Convertidor Boost

Diseño de un regulador elevador (Boost). Universidad de Cundinamarca. Becerra Pérez Yoan, Jimenez Merchan Alex Camilo, Martínez Vargas Steven.

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Diseño de un regulador elevador (Boost) Becerra Pérez. Yoan, Jimenez Merchan. Alex Camilo, y Martínez Vargas. Steven.  Abstract— this report explains the procedure for the design of a boost regulator, as well as the proper selection of the necessary components for proper operation. The regulation is usually obtained by a PWM signal, which can be implemented by operational amplifiers, microcontrollers or signal generators. Because of its stability and precision was determined using a signal generator, preconfigured with the control signal for operating the boost regulator. Moreover, this report describes the design process for a snubber network in order to protect the circuit. Resumen— Este informe explica el procedimiento para realizar el diseño de un regulador elevador (más conocido como boost), así como, la selección adecuada de los componentes necesarios para su correcto funcionamiento. La regulación suele obtenerse gracias a una señal PWM, que puede ser implementada mediante amplificadores operacionales, microcontroladores o generadores de señal. En razón a su estabilidad y precisión, se determinó el uso de un generador de señal previamente configurado con la señal de control para el funcionamiento del regulador elevador. Además, este informe descibe el proceso de diseño para una red Snubber con el fin de proteger el circuito.

a emplear, según la corriente y el voltaje que deben soportar.

II. CRITERIOS DE DISEÑO Para el desarrollo de este informe, deben considerarse ciertos parámetros de entrada al momento de diseñar el convertidor Boost, que son los siguientes: Voltaje de entrada = 12 Voltios Voltaje de salida = 50 Voltios +/- 1% (porcentaje rizado) Frecuencia de conmutación = 50 KHz Potencia = 20 Watts +/- 5% La Figura 1 muestra el diagrama esquemático de un regulador Boost, el cual se trabajará en este informe.

Índice de términos—Ciclo de Trabajo, Convertidor CC-CC, Eficiencia, Regulador-elevador, Señal de disparo.

I. INTRODUCTION

L

convertidores DC-DC son circuitos electrónicos de potencia que convierten un valor de voltaje DC en otro nivel de voltaje, también en DC. Se emplean ampliamente en sistemas de suministro de energía de corriente continua regulados de modo de conmutación. Se aplican fundamentalmente en el control de dispositivos que requieren un consumo de energía considerable. OS

En el presente trabajo se tratará principalmente el funcionamiento de un convertidor Boost (ReguladorElevador), así como su correspondiente proceso de diseño, teniendo en cuenta una selección detallada de los materiales

Fig. 1. Diagrama esquemático del convertidor Boost a diseñar e implementar. Fuente. Autores.

A. Ciclo útil de la señal de control Para el cálculo del ciclo útil, se debe empezar por la siguiente formula:

(1) Despejando D de (1) se obtiene el ciclo útil de trabajo de la señal de control del transistor:

Informe recibido Mayo 24, 2013. Diseño de un regulador elevador (Boost). B. P. Yoan es estudiante de la Universidad de Cundinamarca – sede Fusagasugá; (e-mail: [email protected]). J. M. Alex Camilo es estudiante de la Universidad de Cundinamarca – sede Fusagasugá; (e-mail: [email protected]). M. V. Steven es estudiante de la Universidad de Cundinamarca – sede Fusgasugá; ([email protected]).

(2)


2

Donde:

(6) Donde:

B. Resistencia de carga

(3)

2) Segundo Caso Usando la resistencia máxima (R1)

(4) Donde: (8)

(9) Lo anterior, define el rango de valores que debe tener la carga para un correcto funcionamiento del circuito. Cabe anotar que la potencia de disipación de la carga, debe estar entre el rango de tolerancia de la potencia, que fue definida en los parámetros de entrada. C. Valores de capacitancia e inductancia Como se tienen dos valores de resistencia de carga (R1 y R2), se establecerán dos posibles casos para encontrar el valor mínimo de inductancia y capacitancia acordes al circuito. Este proceso se menciona a continuación:

Donde:

Ya que el valor de inductancia mínima es mayor en el segundo caso, se optó por elegir los valores obtenidos en este caso, para calcular los valores de voltaje y corriente que se describen en el literal D de esta sección:

1) Primer Caso Usando la resistencia mínima (R2) Donde:

(5)

Para el caso del capacitor, se escogió uno de valor comercial cercano al valor calculado, que para este caso es


de 15 µF a 100 voltios, mientras que para el inductor, se decidió elaborar una con núcleo toroidal de acuerdo a las siguientes características:

3) Elaboración del inductor Se prefirió el núcleo toroidal a otros elementos porque su factor de calidad es mayor que el de una bobina convencional, y también porque se logran inductancias muy compactas y de menor tamaño. Lo datos del núcleo toroidal son los que se encuentran registrados en la Tabla 1:

3

(10) El periodo de conmutación Ts se define como el inverso de la frecuencia de conmutación:

(11)

TABLA I DATOS DEL NUCLEO TOROIDAL Item Diámetro exterior Diámetro interior Sección horizontal Altura del núcleo Longitud de cada espira Diámetro del hilo

Valor 2.5 1.5 0.5 1.1 3.2

(12)

Unidad de medida cm cm cm cm cm

(13) (14)

50.820 0.129

mils cm

Fuente: Autores

De acuerdo con los datos obtenidos anteriormente, se pudo establecer qué el núcleo toroidal con el que se estaba trabajando correspondía a un T-106 (véase Figura 2), cuyas medidas son similares a las obtenidas en la Tabla 1.

(15) Donde:

Imax = máxima corriente que circulará por el inductor Imin = mínima corriente que circulará por el inductor ILrms = corriente que debe soportar el inductor E. Selección del transistor Para la selección del transistor Q se debe tener en cuenta el periodo de conmutación, y la corriente máxima y mínima que circulará por el inductor. La Figura 3 ilustra el comportamiento de la corriente del transistor en el circuito. Fig. 2. Medidas para diferentes toroides. Fuente. Ifastnet. Nucleos Toroidales

D. Calculo de la Corriente para cada elemento La corriente que debe soportar la carga se calcula con la siguiente formula:

(16)


4

presenta alta eficiencia si se utiliza en convertidores DCDC, UPS y control de motores. En el Anexo 1 se muestran las especificaciones más importantes de este transistor F. Selección del diodo El comportamiento de la corriente del diodo en el circuito convertidor elevador es opuesto al del transistor, es decir, cuando el transistor conduce, el diodo se comporta como un circuito abierto, y viceversa (vease Figura 4). Fig. 3. Corriente del transistor como una función del periodo de conmutación. Fuente. Autores.

De acuerdo con la Figura 3, se puede determinar la función de la corriente instantánea del transistor:

(17) La corriente rms del transistor de calcula de la siguiente forma:

Fig. 4. Corriente del diodo como una función del periodo de conmutación. Fuente. Autores.

Acorde con la Figura 4, se puede determinar la función de la corriente instantánea del diodo:

(19) (18) Donde:

Para encontrar B, se reemplazan los valores de id(t) y t, los cuales salen de la forma de onda de la Figura 4

(20) La tensión máxima que debe soportar el transistor es equivalente al voltaje de la fuente, es decir 12 Voltios Este análisis determina las condiciones que se deben tener en cuenta al momento de elegir el transistor a utilizar en el circuito. Debido a que la frecuencia de conmutación es alta, los transistores MOSFET son los más indicados por su velocidad de operación, no poseen corriente de compuerta, lo que evita problemas en el convertidor Boost. Según el voltaje (12 V) y la corriente hallada en las ecuación 21 se determinó que el MOSFET apropiado para realizar el convertidor Boost es el IRF540, ya que soporta voltajes entre drenaje y fuente de hasta 100 V y corriente máxima de drenaje de 22ª. Asimismo, este transistor

Sustituyendo la ecuación 20 en 19, queda: (21) Para encontrar la corriente rms del diodo se utiliza la ecuación 18, pero los intervalos a evaluar son diferentes:

(22)


Donde:

5

inductor conectado en el drenaje del transistor MOSFET cuando se comporta como interruptor abierto. De no hacerse esto, se presentarían fallas en el transistor al momento de cambiar de un estado a otro. La Figura 6 muestra la configuración push-pull utilizada en el circuito.

Similar al caso del transistor, la selección del diodo debe ser la adecuada, ya que parámetros como frecuencia de conmutación y corriente rms del diodo son importantes a la hora de escoger un diodo. Por ello se escogió el diodo de conmutación rápida UF5404, que soporta hasta 280 voltios y corrientes pico de 125 amperios. En el Anexo 2 se encuentran las especificaciones relevantes del diodo.

Q1 IRFP150N

Q3 2N3904

R7

R4

2k

G. Señal de control del transistor

33

Q2 2N3906

De acuerdo con la ecuación 2, la señal de control que debe llegar al transistor, debe tener un ciclo de trabajo del 76% con una frecuencia de operación de 50 kHz. Esta señal (que por lo general es PWM) puede generarse mediante amplificadores operacionales, microcontrolador o generador de señal. Por cuestiones de eficiencia y precisión, se decidió elegir el generador de señal como el medio para crear la señal de control PWM que llegará al transistor MOSFET. La Figura 5 muestra la señal PWM que pondrá a conmutar al transistor.

R6 2k

Fig. 6. Circuito de disparo para el transistor MOSFET. Fuente. Autores.

I. Diseño de la red snubber Se realizara una red Snubber con el fin de proteger el transistor de sobrepicos de corriente y voltaje. Para ello se tuvieron en cuenta los siguientes parámetros: Características transistor Tiempo de caída (tf) = 40 nS (véase anexo 1) Corriente transistor (iQ(rms)) = 1.338 A (ecuación 18) Voltaje salida (Vo) = 50 V

4.5 4 3.5 3 2.5

(23)

2 1.5

(24)

1 0.5

(25)

0 3

4

5

6 -4

x 10

Fig. 5. Señal PWM con ciclo util de 50%. Fuente. Autores.

H. Circuito de disparo En la figura 1, se puede observar que el transistor MOSFET está conectado directamente a la referencia del circuito, lo que facilita la realización de un circuito de disparo. Para disparar el MOSFET correctamente, se decidió utilizar una configuración de transistores en pushpull que ayuda a descargar la corriente almacenada en el

(26) J. Lista de materiales Luego de realizar los pasos anteriores, se procede a mencionar cada uno de los materiales necesarios para la construcción del convertidor Boost, que son los siguientes: Resistencia de 120 Ω a 18 W Capacitor de 16 µF Inductor de 72 µH


Fuente de voltaje de 12 VDC Transistor MOSFET IRF540 Diodo Ultra Fast Recovery UF5404 Transistor BJT 2N3904, 2N3906 o TIP31C, TIP131

6

90 80 70 60 50

III. ANÁLISIS DE RESULTADOS

40

En esta sección se muestran los comportamientos de voltaje y corriente en cada uno de los elementos seleccionados, con el ánimo de observar la respuesta del circuito tanto a la entrada como a la salida y posteriormente determinar su eficiencia.

30 20 10 0 -10 0.002 0.004 0.006 0.008

Las figuras 7-16 muestran la respuesta del circuito en cada uno de los elementos que en el intervienen. Cabe anotar que dichas respuestas, fueron obtenidas mediante el software de simulación Simulink de Matlab.

0.01

0.012 0.014 0.016 0.018

Fig. 9. Voltaje de salida del convertidor Boost. Fuente. Autores.

25

20 13

15

12.8 12.6

10

12.4 12.2

5 12 11.8

0

11.6 11.4

-5 1

11.2

2

3

4

5

6 -3

x 10 11

0

0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009

Fig. 10. Corriente de salida del convertidor Boost. Fuente. Autores.

0.01

Fig. 7. Voltaje de entrada del convertidor Boost. Fuente. Autores.

Las figuras 9 y 10 describen la forma de onda del voltaje y la corriente que llega a la carga. Similar al caso de la Figura 8, presentan un sobreimpulso en un tiempo corto, pero después se mantiene en 50 voltios y 1.75 amperios aproximadamente. El voltaje de salida coincide con el criterio de diseño de voltaje de salida, al igual que la corriente que se calculó en la ecuación 10.

25

20

15

10 0 5 -20 0 1

2

3

4

5

6

-40

7 -3

x 10

Fig. 8. Corriente de entrada del convertidor Boost. Fuente. Autores.

-60

-80

En la Figura 7 se observa el valor de Vs que corresponde a 12 V, mientras que en la figura 8 se tiene la corriente de entrada del convertidor (es la misma corriente del inductor), que presenta un sobreimpulso en un pequeño instante de tiempo, pero después se mantiene en un rango de valores constante

-100 0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5 -3

x 10

Fig. 11. Voltaje en el inductor. Fuente. Autores.

El voltaje en el inductor de la Figura 11 varía


constantemente alcanzando un valor pico de 12 voltios. Para la Figura 8, se observa que la corriente del inductor después de cierto tiempo se mantiene entre un valor mayor que cero y un valor cercano a 3 amperios, entendiéndose así, que los valores de Imax e Imin encontrados en las ecuaciones 13 y 14 respectivamente, coinciden con lo que se obtiene en dicha señal.

7

20

15

10 25

5 20

0

15

1

2

3

4

5

6

7 -3

x 10

Fig. 14. Corriente en el diodo de conmutación rápida. Fuente. Autores.

10

La corriente en el diodo (Figura 14) es similar a la corriente en el transistor MOSFET y presenta un rango de valores constantes entre 0 y aproximadamente 2 amperios, que se asemeja a lo descrito en las figuras 3 y 4.

5

0 0

1

2

3

4

5 -3

x 10

Fig. 12. Corriente en el capacitor. Fuente. Autores.

Luego de que el circuito estuviese listo para ser utilizado, se procedió a realizar mediciones de voltaje y corriente (tanto de entrada como de salida), para compararlos con los resultados obtenidos analíticamente y calcular la potencia de entrada y salida, y a su vez, la eficiencia del convertidor Boost. Los resultados fueron los siguientes

0

-20

Voltaje de entrada (Vin) = 11.19 V Corriente de entrada (Iin) = 2.68 A Potencia de entrada (Pin) = Vin*Iin = 29.9892 W Voltaje de salida (Vout) = 50 V Corriente de salida (Iout) = 0.42 A Potencia de salida (Pout) = Vout*Iout = 21 W Eficiencia = (Pout/Pin)*100 = 70%

-40

-60

-80

-100 0.5

1

1.5

2

2.5

3 -3

x 10

Fig. 13. Voltaje en el diodo de conmutación rápida. Fuente. Autores.

Según la Figura 13, El voltaje en el diodo tiene un comportamiento parecido al voltaje en el inductor, con la diferencia de que el valor pico que presenta el voltaje del diodo es cero, mientras que en el inductor este valor es de 12 voltios.

IV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Algunos componentes eléctricos y electrónicos presentan algunas pérdidas por temperatura, disipación de calor, entre otros, algo que influye en el óptimo desempeño de un circuito. La red Snubber es un circuito activo o pasivo que mejora el rendimiento del elemento en donde está conectada la red. Una ventaja de la red Snubber consiste en hacer trabajar los elementos de conmutación en zonas seguras, es decir, no exponiéndolos a su límite; por tanto su vida útil aumenta y el sistema funciona mejor. La generación de la señal de disparo para el transistor se iba a realizar mediante microcontrolador (PIC), pero se requería de un optoacoplador a la salida de este para prevenir algún daño en él. Como la señal que se generaba


en el PIC era de una frecuencia alta (100 kHz), al pasar por el optoacoplador se perdía, entendiéndose así que el optoacoplador no funciona a frecuencias altas. Otra posible solución consistió en conectar el PIC directamente al circuito de disparo, pero este se reiniciaba constantemente porque la corriente que solicitaba el circuito de disparo era mayor a la q entregaba el PIC. Finalmente se optó por utilizar un generador de señal, que es muy preciso, fiable y además entrega la señal deseada al circuito de disparo. La función primordial de un convertidor DC-DC (sea elevador o reductor), consiste en conservar la potencia tanto en la entrada como en la salida. En el caso del reductor, se sacrifica voltaje para aumentar corriente y así mantener la misma potencia y una eficiencia cercana o igual al 100%. Este aspecto es lo que diferencia a un circuito convertidor de otros circuitos que reducen o elevan voltaje, pero que presentan pérdidas significativas de potencia.

REFERENCIAS 1. HART, Daniel W. Electrónica de potencia. PRENTICE HALL, Madrid 2001. 472 p. 2. IFASTNET. Nucleos toroidales. [En línea]. Disponible en: . [Consultado el 20 de mayo de 2013]. 3. INTERNATIONAL RECTIFIER. IR2110. [En línea]. Disponible en: . [Consultado el 20 de mayo de 2013]. 4. INTERNATIONAL RECTIFIER. IRF540. [En línea]. Disponible en: < http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irf540n.pdf>. [Consultado el 20 de mayo de 2013]. 5. JGD. UF5400 Series. [En línea]. Disponible en: . [Consultado el 20 de mayo de 2013]. 6. MOHAN, Ned. Electrónica de potencia: convertidores, aplicaciones y diseño – Tercera Edición. MC GRAW HILL, México 2005. 7. RASHID, Muhammad. Electrónica de potencia: circuitos dispositivos y aplicaciones – Tercera Edición. PEARSON EDUCATION, México 2004. 904 p.

Becerra Pérez. Yoan Jimenez Merchan Alex Camilo Martínez Vargas Steven

Estudiantes IX Semestre Ingeniería Electrónica Universidad de Cundinamarca

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ANEXOS ANEXO 1 ESPECIFICACIONES DEL TRANSISTOR IRF540N

Fuente: INTERNATIONAL RECTIFIER. IRF540. ANEXO 2 ESPECIFICACIONES DEL DIODO UF5404

Fuente: JGD. UF5400 Series.

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