108993885 buck disparado con mosfet

UNIVERSIDAD DE CUNDINAMARCA - ELECTRONICA ELECTRONICA DE POTENCIA II 2012

DISEO DE CONVERTIDORES

DC-DC TIPO BUCK JAIRO AGUILAR CISNEROS cod. 162206203

MAYRA ALEJANDRA CORTES cod. 162208209

ANDRES EDUARDO RESTREPO ARIAS cod. 162208227

[email protected]

[email protected]

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Resumen En el presente documento se presenta el desarrollo de un convertidor tipo Buck, 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 los resultados obtenidos que sern analizados para comprobar su

funcionamiento ya que se vera que en la practica no todo funciona tan bien como en la

simulacin.

1. INTRODUCCION

Uno de los temas importantes en el rea

de potencia son las fuentes de

alimentacin conmutadas y una de sus

configuraciones bsicas es el

convertidor reductor Buck, pero el

anlisis y diseo de estos circuitos

muchas veces cuando se esta

empezando resulta complicado, sin

embargo si se realiza un anlisis

detallado y se explica de manera clara,

analizar y disear estos circuitos se

convierte en algo muy elemental y fcil

de realizar. Otro punto clave en el

diseo 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 atencin a

esto dentro del diseo al momento de la

implementacin ocurrirn daos muy

graves

2. DISEO DE LA PRACTICA

Para el diseo de este convertidor se tendr

en cuenta el siguiente planteamiento:

Disear e implementar un conversor

reductor regulado que mantenga una

tensin de salida de 12 Voltios con una

potencia de salida de 40W10% cuando se

tiene una fuente primaria de tensin

continua no regulada de 20V10%. El

rizado de la tensin de salida no debe ser

mayor al 5%.

En este documento se tendr en cuenta la

primera parte, es decir el diseo e

implementacin del sistema en lazo

abierto.

A) Diseo del convertidor

Para empezar se definir una frecuencia de

conmutacin de 15KHz ya que esta

frecuencia no tiene que ser ni muy baja ni

muy elevada, con el fin de que el sistema

trabaje rpido pero que no se tengan

muchas perdidas en la potencia que afecten

la eficiencia, ya que a mayor frecuencia de

conmutacin los transistores presentan una

menor eficiencia.

Ahora se utilizan las ecuaciones generales

para el diseo de este tipo de convertidores

[1], la cuales se presentan a continuacin:

UNIVERSIDAD DE CUNDINAMARCA - 2012

.

ELECTRNICA 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 H (11)

L= 69.33 H (12)

C= 416.7 aprox 470 F (13)

De esta manera se tiene el diseo bsico

del convertidor sin embargo falta

determinar el valor de la corriente mnima

de la inductancia para determinar si esta en

rgimen permanente, as mimo la corriente

mxima del mimo y la corriente de salida

para realizar los respectivos anlisis y

corroboracin 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

mnima 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 comprobacin en

MatLab posteriormente.

El siguiente paso para el diseo es

determinar los valores nominales de cada

uno de los elementos con el fin de

identificar que valores de tencin 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 cdigo, para allar ILrms ver

(Anexo 1. Caso 7)

ILrms= 4.13 A

(19)

Por otra parte la tensin 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 diseo como

tal del este convertidor tpico tipo Buck, sin

embargo uno de los criterios mas

importantes es el diseo de la bobina ya

que esta la tiene que crear el diseador

debido a que lo mas probable es que no se

consiga comercialmente debido a sus

caractersticas, por consiguiente a

continuacin se describe el procedimiento

para calcular una bobina toroide que son

las que se utilizan en este tipo de

aplicaciones.

La ecuacin general para determinar el

nmero 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 clculo del nmero de vueltas.

Haciendo uso de la ecuacin (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 diseo del

convertidor y proseguir con la

comprobacin 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

seccin del ncleo y dependiendo de esto

se observa en la tabla general de

caractersticas para el clculo de

transformadores el calibre del alambre

como se muestra a continuacin:

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 seccin del ncleo 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

caractersticas del diseo 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 clculo 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) Simulacin en MatLab

Primero que todo hay que definir el bloque

o conexiones de bloques que va a simular

el convertidor tipo BUCK para as realizar

las respectivas pruebas que sern

comparadas con los resultados obtenidos

matemticamente, el diagrama de

conexiones se puede observar en el anexo

A, figura 2.

Una vez implementada la simulacin 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 continuacin se muestra la seal 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 aproximacin lo

cual indica que el diseo se realizo

correctamente.


.


5

Figura 3. Seal 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 simulacin, a continuacin en

la figura 3 se muestra un segmento de la

seal de voltaje con la cual se determinara

el rizado

Figura 4. Segmento de la seal 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 aqu todo va bien, la ltima prueba es

de las seales de voltaje y corriente de los

elementos de las cuales se realizaron los

clculos matemticos anteriormente, si el

convertidor quedo bien diseado, la

graficas s que obtienen de MatLab tienen

que ser iguales (o bueno muy

aproximadas). En la figura 5 (ver anexo B)

se muestran las seales obtenidas por

medio del scope as como se ve en la

figura 2. En la figura 5 se puede observar

que los resultados obtenidos mediante la

simulacin son similares a los valores

encontrados mediante los clculos

matemticos.

3. Simulacin 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. Seal De PWM

En la Figura 5 se muestra la seal de pwm

generada con el microcontrolador 16f873a

Mediante la implementacin se obtuvieron

resultados favorables, lo primero que se

determina es la eficiencia del sistema que

para este caso por cuestiones prcticas debe

ser superior o igual al 75%.

A continuacin 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

= Pout/Pin

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

5. CONCLUSIONES

El diseo 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, diseo de la bobina y que la

corriente se encuentre en rgimen

permanente, en fin. Por otro lado el

diseo del controlador puede llegar a ser

frustrante cuando no se han visto

tcnicas de control, sin embargo como

se pudo ver en el planteamiento de este

controlador es muy sencillo y lo podra

llegar a implementar una persona sin

muchos conocimientos del tema.

Se ha podido determinar una relacin

importante que facilita los clculos para

el diseo del convertidor cuando se

tienen voltajes de entrada y potencias a

la salida que varan, es decir se pudo

concluir que para no realizar los 4

anlisis que esto implica, se llego al

criterio de que se debe utilizar el voltaje

mximo y la potencia mnima para que

se garantice un funcionamiento en modo

continuo ante cualquier variacin de los

valores establecidos de voltaje de

entrada y potencia de salida.

6. BIBLIOGRAFIA

RASHID, Muhammad H. ELECTRONICA DE POTENCIA,

CIRCUITOS Y APLICACIONES.

Segunda edicin. 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 Simulacin del reductor buck en simulink

Anexo 1.2

Anexo 1.2 Simulacin 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 TIL D=(Vo/Vs); D1=D*100; fprintf('Ciclo til [porcentaje] = '); disp(D1); %% %RIZADO DE TENSIN 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 MNIMA DEL INDUCTOR [ILmin] Ts=1/fs; ILmin=(Vo/R)-((Vs-Vo)./(2*L)).*D*Ts; fprintf('ILmin[A] = '); disp(ILmin); %% %CORRIENTE MXIMA 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 MNINA DEL CAPACITOR [Cmin] ICmin=ILmin-Io; fprintf('ICmin[A] = '); disp(ICmin) %% %CORRIENTE MXIMAA 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 Clculos con los 9 casos posibles

Caso 1: Vs=15 Vo=12 Priz=0.01 fs=15e3 Po=45

Ciclo til [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 til [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

108993885 buck disparado con mosfet

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