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

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[email protected]

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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 segunda 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.

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

.

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

2

D=

(1)

R=

(2)

Lmin= ( )

(3)

L= (4)

C= ( )

(5)

ILmin = Vo(

( )

) (6)

ILmax = Vo(

( )

) (7)

Io=

(8)

Haciendo uso del software Matlab, se

realizo un programa para obtener los

valores de las anteriores ecuaciones.

(Anexo 4. Caso 7)

D= 48% (9)

R= 3.2 ohm (10)

Lmin= 55.46 µH (11)

L= 69.33 µH (12)

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

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)

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:

ILrms=√ (

√ )

(17)

En donde IL= Io y ∆IL esta das por

∆IL = ( )

(18)


.


3

Posteriormente se resuelve la ecuacion (17)

mediante el código, para allar ILrms ver

(Anexo 1. Caso 7)

ILrms= 4.13 A

(19)

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.

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=

= 3

(21)

ICrms=

√ =1.73

(22) 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

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)

En donde se debe tener en cuenta lo

expresado en la siguiente figura:

Figura 1. Dimensiones de una bobina tipo

toroide

De esta manera se tomaron los siguientes

valores:

DATOS ABREVIATURA VALOR

Permeabilidad

relativa (ferrita) ur 75

Altura h(mm) 11

Diametro exterior Dex(mm) 27

Diametro interior din 14

Inductancia L(uH) 69.33


.


4

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.

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.

Por ultimo se realizara el cálculo para la

red snubber del IRF 540N de la siguiente

manera:

Cp= 250 pF Ls = 75 nH

ID= 22A tr= 35ns

tf=35ns VDSS = 100

R=

√ (26)

R=17

C= ( )

(27)

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.


.


5

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

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

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

Los resultados y esquemas de los

circuitos utilizados se encuentran en el

anexo 1

4. RESULTADOS DE LA PRACTICA

Figura 5. Señal De PWM

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)


.


6

ᶯ = Pout/Pin

ᶯ = 40.48W/52.2W = 77.6% (28)

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.

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

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


.


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


.


8

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


.


9

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


.


10

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


.


11

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


.


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


.


13

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


.


14

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] = ');


.


15

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')


.


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


.


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


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

CASO 4. Vs=20 Vo=12 Priz=0.01 fs=15e3 Po=45


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

CASO 5. Vs=20 Vo=12 Priz=0.01 fs=15e3 Po=50;


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


.


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



AVo[V] = 0.1200

R[Ohm] = 2.6182

L[H] = 4.3636e-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

CASO 7.

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


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



AVo[V] = 0.1200

R[Ohm] = 2.8800


.


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


AVo[V] = 0.1200

R[Ohm] = 2.6182

L[H] = 5.6727e-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

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