BUCK Disparado con mosfet

UNIVERSIDAD DE CUNDINAMARCA - ELECTRONICA ELECTRONICA DE POTENCIA II –

2012

DISEÑO DE CONVERTIDORES DC-DC TIPO BUCK JAIRO AGUILAR CISNEROS cod. 162206203 MAYRA ALEJANDRA CORTES cod. 162208209 ANDRES EDUARDO RESTREPO ARIAS cod. 162208227 1

[email protected] 2 [email protected] 3 [email protected]

Resumen En En el presente presente documento se presenta presenta el desarrollo desarrollo de un un convertidor 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 establecidos,, la segunda parte es la implementación del del mismo en donde se presentan los resultados resultados obtenidos obtenidos que serán analizados analizados para comprobar comprobar su funcionamiento funcionamiento ya que se vera que en la practica no todo funciona tan bien como en la simulación. simulación.

1. INTRODUCCION 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

2. DISEÑO DE LA PRACTICA 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 con una potencia de salida de 40W±10% cuando se tiene una fuente primaria de tensión continua no regulada de 20V±10%. El rizado de la tensión de salida no debe ser mayor al 5%. 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 15KHz 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 convertidores [1], la cuales se presentan a continuación:

UNIVERSIDAD DE CUNDINAMARCA - 2012 .

    ()     ()   ( )        ( )        

D=

(1)

R=

(2)

C=

máxima del mimo y la corriente de salida para realizar los respectivos análisis y corroboración de los resultados con MatLab. Los valores se hallan mediante (6), (7) y (8). Se calculo mediante un programa en matlab ver (Anexo 4. Caso 7)

(3)

Lmin=

L=

(4) (5)

ILmin = Vo

(6)

ILmax = Vo

(7)

Io=

2

(8)

Haciendo uso del software Matlab, se realizo un programa para obtener los valores de las anteriores ecuaciones. (Anexo 4. Caso 7)

ILmin=0.75 A

(14)

ILmax= 6.75 A

(15)

Io=3.75

(16)

Como se puede ver en (14) la corriente mínima es superior a cero por consiguiente su funcionamiento es en modo continuo ya que la corriente en la bobina es permanente. De esta manera se tienen los valores de corrientes y tensiones necesarios para su respectiva comprobación en MatLab posteriormente. El siguiente paso para el diseño es determinar los valores nominales de cada uno de los elementos con el fin de identificar que valores de tención y corriente deben soportar. Primero se determinara la corriente de la inductancia de la siguiente manera:

 √ 



   

D= 48%

(9)

R= 3.2 ohm

(10)

ILrms=

Lmin=

55.46 µH

(11)

(17)

L=

69.33 µH

(12)

En donde IL= Io y ∆IL esta das por

C= 416.7

aprox 470 µF

(13)

De esta manera se tiene el diseño básico del convertidor sin embargo falta determinar el valor de la corriente mínima de la inductancia para determinar si esta en régimen permanente, así mimo la corriente

∆IL

=

(18)

ELECTRÓNICA DE POTENCIA II. Aguilar Jairo, Restrepo Andres, Cortez Maira.

( ) 


3

Posteriormente se resuelve la ecuacion (17) mediante el código, para allar ILrms ver (Anexo 1. Caso 7) ILrms= (19)

4.13

A

Por otra parte la tensión de la bobina cuando el interruptor esta abierto o cerrado V=12V por consiguiente este es el voltaje que debe soportar.

las que se utilizan en este tipo de aplicaciones. La ecuación general para determinar el número de vueltas de una bobina tipo toroide esta dada por:

  

N=

(23) 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:

 √ 

ICrms= (20) En donde:

ICpico= (21)

ICrms= (22)

En donde se debe tener en cuenta lo expresado en la siguiente figura:

  √ 

= 3

=1.73

Por ultimo el voltaje que deben soportar el transistor y el diodo es el voltaje de entrada, es decir 24V De esta manera concluye el diseño como tal del este convertidor típico tipo Buck, sin embargo uno de los criterios mas importantes es el diseño de la bobina ya que esta la tiene que crear el diseñador debido a que lo mas probable es que no se consiga comercialmente debido a sus características, por consiguiente a continuación se describe el procedimiento para calcular una bobina toroide que son

Figura 1. Dimensiones de una bobina tipo toroide De esta manera se tomaron los siguientes valores: DATOS Permeabilidad relativa (ferrita) Altura Diametro exterior Diametro interior Inductancia


ABREVIATURA

ur h(mm) Dex(mm) din L(uH)

VALOR 75 11 27 14 69.33


Tabla 1. Datos de los elementos utilizados para el cálculo del número de vueltas.

Haciendo uso de la ecuación (23) y de la tabla 1 se obtuvo que el numero de vueltas para esta bobina es de 25.28 vueltas es decir N=25.

4

tf=35ns

VDSS = 100

R=

 

(26)

R=17 Para dar por finalizado el diseño del convertidor y proseguir con la comprobación en MatLab se debe determinar el calibre del alambre ya que de este depende la corriente que pueda soportal la bobina que es la se hallo en (17) o (20). Para ello se debe determinar la sección del núcleo y dependiendo de esto se observa en la tabla general de características para el cálculo de transformadores el calibre del alambre como se muestra a continuación:

S=

 

(24)

En donde D es un valor que puede variar entre 2.5 y 3 A/mm2 de cuerdo a esto se tiene que la sección del núcleo es:

S= (25)

  

Se tomo 3.4 para que la bobina soportara un poco mas de la corriente requerida, de esta manera observando la tabla de características del diseño de transformadores (se puede buscar en internet) se obtuvo que se debe utilizar un alambre de calibre AWG 17 o 16.

C=

() 

C= 15.14nF

B) Simulación en MatLab Primero que todo hay que definir el bloque o conexiones de bloques que va a simular el convertidor tipo BUCK para así realizar las respectivas pruebas que serán comparadas con los resultados obtenidos matemáticamente, el diagrama de conexiones se puede observar en el anexo A, figura 2. Una vez implementada la simulación se prosigue primero que todo a comprobar si la salida del convertidor esta suministrando aproximadamente el voltaje calculado, que en este caso es Vo=12V, aunque en la figura 2 esta el resultado en el “display”, a continuación se muestra la señal de salida para poder observar su comportamiento. En este caso el voltaje de salida fue de 11.5V y aunque no es precisamente lo que se calculo es una muy buena aproximación lo cual indica que el diseño se realizo correctamente.

Por ultimo se realizara el cálculo para la red snubber del IRF 540N de la siguiente manera: Cp= 250 pF

(27)

Ls = 75 nH

ID= 22A tr= 35ns ELECTRÓNICA DE POTENCIA II. Aguilar Jairo, Restrepo Andres, Cortez Maira.


5

figura 2. En la figura 5 se puede observar que los resultados obtenidos mediante la simulación son similares a los valores encontrados mediante los cálculos matemáticos.

3. Simulación El sistema se modelo en simulink, Y el circuito de disparo se simulo en Proteus

Figura 3. Señal de salida del convertidor Ahora falta evaluar el rizado del voltaje, lo cual es una de las cosas que solo se puede saber con la simulación, a continuación en la figura 3 se muestra un segmento de la señal de voltaje con la cual se determinara el rizado

Los resultados y esquemas de los circuitos utilizados se encuentran en el anexo 1

4. RESULTADOS DE LA PRACTICA

Figura 5. Señal De PWM

Figura 4. Segmento de la señal de voltaje

Como se puede ver en la figura 4. Vmax = 11.54 y Vmin =11.42 lo cual indica que el rizado es de 11.54 - 11.42 = 0.12 y el 1% de 12 es 0.12, lo cual indica que el rizado es el indicado. Hasta aquí todo va bien, la última prueba es de las señales de voltaje y corriente de los elementos de las cuales se realizaron los cálculos matemáticos anteriormente, si el convertidor quedo bien diseñado, la graficas sé que obtienen de MatLab tienen que ser iguales (o bueno muy aproximadas). En la figura 5 (ver anexo B) se muestran las señales obtenidas por medio del “scope” así como se ve en la

En la Figura 5 se muestra la señal de pwm generada con el microcontrolador 16f873a Mediante la implementación se obtuvieron resultados favorables, lo primero que se determina es la eficiencia del sistema que para este caso por cuestiones prácticas debe ser superior o igual al 75%. A continuación se muestran los resultados obtenidos:

Pin= Vin*Iin Pin= 15V*3.48A= 52.2W (26) Pout= Vout*Iou Pout= 11.7V*3.46A= 40.48W (27)


UNIVERSIDAD DE CUNDINAMARCA - 2012 . ᶯ

= Pout/Pin

ᶯ

= 40.48W/52.2W = 77.6% (28)

6



5. CONCLUSIONES 

El diseño de los convertidores tipo Buck pueden llegar a ser relativamente sencillos, sin embargo existen ciertos criterios o conceptos que muchas vences no se tienen en cuenta que son de vital importancia, como lo es, saber que elementos son los indicados en la practica, diseño de la bobina y que la corriente se encuentre en régimen permanente, en fin. Por otro lado el diseño del controlador puede llegar a ser frustrante cuando no se han visto técnicas de control, sin embargo como se pudo ver en el planteamiento de este controlador es muy sencillo y lo podría llegar a implementar una persona sin muchos conocimientos del tema.



RASHID, Muhammad H. ELECTRONICA DE POTENCIA, CIRCUITOS Y APLICACIONES. Segunda edición. Prentice Hall Hispanoamericana, S.A. Mexico. ISBN 968-880-586-6. 1993. HART, Daniel H. ELECTRONICA DE POTENCIA. Prentice Hall Hispanoamericana, S.A. Madrid. ISBN 84-205-3179-0. 2001



Se ha podido determinar una relación importante que facilita los cálculos para el diseño del convertidor cuando se tienen voltajes de entrada y potencias a la salida que varían, es decir se pudo concluir que para no realizar los 4 análisis que esto implica, se llego al criterio de que se debe utilizar el voltaje máximo y la potencia mínima para que se garantice un funcionamiento en modo continuo ante cualquier variación de los valores establecidos de voltaje de entrada y potencia de salida.

6. BIBLIOGRAFIA ELECTRÓNICA DE POTENCIA II. Aguilar Jairo, Restrepo Andres, Cortez Maira.


7

Anexo 1

Anexo 1.1 Simulación del reductor buck en simulink

Anexo 1.2

Anexo 1.2 Simulación del Circuito de disparo en isis proteus



ANEXO 1.3

Anexo 1.3 Corriente en el capacitor Viata completa se o a 5 milisegundos

ANEXO 1.4

Anexo 1.4 Corriente en el capacitor una ves el buck entra en estado estacionario


8


ANEXO 1.5

Anexo 1.5 Corriente en el diodo una ves el buck entra en estado estacionario

ANEXO 1.6

Anexo 1.3 Corriente en el diodo Visita completa se o a 5 milisegundos


9


ANEXO 1.7

Anexo 1.7 Corriente en el inductor una ves el buck entra en estado estacionario

ANEXO 1.8

Anexo 1.8 Corriente en el inductorVisita completa se o a 5 milisegundos


10


ANEXO 1.9

Anexo 1.9Corriente en el transistor Visita completa se o a 5 milisegundos

ANEXO 1.9

Anexo 1.9 Corriente en el transistor una ves el buck entra en estado estacionario


11


12

ANEXO 2

Anexo 2 voltaje en el inductor Visita completa se o a 5 milisegundos

ANEXO 2.1

Anexo 2.1 Voltaje en el inductor una ves el buck entra en estado estacionario



ANEXO 2.2

Anexo 2.2 voltaje en el mosfet de potencia Visita completa se o a 5 milisegundos

ANEXO 2.2

Anexo 2.2 Voltaje en el mosfet una ves el buck entra en estado estacionario


13


ANEXO 3 CODIGO EN MATLAB PARA CALCULAR LOS VALORES, Y GRAFICAR close all;clear all; clc; %% REDUCTOR TIPO BUCK %Vs=input('Vs[V] = '); %Vo=input('Vo[V] = '); %Priz=input('Rizado = '); %fs=input('fs[Hz] = '); %Po=input('Po[Watts] = '); Vs=25; Vo=12; Priz=0.05; fs=15e3; Po=55;

%% %CICLO ÚTIL D=(Vo/Vs); D1=D*100; fprintf('Ciclo Útil [porcentaje] = ' ); disp(D1); %% %RIZADO DE TENSIÓN AVo=Priz*Vo; fprintf('AVo[V] = '); disp(AVo); %% %RESISTENCIA R=(Vo^2)/Po; fprintf('R[Ohm] = '); disp(R); %% %INDUCTANCIA Lmin=((1-D).*R)/(2*fs); L=(((1-D).*R)/(2*fs)).*1.25; fprintf('L[H] = '); disp(L); %% %CAPACITOR C=(1-D)./(8.*L.*(fs^2).*(Priz)); fprintf('C[F] = '); disp(C); %% %CORRIENTE MÍNIMA DEL INDUCTOR [ILmin] Ts=1/fs; ILmin=(Vo/R)-((Vs-Vo)./(2*L)).*D*Ts; fprintf('ILmin[A] = '); disp(ILmin); %% %CORRIENTE MÁXIMA DEL INDUCTOR [ILmax] ILmax=(Vo/R)+((Vs-Vo)./(2*L)).*D*Ts; fprintf('ILmax[A] = ');


14


disp(ILmax); %% %DIFERENCIA DE CORRIENTE DEL INDUCTOR [AIL] AIL=ILmax-ILmin; fprintf('AIL[A] = '); disp(AIL) %% %CORRIENTE MEDIA IL = Io Io=Vo/R; fprintf('ILmedia[A] = ' ); disp(Io) %% %CORRIENTE MÍNINA DEL CAPACITOR [Cmin] ICmin=ILmin-Io; fprintf('ICmin[A] = '); disp(ICmin) %% %CORRIENTE MÁXIMAA DEL CAPACITOR [Cmax] ICmax=ILmax-Io; fprintf('ICmax[A] = '); disp(ICmax) %% %CORRIENTE IlRM en el inductor AIL=((Vs-Vo)*D)/(L*fs) Io=Vo/R IRMS=((Io^2)+((AIL/2)/((3)^(1/2)))^2)^(1/2) %% %============================GRAFICAS====================================== plot(IL(:,1),IL(:,2), 'g') title('CORRIENTE EN EL INDUCTOR' ) xlabel('Tiempo (s)') ylabel('Amperios') hold on grid on %% plot(IC(:,1),IC(:,2), 'g') title('CORRIENTE EN EL CAPACITOR' ) xlabel('Tiempo (s)') ylabel('Amperios') hold on grid on %% plot(IQ(:,1),IQ(:,2), 'g') title('CORRIENTE EN EL TRANSISTOR' ) xlabel('Tiempo (s)') ylabel('Amperios') hold on grid on %% plot(ID(:,1),ID(:,2), 'g') title('CORRIENTE EN EL DIODO' ) xlabel('Tiempo (s)') ylabel('Amperios') hold on grid on %% plot(IQ(:,1),IQ(:,2), 'b') title('CORRIENTE EN EL Transistor' ) xlabel('Tiempo (s)') ylabel('Amperios')


15


16

hold on grid on %% plot(VL(:,1),VL(:,2), 'b') title('Volataje en el inductor' ) xlabel('Tiempo (s)') ylabel('Voltios') hold on grid on %% plot(VS(:,1),VS(:,2), 'b') title('Voltaje Mosfet') xlabel('Tiempo (s)') ylabel('Voltios') hold on grid on %%

ANEXO 4 Cálculos con los 9 casos posibles Caso 1: Vs=15 Vo=12 Priz=0.01 fs=15e3 Po=45

Ciclo Útil [porcentaje] =80 AVo[V] = 0.1200 R[Ohm] = 3.2000 L[H] = 2.6667e-005 C[F] = 4.1667e-004 ILmin[A]= 0.7500 ILmax[A]= 6.7500 AIL[A] = 6 ILmedia[A] = 3.7500 ICmin[A] = -3.0000 ICmax[A] = 3 AIL = 6.0000 Io = 3.7500 IRMS = 4.1307

Caso 2: Vs=15 Vo=12 Priz=0.01 fs=15e3 Po=50;

Ciclo Útil [porcentaje] =

80

AVo[V] = 0.1200 R[Ohm] = 2.8800 L[H] = 2.4000e-005 C[F] = 4.6296e-004 ILmin[A] = 0.8333 ILmax[A] = 7.5000 AIL[A] = 6.6667 ILmedia[A] = 4.1667 ICmin[A] = -3.3333 ELECTRÓNICA DE POTENCIA II. Aguilar Jairo, Restrepo Andres, Cortez Maira.


17

ICmax[A] = 3.333 AIL = 6.6667 Io = 4.1667 IRMS = 4.5896

Caso 3: Vs=15 Vo =12 Priz=0.01 fs=15e3 Po=55

Ciclo Útil [porcentaje] = AVo[V] = 0.1200 R[Ohm] = 2.6182 L[H] = 2.1818e-005 C[F] = 5.0926e-004 ILmin[A] = 0.9167 ILmax[A] = 8.2500 AIL[A] = 7.3333 ILmedia[A] = 4.5833 ICmin[A] = -3.6667 ICmax[A] = 3.6667 AIL = 7.3333 Io = 4.5833 IRMS = 5.0486

80

CASO 4.

Vs=20 Vo=12 Priz=0.01 fs=15e3 Po=45

Ciclo Útil [porcentaje] = AVo[V] = 0.1200 R[Ohm] = 3.2000 L[H] = 5.3333e-005 C[F] = 4.1667e-004 ILmin[A] = 0.7500 ILmax[A] = 6.7500 AIL[A] = 6 ILmedia[A] = 3.7500 ICmin[A] = -3.0000 ICmax[A] = 3 AIL = 6.0000 Io = 3.7500 IRMS = 4.1307

60

CASO 5.

Vs=20 Vo=12 Priz=0.01 fs=15e3 Po=50;

Ciclo Útil [porcentaje] = AVo[V] = 0.1200 R[Ohm] = 2.8800 L[H] = 4.8000e-005 C[F] = 4.6296e-004 ILmin[A] = 0.8333 ILmax[A] = 7.5000

60



18

AIL[A] = 6.6667 ILmedia[A] = 4.1667 ICmin[A] = -3.3333 ICmax[A] = 3.3333 AIL = 6.6667 Io = 4.1667 IRMS = 4.5896 CASO 6.

Vs=20 Vo=12 Priz=0.01

fs=15e3 Po=55


60

CASO 7.

Vs=25 Vo=12 Priz=0.01 fs=15e3 Po=45

Ciclo Útil [porcentaje] = AVo[V] = 0.1200 R[Ohm] = 3.2000 L[H] = 6.9333e-005 C[F] = 4.1667e-004 ILmin[A] = 0.7500 ILmax[A] = 6.7500 AIL[A] = 6 ILmedia[A] = 3.7500 ICmin[A] = -3 ICmax[A] = 3 AIL = 6 Io = 3.7500 IRMS = 4.1307

48

CASO 8. Vs=25 Vo=12 Priz=0.01 fs=15e3 Po=50

Ciclo Útil [porcentaje] = AVo[V] = 0.1200 R[Ohm] = 2.8800

48



19

L[H] = 6.2400e-005 C[F] = 4.6296e-004 ILmin[A] = 0.8333 ILmax[A] = 7.5000 AIL[A] = 6.6667 ILmedia[A] = 4.1667 ICmin[A] = -3.3333 ICmax[A] = 3.3333 AIL = 6.6667 Io = 4.1667 IRMS = 4.5896 CASO 9. Vs=25 Vo=12 Priz=0.01 fs=15e3 Po=55


48


BUCK Disparado con mosfet

Recommend Documents