Convertidor Buck

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

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Diseño de un regulador reductor (Buck) Becerra Pérez. Yoan, Jimenez Merchan. Alex Camilo, y Martínez Vargas. Steven. convertidor Buck, que son los lo s siguientes: Abstract — this report explains the procedure for the design of a buck 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 PWM signal for operating the buck regulator.

Voltaje de entrada = 12 Voltios Voltaje de salida = 6 Voltios +/- 2% (porcentaje rizado) Frecuencia de conmutación = 100 KHz Potencia = 18 Watts +/- 5%

La Figura 1 muestra el diagrama esquemático de un regulador Buck, el cual se trabajará en este informe.

Resumen procedimiento para realizar — — Este informe explica el procedimiento el diseño de un regulador reductor (más conocido como buck), buck), 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 PWM para el funcionamiento funcionamiento del regulador reductor. Ín di ce de té té r m i n os Ciclo de Trabajo, Convertidor CC-CC, — Ciclo Eficiencia, Regulador-Reductor, Señal de disparo.

NTRODUCCIÓN I. I NTRODUCCIÓN OS 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.

L

En el presente trabajo se tratará principalmente el funcionamiento funcionamiento de un convertidor Buck (Regulador-Reductor), (Regulador-Reductor), así como el proceso de diseño de uno de ellos, teniendo en cuenta una selección minuciosa de los materiales a utilizar, según la corriente y el voltaje que deben soportar.

Fig. 1. Diagrama esquemático del convertidor Buck a desarrollar. 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:

(2) II. CRITERIOS DE DISEÑO Para el desarrollo de este informe, deben considerarse ciertos parámetros de entrada al momento de diseñar el Informe recibido Mayo 23, 2013. Diseño de un regulador reductor (Buck). 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 Fusagasugá; ([email protected]).

Donde:

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

2

B. Resistencia de carga

Como la potencia deseada tiene una tolerancia de 5%, el valor de la carga se debe calcular tanto para el valor mínimo y máximo de potencia. 2) Segundo Caso

(3)

Usando la resistencia máxima ( R2)

(4) (8) (5) Donde:

(9) Donde: 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.

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:

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: 1) Primer Caso

Usando la resistencia mínima ( R1)

(6)

Para el caso del capacitor, se escogió uno de valor comercial cercano al valor calculado, que para este caso es de 66 µF a 16 voltios, mientras que para el inductor, se decidió elaborar una con núcleo toroidal de acuerdo a las siguientes características: 3) Elaboración del inductor

(7) Donde:

Se prefirió el núcleo toroidal a otros elementos porque el 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:


Item Diámetro exterior Diámetro interior Sección horizontal Altura del núcleo Longitud de cada espira Diámetro del hilo

TABLA I DATOS DEL NUCLEO TOROIDAL Unidad de Valor medida 2 cm 1.4 cm 0.3 cm 1 cm 2.6 cm 64.083 0.16277082

3

(13)

(14)

mils cm

(15)

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-80 (véase Figura 2), cuyas medidas son similares a las obtenidas en la Tabla 1.

(16)

(17)

(18) Donde:

Imax = máxima corriente que circulará por el inductor Imin = mínima corriente que circulará por el inductor ILrms = corriente que debe soportar el inductor ICpico = Corriente pico del capacitor Ieficaz = Corriente eficaz del capacitor

Fig. 2. Medidas para diferentes toroides. Fuente. Ifastnet. Nucleos Toroidales

D. Calculo de la Corriente para cada elemento

E. Calculo del voltaje del inductor

La corriente máxima que circula por el inductor L se calcula así:

La tensión de la bobina cuando el conmutador se encuentra cerrado, se define por la siguiente ecuación: (19)

(10) La corriente que debe soportar la carga se calcula con la siguiente formula:

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

(12)

F. 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.


4

alta eficiencia si se utiliza en convertidores DC-DC, UPS y control de motores. En el Anexo 1 se muestran las especificaciones más importantes de este transistor. G. Selección del diodo

Como el ciclo de trabajo de la señal de control es del 50%, se sabe que la corriente que circula por el diodo D presenta un comportamiento inverso al de la corriente del transistor (ver 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:

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

(21)

Donde:

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 Buck. Según el voltaje (12 V) y la corriente hallada en las ecuación 21 se determinó que el MOSFET apropiado para realizar el convertidor Buck 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 presenta

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

En razón a que la señal de la Figura 4 es inversa a la obtenida en la Figura 3, determinar la corriente rms del diodo es sencillo porque consiste en la misma corriente obtenida para el transistor (ver ecuación 21). La tensión máxima que debe soportar el diodo también es igual al voltaje de la fuente de alimentación, es decir 12 voltios. 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. H. Señal de control del transistor

De acuerdo con la ecuación 2, la señal de control que debe llegar al transistor, debe tener un ciclo de trabajo del 50% con una frecuencia de operación de 100 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.


5

13 12.8 12.6 12.4 12.2 12 11.8 11.6

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

11.4 11.2 11 0

I. Circuito de disparo

En la figura 1, se puede observar que el transistor MOSFET no está directamente conectado a la referencia del circuito, por lo que se debe utilizar un circuito que proporcione una clase de tierra flotante para que este pueda ser disparado correctamente. El circuito integrado IR2110 está diseñado especialmente para suplir dicha necesidad en este tipo de transistores. El Anexo 3 muestra la conexión típica entre un IR2110 y un transistor MOSFET.

0 . 00 1 0 . 0 02

0 .0 03

0 .0 04

0 . 00 5 0 . 0 06

0 . 00 7

0 .0 08

0 . 00 9

0 .0 1

Fig. 6. Voltaje de entrada del convertidor Buck. Fuente. Autores.

20 18 16 14 12 10 8 6

J. Lista de materiales

4 2

Luego de realizar los pasos anteriores, se procede a mencionar cada uno de los materiales necesarios para la construcción del convertidor Buck, que son los siguientes: Resistencia de 22 Ω a 18 W Capacitor de 66 µF Inductor de 6.6 µH Fuente de voltaje de 12 V DC Transistor MOSFET IRF540 Diodo Ultra Fast Recovery UF5404 Circuito integrado IR2110

0 0.5

1

1.5

2

2.5 -3

x 10

Fig. 7. Corriente de entrada del convertidor Buck. Fuente. Autores.

En la Figura 6 se observa el valor de Vs que corresponde a 12 V, mientras que en la figura 7 se tiene la corriente de entrada del convertidor, que presenta un sobreimpulso en un instante corto de tiempo, pero después se mantiene en un rango de valores constante 10

8

III. A NÁLISIS DE RESULTADOS 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. Las figuras 6-15 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.

6

4

2

0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4 x 10

Fig. 8. Voltaje de salida del convertidor Buck. Fuente. Autores.

-3


6

soportar un voltaje de 6 V pico, corroborando así, el resultado obtenido en la ecuación 19. Para la Figura 11, se observa que la corriente del inductor después de cierto tiempo se mantiene entre un valor mayor que cero y un valor un poco mayor a 5 amperios, lo que quiere decir que los valores de Imax e Imin encontrados en las ecuaciones 14 y 15 respectivamente, coinciden con lo que se obtiene en dicha señal.

4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1

15

0.5 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

10

3.5 -3

x 10

Fig. 9. Corriente de salida del convertidor Buck. Fuente. Autores.

5

Las figuras 8 y 9 describen la forma de onda del voltaje y la corriente que llega a la carga. Similar al caso de la Figura 7, presentan un sobreimpulso en un pequeño instante de tiempo, pero después se mantiene en 6 voltios y 2.28 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 11.

0

-5 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 -4

x 10

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

La forma de onda de la corriente en el capacitor presenta un sobre impulso, pero al cabo de cierto tiempo esta se estabiliza, manteniendo un valor pico de corriente de aproximadamente 2.3 A, lo cual es un valor cercano al hallado en la ecuación 17.

10

5

0

0 -5

-2

-4 -10 -6 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 x 10

-4

Fig. 10. Voltaje en el inductor. Fuente. Autores.

-8

-10

-12

-14 0.2

20

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2 -4

x 10

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

15

10

5

0 -2

0

2

4

6

8 -4

x 10

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

El voltaje en el inductor de la Figura 10 varía constantemente entre 6V y -6V, lo que indica que debe


7

voltajes y corrientes que estos deben soportar para que la eficiencia sea alta.

20 18

No obstante, se debe reconocer que los elementos presentan ciertas pérdidas por temperatura, disipación de calor, entre otros, algo que influye en el óptimo desempeño de un circuito.

16 14 12 10 8 6 4 2 0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 -4

x 10

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

5 4.5 4 3.5

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.

3 2.5 2 1.5 1 0.5 0

0.95

1

1.05

1.1

1.15 -3

x 10

Fig. 15. Corriente en el transistor MOSFET. Fuente. Autores.

La corriente en el diodo (Figura 14) presenta un rango de valores constantes entre 0 y aproximadamente 5 voltios, que se asemeja a lo descrito en la figura 4. Similar caso sucede con la corriente del transistor de la Figura 15. 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 Buck. Los resultados fueron los siguientes Voltaje de entrada (Vin) = 11.29 V Corriente de entrada (Iin) = 2.09 A Potencia de entrada (Pin) = Vin*Iin = 23.5961 W Voltaje de salida (Vout) = 6 V Corriente de salida (Iout) = 2.57 A Potencia de salida (Pout) = Vout*Iout = 15.42 W Eficiencia = (Pout/Pin)*100 = 65%

IV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El proceso de diseño de un convertidor Buck requiere un análisis detallado de los componentes a emplear, así como los

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. R EFERENCIAS 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

Diseño de un regulador reductor (Buck). Universidad de Cundinamarca. Becerra Pérez Yoan, Jimenez Merchan Alex Camilo, Martínez Vargas Steven. ANEXOS ANEXO 1 ESPECIFICACIONES DEL TRANSISTOR IRF540N

Fuente: INTERNATIONAL RECTIFIER. IRF540. ANEXO 2 ESPECIFICACIONES DEL DIODO UF 5404

Fuente: JGD. UF5400 Series. ANEXO 3 CONEXIÓN DEL IR2110 A UN TRANSISTOR MOSFET

Fuente: INTERNATIONAL RECTIFIER. IR2110.

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