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S ISTEMAS E LECTRÓNICOS DE ALIMENTACIÓN

I.T.T.(S.E.) -Universitat de València- Curso 03/04 1

Práctica 3: Análisis y ensayo del Convertidor BUCK.

Objetivo:

• Comprender y analizar el funcionamiento del convertidor conmutado sin aislamientogalvánico tipo BUCK.

• Visualización de las principales formas de onda de la etapa de potencia. Identificación de losmodos de funcionamiento continuo y discontinuo.

• Ajuste y puesta en funcionamiento del convertidor diseñado.

• Realización de las medidas de rendimiento, regulación de línea, regulación de carga, rizado,ruido, etc.

Contenido de la Práctica:

1.- Trabajo previo: Estudio de las características del convertidor Buck (reductor).

2.- Especificaciones:

Diseño BUCK: V12:Vi = ii V0.3:V ⋅=∆ V6.3Vi =∆ V0.6:VF =

V3.3:Vo = A3.0:Iomín = A2:Iomáx =

Hz1075:f 3s_buck ⋅=

La estructura de este convertidor se muestra a continuación:

Control PWM

Carga

DC no regulada DC reguladaConvertidor DC-DC

Fi

F buck

VV

VVo:D

+

+=


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- Circuito de control y disparo del conmutador:

El control se realiza a través de un modulador de anchura de pulsos. Para ello se utiliza elintegrado UC3524. Su función consiste en proporcionar un pulso rectangular de duraciónprogramable y frecuencia fija. Además la posibilidad de no disponer el terminal source del Mosfetutilizado referido a un punto de tensión constante (Convertidor Buck) hace necesario utilizar un

circuito de disparo aislado. Para estas dos funciones utilizaremos la placa de control realizada enla practica 2.

3.- Montaje: Placa de control PWM con driver aislado + Placa base de losconvertidores conmutados sobre placa de circuito impreso.Módulos independientes para el conmutador, Inductancia, Diodo yCondensador.

CONMUTADOR: MOSFET BUZ71L Vds=50V Ids = 13A Rds(on)=0.12Ω

DIODO: BYV43/45 Vrrm=45V IF(AV)=30A VF


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Conociendo para cada convertidor la inductancia necesaria y la corriente máxima quecircule por ella, podemos para el núcleo escogido, fijar el producto Bm*Jmax, donde Jmax es ladensidad de corriente que vendrá fijada por las perdidas del bobinado y Bm es la máximadensidad de flujo magnético que admite el material seleccionado sin llegar a saturarse(material N27 o 3C8 tienen una Bsaturación: 0.22-0.3 Teslas.)

Veamos un circuito magnético donde se ha añadido un gap o entrehierro:

I+

-

lg

lm

+

-

lm lg V

I

VNI

Ae

lg

Aeµ N

R

N L µlmµlg si 0

2

g

2

efec0

⋅⋅==⇒⋅>⋅

La introducción del gap (lg) implica una reducción de la inductancia efectiva, pero permitemayor capacidad de corriente sin saturar al núcleo, además de hacer que la inductancia seapredecible e independiente de variaciones de temperatura, nivel de flujo o modificaciones delas propiedades del material magnético ante su proceso de fabricación

Seleccionamos N 45 = A e 0.597

L l g1

....4 π 109

A e N2

l g1

Entrehierro (cm) Inductancia (uH)0.02 506.4

0.05 303.8

0.07 217.0

0.10 151.9

0.15 101.3

0.24 63.3

0.30 50.6

Placa de soporte:

+

Vin

-

CARGA


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4. RESULTADOS EXPERIMENTALES 4.1.-PWM Calcular, a partir de las especificaciones del convertidor Buck, el ciclo de trabajo máximo ymínimo de funcionamiento:

CONVERTIDOR BUCK

DmaxDmin

Disponer los Interruptores en la siguiente posición:

SW2 SW1 R4 R3 SW3 C12 R15 Abierto(Sin puente)

Cortocircuito 27kΩ Cortocircuito A tierra.(Puente en partesuperior.)

Cortocircuito 270Ω

Para comprobar el correcto funcionamiento del PWM seguir los siguientes pasos:

1. Fijar: Vin = 12V para la alimentación de la placa y Vo = 3.3V. Se va a utilizar la mismatensión de alimentación de 12V para la placa PWM y para el Buck.

2. Con SW2 abierto variar P1 para fijar un ciclo de trabajo en la salida PWM de emisor deaproximadamente:

Fi

Femisor

VV

VVo:D

+

+= = ........

Dicho valor estará comprendido entre los valores máximo y mínimo calculados previamente.De esa forma al aplicar esta señal de disparo al mosfet del convertidor buck obtendremosuna tensión de salida Vo de aproximadamente 3.3V. En ese momento la tensión en laspatillas inversora y no inversora del amplificador de error debe ser en ambas deaproximadamente 2.5V.

3. Conectar SW2 (puente en parte superior) comprobando que la señal de disparo setransmite correctamente a la salida del circuito de disparo aislado (VGS).

4. Desconectar la fuente de alimentación.

4.2. Convertidor BUCK

1. Conectar los 4 módulos que forman el convertidor BUCK en la placa base tal como seindica en el guión.

2. Conectar una carga de 5.6Ω.

4.3. Conexión PWM – BUCK

1. Conectar el circuito de control (PWM) al convertidor tal como se indica:

GPWM (rojo) → GBUCK

SPWM (negro)→ SBUCK

2. Conectar la alimentación común de 12V al circuito de control y a la placa de potencia yajustar la limitación de corriente a aproximadamente 0.5A. Conectar una tensión de 3.3V

+

Vin

-

+

Vo

-

A B

C D

Buck


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auxiliar a Vo de la placa de control (Lazo abierto). Con estas condiciones ajustar el ciclode trabajo para obtener a la salida del convertidor Buck una tensión aproximada de 3.3V.

3. Apagar la fuente, desconectar la tensión auxiliar Vo de la placa de control y realimentar elcircuito (lazo cerrado). Encender de nuevo la fuente y comprobar la tensión a la salida delconvertidor Buck.

4.4. Modo de funcionamiento contínuoDibujar las formas de onda indicadas a continuación: IMPORTANTE: Deben indicarse en cada oscilograma los niveles de tensión, identificandoen cada uno de éstos los tramos correspondientes a los tiempos de conducción (ton) y corte(toff ) del transistor, verificando a su vez que los niveles obtenidos se corresponden con losteóricos. Explicar brevemente las formas de onda obtenidas.

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CH1: ....... CH2: ....... B.T.: ....... VDS = VD - VS

CH1: ....... CH2: ....... B.T.: ....... VL=VL+-VL-


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CH1: ....... CH2: ....... B.T.: ....... VKA(diodo) e IL

CH1: ............. B.T.: ............. Idiodo

CH1: ............. B.T.: ............. IMOS


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• Obtener teóricamente, a partir de las especificaciones del convertidor, la tensión máximaque debe ser capaz de bloquear el transistor y la corriente máxima que puede circular através de éste. A partir de las formas de onda anteriores determinar dichos valores deforma experimental. Comparar los valores teóricos y experimentales y justificar laselección adoptada para el transistor.

Valores teóricos Valores experimentales

VDS (max)IMOS (max)

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• Obtener teóricamente, a partir de las especificaciones del convertidor, la tensión inversamáxima que debe ser capaz de bloquear el diodo, así como los valores de la corrientemedia y máxima a su través. A partir de las formas de onda anteriores determinar dichosvalores de forma experimental. Comparar los valores teóricos y experimentales y justificar

la selección adoptada para el diodo.

Valores teóricos Valores experimentales

VRRMIF (AV)

IF (max)

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......................................................................................................................................................

......................................................................................................................................................

......................................................................................................................................................

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CH1: .............. B.T.: .............. ∆Vo


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Variación de la tensión de salida frente al ciclo de trabajo.

El ciclo de trabajo de la señal de disparo que proporciona el circuito de control (en lazocerrado) depende de Vo ya que en cuanto se detecte una pequeña variación de éstarepercutirá en la salida proporcionada por el amplificador de error del PWM y por tanto en el

ciclo de trabajo de la señal de disparo (aumentando o disminuyendo). Con ello se logramantener la tensión Vo, fijada al principio según las especificaciones dadas para elconvertidor. Por otra parte es posible controlar el ciclo de trabajo actuando directamentesobre el potenciómetro P1, según la variación que se produzca, la tensión de salida delconvertidor podrá aumentar o disminuir.

Indicar en la siguiente tabla la variación de la tensión de salida del convertidor en funcióndel ciclo de trabajo, variando éste en un intervalo del 25% al 40%.

Vo(V) Duty(%)teórico. Duty(%)experim.

Al disminuir el ciclo de trabajo por debajo del 25%, fijarse que la tensión de salida estálimitada a un valor mínimo de 2.5V que corresponde con la tensión en la patilla no inversoradel amplificador de error.

Por otra parte, la presencia del zener Dz_3V9 limita el valor del ciclo de trabajo a unmáximo del orden de entre el 40 y el 45%.

Al finalizar, volver a ajustar P1 para obtener 3.3V de salida.

Regulación de líneaEste parámetro se define como la máxima desviación de la tensión de salida respecto a su

valor nominal para variaciones de la tensión de entrada entre sus valores extremos con cargamáxima.

La regulación se calculará mediante la siguiente fórmula:

x100V0nom

|V n)0(input_mí-V x)0(input_má| =RL[%] con VOnom = 3.3V

Cuando Vin disminuye por debajo de 8.5V, el ciclo de trabajo queda fijado en un valorinferior al 50%, debido a la presencia de Dz_3V9.

Vin 8.5V 9.5V 10.5V 12V 13.5V 14.5V 15.5V

V0

La regulación de línea será pues: RL[%] = ..........Volver a ajustar Vin = 12V.

Regulación de carga

Donde por regulación de carga se entiende la diferencia entre la medida de V0 paramáxima carga y V0 para circuito abierto, o para la mínima carga especificada en elconvertidor, siempre bajo condiciones de V in nominal.


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Vin nominal= 12V R = 5.6Ω x100 V 0nom

| )R Lmin( V 0 - )R Lmax ( V 0 | =RC[%]

RL R/2 R R+R/2 2⋅R

Io

V0

La regulación de carga será pues: RC[%] = ..........

Rendimiento

Se define como el cociente entre la potencia de salida y la potencia de entrada expresadaen porcentaje. Normalmente se especifica a máxima carga y a Vin, nom.

Vin nominal= 12V R = 5.6Ω 1000 ⋅=⋅

⋅

⋅

ininin

00

P

P 100

I V

I V =η

RL R/2 R R+ R/2 2RV0

I0

Vin

Iin

η

El rendimiento será: η = ...........

4.5. Modo de funcionamiento discontínuo

Para el valor de la inductancia utilizada, calcular la corriente de salida para la que sealcanza el modo de funcionamiento discontínuo.

L= ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ µH ( ) =−⋅⋅⋅⋅

= D1Df L2

VI

s

indisc ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ A

Seleccionar una carga para que se alcance dicho modo:

RL ≥ ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ Ω Escogemos RL = ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ Ω

Ajustar el ciclo de trabajo para mantener la tensión de salida especificada de 3.3V.

Dibujar las formas de onda indicadas a continuación: IMPORTANTE: Deben indicarse en cada oscilograma los niveles de tensión, identificandoen cada uno de éstos los tramos correspondientes a los tiempos de conducción(ton) y corte(toff ) del transistor, verificando a su vez que los niveles obtenidos se corresponden con losteóricos. Explicar brevemente las formas de onda obtenidas.


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CH1: ....... CH2: ....... B.T.: ....... VDS = VD - VS

CH1: ....... CH2: ....... B.T.: ....... VL=VL+-VL-

CH1: ....... CH2: ....... B.T.: ....... VKA(diodo) e IL


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CH1: ............. B.T.: ............. Idiodo

CH1: ............. B.T.: ............. IMOS

CH1: .............. B.T.: .............. ∆Vo


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Veamos a continuación las formas de onda más características del convertidor Buck enmodo continuo:

VDS(VDS transistor)

VL (Vinductor)

VDfw (VKA diodo)

Is(I transistor)

IL (I inductor)

IDfw (IAK diodo)

ICo (I Condensador)

VIN+Vf

VDS (on)0

Vin-Vo /LVo/L

(VIN- VDS (on)) -Vo

Vo +Vf

0


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Veamos a continuación las formas de onda características del convertidor Buck enmodo de funcionamiento discontinuo (DCM):

VDS

(VDS transistor)

VDfw(VKA diodo)

Is(I transistor)

IL (I inductor)

IDfw (IAK diodo)

ICo (I Condensador)

0

0

0

Vin+Vf

0

Vin-Vout

VDS(on)

0

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