Convertidor CC-CC PDF

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Convertidor Corriente Continua-Corriente Continua...

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1

LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA Convertidores básicos de continua a continua Luis Alejandro Alvarez Rengifo [email protected] c.c: 1125412900

Universidad tecnológica de Pereira

Resumen En este laboratorio se quiere analizar el comportamiento que presentan los diseños de un convertidor Buck y boost ante su regulación de tensión como de corriente y evidenciar sus comportamientos ante variaciones en la carga y también analizar el efecto que tiene el ciclo de trabajo en los convertidores. Palabras clave: optoacoplador, convertir, cc-cc, rizado. I.

INTRODUCCIÓN

Los convertidores de potencia en la actualidad tienen una gran importancia para las nuevas tecnologías que requieren de tensiones controladas y también de regulación II. MARCO TEÓRICO 1. Convertidores cc-cc: Un convertidor cc/cc es aquel que transforma niveles de tensión continua en niveles de tensión continua controlada (regulada) Pueden ser de dos tipos

Convertidor de potencia que obtiene a su salida una tensión continua mayor que a su entrada. es un tipo de fuente de alimentación conmutada que contiene al menos dos interruptores semiconductores y al menos un elemento para almacenar energía. algunas veces se añaden filtros construidos con inductores y condensadores para mejorar el rendimiento. El principio básico del convertidor boost consiste en dos estados distintos dependiendo del estado del interruptor: - cuando el interruptor está cerrado (on-state) la bobina almacena energía de la fuente, a la vez la carga es alimentada por un condensador. - cuando el interruptor está abierto (off-state) el único camino para la corriente es a través del diodo y circula por el condensador (hasta que se carga completamente) y la carga.

1.2. Convertidor Buck

Reductor: Es aquel que la tensión de salida es menor que el de entrada Elevador: Es aquel que la tensión de salida es mayor que el de entrada. 1.1. Convertidor Boost

Figura 2: Convertidor Buck

Figura 1; Convertidor boost

convertidor de potencia que obtiene a su salida una tensión continua menor que a su entrada. el diseño es similar a un convertidor elevador o boost, también es una

2 fuente conmutada con dos dispositivos semiconductores (transistor y diodo), un inductor y opcionalmente un condensador a la salida.

1.4. Convertidor Cuk

la forma más simple de reducir una tensión continua (dc) es usar un circuito divisor de tensión, pero los divisores gastan mucha energía en forma de calor. por otra parte, un convertidor buck puede tener una alta eficiencia (superior al 95% con circuitos integrados) y autorregulación. el funcionamiento del conversor buck es sencillo, consta de un inductor controlado por dos dispositivos semiconductores los usuales alternan la conexión del inductor bien a la fuente de alimentación o bien a la carga. 1.3. Convertidor Buck-Boost

Figura 4: Convertidor Cuk El convertidor Ćuk no aislado solo puede tener polaridad opuesta entre su entrada y su salida. Este utiliza un condensador como su principal componente de almacenamiento de energía. Un convertidor Ćuk no aislado se compone de dos inductores, dos condensadores, un interruptor (normalmente un transistor), y un diodo. Su esquema puede ser visto en la figura 1. Es un convertidor inversor, por lo que el voltaje de salida es negativo con respecto al voltaje de entrada.

Figura 3: Convertidor Buck-Boost El convertidor buck–boost es un tipo de convertidor DCDC que tiene una magnitud de voltaje de salida que puede ser mayor o menor que la magnitud del voltaje de entrada. Esta es switch mode power supply o fuente de alimentación conmutada con una forma parecida a la del convertidor boost y el convertidor buck. El voltaje de salida es ajustable variando el ciclo de trabajo del transistor de conmutación. durante el estado On, la fuente de entrada de voltaje está directamente conectada al inductor (L). Por lo que se almacena la energía en L. En este paso, el condensador proporciona corriente a la carga de salida. durante el estado Off, el inductor está conectado a la carga de salida y el condensador, por lo que la energía es transferida de L a C y R.

El condensador C es usado para transferir energía y es conectado alternativamente a la entrada y a la salida del convertidor a través de la conmutación del transistor y el diodo (ver figuras 2 y 3). Las dos bobinas L1 y L2 son usadas para convertir respectivamente la fuente de entrada de voltaje (Vi) y la fuente de voltaje de salida (Vo) en fuentes de corriente. En efecto, en un corto espacio de tiempo una bobina puede ser considerada como una fuente de corriente ya que mantiene una corriente constante. Esta conversión es necesaria ya que si el condensador estuviese conectado directamente a la fuente de voltaje, la corriente estaría solo limitada por la resistencia (parásita) , dando como resultado una alta pérdida de energía. Como pasa también en otros convertidores (convertidor Buck, convertidor Boost, convertidor Buck-boost) el convertidor Ćuk puede trabajar tanto en modo continuo como en modo discontinuo de corriente. Además, a diferencia de otros convertidores, este también puede operar en modo de voltaje discontinuo (i.e el voltaje en el condensador cae a cero durante el ciclo de conmutación ). modo continuo: el convertidor se dice que está modo continuo si la corriente que pasa a través del inductor nunca baja a cero durante el ciclo de conmutación. modo discontinuo: en algunos casos la cantidad de energía requerida por la carga es tan pequeña que puede ser transferida en un tiempo menor que el periodo de conmutación; en este caso la corriente a través de la

3 bobina cae a cero durante una parte del periodo. la única diferencia con el modo continuo es que el inductor está completamente descargado al final del ciclo de conmutación. III.

PROCEDIMIENTO

Primero se simula en algún programa de simulación el convertidor Buck teniendo en cuenta los siguientes valores nominales como: - Vs=12V - Vo=8V - R=1kΩ - F=50kHz 1) Se encuentra el periodo de conducción •

D=

𝑉𝑜 𝑉𝑠

Señal de voltaje de salida Vo=8V

8𝑣

= 12𝑣 =0.6666

2) Se halla la corriente de la carga 𝑉𝑜

Ir=

𝑅

8𝑣

=1000=8mA

3) Se calcula el valor de la inductancia L Lmin=

(1−𝐷)𝑅 = 2𝑓

3.33mH*1.25=4.16mH

4) Se calcula el valor de la capacitancia C C=

1−𝐷

𝑑𝑣𝑜

8𝐿( 𝑣𝑜 )𝑓^2

Señal de corriente en la carga io=8mA =1.001uF

Figura 5: circuito convertidor Buck simulado en proteus

Señales de voltaje Vs=12V y Vo=8V

4 Después se simula en algún programa de simulación el convertidor Boost teniendo en cuenta los siguientes valores nominales como: - Vs=12V - Vo=18V - R=1kΩ - F=50kHz 1) Se encuentra el periodo de conducción •

D=1-

𝑉𝑠

𝑉𝑜

=1-

12𝑣

18𝑣

=0.333

2) Se halla la corriente de la carga 𝑉𝑜

18𝑣

Ir= 𝑅 = 1000=18mA

Señal de corriente en la carga io=18mA

3) Se calcula el valor de la inductancia L Lmin=

𝐷(1−𝐷)^2𝑅 = 2𝑓

1.4814mH*1.25=1.851mH

4) Se calcula el valor de la capacitancia C C=

𝐷

𝑑𝑣𝑜

𝑅( 𝑣𝑜 )𝑓

=0.6666uF

Señal Vs cuadrada y Vo continuo

• Figura 6: circuito convertidor Boost simulado en proteus

Se simula en algún programa de simulación el convertidor Buck-Boost teniendo en cuenta los siguientes valores nominales como: - Vs=12V - Vo=8V y Vo=18V - R=1kΩ - F=50kHz

1) Se encuentra el periodo de conducción D=

𝑉𝑜

𝑉𝑠+𝑉𝑜

=

8𝑣 12𝑣+8𝑣

=0.4; D18V=0.6

2) Se calcula el valor de la inductancia L Lmin=

(1−𝐷)^2𝑅 =3.6mH*1.25=4.5mH 2𝑓

Lmin18v=2mH Señal de voltaje de salida Vo=18V

;

5

•

Graficas cuando el voltaje de salida Vo=18V

3) Se calcula el valor de la capacitancia C C=

8𝐿(

1−𝐷

𝑑𝑣𝑜 )𝑓^2 𝑣𝑜

=8uF ; C18V=12uF

Señal de salida Vo=18V

Figura 7: circuito convertidor Buck-Boost simulado en simulink de matlab

Señal de entrada Vs=12V cuadrada y señal de salida continua Vo=18V

• Señal de salida Vo=8V con un transitorio

Se simula en algún programa de simulación el convertidor Cuk teniendo en cuenta los siguientes valores nominales como: - Vs=12V - Vo=8V y Vo=18V - R=1kΩ - F=50kHz

1) Se encuentra el periodo de conducción 𝑉𝑜

D=𝑉𝑠+𝑉𝑜 =

8𝑣 12𝑣+8𝑣

=0.4; D18V=0.6

2) Se calcula el valor de las inductancias L Señal de entrada Vs=12V y de salida Vo=8V

L1min=

(1−𝐷) ^2𝑅 =9mH 2𝐷𝑓

L1min18v=3.333mH

;

6

L2min=

(1−𝐷) R 2𝑓

=6mH ;

L2min18v=5mH 3) Se calcula el valor de la capacitancia C 𝐷𝑉𝑜

C1= 𝑓∗𝑑𝑣𝑜∗𝑅 =64uF ; C18V=21.6uF C 2=

1−𝐷

𝑑𝑣𝑜

8𝐿( 𝑣𝑜 )𝑓^2

=2.5uF ;

Señal de entrada Vs=20V y de salida Vo=8V

C18V=2uF •

Graficas cuando el voltaje de salida Vo=18V

Figura 8: circuito convertidor Cuk simulado en simulink de matlab Señal de salida Vo=18V

Señal de salida Vo=8V

Señal de entrada Vs=35V y de salida Vo=18V

7 Dada la siguiente tabla se construyen las siguientes relaciones

•

REDUCTOR RL Vo(v) Io(m A)

50 % 3,9 0 7,8 0

60 % 5,2 8 8,8 2

70 % 6,2 4 8,9 1

80 % 6,9 6 8,7

90 % 7,5 6 8,4

100 % 8,14

110 % 8,28

120 % 8,64

130 % 8,88

140 % 9,13

150 % 9,33

8,14

7,52

7,2

6,83

6,51

6,22

ELEVADOR RL

50%

60%

70%

80%

90%

100%

110%

120%

130%

140%

1

Vo(v)

14,2

14,9

15,7

16,4

17,2

18,2

18,9

20,4

21,1

22,4

2

Io(mA)

28,6

24,8

22,4

20,3

19,1

18,2

17,3

16,9

16,3

16,1

1

Curva Vo VS Io

Curva Vo VS IO

40

10

30

8

20

6

10

4

Vo (V)

2

Io (mA)

Vo (V) Io (mA)

0 0

500

1000

1500

2000

Resistencia de carga (Ohms)

0 0

500

1000

1500

2000

Resistencia de carga (Ohms)

Curva Vo y Vs 30 20

Curva Vo VS VS

10

VS (V)

15 Vo (V)

0 10

0

500

Vo (V)

5

0

500

1000

1500

1500

2000

Resistencia de carga (Ohms)

VS (V)

0

1000

2000

BUCK-BOOST(reductor-elevador) - Como reductor

Resistencia de carga (Ohms) RL

50%

60%

70%

80%

90%

100%

110%

120%

130%

140%

1

Vo(v)

2,14

3,49

4,73

5,88

6,97

8,01

8,97

9,90

10,8

11,66

1

Io(mA)

4,28

5,82

6,75

7,35

7,74

8,01

8,16

8,25

8,31

8,33

8

8

Curva Vo y Vs Curva Vo VS Io

30

15

20

10

Vo (V)

10 Vo (V)

5

Vs (V)

0

Io (mA)

0 0

500

1000

1500

0

500

2000

1000

1500

2000

Resistencia de carga (Ohms)

Resistencia de carga (Ohms)

CUK -

Curva Vo y Vs RL

15

Vo(v ) Io(m A)

10

50 % 2,1 5 4,2 6

Reductor 60 % 3,4 8 5,8 2

70 % 4,7 5 6,7 7

80 % 5,9 1 7,3 8

90 % 6,9 9 7,7 7

100 % 8,1 3 8,1 3

110 % 9,0 2 8,2

120 % 9,9 5 8,3 1

130 % 10, 83 8,3 3

140 % 11, 84 8,4 5

150 % 12, 73 8,4 8

Vo (V)

5

Vs (V)

0 0

500

1000

1500

Curva Vo VS Io

2000

Resistencia de carga (Ohms)

15 10

D RL Vo( v) Io( mA)

.43 43 50 % 9,2 1 18, 42

Como elevador .48 36 60 % 11, 23 18, 71

.52 19 70 % 13, 09 18, 72

.55 27 80 % 14, 82 18, 52

.57 83 90 % 16, 45 18, 27

Vo (V)

5

.6 100 % 18, 2 18, 2

.61 86 110 % 19, 46 17, 69

.63 48 120 % 20, 85 17, 37

.64 91 130 % 22, 19 17, 06

.66 19 140 % 23, 49 16, 77

.67 34 150 % 24, 74 16, 48

Io (mA)

0 0

500

1000

1500

2000

Resistencia de carga (Ohms)

Curva Vo VS Io Curva Vo y Vs

30 15

20 10

Vo (V)

10

0

Io (mA)

5

Vo (V)

0

Vs (V)

0

500

1000

1500

2000

Resistencia de carga (Ohms)

0

500

1000

1500

2000

Resistencia de carga (Ohms)

9

RL Vo( v) Io( mA)

50 % 9,2 4 18, 47

Elevador: 60 % 11, 31 18, 87

70 % 13, 22 18, 91

80 % 14, 98 18, 73

GRAFICAS Vs vs Vo 90 % 16, 45 18, 27

100 % 18 18

110 % 19, 55 17, 73

120 % 20, 93 17, 44

130 % 22, 26 17, 18

140 % 23, 51 16, 79

150 % 24, 84 16, 56

Buck:

Curva Vo y Vs 20 10 Vs (V)

Curva Vo VS Io

0 0

30

500

1000

1500

Vo (V)

Resistencia de carga (Ohms)

25 20

15 10

Vo (V)

5

Io (mA)

Boost:

0 0

1000

Curva Vo y Vs

2000 30

Resistencia de carga (Ohms)

20 Vs (V)

10

Curva Vo y Vs

Vo (V)

0 0

30

500

1000

1500

Resistencia de carga (Ohms)

25 20 15 Vo (V)

Buck-Boost(reductor):

10 Vs (V) 5

Curva Vo y Vs

0 0

500

1000

1500

2000

Resistencia de carga (Ohms)

20 15 10 Vs (V)

5

Vo (V)

0 0

500

1000

1500

Resistencia de carga (Ohms)

10

Buck-Boost(elevador):

Buck-Boost(reductor):

Curva Vo y Vs

Curva Vo VS Io

30

15

20

10

10

Vs (V)

5

Vo (V)

0

Vo (V)

0

Io (mA)

0

500

1000

1500

0

REsistencia de carga (Ohms)

500

1000

1500

Resistencia de carga (Ohms)

Buck-Boost(elevador):

GRAFICAS DE Vo vs io Buck:

Curva Vo VS Io 30

Curva Vo VS Io

20 15 10

Vo (V)

0

Io (mA)

10 5

Vo (V)

0

Io (mA) 0

500

1000

0

500

1000

1500

Resistencia de carga (Ohms)

1500

Resistencia de carga (Ohms) IV. CONCLUSIONES

Boost: •

Curva Vo Vs Io 30 20 10

Vo (V)

0

Io (mA) 0

500

1000

•

1500

Resistencia de carga (Ohms)

•

Los convertidores de potencia CC-CC permiten alimentar cargas con cualquier nivel de tensión a partir de cualquier fuente de tensión DC. Teniendo en cuenta que para cargas especiales el rizado debe ser lo menor posible. Esto se consigue aumentando ya sea la capacitancia de salida o la resistencia de carga. Algunas formas de onda tienen mucha distorsión en la señal y esto se debe al suicheo del mosfet y se puede reducir con la capacitancia para aplacar esa distorsión o de la resistencia misma de la carga. Para los convertidores tipo buck la tensión a la salida se reduce con respecto a la entrada, además el ruido generado en la salida es bajo ya que la configuración del circuito LC forma un filtro pasabajas. Por otra parte, la tensión a la entrada al recibir pulsos del transistor, hace que este tipo de convertidor genere en la alimentación de entrada un ruido elevado.

11

•

Los convertidor tipo boost elevan la tensión la salida con comparación a la entrada. Además el ruido generado a la salida es alto(esto se puede mirar en la forma de onda Vo del convertidor Boost) debido a los pulsos de corriente suministrados al condensador de salida C, mientras que el ruido generado a la entrada es bajo debido a la inductancia L está directamente conectado a a tensión de entrada y mantiene la variación de corriente de entrada sin pulsos.

V.

BIBLIOGRAFÍA

[1] N. Mohan, T. Undeland y W. Robbins. Electrónica de Potencia: Convertidores, aplicaciones y diseño. McGraw Hill, Tercera Edición. [2] D. Hart. Electrónica de Potencia. Prentice Hall. 2001 [3] M. Rashid. Electrónica de Potencia: Circuitos, dispositivos y aplicaciones. Prentice Hall, 2004. [4] A. Alzate. Electrónica de Potencia. ISBN 8065-27-5. [5] T. Miller. Reactive Power Control in Electrics Systems. Jhon Wiley \& Sons.

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