido.

El diodo se polariza en inversa.

El voltaje de entrada suministra energa al inductor.

La etapa de salida queda aislado con respecto a la entrada.

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Figura 2: Circuito resultante del convertidor con S cerrado.

En la 2 etapa de operacin.

El interruptor S esta apagado.

El diodo se polariza en directa.

La etapa de salida recibe energia tanto del inductor como de la entrada.

Figura 3: Circuito resultante del convertidor con S abierto.

En la 3 etapa de operacin

La etapa de salida queda aislado de la entrada, donde el capacitor esta en paralelo con la resistncia.

El capacitor le entrega la energia a la resistencia que cargo durante la segunda etapa.

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Figura 3: Circuito resultante del convertidor con S cerrado.

1.2 PRINCIPALES FORMAS DE ONDA:

7

1.1 GANANCIA ESTTICA Y PUNTO DE OPERACIN:

Ganancia Esttica

En los circuitos de electrnica de potencia toda la energa almacenada es transferida

a la salida (balance de energa).

Por el balance de energa el rea A es igual al rea B en la figura 9

Figura 15 - Balance de Energa

De igualar el rea A con el rea B obtenemos la frmula de ganancia esttica

........................................ Ecuacin 1

Figura 16 - Relacin Vo/E en funcin del ciclo de trab

E D T( ) 1 D( ) T Vo E

E 1 D( ) Vo

Vo

E

1

1 D

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

2

4

6

8

10

12

V D( )

D

CAPTULO 2

2.1. Las especificaciones y ecuacionamiento de esfuerzos de los dispositivos:

Calculo de la corriente de salida:

Calculo de la corriente de salida:

Calculo de la ciclo de trabajo:

PROYECTO DEL CONVERSOR

ESFUERZOS DE LOS DISPOSITIVOS.-

INTERRUPTOR:

Corriente media:

Po 100W

Io

Po

Vo

E 36V Vo 72V fs 25KHz

Io 1.389A

Ro

Vo

Io

Ro 51.84

E D T( ) 1 D( ) T Vo E

E 1 D( ) Vo

Vo

E

1

1 D

D 1E

Vo

D 0.5

IS IE ID

IS IE Io

9

Por potencias encontramos la corriente de entrada:

encontramos Finalmente

................(1)

Asumiendo que t=0, determinamos b:

Reemplazando en la ecuacin (1).

Sabemos que:

Siendo la variacin de corriente del inductor 010% 20%LI I

Para nuestros clculos tomamos el 20%

Corriente eficaz:

E IE Vo Io

IE

Vo

EIo

Io

1 D

IS

Io

1 DIo

IS Io1

1 D1

D

1 DIo

ISD

1 DIo

IS 1.389A

IS t( )I L

D Tt b( )

IS 0( ) ILmin ILmin

I L

D Tb( ) b

ILmin D T

I L

IS t( )I L

D Tt

ILmin

I L

D T

ISef1

T0

D T

tIS t( ) 2

d

IL IS Io

10

Determinado la corriente mxima y mnima del inductor:

Finalmente de la ecuacin (2) obtenemos la corriente eficaz en el interruptor:

Tensin mxima inversa:

DIODO.-

Corriente media.-

Corriente eficaz.-

Despejando b

Finalmente ID

ISef I L D1

3

ILmin

I L

1ILmin

I L

ISef 1.967A

VSmax Vo

bILmax

I L

1 D( ) T

I L 0.2 IL I L 0.556A

ILmax 3.056A

ILmin 2.5AILmin IL

I L

2

ILmax IL

I L

2

VSmax 72V

ID 1.389A

ID t( )I L

1 Dt b( )

ID Io

t 0 ID 0( ) ILmax ILmaxI L

1 D( ) Tb( )

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Tensin mxima inversa

INDUCTOR:

Corriente media.-

Corriente eficaz.-

CAPACITOR:

Corriente eficaz.-

Tensin media.-

ID t( )I L

1 D( ) Tt

ILmax

I L

1 D( ) T

IDef1

T0

D T

tID t( ) 2

d

IDef I L 1 D( )1

3

ILmax

I L

ILmax

2

I L2

IDef I L 1 D( )1

3

ILmax

I L

1ILmax

I L

IDef 1.967A

VDmax Vo

IL IE

IL

Io

1 D

IL 2.778A

Icoef IDef2

Io2

VDmax 72V

ILef ISef2

IDef2

ILef 2.782A

Icoef 1.394A

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2.2 DIMENSIONAMIENTO:

2.2.1 Corriente en el diodo:

2.2.2 Corriente en el inductor:

2.2.3 Corriente en el interruptor:

2.2.4 Calculo Inductor:

Por tanto el inductor es:

2.2.5 Clculo del Capacitor:

V c 0.01 Vo 0.72V

VCQ

C

CIo D

fs V c

C 3.858 105

F

Vcomax 72V

Vcomax Vo

IL

Io

1 D2.778A

ISD

1 DIo

IS 1.389A

ID Io ID 1.389A

I L. 0.1 IL

E LI L

D T

LE D

I L fs

L 1.296 103

H

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CAPTULO 3

SIMULACIN DEL CONVERSOR

SIMULAR:

CORRIENTE POR EN INDUCTOR L1

VOLTAJE POR EL INDUCTOR

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CORRIENTE DEL DIODO

VOTAJE DEL DIODO

CORRIENTE DEL CONDENSADOR

CORRIENTE DE SALIDA

VOLTAJE DE SALIDA

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CAPTULO 4

DIMENSIONAMIENTO DEL ESTADO DE POTENCIA Y

DEL CIRCUITO DE COMANDO

ESTADO DE POTENCIA

PROYECTO FISICO DEL INDUCTOR

1. Constantes:

Flujo de induccion max.

Densidad max. de corriente

Factor de utiliz. del area del nucleo

Permeabilidad del aire

2. Seleccion del Nucleo:

Nucleo Seleccionado: E-42/15

3. Calculo del numero de espiras:

4. Calculo del entrefierro:

AeAwL ILmax ILef

BmaxJmax kw1.312cm

4

Ae 1.81cm2

Aw 1.57cm2

lespira 9.7cm

mnucleo 20.2g

NL ceilL ILmax

BmaxAe

73

Bmax

L ILmax

NL Ae0.3T

Bmax 0.3T

Jmax 400A

cm2

kw 0.7

0 4 107

H

m

16

5. Dimensionamiento del conductor:

Diametro del conductor:

Seccion del conductor:

lgap

NL20 Ae 10

2

m

cm

L0.935mm

7.5s

0.5cm

fs

0.047cm

ncond ceilScond

Scu

14

Dcond 2 0.095cm

Scond

ILef

Jmax

6.956 103

cm2

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6. Calculo de Perdidas:

6.1 Perdidas en el cobre:

6.2 Perdidas magnticas:

6.3 Resistencia Trmica del Ncleo:

6.4 Elevacion de la Temperatura:

7. Posibilidad de Ejecucion:

lcond NL lespira 7.081m

Rcobre

cond lcond

ncond

0.229

Pcobre Rcobre ILef2

1.771W

BL I L

NL Ae0.054T

Pp 3.8mW

g

Pnucleo Pp mnucleo 0.077W

Rtnucleo 23 Ae Aw1

cm4

0.37C

W15.628

C

W

Pcobre 1.771W

Pnucleo 0.077W

T Pcobre Pnucleo Rtnucleo 28.878K

Aw_min

NL Scu_ais ncond

kw

1.028cm2

ExecAw_min

Aw

0.655

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INTERRUPTOR:

1.1 Caracteristicas:

1.2 Perdidas por conduccin:

1.3 Perdidas por conmutacin:

1.4 Prdidas totales:

1.5 Resistencia trmica:

TSJ > Tsj_max entonces precisa de Disipador

Rson 1

Ta 45C

Tsj_max 150C

Rsja 60C

W

tf 16ns

tr 22ns

Ps_cond ISef2

Rson 3.871W

Ps_com

fs

2tr tf ILmax VSmax 0.105W

PT Ps_cond Ps_com 3.975W

Rja_max

Tsj_max Ta

PT

26.413C

W

TSJ Rsja PT Ta 283.523C

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DIODO:

MUR410

2.1 Caractersticas:

2.2 Perdidas por conduccin:

2.3 Resistencia trmica:

TDJ < Tdj_max entonces no es necesario Disipador

VTO 1.25V

RDja 28C

W

Tdj_max 175 C

PD rd IDef2

VTO ID 1.736A

RDja_max

Tdj_max Ta

PD

74.88VC

W

PDRDja 48.611A K s

3

m2

kg

Ta 45C

TDJ RDja PD Ta Ta

TDJ 48.611 45 93.611

rd 0

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CAPACITOR:

Se selecciona un capacitor de 2.2uF/160V

RSEVc

ICmax

2.592

V c 0.72VICmax

I L

20.278A

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CAPTULO 5

CONSTRUCCIN DEL PROTOTIPO

El circuito de control utilizado es el CI. UC3525, un modulador que tiene cuatro salidas,

dos de los cuales vamos a utilizar, el de arranque suave y modos de proteccin adicional,

no se utilizar en este proyecto.

(CI UC3525)

1.1. OSCILADOR

El CI UC3525 tiene un oscilador interno cuya frecuencia depende de la constante de

tiempo de un conjunto de condensadores y resistencias definidas por el usuario. La

frecuencia es la expresin aproximada.

(*)

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Dnde:

RD=0

de la ecuacin (*) tenemos:

..(**)

Como tenemos fs utilizando la figura (1) para hallar el valor de CT entonces:

FIGURA (1)

Asignando el capacitor

DeterminandonVoltaje de Vc

fs 25KHz tf1

fs

tf 4 105

s

CT 20nF

RT1.4286

fs CT RT 2.857 10

3

Vref 5.1V D 0.5 Rtot 102K

Vportmax 3.336V

Vportmin 0.975V

Vc Vportmax Vportmin D Vportmin

Vc 2.155V

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1.2. RAZN CCLICA

Para ajustar el ciclo de trabajo, debemos transformar la tensin de control aplicada ala pin

2 del CI, que luego se compara con el diente de sierra generada en el oscilador, lo que

resulta un impulso como se ve en la figura (2).

Figura (2)

Dnde:

D:=0.5

Vref 5.1V

Por tanto el valor de R1 es:

R1

Vref Vc RtotVref

5.889 104

R1 5.889 104

R2 Rtot R1 4.311 104

R1

Vref Vc R2Vc

5.889 104

Rtot 102K

Vportmax 3.336V

Vportmin 0.975V

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Determinado el voltaje VC:

Para poder hallar el valor de R1 le damos a R2 el valor de:

De la figura(2) anterior vamos a utilizar un divisor de tensin para este propsito.

Deducimos las ecuaciones y tenemos:

Por lo tanto el valor de R1 es:

1.3. SOFT-START CAPACITOR

El condensador de arranque suave se coloca sobre el pin 8, lo cual sirve para aumentar

gradualmente el ciclo de trabajo para evitar la sobretensin que podra daar el convertidor

cuando est conectado.

El condensador se calcula utilizando la ecuacin siguiente:

(***)

Dnde:

Vc Vportmax Vportmin D Vportmin

Vc 2.155V

R2 10k

R1

Vref Vc R2Vc

R1 5.889 104

Css

tentr ICss

Vref

valores estandars.

calculo del condensador Css

donde :

ICss 50A

tentr 100s

Css

tentr ICss

Vref

Css 9.804 1010

F

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CAPTULO 6

RESULTADOS EXPERIMENTALES

SIMULANDO EL CI UC3525 CON SUS RESPECTIVOS COMPONENTES

CALCULADOS

Donde la seal de salida del CI UC3525 es:

El tiempo cuando vout=15v es:

El periodo de la onda es:

T=1.7x10-5

Entonces: D=0.47

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CONCLUSIN

a) Hemos podido comprobar experimentalmente que el conversor boost si es un convertidor

elevador que obtiene a su salida una tensin continua mayor que a su entrada en nuestro

caso de 36V a 70V.

b) Nos hemos dado cuenta que para el clculo del inductor su inductancia depende de la

frecuencia y potencia con la que trabaja nuestro conversor Boost

c) En la parte del bobinado del inductor tambin hemos descubierto que es mejor bobinar un

solo conductor de calibre nmero 26 que dos conductores calibre numero 30 ya que el de

calibre nmero 26 es ms grueso y ms fcil de manipular que el de calibre nmero 30 que

es ms delgado y un poco complicado para bobinar

d) Para nuestro conversor Boost hemos utilizado el mosfet IRF730A como interruptor, este

interruptor requiere de un disipador para evitar que se caliente por las conmutaciones que

realiza.

e) Para la parte del controlador del Boost hemos utilizado el circuito integrado UC3525 y

hemos remplazado el circuito del gate driver por el circuito integrado MC 33151 porque la

onda de salida del UC3525 la mantiene mejor que el gate driver a su salida.

f) Para la construccin del circuito conversor Boots hemos utilizado componentes cercanos a

los valores hallados tericamente ya que en el mercado solo existen dichos componentes

en valores estndar. Esto hiso que los valores hallados tericamente como el voltaje y

corriente al compararlos con los valores experimentales tengan una pequea diferencia ya

que para nuestro conversor el voltaje terico de salida es de 80v,pero el voltaje medido en

el circuito fsico fue de 72.45V

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REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

[1] MARTINS, D. C.; BARBI, I. Eletrnica de Potncia - Conversores CC-CC Bsicos No

Isolados. 3 edio. Florianpolis, 2008.

[2] BARBI, I. Eletrnica de Potncia. 6 edio, Florianpolis, 2006.

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I APNDICE A- PROYECTO FSICO DEL INDUCTOR

Driver.- La mayora de dispositivos elctricos y electrnicos requieren tensiones y

corrientes que destruirn los circuitos digitales, por tanto, en trminos generales, debemos

confiar dicha labor a los llamados circuitos controladores o drivers.

Semiconductores.- Semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o

como un aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo elctrico o

magntico, la presin, la radiacin que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se

encuentre.

Inductor.- Un inductor, bobina o reactor es un componente pasivo de un circuito

elctrico que, debido al fenmeno de la autoinduccin, almacena energa en forma

de campo magntico.

DC.- La corriente continua se refiere al flujo continuo de carga electrica a travs de

un conductor entre dos puntos de distinto potencial, que no cambia de sentido con el

tiempo.

Topologa.- Es la rama de las matemticas dedicada al estudio de aquellas propiedades de

los cuerpos geomtricos que permanecen inalteradas por transformaciones continuas

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