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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...
3
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.
5
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.
6
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( )
11
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
12
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
13
CAPTULO 3
SIMULACIN DEL CONVERSOR
SIMULAR:
CORRIENTE POR EN INDUCTOR L1
VOLTAJE POR EL INDUCTOR
14
CORRIENTE DEL DIODO
VOTAJE DEL DIODO
CORRIENTE DEL CONDENSADOR
CORRIENTE DE SALIDA
VOLTAJE DE SALIDA
15
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
17
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
18
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
19
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
20
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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