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Encuentro de Investigación en IE, 17—18 Marzo, 2005
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Pablo Salas Castro, I. Campos-Cantón,
José Jimmy Jaime Rodríguez Abel Vázquez Ramos,
1Facultad de Ciencias, Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Álvaro Obregón 64, 78000 San Luis Potosí, S.L.P., México
Teléfono (444) 8 26 23 17 Fax (444) 8 26 23 18, 1e-mail: [email protected], [email protected], [email protected],
Resumen — En este trabajo se hace un estudio de tres tipos de convertidores CD-CD, posteriormente se hacen
las simulaciones para comprobar el comportamiento que se ha obtenido de la parte teórica antes analizada.
Los tres convertidores analizados aquí son los siguientes: - Regulador Reductor. - Regulador Elevador. - Regulador Reductor-Elevador.
Abstract — In this document we make a study of three types of DC-DC converters, later the simulations are made to verify the behavior that has been obtained from the theoretical part before analyzed.
The three converters analyzed here are the following ones: - Regulating Reducer. - Regulating Elevator. - Regulating Reducer-Elevator.
Palabras clave — Convertidor, Elevador, Reductor, Regulador.
I. INTRODUCCIÓN
N convertidor cd-cd convierte en forma directa de cd a cd y se llama simplemente convertidor cd[2]. Un convertidor cd es equivalente en cd de un transformador ca, con una relación de vueltas que varia en forma continua. Al igual que un transformador[4], se puede
usar para subir o bajar el voltaje de una fuente[6].
Los convertidores cd se usan mucho para el control de motores de tracción de automóviles eléctricos, tranvías, grúas marinas, montacargas y elevadores de mina. Proporciona un control uniforme de aceleración[7], gran eficiencia y rápida respuesta dinámica[3]. Se puede usar en el frenado regenerativo de motores de cd para regresar la energía a la fuente. Los convertidores cd se usan en los reguladores de voltaje de cd, y también se usan en conjunto con un inductor para generar una corriente de cd[8].
En este trabajo en particular se analizará y comprobará, mediante la simulación en Pspice[1], el
funcionamiento de tres tipos de convertidores CD-CD.
Convertidores CD-CD
U
Encuentro de Investigación en Ingeniería Eléctrica Zacatecas, Zac, Marzo 17 —18, 2005
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II. CONTENIDO
A. Teoría de convertidores cd-cd
El circuito base para un Regulador Reductor es el que se muestra en la Figura 1.
Este regulador proporciona un voltaje de salida no mayor al voltaje de entrada; presenta dos modos de operación, el modo 1 empieza cuando se cierra el transistor Q1 en t=0, entonces la corriente de entrada aumenta, pasa por el inductor L, el capacitor C, y la resistencia R, la corriente del inductor (iL) aumenta hasta que el transistor Q1 se abre en un tiempo t=kT siendo k el ciclo de trabajo y T el periodo.
El modo 2 empieza cuando el interruptor Q1 se abre en t=kT, el diodo de marcha libre Dm conduce la energía almacenada en el inductor, y la corriente del inductor pasa por la carga R, el capacitor C, el inductor L y el diodo de marcha libre Dm. La corriente del inductor baja hasta que el transistor Q1 se enciende de nuevo, en el siguiente ciclo. Haciendo un análisis de mallas para cada uno de los modos de operación, esto nos proporciona dos ecuaciones para la corriente rizo pico a pico en el inductor las cuales igualamos para obtener la ecuación del voltaje de salida:
Vo= k VS (1)
De este modo el valor máximo del voltaje de salida será el voltaje de entrada ya que el valor máximo de k es la unidad.
El circuito base para un Regulador Elevador es el que se muestra en la Figura 2.
Figura 1. Regulador Reductor.
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Este regulador proporciona un voltaje de salida mayor al voltaje de entrada, presenta dos modos de operación que tienen el mismo funcionamiento que el descrito anteriormente para un regulador reductor.
Haciendo el mismo análisis de mallas que en el caso del regulador reductor se llega a la siguiente
expresión para el voltaje de salida.
VO=k−1
1VS (2)
De este modo el valor mínimo del voltaje de salida será el voltaje de entrada, esto ocurre cuando
k=0.
El circuito base para un Regulador Reductor-Elevador es el que se muestra en la Figura 3.
Este regulador proporciona un voltaje de salida que puede ser mayor o menor al voltaje de
Figura 2. Regulador Elevador.
Figura 3. Regulador Reductor-Elevador.
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entrada, la polaridad del voltaje de salida es inversa a la del voltaje de entrada, estos reguladores también se llaman reguladores inversores. Presenta dos modos de operación que tienen el mismo funcionamiento que el descrito anteriormente para un regulador reductor.
Haciendo el mismo análisis de mallas que en el caso del regulador reductor se llega a la siguiente
expresión para el voltaje de salida.
VO=k
k−1
VS (3)
B. Simulación
Se utilizó el paquete Pspice Student 9.1 para las simulaciones de este trabajo. B.1. Simulación del Regulador Reductor
Primero se utilizó la opción Schematics de Pspice para desarrollar el circuito como se muestra en la Figura 4.
Después se llevaron a cabo las simulaciones de dicho diagrama mediante el submenú Setup que
se encuentra en el menú Analisys, en dicho submenú se escogieron las opciones de Temperature y Transient.
La opción de temperature se fija en 270, la Tabla 1 muestra los parámetros de los elementos
utilizados para la simulación del circuito, la Tabla 2 muestra los parámetros del diodo D1N914-X y la Tabla 3 los parámetros del BJT.
TABLA 1.
Figura 4. Diagrama base de un regulador reductor con BJT de potencia r.
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PARÁMETROS DEL REGULADOR REDUCTOR
TABLA 2. PARÁMETROS DEL DIODO D1N914-X
IS 2.220000E-15 BV 1.800000E+03
TABLA 3. PARÁMETROS DEL BJT
IS 14.340000E-15 Bf 255.9 NF 1 VAF 74.03 IKF 0.2847 ISE 14.340000E-15 NE 1.307 BR 6.092 NR 1 RB 10 RC 1 CJE 22.010000E-12 MJE 0.377 CJC 7.306000E-12 MJC 0.3416 TF 411.100000E-12 XTF 3 VTF 1.7 ITF 0.6 TR 46.910000E-09 XTB 1.5 CN 2.42 D 0.87
TOTAL POWER DISSIPATION 1.91E-10 WATTS JOB CONCLUDED TOTAL JOB TIME .41
Las formas de onda obtenidas por la simulación se muestran en la Figura 5:
.tran 0 4.5m 4m Análisis de transitorio R_R1 0 1 500 Resistencia de carga V_V2 1 2 +PULSE 0 48 0 1ns 1ns 0.016668m 0.04m Fuente para pulso de
compuerta V_V9 3 0 DC 12 Voltaje de entrada L_L1 4 1 145.83u Inductor L C_C1 0 1 200u Capacitor C Q_Q4 3 2 4 Q2N2222-X1 BJT Q D_D2 0 4 D1N914-X Diodo D
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Los puntos importantes en la simulación fueron que el voltaje de salida siempre fue menor que el
voltaje de entrada tal como lo muestra la ecuación del voltaje de salida que caracteriza a un regulador reductor, la corriente a través del capacitor es prácticamente constante y se observó la forma de trabajo del circuito por medio de la corriente que pasa a través del capacitor y el BJT de potencia. B.2. Simulación del Regulador Elevador
Se utilizó la opción Schematics de Pspice para desarrollar el circuito como se muestra en la
Figura 6.
Time
4.00ms 4.05ms 4.10ms 4.15ms 4.20ms 4.25ms 4.30ms 4.35ms 4.40ms 4.45ms 4.50ms-I(R1)
0A
10mA
20mA
V(C1:2)10V
12V
14V-I(C1)
-4.0A
0A
4.0AIc(Q4)
0A
2.0A
4.0AI(L1)
1.0A
2.0A
3.0AV(Q4:b)
0V
100V
SEL>>
Figura 5. Formas de onda de un regulador reductor con BJT de potencia. a) Voltaje de base. b) Corriente a través del inductor. c) Corriente a través del transistor. d) Corriente a través del capacitor. e) Voltaje a través del capacitor. f) Corriente a través de la carga.
Figura 6. Diagrama base de un regulador elevador con MOSFET de potencia.
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Después se llevaron a cabo las simulaciones de dicho diagrama mediante el submenú Setup que se encuentra en el menú Analisys, en dicho submenú se escogen las opciones de Temperature y Transient.
La opción de temperature se fija en 270, la Tabla 4 muestra los parámetros de los elementos
utilizados para la simulación del circuito, la Tabla 5 muestra los parámetros del diodo D1N914-X y la Tabla 6 los parámetros del MOSFET MBREAKND-X.
TABLA 4 PARAMETROSROS DEL REGULADOR ELEVADOR.
TABLA 5 PARAMETROSROS DEL DIODO D1N194-X.
IS 2.220000E-18 BV 1.800000E+03
TABLA 6 PARAMETROSROS DEL MOSFET MBREAKND-X NMOS.
L 100.000000E-06 W 100.000000E-06 VTO 2.1 KP 20.000000E-06 GAMMA 0 PHI 0.6 LAMBDA 0 IS 10.000000E-15 JS 0 PB 0.8 PBSW 0.8 CJ 0 CJSW 0 CGSO 0 CGDO 0 CGBO 0 TOX 0 XJ 0 UCRIT 10.000000E+03 DIOMOD 1 VFB 0 LETA 0 WETA 0 UO 0 TEMP 0 VDD 0 XPART 0
TOTAL POWER DISSIPATION 6.67E-01 WATTS JOB CONCLUDED TOTAL JOB TIME 4.03
Las formas de onda obtenidas por la simulación se muestran en la Figura 7:
.tran 0ns 79.75m 79.5m Análisis de transitorio R_R1 0 4 30 Resistencia de carga V_V2 2 0 +PULSE 0 30 0 1n 1n 0.026668m 0.04m Fuente para pulso de compuerta V_V1 1 0 5 Voltaje de entrada L_L1 1 3 150u Inductor L C_C1 0 4 220u Capacitor C M_M6 3 2 0 0 MbreakND-X + M=15K Mosfet M D_D2 0 3 D1N914-X1 Diodo D
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El voltaje de salida es igual o mayor al voltaje de entrada tal como lo muestra la ecuación de este regulador y además dicho voltaje presenta un ligero rizo que puede ser despreciable, la corriente de salida es prácticamente continua. Este regulador presenta un tiempo de estabilización el cual es relativamente pequeño de aproximadamente 20ms. La simulación también mostró la forma de trabajo del circuito durante el tiempo de carga y descarga del inductor debido al voltaje de pulso aplicado a la compuerta de MOSFET. B.3. Simulación del Regulador Reductor-Elevador
Primero se utilizó la opción Schematics de Pspice para desarrollar el circuito como se muestra en la Figura 8.
Time
79.50ms 79.55ms 79.60ms 79.65ms 79.70ms 79.75ms-I(R1)
0A
250mA
500mAV(C1:2)
13.4V
13.6V
13.8V-I(C1)
-2.0A
0A
2.0AI(D2)
0A
1.0A
-I(L1)-2.0A
-1.0A
0AV(V2:+)
0V
40V
SEL>>
Figura 7. Formas de onda de un regulador elevador con MOSFET de potencia. a) Voltaje de compuerta. b) Corriente a través del inductor. c) Corriente a través del diodo. d) Corriente a través del capacitor. e) Voltaje a través del capacitor. f) Corriente a través de la carga.
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Después se llevaron a cabo las simulaciones de dicho diagrama mediante el submenú Setup que
se encuentra en el menú Analisys, en dicho submenú se escogen las opciones de Temperature y Transient.
La opción de temperature se fija en 270, la Tabla 7 muestra los parámetros de los elementos
utilizados para la simulación del circuito, la Tabla 8 muestra los parámetros del diodo D1N914-X y la Tabla 9 los parámetros del IGBT IXGH40N60-X10.
TABLA 7
PARAMETROSROS DEL REGULADOR REDUCTOR-ELEVADOR.
TABLA 8
PARAMETROSROS DEL DIODO D1N194-X.
IS 22.20000E-24 BV 1.800000E+03
TABLA 9
PARAMETROSROS DEL IGBT IXGH40N60-X10 NIGBT.
VT 4.1822 KF 0.36047 CGS 31.942000E-09 COXD 53.188000E-
093 VTD 2.657 TAU 287.560000E-09
KP 5.034 AREA 37.500000E-06
AGD AGD 18.750000E-06
.tran 0 50ms 49.8ms Análisis de transitorio R_R 0 2 50 Resistencia de carga V_Vpulse 4 2 +PULSE 0 30 0 1n 1n 0.024m 0.04m Fuente para pulso de
compuerta V_Vs 1 0 12 Voltaje de entrada L_L 0 3 150uH Inductor L C_C 0 1 200u Capacitor C Z_Z16 1 4 3 IXGH40N60-X10 IGBT Z D_Dm 2 3 D1N914-X Diodo D
Figura 8. Diagrama base de un regulador reductor-elevador con IGBT de potencia
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Las formas de onda obtenidas por la simulación se muestran en la Figura 9:
La simulación mostró que la corriente de carga es prácticamente constante, que el voltaje de salida puede ser menor o mayor al voltaje de entrada como lo muestra la ecuación del voltaje de salida característica de este regulador, pero cuando se varia el ciclo de trabajo par obtener un voltaje de salida mayor al voltaje de entrada, el voltaje de salida se vuelve inestable al grado que ya no es controlable por el ciclo de trabajo y la polaridad del voltaje de salida es inversa a la polaridad del voltaje de entrada[5].
III. CONCLUSIONES
El regulador reductor proporciona una salida de corriente constante y un rizo de voltaje de salida muy pequeño, aumentando el ciclo de trabajo puede aumentar el voltaje de salida hasta un valor no mayor al voltaje de entrada. Para el regulador elevador es necesario un tiempo de estabilización para obtener el voltaje de salida deseado, el cual, nunca es menor al voltaje de entrada. Entre mayor sea el voltaje de salida respecto al voltaje de entrada menor será el control que se tenga de dicho voltaje, ya que el voltaje de salida es muy sensible al cambio del ciclo de trabajo. El regulador reductor-elevador es muy útil ya que se puede variar el voltaje de salida de 0 a un valor muy grande, pero no se tiene suficiente control para valores muy pequeños o muy grandes del voltaje de salida. Se pretende llevar a cabo los tres reguladores en forma física para observar su comportamiento real.
Time
49.80ms 49.82ms 49.84ms 49.86ms 49.88ms 49.90ms 49.92ms 49.94ms 49.96ms 49.98msI(R)
0A
200mA
SEL>>
V(C:2)-8.750V
-8.725V
-8.700VI(C)
-1.0A
0A
1.0AI(Dm)
0A
400mA
I(L)-120.0A
-117.5A
-115.0AV(L:2)
-20V
0V
20V
Figura 9. Formas de onda de un regulador reductor-elevador con transistor de potencia. a) Voltaje de compuerta. b) Corriente a través del inductor. c) Corriente a través del diodo. d) Corriente a través del capacitor. e) Voltaje a través del capacitor. f) Corriente de carga. .
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IV. REFERENCIAS [1] John Q. Attla, ” Pspice and Matlab for electronics and integrated approach,” CRC Press, pp 3�17, 31�37, 43�58 y 99�105. [2] Muhammad H. Rashid, ” Electrónica de potencia, circuitos, dispositivos y aplicaciones,” 3a ed., Prentice Hall, pp 166�221, 264�265. [3] Ned Mohan, Tore M. Undelan, William P. Robbins,” Power Electronics,” John Wiley y Sons Inc, 2a ed., pp 161�196. [4] William H. Hayt, Jr. Jack E. Kemmerly, Steven M. Durbin, ” Análisis de circuitos en ingeniería,” 6a ed., Mc Graw Hill, pp 49�479. [5] Robert Bell,”Constant-on-time buck-boost regulator converts a positive input to a negative output,”National Semiconductor Inc., Chandler, AZ. [6] Francis Rodes, “Build a transformeless 12V-to-180V dc/dc converter,”ENSEIRB/IXL, Talance, France. [7] K. Ogata, “Ingenieria de control moderna,” 4a. Ed., Prentice Hall, 2002. [8] R.W. Erickson y D. Maksimoivc, “Fudamental of Power Electronics,” 2a. Ed., Kluwer Academic Press, 2001.
