7/25/2019 Completo_Sustentacion Final Convertidor
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VALORACION DEL RENDIMIENTO DE UN CONVERSOR DECORRIENTE CONTINUA CON VARIAS ETAPAS EN PARALELO
Autores:ANDRS FELIPE REY ORTIZFELIX GILBERTO ZAPATA PACHN
Director: M.Sc. JAIME GUILLERMO BARRERO PREZ
Bucaramanga, Mayo de 2015
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CONTENIDO
Objetivo general
Objetivos especficos
Antecedentes Simulaciones
Diseo y construccin
Anlisis y comparacin de resultados
Conclusiones
Recomendaciones y trabajos futuros
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OBJETIVO GENERAL
Determinar los distintos parmetros de rendimientode un convertidor DC-DC de varias etapas.
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OBJETIVOS ESPECFICOS
Disear un convertidor DC-DC Buckcon cuatro etapas.
Simular el comportamiento del convertidor en el diseorealizado, para determinar los parmetros de rendimientodel montaje final en el programa de Orcad Capture.
Implementar el convertidor DC-DC con cuatro etapas quepermitir la evaluacin de esta arquitectura.
Analizar diferentes parmetros del convertidor tales comoeficiencia, rizado, costos y otros en la implementacin.
Comparar los resultados obtenidos de la simulacin con elmontaje real del conversor para determinar conclusiones yposibles soluciones de mejorar el mismo.
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ANTECEDENTES
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Sistema Bsico de un Convertidor DC-DC 1
[1] Fuente: RASHID, 2001. Power Electronics Handbook
CONVERTIDOR DC-DC
Ecuacin para calcular el ciclo de trabajo :
=
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CONVERTIDOR REDUCTOR (Buck o Step-Down)
Topologa del Convertidor reductor2
[2] Fuente: RASHID, 2001. Power Electronics Handbook
Ecuacin para calcular la Tensin de Salida:
Vo=Vs*D
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opologa
Stndard nterleaved
Esquema de la Topologa Estndar Interleaved3
[3] Fuente: J. G. ARGUELLO, 2010. Diseo De Un Conversor DC-DC Integrable En Tecnologa CMOS.
Ecuacin para calcular la el ngulo de desfase :
=360 ( )
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Configuracin del conversor con 4 fases
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VENTAJAS DEL PROTOTIPO
Proporciona corrientes de hasta 5A usandoelementos superficiales.
Tiene una alta eficiencia y el riso de la corriente
de salida es pequeo.
El usuario puede modificar el ciclo de trabajo avoluntad para tener una tensin til.
Esta topologa usa un filtro pequeo; lo que haceque el espacio del diseo sea reducido.
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SIMULACIN
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SIMULACIONES
Parmetros Iniciales
Tensin entrada 6 a 9 V
Corriente entrada 0 a 6 A
Tensin Salida 1 a 7 VVaria segn ciclo detrabajo y numero de
ramas activas
Corriente Salida 0.1 a 5 AVaria segn ciclo detrabajo y numero de
ramas activas
Frecuencia 50 KHz
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SIMULACIONES
SimulacinIdeal
Diodo Idealizado Transistor Idealizado como un switch Efectos variacin parmetros Establecer Parmetros valores
apropiados de simulacin concomponentes reales
Simulacin
Componentesreales
Diodo y Transistor con surespectivo modelo Spice
Establecer Parmetros parala seleccin decomponentes
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SIMULACIN IDEAL
Esquema utilizado para la simulacin ideal de la configuracin de una rama
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VARIACION DE PARAMETROS
Efecto del aumento de la frecuencia de conmutacin.
Tensin Salida
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VARIACION DE PARAMETROS
Efecto del aumento de la Inductancia.
=1
2 []
Ciclo de trabajo 25% 50% 75%
Inductanciamnima R=0,5
3,75 H 2,5 H 1,25 H
Inductanciamnima R=1
7,5 H 5 H 2,5 H
Inductanciamnima R=2,5
18,75 H 12,5 H 6,25 HEcuacin para calcular inductanciamnima4
[4] Fuente: HART, W Daniel, ELECTRONICA DE POTENCIA. Madrid, Pearson Educacin, S.A. 2001.
Corriente en la Bobina
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VARIACION DE PARAMETROS
Efecto discontinuidad corriente en la bobina.
Tensin en el diodo
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VARIACION DE PARAMETROS
Efecto variacin capacitancia.
Corriente Salida
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VARIACION DE PARAMETROS
Efecto variacin de la carga.
Corriente entrada vs Corriente Salida
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VARIACION DE PARAMETROS
Efecto variacin del ciclo de trabajo.
Tensin de Salida
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VARIACION DE PARAMETROS
Parmetros Simulacin Componentes reales
Frecuencia 50 kHz
Inductancia >18 F
Capacitancia 50 F
Carga 0.8 a 1.5
Corriente por rama 2 a 6 A
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SIMULACIN CON COMPONENTES REALES
ModeloVds
(V)
Id
(A)
Tf
(ns)
Tr
(ns)
Tdon
(ns)
Tdoff
(ns)
Sumatiempo
(ns)
Rdson
()
2N6757 150 8 40 50 30 50 180 0.6
IRF530 100 14 24 34 10 23 91 0.16
IRFZ22 50 14 25 45 10 20 100 0.110
Transistor
Diodo
Modelo Vrrm Id Trr Vf
BYW29-150 150 V 8 A 25 ns 0.845 V
MBR330 30 V 3 A - 0.6 V
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SIMULACIN CON COMPONENTES REALES
Esquema simulacin con componentes modelados.
Corriente Bobina, Tensin y Corriente de Salida.
Una Rama
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SIMULACIN CON COMPONENTES REALES
Esquema simulacin con componentes modelados.
Corriente Bobinas, Tensin y Corriente de Salida.
Dos Ramas
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SIMULACIN CON COMPONENTES REALES
Esquema simulacin con componentes modelados.
Cuatro Ramas
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SIMULACIN CON COMPONENTES REALES
Corriente Bobinas, Tensin y Corriente de Salida.
Cuatro Ramas
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SIMULACIN CON COMPONENTES REALES
Elemento Parmetro Valor Unidad
Carga Resistencia 0.8 a 1.5
Bobina
Inductancia >20 H
Frecuencia 50 kHz
Corriente >12 A
Condensador Capacitancia 10 a 50 F
Fuente Tensin 12 VCorriente 6 A
Transistor
Id >12 A
trespuesta 24 V
Rdson 12 A
trespuesta
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DISEO Y CONSTRUCIN
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DISEO Y CONSTRUCCIN
Modelo por etapas del sistema del Convertidor Reductor Implementado.
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ETAPA DE CONTROL DE CONMUTACIN
PARMETROS
VCC= 7-12 VICC = 40 mA
VO = 5 VICC = 40 mAPines PWM = 15Timers= 5Velocidad del Reloj = 16 MHz
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Puertos utilizados para conmutar los transistores
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Diagrama de tiempos AtMEGA
Tomado de la Hoja de datos del microcontroladorAtMEGA 328.
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ETAPA DE AISLAMIENTO
PINES PARMETROS
1 N.C.2 nodo3 Ctodo IF = 8 mA4 N.C. VF= 1.5 V
5 GND ICC = 8 mA6 VO VCC = 15 V7 VO8 VCC
Ecuacin para calcular el valor de la resistencia de entrada delOptoacoplador:
=
[]
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Diseo de Fuentes Aisladas
PARMETROSVF= 5 V
V0 = 15 VIQ= 34 mA
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ETAPA DE POTENCIA
Elemento FabricanteRDS(on)
m
td(on)ns
tr ns td(on) ns tf ns Valor $
IRF540International
Rectifier44 11 35 39 35 4000
IRF640NFairchildSemicinductor
102 10 19 23 5,5 3300
CDS19502Q5B
TexasInstruments
3,8 8 6 22 7Muestra
gratis
Tabla de Comparacin de MOSFETs Comerciales.
MOSFET
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PINES PARMETROS
1 Fuente2 Fuente
3 Fuente VDS = 80 V4 Compuerta VGS (th)= 2.7 V5 Dreno RDS (on) = 3.8 m6 Dreno ID = 17 A7 Dreno8 Dreno
MOSFETutilizado
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PARMETROS
Vr = 40 V
VF= 0.47 V
IF = 5 A
trr= 30 ns
Diodo
ETAPA DE FILTRADO
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ETAPA DE FILTRADO
PARMETROS
Inductancia = 22 H
DCR = 2.60 m
Isat= 12 A
f= 500 khz
CondensadorCapacitancia = 47F
V=25 V
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Uso del programa Eagle
Diagrama esquemtico del circuito impreso.
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DISEO Y CONSTRUCCIN
Diseo del circuito impreso.
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ANALISIS Y COMPARACIN DERESULTADOS
ANLISIS COMPARACIN
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ANLISIS y COMPARACIN
DATOS SIMULADOS IDEALESSIMULADOS COMPONENTES
REALESDATOS MEDIDOS
Ciclo 25% 50% 75% 25% 50% 75% 25% 50% 75%
Vin 9 9 9 9 9 9 8,86 8,45 8,01
Iin 0,23 0,91 2,04 0,23 0,92 2,12 0,28 0,85 1,57
Vout 2,26 4,5 6,75 1,92 4,08 6,25 1,41 3,22 5,02
Iout 0,9 1,8 2,7 0,75 1,62 2,55 1,17 1,72 2,16
Vpp 0,07 0,11 0,05 0,41 0,53 0,4 0,85 0,9 0,8
Vavg 2,25 4,5 6,75 1,92 4,08 6,29 1,44 3,25 5,05
Vrms 2,25 4,5 6,75 1,95 4,16 6,35 1,44 3,25 5,05
Eficiencia 98,3% 98,9% 99,3% 69,6% 79,8% 83,5% 66,5% 77,1% 86,2%
Una Rama
Carga Bombillo caracterizado como carga con R=2.5 para la simulacin.
ANLISIS COMPARACIN
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ANLISIS y COMPARACIN
Dos Ramas
Carga Bombillo caracterizado como carga con R=2.5 para la simulacin.
DATOS SIMULADOS IDEALESSISIMULADOS COMPONENTES
REALES
DATOS MEDIDOS
Ciclo 25% 50% 75% 25% 50% 75% 25% 50% 75%
Vin 9 9 9 9 9 9 8,81 8,39 7,43
Iin 0,23 0,9 2,03 0,41 1,24 2,47 0,33 1,05 1,63
Vout 2,25 4,5 6,75 2,59 4,56 6,57 1,67 3,97 5,07
Iout 0,9 1,8 2,7 1,04 1,82 2,56 1,27 1,93 2,17
Vpp 0,01 0 0 0,1 0,04 0,12 0,4 0,2 0,62
Vavg 2,25 4,5 6,75 2,55 4,56 6,57 1,69 4 5,01
Vrms 2,25 4,5 6,75 2,59 4,77 6,81 1,69 4,01 5,01
Eficiencia 97,8% 100,0% 99,8% 73,0% 74,4% 75,7% 73,0% 87,0% 90,8%
ANLISIS COMPARACIN
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ANLISIS y COMPARACIN
Cuatro Ramas
Carga Bombillo caracterizado como carga con R=2.5 para la simulacin.
DATOS SIMULADOS IDEALES
SIMULADOS COMPONENTES
REALES DATOS MEDIDOS
Ciclo 25% 50% 75% 25% 50% 75% 25% 50% 75%
Vin 9,00 9,00 9,00 9,00 9,00 9,00 8,33 8,12 7,55
Iin 0,60 1,47 2,03 0,62 1,51 1,49 0,67 1,48 1,82
Vout 3,68 5,75 6,75 3,50 5,60 5,63 2,63 5,15 5,68
Iout 1,41 2,23 2,70 1,42 2,28 2,25 1,61 2,20 2,33
Vpp 0,00 0,00 0,00 2,10 0,12 0,01 0,80 0,50 1,03
Vavg 3,68 5,75 6,75 3,53 5,64 5,62 2,84 5,02 5,76
Vrms 3,68 5,75 6,75 3,53 5,64 5,63 2,84 5,02 5,76Eficienci
a96,1% 96,9% 99,7% 89,1% 94,0% 94,6% 75,9% 94,3% 96,3%
Discontinuo Discontinuo Discontinuo Discontinuo Discontinuo Discontinuo
ANLISIS COMPARACIN
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ANLISIS y COMPARACIN
Comparacin entre diferentes configuraciones de ramas activas
Carga conjunto de resistencias en paralelo como carga con R=1 .
Vin Iin Vout Iout Vavg Vrms ciclo eficiencia Rcarga[] Vteorico
1 Rama
8,77 0,33 1,27 1,35 1,1 1,11 25% 59,24 0,94 2,19
7,96 1,25 2,57 2,72 2,38 2,38 50% 70,26 0,94 3,98
7,98 2,38 3,58 3,4 3,53 3,53 75% 64,09 1,05 5,99
2 Ramas
8,6 0,38 1,49 1,56 1,27 1,28 25% 71,13 0,96 2,15
7,39 1,7 3,19 3,33 2,83 2,83 50% 84,56 0,96 3,70
6,61 3,31 4,29 4,52 3,91 3,91 75% 88,63 0,95 4,96
4 Ramas
8,57 0,77 2,26 2,28 1,93 1,93 25% 78,09 0,99 2,14
7,82 2 3,62 3,72 3,22 3,22 50% 86,10 0,97 3,91
6,9 3,85 4,92 5,16 4,37 4,37 75% 95,57 0,95 5,18
ANLISIS COMPARACIN
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ANLISIS y COMPARACIN
Comparacin entre diferentes configuraciones de ramas activas
Valores mximos Ramas activas
1 2 4
Tensin entrada 9 V 9 V 12 V
Corriente entrada 2,38 A 3,31 A 4,57 A
Tensin de Salida 3,58 V 4,29 V 6,29 V
Corriente de Salida 3,4 A 4,52 A 6,42 A
Carga 1,1 1,1 1,1
Valores mximos medidos usando un ciclo de trabajo del 75%
para cada configuracin.
COSTOS FINALES DEL PROTOTIPO
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COSTOS FINALES DEL PROTOTIPO
ELEMENTO REFERENCIA PRECIO VALOR
UNITARIO ($) TOTAL ($)
OCTOACOPLADOR TLP250 5.000 20.000
FUENTE AISLADA DCP010515BP 17.500 70.000
TRANSISTOR CSD19502Q5B 3.300 13.200
DIODO DB2441700L 4.500 18.000
BOBINA SER3018H-232 10.000 40.000
RESISTENCIAS,CONDENSADORES
OTROSELEMENTOS
5.000 5.000
PCB FABRICACION 40.000 40.000
COSTO TOTALTARJETA
$ 206.200
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CONCLUSIONES
CONCLUSIONES
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CONCLUSIONES Se present el diseo e implementacin de un
Conversor Reductor DC-DC con cuatro ramas enparalelo en el que se determinaron loscorrespondientes parmetros de rendimiento yfuncionamiento.
Gracias a las simulaciones realizadas en elprograma Orcad Capture, se pudo observar elcomportamiento que tenan los dispositivos y la
salida que entregara el prototipo al momento desobrepasar los lmites; evitando as en la prcticalos diferentes daos que podran habersepresentado en el desarrollo de las pruebas para los
elementos y el circuito en general.
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Se logr precisar los parmetros deseables para losdistintos elementos que conforman el prototipo finalgracias a las simulaciones del comportamiento del
conversor. Como por ejemplo: en la Bobina donde laInductancia debe ser mayor de 25 H y, tanto elTransistor como el Diodo deben soportar unacorriente mayor de 12 A y tener un tiempo de
respuesta menor de 100 ns.
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La corriente que circula en las bobinas depende delciclo de trabajo al cual se est prendiendo yapagando el transistor; as a medida que el ciclo detrabajo aumenta la corriente de las bobinas debe
aumentar porque el tiempo activo del pulso al sermayor hace que las bobinas se carguen durante mstiempo, y tengan poco tiempo para descargarse. Enotras palabras, si est ms tiempo activo el pulso la
bobina tiene ms tiempo para almacenar corriente.
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Siempre y cuando se mantenga en funcionamiento el
prototipo dentro de los lmites de carga, se obtieneuna corriente continua en las bobinas; si suinductancia es mayor de 25 H.
Si una bobina se descarga muy rpido provoca queel diodo asociado a esa misma rama deje deconducir y provoca en l un estado semi estacionario,en el cual la corriente a travs de la bobina es cero.Este estado se llama corriente discontinua.
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El capacitor en paralelo con la carga, tiene lafuncin de suavizar los picos de corriente alinicio del circuito; ya que aumenta el tiempo de
establecimiento del circuito y lo lleva, de unarespuesta sub amortiguada a una respuestacrticamente amortiguada que depende del valorde capacitancia.
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El circuito con una rama tiende a consumir la corrientepor rama ms alta de todas las configuraciones. Por
tanto, el diseo e implementacin de la primera ramaes la que marca el lmite de la corriente que debensoportar los diferentes elementos elegidos.
Se comprueba que para dos ramas a un ciclo detrabajo de un 50 % el rizado es menor debido a queocurre la cancelacin de las pendientes de la corrienteen las bobinas.
En el circuito con 4 ramas en paralelo la corriente porbobina es alrededor de 1/4 de la consumida por laconfiguracin de una rama; esta es una ventaja dadoque permite tener bobinas con valor de inductanciams pequeas y que se saturen a un punto de trabajo
menor.
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Gracias a que se puede ajustar el ciclo de trabajo conel potencimetro el usuario puede obtener una salidade tensin ajustada al requerimiento que se desee.Sin embargo, al realizar este proceso el rizado decorriente de salida puede aumentar.
Cuando se realiz la simulacin real se observ latensin del diodo con discontinuidad de corriente,donde la tensin del diodo produjo una cada de
tensin oscilatoria; esto quiere decir que se produceun desajuste en la salida de tensin y la corriente.Este fenmeno, se pudo verificar en el laboratorio.
RECONEMDACIONES Y TRABAJOS FUTUROS
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RECONEMDACIONES Y TRABAJOS FUTUROS
Paramejorar este diseo se recomienda la bsqueda de unDiodo que cumpla con todas las especificacionesplanteadas en los parmetros deseados para el conversor,en especial que supere una corriente de conduccin de 12 Ay que haya menor cada de tensin.
Se recomienda el uso de una fuente que sea capaz degenerar una tensin regulada de 6 V a 24 V a una corrientede al menos de 15 A. Para que pueda alimentar el circuitode manera adecuada.
Para optimizar el diseo de este prototipo se sugiere usarotros valores que estn por encima del lmite de inductanciaestablecido en esta investigacin para las bobinas.
PREGUNTAS
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PREGUNTAS
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