Lab 2 Buck [PDF]

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE Facultad De Ingeniería Informe de laboratorio 2 Septiembre de 2017 Convertidor DC/DC reductor tipo Buck J.D. Galvis1, N. Jimenez2 [email protected], [email protected] 1Ing.Electrónica y telecomunicaciones, Facultad de ingeniería, Universidad Autónoma de Occidente, Cali Colombia – 2Ing.Electrónica y telecomunicaciones, Facultad de ingeniería, Universidad Autónoma de Occidente, Cali Colombia

Resumen—Mediante el siguiente informe, se realiza el diseño, simulación e implementación de un conversor DC/DC tipo Buck. Adicionalmente, se implementa un lazo de control por tensión, con el fin de mantener una salida de tensión estable ante posibles perturbaciones en el sistema. Empleando un amplificador de error y un comparador entre una señal rampa y el error, se logra generar una señal PWM con un duty-cycle establecido para el correcto funcionamiento del sistema a través de la conmutación del MOSFET.

Palabras

clave—

Buck, Comparador, control, conversor DC/DC, duty-cycle, mosfet, PWM, sistema, tensión.

1. INTRODUCCION La electrónica de potencia influye en muchas aplicaciones a nivel industrial, ya que esta se encarga de la conversión de energía empleando dispositivos electrónicos y técnicas de control que permiten un manejo eficiente de la energía [1]. Los convertidores DC-DC se encargar de convertir una tensión de suministro constante, a los niveles de tensión o corriente que requiera una carga especifica. En general, los convertidores DC-DC son dispositivo que transforman corriente continua de una tensión a otra y suelen ser reguladores de conmutación, dando a su salida una tensión regulada. En estos circuitos un factor muy importante es el de la frecuencia de conmutación ya que de esta depende la eficiencia de estos convertidores. Dichos conversores poseen numerosas configuraciones, entre estas esta: convertidor

elevador (Boost), convertidor reductor (Buck), y convertidor reductor-elevador (Buck- Boost). En este informe se presenta el respectivo análisis para un convertidor reductor tipo Buck, un circuito reductor de tensión, ya que los convertidores tienen diferentes configuraciones que hacen que reduzcan o eleven tenciones. Posteriormente, se retroalimenta el circuito, cerrando el lazo de control, implementando un controlador por tensión, conformado por dos etapas correspondientes a un amplificador de error compensado y un comparador brindándole estabilidad al sistema ante posibles perturbaciones, cambios bruscos en la tensión de entrada o posibles caídas de tensión en los componentes.

II.

ANALISIS RESULTADOS

Y

Fig 1. Conversor DC-DC tipo Buck. Fuente: D. W. Hart, Electrónica de potencia. Pearson Educación, 2001.

Para analizar el convertidor elevador Buck, se tienen en cuenta algunos parámetros como [3]:  



   

El circuito opera en régimen permanente. La corriente en la bobina es permanente siempre y cuando el interruptor este en OFF siempre positiva. El interruptor se cierra de forma periódica con un ciclo de trabajo D, la tención media en la entrada del filtro es Vs* D. Diodo polarizado en directa siempre y cuando el interruptor este abierto. La potencia de salida es igual a la potencia de entrada circuito ideal. Los componentes son ideales. El periodo de conmutación es T, el interruptor estará cerrado en un tiempo DT y estará abierto el resto del tiempo (1-D) T.

definir como:

diL ∆ iL ∆ iL vs−vo = = = dt ∆ t DT L

( ∆ iL ) cerrado =

vs−vo ∗DT (1) L

Análisis con el interruptor abierto

Fig 3. Circuito equivalente con el interruptor abierto. Fuente: D. W. Hart, Electrónica de potencia. Pearson Educación, 2001.

Análisis con el interruptor cerrado

Cuando el interruptor está abierto, el diodo se polariza en directa, proporcionándole un camino a la corriente de la bobina. La tensión en la bobina es:

vL=−vo=L

diL dt

diL −vo = dt L Fig 2. Circuito equivalente con el interruptor cerrado. Fuente: D. W. Hart, Electrónica de potencia. Pearson Educación, 2001.

Cuando el interruptor está cerrado el diodo se polariza en inversa, por lo tanto, la ley de Kirchhoff para la tensión en la maya es:

diL vL=vs−vo=L dt diL vs−vo = dt L Como la derivada de la corriente es una constante y la corriente aumenta linealmente cuando el interruptor está cerrado como se muestra en la figura 3, por lo tanto, la variación de la corriente en la bobina se puede

El cambio de la corriente en la bobina es una constante negativa, y la corriente disminuye linealmente, la variación de la corriente en la bobina esta dado por:

∆ iL ∆ iL −vo = = ∆ t ( 1−D ) T L

( ∆ iL ) abierto=−

( voL ) (1−D ) T

(2)

La variación neta de la corriente de la bobina en un periodo será cero, para ello se cumple:

( ∆ iL ) cerrado + ( ∆ iL ) abierto=0 vs−vo vo ∗DT − ( 1−D ) T =0 L L

( )

Despejando a Vo:

vo=vs∗D (3) Obtenemos la función de transferencia del circuito, el convertidor DC/DC produce una salida menor a la de la entrada tal cual como nos dice la ecuación (3), como se observó la tención de salida depende de la tención de entrada y del ciclo de trabajo D, si la tención de entrada cambia, la tención de salida puede regularse ajustando el ciclo de trabajo adecuadamente.

positiva, el valor mínimo de la corriente podrá ser 𝐼 𝑚 𝑖 𝑛 = 0, por lo tanto, al igualar la expresión de corriente mínima a cero y haciendo T = 1/f se obtiene el valor de inductancia mínima para obtener una corriente permanente en el convertidor.

L=

( 1−D ) R 2f

Siendo L la inductancia necesaria para que exista corriente permanente.

Rizado de la tensión de salida La corriente media en la bobina debe ser igual a la corriente media en la resistencia de carga: porque la corriente media en el condensador debe ser nula cuando opera en régimen permanente y ya que sabemos que la potencia entregada por la fuente debe ser igual a la potencia absorbida por la carga, tenemos que:

Io=IL=IR=

Vo R

Fig 5. Formas de onda para convertidor elevador. Fuente: D. W. Hart, Electrónica de potencia. Pearson Educación, 2001 Se supone un condensador muy grande para que la tensión de salida fuese constante. L a variación periódica de la tención de salida, o rizado, se calcula a partir de la relación entre la tensión y la corriente del condensador, la corriente del condensador se da por:

ic=iL−iR Fig 4. Formas de onda para convertidor elevador. Fuente: D. W. Hart, Electrónica de potencia. Pearson Educación, 2001 Como la variación de corriente en la bobina se puede calcular utilizando las ecuaciones (1) y (2) los valores mínimos y máximos de la corriente, como podemos ver en la figura 4 la corriente Max y la promedio en la señal podemos decir que:

Ic dicha corriente se nota en la figura 5, el condensador se cargará mientras sea positiva la corriente en el mismo. Aplicando la definición de carga (capacidad).

Q=C∗Vo ∆ vo=

∆Q C

(4)

Imax=IL+

∆ iL 2

la variación de la carga ∆ Q , es el area del triangulo situado por encima del eje de tiempos:

Imin=IL−

∆ iL 2

∆ Q=

Como la ecuación (1) se obtuvo suponiendo que la corriente en la bobina era permanente y siempre

b∗a 2

T ∗∆iL 2 2 ∆ Q= 2 ∆ Q=

D=

Calculamos la bobina y el capacitor del circuito con las ecuaciones encontradas:

T ∆ iL 8

Obtenemos que remplazando a (4) nos da que:

∆ vo=

∆ Q en ecuación

T ∆ iL (5) 8C

Sustituyendo a la ecuación (2) en la ecuación (5)

∆ vo=

vo(1−D) 8 LC f 2

Donde ∆ vo es la tensión de rizado pico a pico en la salida, mostrada en la figura 5 parte b. donde nos queda que el capacitor es:

C=

vo =0,31 vs

L=

Cabe resaltar que, para el cálculo de la inductancia, no se tomó el valor de la inductancia mínima, lo cual implica cambia el factor en el denominador siendo este igual a 0,2*Io con el fin de disminuir el máximo pico de corriente que demanda la bobina inicialmente.

Se determino un rizado de 0,1:

C=

vo ( 1−D ) 8 LC f 2 ∆ vo

Una vez realizado todo el análisis del convertidor elevador tipo Buck, procedemos a calcular los valores de nuestro circuito teniendo en cuenta los siguientes parámetros:

vs=48 V ; vo=15 V ; Io=3 A ; Po=45 W; f=30 KHz

( 1−D ) R =286 uH 2f

vo ( 1−D ) =50 uF 8 LC f 2 ∆ vo

La parte de rectificación antes del convertidor Buck que hace como vs del circuito, se realizó con un puente de diodos de onda completa donde su frecuencia es la doble que la de la red se escogió un trasformador de 34 Vrms y un capacitor de 4700 Uf con un Vrizo de 1,7 V.

Simulación:

Donde la potencia entregada por el convertidor debe ser igual a la potencia absorbida por la resistencia de carga:

Ps=Po vo Is = vs Io Donde podemos obtener la corriente de entrada:

Io=

Is∗vs =1 A vo

Obtenemos la resistencia de carga por medio de:

R=

vo2 =5 Ω Po

Para hallar el Duty-cycle de conmutación del interruptor, hacemos uso de la ecuación (3), donde al despejar D tenemos que:

Fig. 6. Simulación circuito convertidor BUCK.

Fig. 6. Simulación de las señales de salida del circuito convertidor BUCK. Como se puede observar en la figura 6, los valores de la simulación coinciden con los esperados, calculados previamente. La señal roja hace equivalencia a la tención de salida constante a 14,98v donde se aprecia el rizado del condensador de 0,1v y la señal roja la intensidad de corriente a 2,98 A. Las variaciones mínimas que se presentan en los valores son consecuencia a que en la

[1] Fig 7. Convertidor Buck con controlador de tensión. Modelado y diseño del control de un convertidor reductor con control en modo tención.

Fig 8. Representación de control.Fuente: D. W. Hart, Electrónica de potencia. Pearson Educación, 2001. simulación los parámetros de los componentes no son ideales.

Se presentan caídas de tensión en componentes o variaciones en la tensión de entrada, por lo cual se procede a implementar un controlador de tensión, encargado de realimentar el sistema y mantener la salida constante. El controlador está compuesto por dos etapas:

Amplificador de error:

Controlador:

Para esta etapa del circuito de control se hace un divisor de tensión a la salida, el cual, debe suministrar una tensión deseada para ser comparada posteriormente con una tensión de referencia. En nuestro caso, la tensión de referencia será 2,5V para tener una margen por arriba o por debajo en caso tal de que la tensión a la salida aumente o disminuya respectivamente. Asumiendo una resistencia R1 = 100 kΩ se halla R2 aplicando el divisor de tensión sabiendo que Vo = 60 V obteniendo: � � 2 = 4 . 4

� � Ω Con el fin de facilitar los cálculos, se hace 𝑍1 = 𝑍2 = 100 kΩ con el fin de no variar la impedancia R2 y pedirle una mínima corriente al sistema. Aplicando superposición y leyes de corriente de Kirchhoff se tiene que la salida Vc está dada por:

𝑉𝑐 = 2𝑉𝑟𝑒𝑓 – 𝑉𝑖𝑛 (6) Teniendo en cuenta la ecuación 6, cuando la tensión de salida sea 15V el divisor entregara un Vin = 2,5V por lo tanto Vc = 2,5V. Para este valor de tensión se debe generar una señal.

puede pasar por el transistor, se seleccionó el MOSFET IRF540, cuyas características se presentan en la figura 11, resaltando la tensión entre drain y sorce (100Vdc) y una corriente máxima de 28 A. Aislamiento: Con el fin de separar la etapa de control y la etapa de potencia, se empleó un opto acoplador HCPL 3120, el cual cuenta con un transistor BJT y un IGBT a su salida en configuración pushpull, esto genera un mejor acople de impedancias, además de permitir un mayor flujo de corriente a través de la salida por el pin 7 del integrado.

PWM con un periodo de 33 µs correspondiente a la frecuencia de conmutación, con un ciclo útil del 32,6%, Con estos valores se realiza el análisis de la segunda etapa.

Pwm: La señal PWM resulta de comparar una tensión de referencia Vc con una señal rampa Vtri a la frecuencia de conmutación deseada para el MOSFET, en nuestro caso f = 30 kHz esto con el fin de aumentar el ciclo útil si la tensión a la salida disminuye o, por el contrario, disminuir el ciclo útil si la tensión a la salida aumenta.

Fig 10. MOSFET IRF540 Fuente:https://www.vishay.com/docs/91021/91021.p df

Controlador: Para la implementación del controlador modo tensión se seleccionó un circuito integrado TL494 (Circuito de control por modulación de ancho de pulso) el cual, como se mencionó anteriormente, se encarga de generar una señal diente de sierra internamente a una frecuencia establecida por un circuito RC entre los terminales 5 y 6 (30 kHz para el caso de nuestro circuito) y mediante un pin de retroalimentación, compara la rampa con una tensión DC obtenida a la salida del circuito a controlar, permitiendo mantener el valor del ciclo útil requerido; en este caso, un duty cicle de 32.6%.

Fig.9 Proceso PWM. Fuente: D. W. Hart, Electrónica de potencia. Pearson Educación, 2001

Componentes: Interruptor

Para la implementación del interruptor, se emplea un transistor MOSFET gracias a su velocidad de conmutación, permitiendo el paso o no de corriente entre drain y source dependiendo de la tensión en gate, suministrada por una señal de control PWM a una alta frecuencia. Debido a la tensión de salida y la corriente que

Fig 11. Diagrama de bloques TL494Fuente: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl494.pdf

Montaje:

en-fuentes-de-alimentacion-conmutadas-parte1a/. [Accedido: 29-sep-2018]. [2] D. W. Hart, Electrónica de potencia. Pearson Educación,2001.

Fig.12 montaje del convertidor tipo Buck con controlador, driver y aislamiento.

Conclusiones: 



Los convertidores DC-DC se encuentran presentes en muchas aplicaciones electrónicas actuales, ya sea para generar un voltaje mayor que el de entrada, uno menor, o invertir la polaridad del voltaje, existen topologías que pueden ayudarnos a obtener el voltaje de alimentación necesario, de manera muy eficiente. La respuesta del sistema lineal corresponde exactamente con el promedio del rizado de voltaje resultante de la simulación del modelo real. No basta con que la onda cuadrada que produce el oscilador trabaje con el ciclo de trabajo que hemos calculado previamente, sino que D tendrá que ir adaptándose a dichas fluctuaciones de la tensión de entrada. La tensión de salida se introduce como realimentación en un comparador que compara esta tensión con una tensión de referencia, y el resultado de este comparador determinará la anchura del pulso aplicado al interruptor. Como consecuencia, la señal PWM que controla el interruptor tendrá una frecuencia fija, pero el ancho del pulso irá variando.

Bibliografías: [1] «Modelado y diseño de compensación de lazo en fuentes de alimentación conmutadas (Parte 1a) | Revista Española de Electrónica». [En línea]. Disponible en: https://www.redeweb.com/articulos/componente s/modelado-y-diseno-de-compensacion-de-lazo-