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 jade7700@gmail.com 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.