CONVERSOR DE UN REDUCTOR DE TENSION BUCK

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN

FACULTAD DE INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA

PROYECTO DE UN CONVERSOR DE UN REDUCTOR DE TENSION BUCK

AREQUIPA

2015

proyecto conversor buck

CONTENIDO

Contenido Introducción……………………………………………………………………………………………………………………2

1 Operación del Conversor CC-CC BUCK..................................................................................3

1.1. Etapas de Funcionamiento...........................................................................................3

1.2 PRINCIPALES FORMAS DE ONDA..................................................................................4

1.3 GANANCIA ESTATICA Y PUNTO DE OPERACIÓN...........................................................5

2 Proyecto del Conversor........................................................................................................6

3 Simulación del Conversor...................................................................................................11

4 Dimensionamento del Estado de Potencia y del Circuito de Comando..............................13

4.1 ESTADO DE POTENCIA...............................................................................................13

4.2 CIRCUITO DE COMANDO............................................................................................14

4.3. CALCULO TERMICO..........................................................................................................19

5 Conclusión..........................................................................................................................21

1 Referências Bibliográficas...................................................................................................21

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Introducción

El convertidor Buck es el análogo del transformador, pero para tensiones continuas. Utilizando este convertidor, una tensión E se puede reducir (en un reductor de tensión como el aquí ilustrado) o aumentar (con un aumentador de tensión) a otro nivel de tensión continua.

Hablamos entonces de un convertidor de corriente continua a corriente continua, en contraste con un transformador, que es un convertidor de corriente alterna a corriente alterna.

El convertidor Buck se encuentra a la base de las fuentes conmutadas y de los reguladores que controlan velocidad en máquinas de corriente continua.

La estructura de un convertidor Buck consta de un inductor y un condensador a la salida necesario para mantener la tensión y minimizar el rizado presente en la salida del convertidor. El inductor es controlado por dos dispositivos semiconductores que alternan su conexión, bien conectándolo a la fuente de alimentación o bien conectándolo a la carga, es decir, estos elementos hacen que el inductor se cargue y se descargue, en función de los tiempos de apertura y conducción de estos dispositivos.

En este conversor siempre se cumple que Vo es menor o igual que E, razón por la que se le llama “Reductor”. El interruptor S conmuta a una frecuencia f = 1/T. Su principio básico se centra en la reducción de la tensión de entrada en la salida, mediante una frecuencia de conmutación en el elemento conmutador, y un ciclo de trabajo que determinará el porcentaje de señal de entrada que se obtendrá en la salida.

El circuito simplificado está representado en la Figura, E es la tensión CC de entrada, Vo es la tensión CC de salida, que suponemos constante.

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CAPÍTULO 1

1 OPERACIÓN DEL CONVERSOR CC-CC BUCK

Se distingue dos modos de operación, según la corriente por el inductor L se anule en el período de operación T: modo de conducción continua (MCC), cuando la mencionada corriente no se anula, y modo de conducción discontinua (MCD), cuando la corriente por L se anula durante un intervalo.

1.1. ETAPAS DE FUNCIONAMIENTO:

Etapa 1 : Switch cerrado (tiempo DTS)

Etapa 2 : Switch abierto (tiempo 1-DTS)

Etapa 3 : Modo de Corriente discontinua (ILE=0)

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1.1 PRINCIPALES FORMAS DE ONDA

Modo de Conducción Critico

0.0143 0.0144 0.0145Time (s)

1

2

3

4

I(LE)

0.005 0.01 0.015 0.02 0.025Time (s)

0

10

20

30

Vo

Modo de Conducción Continua:

0.04125 0.0413 0.04135 0.0414 0.04145

Time (s)

2.4

2.45

2.5

2.55

2.6

I(LE)

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0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018

Time (s)

10

20

30

Vo

1.3 GANANCIA ESTATICA Y PUNTO DE OPERACIÓN

CAPÍTULO 2

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2 PROYECTO DEL CONVERSOR

Las especificaciones para el proyecto de conversor buck son las siguientes:

Especificaciones de Diseño:

E1 65V

E2 80V

Enom 72V

Fs 50kHz

Vo 32V

Po 80W

Calculo de parámetros:

Io

Po

Vo

Io 2.5A

Ro

Vo

Io

Ro 12.8

Dmin

Vo

E2

Dmin 0.4

Dmax

Vo

E1

Dmax 0.492

Dnom

Vo

Enom

Dnom 0.444

Calculo de la Inductancia crítica:

ipk 2 Io

LEc

Vo 1 Dmin

ipk Fs

LEc 7.68 105 H

Calculo de la inductancia en MCC:

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is I L Dmin1

3

Io

I L2

I L1

Io

I L2

I L

is 1.74A

iL is2

iD2 2.463A

I L 0.1 Io I L 0.25A

LE

Vo 1 Dmin

I L Fs

LE 1.536 103 H

Calculo de la capacitancia:

Q1

2Fs

ipk

2

1

2

Vc 0.05Vo Vc 1.6V

CoQVc

Co 7.813 10

6 F

PROYECTO FISICO DEL INDUCTOR

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Calculo de la corriente eficaz:

iD I L 1 Dmin 1

3

Io

I L2

I L1

Io

I L2

I L

iD 1.744A


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1 ESPECIFICACIONES

Inductancia Lo 1.536mH

CorrieteMaximaILpk 2.625A

Corriente EficazILef 2.463A

Ondulacion de CorrienteI L 0.25A

Flujo de InduccionMaximaBmax 0.3T

Densidad Maxima de CorrienteJmax 450

A

cm2

Factor de Utilizacion del area del nucleo Kw 0.7

Freuencia fs 50KHz

2 ELECCION DEL NUCLEO:

AeAwILpk ILef Lo

BmaxJmax Kw

AeAw 1.051cm4

Ae 1.20cm2

Aw 0.85cm2

Nucleo Escogido: E-30/14

3 CALCULO DEL NUMERO DE ESPIRAS:

NL ceilLo ILpk

BmaxAe

NL 112

Bmax 0.3TBmax

Lo ILpk

NL Ae

4 CALCULO DEL ENTREHIERRO:

o 4 107H

m

lentrehierro

NL2 o Ae 10

2 m

cm

Lo lentrehierro 1.232mm

5 CALCULO DElCALIBRE DEL CONDUCTOR:

7.5 s

0.5 cm

fs

0.034cm

Diametro del hilo Dfio 2 Dfio 0.067cmEl conductor escogido es 35 AWGSfio 0.00160cm2

Sfioiso 0.000243cm2

Scobre

ILef

Jmax

Scobre 5.473 103

cm2

ncond ceil

Scobre

Sfio

ncond 46 CALCULO DE PERDIDAS6.1 PERDIDAS EN EL COBRE

fio 0.004523cm

lespira 8.7cmlfio NL lespira lfio 9.744mRcobre

fio lespira NL

ncond

Rcobre 1.102Pcobre Rcobre ILef2

Pcobre 6.684W


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6.2 PERDIDAS MAGNETICASPp 3.8

mW

g

mnucleo 21g

Pnucleo Pp mnucleo Pnucleo 0.08W

6.3 RESISTENCIA TERMICA DEL NUCLEO

Rtnucleo 23 Ae Aw1

cm4

0.37K

W Rtnucleo 22.832

K

W

6.4 ELEVACION DE LA TEMPERATURA

T Pcobre Pnucleo Rtnucleo 154.43K7 POSIBILIDAD DE EJECUCION Aw_min

NL Sfioiso ncond

Kw

Aw_min 0.156cm2

Awnucleo AwExec

Aw_min

Awnucleo

Exec 0.183


CAPÍTULO 3

3 SIMULACIÓN DEL CONVERSOR

Modo de Conducción Continuo:

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010203040

Vo

0

1

2

3

I(Ro)

2.2

2.4

2.6

I(LE)

0

1

2

3

I(SS1)

0

1

2

3

I(D)

0.02002 0.02004 0.02006 0.02008

Time (s)

00.5

11.5

2

I(Co)

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CAPÍTULO 4

4 DIMENSIONAMENTO DEL ESTADO DE POTENCIA Y DEL CIRCUITO DE COMANDO

4.1 4.1. ESTADO DE POTENCIA

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Corrientes Minimas y Maximas

Imin Io

I L2

Imin 2.375A

Imax Io

I L2

Imax 2.625A

En el inductor

IL.md IoIL.md 2.5A

IL.rms

I L

2 3

2

IL.md2

IL.rms 2.501A

En el SwitchIs.md I L Dmax1

2

Imin

I L

Is.md 1.231A

Is.rms DmaxI L2

1

3

Imin

I L

Imin2

I L2

Is.rms 1.755AEn el capacitorIc.rms IL.rms

2Io2 Ic.rms 0.072A


4.2 CIRCUITO DE

COMANDO

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En el Diodo

ID.rms IL.rms2

Is.rms2

ID.rms 1.782A

ID.med Fs I L1 Dmax

Fs 1 Dmax

Imin

Fs

ID.med 1.333A


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Calculo de comando

tcom1

Fs

tcom 20 s

Entonces tendremos :

CT 5nF RT 5.5K Vport.max 2.9V Vport.min 0.86V

Vref 5.1V R1 10k

Por regla de tres simple

X Vport.max

Dnom

1 X 1.289V

V1 X Vport.minV1 2.149V

Por divisor de tension tenemos:

R2

R1 V1

Vref V1

R2 7.282 103

tstart 10ms

Css 50Atstart

5.1V

Css 98.039nF


4.3. CALCULO TERMICO

DIODO

INTERRUPTOR-MOSFET

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Vf 0.92V IRM 10mA VRM 150V t 75ns RJA98°CW

ta 40°C

Pcond.diodo. Vf ID.med Dmax

Pcond.diodo. 0.604W

Pcom.diodo VRM IRM tFs

2

Pcom.diodo 2.813 103 W

Ptotal Pcom.diodo Pcond.diodo.

Ptotal 0.606W

T 110 °C

RdATPtotal

RJA

RdA 83.393°CW

Tfinal RJA Ptotal ta

Tfinal 99.429°C Como la maxima potencia que puede aguantar el integrado es

de -55 a 150 °C podemos poner el integrado sin un disipador de calor

VRM 112V Fs 50kHz

IPK 2.6A

IMD 1.111A

VF 1.2V

IRM 100Atrr 240nsRthJA 75

K

W

D 0.44Pcondiodo VF IMD D 0.587WPcomdiodo1

2VRM IRM trr Fs 0.067mWTj Pcondiodo Pcomdiodo RthJA 313.15K 357.151KT.jMosfet=533K


5 CONCLUSIÓN

El trabajo mostró las ecuaciones básicas que permiten diseñar la etapa de potencia de un convertidor Buck en modo de conducción continua. Si bien las ecuaciones planteadas consideran dispositivos semiconductores

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ideales estas se convierten en una muy buena aproximación para el cálculo.

Tal como muestran las oscilaciones producto de la simulación, la tensión de salida es aproximadamente la que se tenía prevista como condición de diseño; Simultáneamente los rizados tanto en voltaje como en la corriente son los que se tenían previstos.

Los valores de L y C calculados no son valores comerciales.

1 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] MARTINS, D. C.; BARBI, I. Eletrônica de Potência - Conversores CC-CC Básicos Não Isolados. 3ª edição. Florianópolis, 2008.

[2] BARBI, I. Eletrônica de Potência. 6ª edição, Florianópolis, 2006.

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Documents

CONVERSOR DE UN REDUCTOR DE TENSION BUCK