DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN CONVERTIDOR DC-DC TIPO BUCK EN LAZO ABIERTO
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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN CONVERTIDOR DC-DC TIPO BUCK EN LAZO ABIERTO Jhon Alexander Díaz Acevedo, Juan Pablo Nossa, Jairo Aguilar. Estudiante De IX Semestre Universidad de Cundinamarca Facultad de Ingeniería Electrónica [email protected] om I. INTRODUCCIÓN Uno de los temas importantes en el área de potencia son las fuentes de alimentación conmutadas y una de sus configuraciones básicas es el convertidor reductor Buck, pero el análisis y diseño de estos circuitos muchas veces cuando se esta empezando resulta complicado, sin embargo si se realiza un análisis detallado y se explica de manera clara, analizar y diseñar estos circuitos se convierte en algo muy elemental y fácil de realizar. Otro punto clave en el diseño es saber elegir los elementos adecuados para cuando se valla a implementar ya que se deben tener en cuenta las corrientes y tensiones nominales que deben soportar los dispositivos, si no se presta atención a esto dentro del diseño al momento de la implementación ocurrirán daños muy graves. II. DISEÑO DEL CONVERTIDOR Para el diseño de este convertidor se tendrá en cuenta el siguiente planteamiento: Diseñar e implementar un conversor reductor regulado que mantenga una tensión de salida de 12 Voltios a una potencia de salida de 40W±10% cuando se tiene una fuente primaria de tensión continua no regulada de 24V±15%. El rizado de la tensión de salida no debe ser mayor al 1%. En este documento se tendrá en cuenta la primera parte, es decir el diseño e implementación del sistema en lazo abierto. A) Diseño del convertidor Para empezar se definirá una frecuencia de conmutación de 20KHz ya que esta frecuencia no tiene que ser ni muy baja ni muy elevada, con el fin de que el sistema trabaje rápido pero que no se tengan muchas perdidas en la potencia que afecten la eficiencia, ya que a mayor frecuencia de conmutación los transistores presentan una menor eficiencia. Ahora se utilizan las ecuaciones generales para el diseño de este tipo de converti dores [1], la cuales se presentan a con tinuación: o s V D V (1) 2 arg o c a V R P (2) min ( 1 ) 2 D R L f (3) min 1.25 L L (4) 2 1 8 o o D C V Lf V (5) min 1 ( 1 ) 2 L o D I V R Lf (6) max 1 ( 1 ) 2 L o D I V R Lf (7) Resumen: En el presente documento se presenta el desarrollo de un convertidor tipo Buck, la temática se divide en 2 partes, la primera se basa en el diseño del convertidor de acuerdo a unos parámetros establecidos, la s egunda parte es la implementación del mismo en donde se presentan los resultados obtenidos que serán analizados para comprobar su funcionamiento ya que se vera que en la practica no todo funciona tan bien como en la simulación.
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En el presente documento se presenta el desarrollo de un convertidor tipo Buck, latemática se divide en 2 partes, la primera se basa en el diseño del convertidor de acuerdo a unosparámetros establecidos, la segunda parte es la implementación del mismo en donde se presentanlos resultados obtenidos que serán analizados para comprobar su funcionamiento ya que se veraque en la practica no todo funciona tan bien como en la simulación.
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DISEO E IMPLEMENTACIN DE UN CONVERTIDOR DC-DC TIPO BUCK EN LAZO ABIERTO Jhon Alexander Daz Acevedo, Juan Pablo Nossa, Jairo Aguilar. Estudiante De IX SemestreUniversidad de Cundinamarca Facultad de Ingeniera Electrnica [email protected] I. INTRODUCCIN Unodelostemasimportantesenelreadepotencia sonlasfuentesdealimentacinconmutadasyunade sus configuraciones bsicas es el convertidor reductor Buck,peroelanlisisydiseodeestoscircuitos muchasvecescuandoseestaempezandoresulta complicado,sinembargosiserealizaunanlisis detalladoyseexplicademaneraclara,analizary disearestoscircuitosseconvierteenalgomuyelementalyfcilderealizar.Otropuntoclaveenel diseoessaberelegirloselementosadecuadospara cuandosevallaaimplementaryaquesedebentener encuentalascorrientesytensionesnominalesque debensoportarlosdispositivos,sinosepresta atencinaestodentrodeldiseoalmomentodela implementacin ocurrirn daos muy graves. II. DISEO DEL CONVERTIDORPara el diseo de este convertidor se tendr en cuenta elsiguienteplanteamiento:Diseareimplementarun conversorreductorreguladoquemantengauna tensindesalidade12Voltiosaunapotenciade salidade40W10%cuandosetieneunafuente primariadetensincontinuanoreguladade 24V15%.Elrizadodelatensindesalidanodebe ser mayor al 1%. Enestedocumentosetendrencuentalaprimera parte, es decir el diseo e implementacin del sistema en lazo abierto. A) Diseo del convertidor Paraempezarsedefinirunafrecuenciade conmutacinde20KHzyaqueestafrecuenciano tiene que ser ni muy baja ni muy elevada, con el fin de queelsistematrabajerpidoperoquenosetengan muchasperdidasenlapotenciaqueafectenla eficiencia,ya que amayor frecuencia de conmutacinlos transistores presentan una menor eficiencia. Ahoraseutilizanlasecuacionesgeneralesparael diseodeestetipodeconvertidores[1],lacualesse presentan a continuacin: osVDV= (1) 2argoc aVRP= (2) min(1 )2D RLf= (3) min1.25 L L = (4) 218ooDCVLfV=A (5) min1 (1 )2L oDI VR Lf| | = |\ . (6) max1 (1 )2L oDI VR Lf| | = + |\ . (7) Resumen:EnelpresentedocumentosepresentaeldesarrollodeunconvertidortipoBuck,la temtica se divide en 2 partes, la primera se basa en el diseo del convertidor de acuerdo a unos parmetros establecidos, la segunda parte es la implementacin del mismo en donde se presentan losresultadosobtenidosquesernanalizadosparacomprobarsufuncionamientoyaquesevera que en la practica no todo funciona tan bien como en la simulacin. ooVIR= (8) De esta manera se prosigue al clculo del diseo ideal haciendo uso de estas ecuaciones. 120.4327.6VDV= = (9) 2(12 )436VRW= = O (10) min(1 0.43)456.62 20L HKHz O= = (11) 56.6 1.25 70.8 L H H = =(12) 21 0.432508 70.8 20 0.01C FH KHz= = (13) Deestamanerasetieneeldiseobsicodel convertidor sin embargo falta determinar el valor de la corrientemnimadelainductanciaparadeterminarsi estaenrgimenpermanente,asmimolacorriente mxima del mimo y la corriente de salida para realizar losrespectivosanlisisycorroboracindelos resultadosconMatLab.Losvaloressehallan mediante (6), (7) y (8). min1 (1 0.43)124 2 70.8 20LIH KHz | | = | \ .min0.6LI A = (14) min1 (1 0.43)124 2 70.8 20LIH KHz | | = | \ .max5.4LI A = (15) 1234oVI A = =O (16) Comosepuedeveren(14)lacorrientemnimaes superior a cero por consiguiente su funcionamiento es enmodocontinuoyaquelacorrienteenlabobinaes permanente.Deestamanerasetienenlosvaloresde corrientesytensionesnecesariosparasurespectiva comprobacin en MatLab posteriormente. Elsiguientepasoparaeldiseoesdeterminarlos valores nominales de cada uno de los elementos con el findeidentificarquevaloresdetencinycorriente deben soportar. Primerosedeterminaralacorrientedelainductancia de la siguiente manera: 22 23LLrms LII IA | | |= + | |\ . (17) En donde LI = oIy LI Aesta das por: ( )s oLV V DIfLA = (18) Remplazando (8) y (19) en (18) se tiene: 224.7323 3.293LrmsI A| | |= + = |\ . (19) Porotrapartelatensindelabobinacuandoel interruptorestaabiertoocerradoV=12Vpor consiguiente este es el voltaje que debe soportar. Para el caso del capacitor el voltaje que debe soportar este elemento es el voltaje de salida, es decir 12V y la corriente esta dada por: 3CpicoCrmsII = (20) En donde: 2LCpicoIIA= (21) Por consiguiente remplazando (23) y (19) en (23) 2.3651.363CrmsI = = (22) Por ultimo el voltaje que deben soportar el transistor y el diodo es el voltaje de entrada, es decir 24V Deestamaneraconcluyeeldiseocomotaldeleste convertidortpicotipoBuck,sinembargounodelos criterios mas importantes es el diseo de la bobinaya que esta la tiene que crear el diseador debido a que lo masprobableesquenoseconsigacomercialmente debidoasuscaractersticas,porconsiguientea continuacinsedescribeelprocedimientopara calcular una bobina toroide que son las que se utilizan en este tipo de aplicaciones. Laecuacingeneralparadeterminarelnmerode vueltas de una bobina tipo toroide esta dada por: 0.0002 lnintLNdextur hd=| | |\ . (23) Endondesedebetenerencuentaloexpresadoenla siguiente figura: Figura 1. Dimensiones de una bobina tipo toroide De esta manera se tomaron los siguientes valores: Datosabreviaturavalor Permeabilidad Relativa (ferrita) ur75 Alturah(mm) 11 Dimetro Exteriordext(mm) 27 Dimetro Interiordint 14 inductanciaL (uH) 71 Tabla 1. Datos de los elementos utilizados para el clculo del nmero de vueltas. Haciendousodelaecuacin(23)ydelatabla1se obtuvoqueelnumerodevueltasparaestabobinaes de 25.59 vueltas es decirN=26. Paradarporfinalizadoeldiseodelconvertidory proseguirconlacomprobacinenMatLabsedebe determinarelcalibredelalambreyaquedeeste depende la corriente que pueda soportal la bobina que eslasehalloen(17)o(20).Paraellosedebe determinarlaseccindelncleoydependiendode estoseobservaenlatablageneraldecaractersticas paraelclculodetransformadoreselcalibredel alambre como se muestra a continuacin: LrmsISD= (24) En donde D es un valor que puede variar entre 2.5 y 3 A/mm2decuerdoaestosetienequelaseccindel ncleo es: 23.41.133 /ASA mm= = (25) Se tomo 3.4 para que la bobina soportara un poco mas delacorrienterequerida,deestamaneraobservando latabladecaractersticasdeldiseode transformadores(sepuedebuscareninternet)se obtuvoquesedebeutilizarunalambredecalibre AWG 17 o 16. Porultimoserealizaraelclculoparalaredsnubber del IRF 540N de la siguiente manera: Cp= 250 pF Ls = 75 nHID= 22 Atr= 35nstf=35ns VDSS = 100
(26)
(
)
C = 15.4 nF (27) B) Simulacin en MatLab Primeroquetodohayquedefinirelbloqueo conexiones de bloques que va a simular el convertidor tipoBUCKparaasrealizarlasrespectivaspruebas queserncomparadasconlosresultadosobtenidos matemticamente, el diagrama de conexiones se puede observar en el anexo A, figura 2. Unavezimplementadalasimulacinseprosigue primeroquetodoacomprobarsilasalidadel convertidorestasuministrandoaproximadamenteel voltajecalculado,queenestecasoesVo=12V, aunque en la figura 2 esta el resultado en el display, a continuacin se muestra la seal de salida para poder observarsucomportamiento.Enestecasoelvoltaje de salida fue de 11.4V y aunque no es precisamente lo que se calculo es una muy buena aproximacin lo cual indica que el diseo se realizo correctamente. Figura 3. Seal de salida del convertidor Ahora falta evaluar el rizado del voltaje, lo cual es una delascosasquesolosepuedesaberconla simulacin,acontinuacinenlafigura3semuestra unsegmentodelasealdevoltajeconlacualse determinara el rizado Figura 4. Segmento de la seal de voltaje ComosepuedeverenlafiguraVmax=11.54yVmin =11.42 lo cual indica que el rizado es de11.54 -11.42=0.12yel1%de12es0.12,locualindica queelrizadoeselindicado. Hastaaqutodovabien, laultimapruebaesdelassealesdevoltajey corrientede los elementos de las cuales se realizaron losclculosmatemticosanteriormente,siel convertidorquedobiendiseado,lagraficassque obtienendeMatLabtienenqueseriguales(obueno muyaproximadas).Enlafigura5(veranexoB)se muestran las seales obtenidas por medio del escope as como se ve en lafigura 2. En lafigura 5 se puede observarquelosresultadosobtenidosmediantela simulacinsonexactamentelosmismosquelos realizadosmediantelosclculosmatemticos.Teniendo en cuentalos resultados obtenidos sepuede afirmar que el diseo del convertidor tipo BUCK es el corrector o que se ha diseado bien el convertidor. III. RESULTADOS DE LA IMPLEMENTACINMediantelaimplementacinseobtuvieronresultados favorables,loprimeroquesedeterminaesla eficienciadelsistemaqueparaestecasopor cuestiones prcticasdebesersuperioro igualal 85%. A continuacin se muestran los resultados obtenidos: 24.49 1.96 48in in inP V I V A W = = =(26) 12.45 3.38 42.1out out outP V I V A W = = =(27) 42.187%48outinPPq = = = (28) Comosepuedeobservaren(28)laeficienciadel sistemaessuperioral85%queeralaeficiencia requerida,porotroladolosresultadosdelasgraficas coincidenconlateorayaunquelosvaloresde amplitudnocoincidenconlosresultadosdela simulacin(posiblementeporeldriverutilizado)el comportamientoesexactamenteelmismo,a continuacin se muestra el voltaje en el MOSFET. Figura 5.Voltaje de salida en el transistor Comosepuedeobservarenlafiguraanteriorel voltaje sobre el elemento es una onda cuadrada con un siclotildefinidodesdeelgeneradordelaseal,la salidadeesteelementocomienzaaproximadamente desdecerolocualescoherente,porconsiguienteel voltajeenlabobinadebeserestemismopero desfasado en el eje Y en donde el voltaje positivo ser el mismo que el negativo, a continuacin se muestra el resultado obtenido.
Figura 6.Voltaje de salida en el inductor Comosepuedeverenlafiguraanteriorelvoltaje positivoescasielmismoqueelnegativolocual concuerdaconlodichoanteriormente.Ahorase prosigue a la medicin de la corriente en la bobina ya queeselparmetromasimportantedebidoaque indicasielsistemaestaonoenmodocontinuo,para estecasoseplanteoqueestuvieraenmodocontinuo yaquelosconvertidorestipoBucksonlineales nicamenteenesemododefuncionamiento,porotro lado esto indicara si el diseo e implementacin fue el correcto,acontinuacinsemuestraelresultado obtenido mediante el osciloscopio digital (al igual que las dos graficas anteriores). Figura 7.Corrientede salida en el inductor Conloobtenidoenlafiguraanteriorsepudo determinarqueelsistemaestaactuandoenmodo continuoyaquelaILminesde1.1AylaILmaxde 1.33A,aunqueesteresultadonoesmuysimilaral obtenidomediantelosclculos(tambincaberesaltar quelosresultadosdelasimulacinserealizaronbajo otrascondiciones)loobtenidoesvalido,ademsse puedeverquecumpleconelsiclotilcalculado,es decirdel43%,ahorasearanvariacionesenelsiclo paraobservarcomoactaelsistemaanteestos cambios, acontinuacinen lasfiguras 8y 9 sepuede ver la seal de corriente en la bobina con un siclotil de aproximadamente 35% y 85%. Figura 8.Corrientede salida en el inductor con un siclo til del 35% Figura 8.Corrientede salida en el inductor con un siclo til del 85% En base a las dos figuras anteriores se puede decir que la corriente aumenta a medida que D aumenta y que a medida que disminuye el sistema se aproxima al lmite ente modo continuo y discontinuo, por consiguiente si se disminuye demasiado el siclo til la corriente dejara de actuar de forma permanente o modo continuo. Con esto concluye este laboratorio ya que se comprob que el diseo y la implementacin se realizaron de manera correctayloresultadosfueronsatisfactorios.El circuito utilizado en la practica se muestra en el anexo C, figura 9. IV. CONCLUSIONES -EldiseodelosconvertidorestipoBuckpueden llegaraserrelativamentesencillos,sinembargo existenciertoscriteriosoconceptosquemuchas vencesnosetienenencuentaquesondevital importancia,comoloes,saberqueelementossonlos indicadosenlapractica,diseodelabobinayquela corriente seencuentreen rgimen permanente, en fin. Porotroladolaimplementacindeestoscircuitosno estanfcilcomopareceyaqueexistendiferentes factoresqueafectansufuncionamientoymuchas veces el problema no esta en el propio convertidor, los inconvenientes que generalmentese presentan son los relacionados con la generacin de los pulsos (PWM) y laetapadeconmutacinyaqueesteconvertidor obligaarealizarundisparoporfuente,esdecirse deberealizar unatierravirtual o utilizar unmosfetde canalPconunadeterminadaconfiguracin,sin embargolomascomneslaconfiguracinde MOSFETs de canal N haciendo una tierra virtual. Bibliografa [1]HARTDANIEL,ElectrnicadePotencia, Valparaiso,cap.6,UniversityValparaiso,Indiana, Pearson Educacion S.A., Madrid 20001 [2]SyedAbdulRahmanKashif,BuckConverter-- Close Loop, disponible en la pgina de internet: http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/27381-buck-converter-close-loop. [3]MUHAMMADH.RASHID,Electrnicade PotenciaCircuitos,dispositivosyaplicaciones, Segundaedicin,PrenticeHallHispanoamericana S.A. ANEXOS ANEXO A Figura 2. Conexin de bloques utilizado para la simulacin de convertidor. ANEXO B Figura 5. Seales de voltaje y corriente en los elementos que componen el convertidor BUCK ANEXO C Figura 9. Circuito elctrico utilizado en la prctica.
