Completo_Sustentacion Final Convertidor

7/25/2019 Completo_Sustentacion Final Convertidor

1/58

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


2/58

CONTENIDO

Objetivo general

Objetivos especficos

Antecedentes Simulaciones

Diseo y construccin

Anlisis y comparacin de resultados

Conclusiones

Recomendaciones y trabajos futuros


3/58

OBJETIVO GENERAL

Determinar los distintos parmetros de rendimientode un convertidor DC-DC de varias etapas.


4/58

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.


5/58

ANTECEDENTES


6/58

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 :

=


7/58

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


8/58

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 ( )


9/58

Configuracin del conversor con 4 fases


10/58

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.


11/58

SIMULACIN


12/58

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


13/58

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


14/58

SIMULACIN IDEAL

Esquema utilizado para la simulacin ideal de la configuracin de una rama


15/58

VARIACION DE PARAMETROS

Efecto del aumento de la frecuencia de conmutacin.

Tensin Salida


16/58


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


17/58


Efecto discontinuidad corriente en la bobina.

Tensin en el diodo


18/58


Efecto variacin capacitancia.

Corriente Salida


19/58


Efecto variacin de la carga.

Corriente entrada vs Corriente Salida


20/58


Efecto variacin del ciclo de trabajo.

Tensin de Salida


21/58


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


22/58

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


23/58


Esquema simulacin con componentes modelados.

Corriente Bobina, Tensin y Corriente de Salida.

Una Rama


24/58



Corriente Bobinas, Tensin y Corriente de Salida.

Dos Ramas


25/58



Cuatro Ramas


26/58


Corriente Bobinas, Tensin y Corriente de Salida.

Cuatro Ramas


27/58


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


28/58

DISEO Y CONSTRUCIN


29/58

DISEO Y CONSTRUCCIN

Modelo por etapas del sistema del Convertidor Reductor Implementado.


30/58

ETAPA DE CONTROL DE CONMUTACIN

PARMETROS

VCC= 7-12 VICC = 40 mA

VO = 5 VICC = 40 mAPines PWM = 15Timers= 5Velocidad del Reloj = 16 MHz


31/58

Puertos utilizados para conmutar los transistores


32/58

Diagrama de tiempos AtMEGA

Tomado de la Hoja de datos del microcontroladorAtMEGA 328.


33/58

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:

=

[]


34/58

Diseo de Fuentes Aisladas

PARMETROSVF= 5 V

V0 = 15 VIQ= 34 mA


35/58

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


36/58

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


37/58

PARMETROS

Vr = 40 V

VF= 0.47 V

IF = 5 A

trr= 30 ns

Diodo

ETAPA DE FILTRADO


38/58

ETAPA DE FILTRADO

PARMETROS

Inductancia = 22 H

DCR = 2.60 m

Isat= 12 A

f= 500 khz

CondensadorCapacitancia = 47F

V=25 V


39/58

Uso del programa Eagle

Diagrama esquemtico del circuito impreso.


40/58

DISEO Y CONSTRUCCIN

Diseo del circuito impreso.


41/58

ANALISIS Y COMPARACIN DERESULTADOS

ANLISIS COMPARACIN


42/58

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


43/58


Dos Ramas


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


44/58


Cuatro Ramas


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


45/58


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


46/58


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


47/58

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


48/58

CONCLUSIONES

CONCLUSIONES


49/58

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.


50/58

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.


51/58

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.


52/58

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.


53/58

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.


54/58

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.


55/58

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


56/58

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


57/58

PREGUNTAS


58/58

Documents

Completo_Sustentacion Final Convertidor