Convertidores CD-CD

Encuentro de Investigación en IE, 17—18 Marzo, 2005
Encuentro de Investigación en Ingeniería Eléctrica
Zacatecas, Zac, Marzo 17 —18, 2005
Convertidores CD-CD
Pablo Salas Castro,
I. Campos-Cantón,
José Jimmy Jaime Rodríguez
Abel Vázquez Ramos,
1
Facultad 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,
1
e-mail: [email protected], [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.
U
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.
83
Encuentro de Investigación en IE, 17—18 Marzo, 2005
84
II. CONTENIDO
A. Teoría de convertidores cd-cd
El circuito base para un Regulador Reductor es el que se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Regulador Reductor.
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.
Encuentro de Investigación en IE, 17—18 Marzo, 2005
85
Figura 2. Regulador Elevador.
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=
1
VS
1− k
(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.
Figura 3. Regulador Reductor-Elevador.
Este regulador proporciona un voltaje de salida que puede ser mayor o menor al voltaje de
Encuentro de Investigación en IE, 17—18 Marzo, 2005
86
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
VS
1− k
(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.
Figura 4. Diagrama base de un regulador reductor con BJT de potencia r.
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.
87
Encuentro de Investigación en IE, 17—18 Marzo, 2005
PARÁMETROS DEL REGULADOR REDUCTOR
.tran
R_R1
V_V2
0 1
1 2
V_V9
L_L1
C_C1
Q_Q4
D_D2
3
4
0
3
0
0 4.5m 4m
500
+PULSE 0 48 0 1ns 1ns 0.016668m 0.04m
0
DC 12
1
145.83u
1
200u
2 4 Q2N2222-X1
4
D1N914-X
Análisis de transitorio
Resistencia de carga
Fuente para pulso
compuerta
Voltaje de entrada
Inductor L
Capacitor C
BJT Q
Diodo D
TABLA 2.
PARÁMETROS DEL DIODO D1N914-X
IS 2.220000E-15
BV 1.800000E+03
TABLA 3.
PARÁMETROS DEL BJT
IS
VAF
NE
RB
MJE
TF
ITF
CN
14.340000E-15
74.03
1.307
10
0.377
411.100000E-12
0.6
2.42
Bf
IKF
BR
RC
CJC
XTF
TR
D
255.9
0.2847
6.092
1
7.306000E-12
3
46.910000E-09
0.87
NF
ISE
NR
CJE
MJC
VTF
XTB
1
14.340000E-15
1
22.010000E-12
0.3416
1.7
1.5
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:
de
88
Encuentro de Investigación en IE, 17—18 Marzo, 2005
100V
SEL>>
0V
V(Q4:b)
3.0A
2.0A
1.0A
I(L1)
4.0A
2.0A
0A
Ic(Q4)
4.0A
0A
-4.0A
-I(C1)
14V
12V
10V
V(C1:2)
20mA
10mA
0A
4.00ms
4.05ms
-I(R1)
4.10ms
4.15ms
4.20ms
4.25ms
4.30ms
4.35ms
4.40ms
4.45ms
4.50ms
Time
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.
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.
Figura 6. Diagrama base de un regulador elevador con MOSFET de potencia.
89
Encuentro de Investigación en IE, 17—18 Marzo, 2005
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.
.tran
R_R1
V_V2
V_V1
L_L1
C_C1
M_M6
D_D2
0
2
1
1
0
3
0
0ns 79.75m 79.5m
4
30
0
+PULSE 0 30 0 1n 1n 0.026668m 0.04m
0
5
3
150u
4
220u
2 0 0 MbreakND-X + M=15K
3
D1N914-X1
Análisis de transitorio
Resistencia de carga
Fuente para pulso de compuerta
Voltaje de entrada
Inductor L
Capacitor C
Mosfet M
Diodo D
TABLA 5
PARAMETROSROS DEL DIODO D1N194-X.
IS 2.220000E-18
BV 1.800000E+03
TABLA 6
PARAMETROSROS DEL MOSFET MBREAKND-X NMOS.
L
KP
LAMBDA
PB
CJSW
CGBO
UCRIT
LETA
TEMP
100.000000E-06
20.000000E-06
0
0.8
0
0
10.000000E+03
0
0
W
GAMMA
IS
PBSW
CGSO
TOX
DIOMOD
WETA
VDD
100.000000E-06
0
10.000000E-15
0.8
0
0
1
0
0
VTO
PHI
JS
CJ
CGDO
XJ
VFB
UO
XPART
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:
2.1
0.6
0
0
0
0
0
0
0
90
Encuentro de Investigación en IE, 17—18 Marzo, 2005
40V
SEL>>
0V
V(V2:+)
0A
-1.0A
-2.0A
-I(L1)
1.0A
0A
I(D2)
2.0A
0A
-2.0A
-I(C1)
13.8V
13.6V
13.4V
V(C1:2)
500mA
250mA
0A
79.50ms
-I(R1)
79.55ms
79.60ms
79.65ms
79.70ms
79.75ms
Time
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.
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.
91
Encuentro de Investigación en IE, 17—18 Marzo, 2005
Después se llevaron a cabo las simulaciones de dicho diagrama mediante el submenú Setup que
Figura 8. Diagrama base de un regulador reductor-elevador con IGBT de potencia
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.
.tran
R_R
0 2
V_Vpulse 4 2
V_Vs
L_L
C_C
Z_Z16
D_Dm
1
0
0
1
2
0 50ms 49.8ms
50
+PULSE 0 30 0 1n 1n 0.024m 0.04m
Análisis de transitorio
Resistencia de carga
Fuente para pulso
compuerta
Voltaje de entrada
Inductor L
Capacitor C
IGBT Z
Diodo D
0
12
3
150uH
1
200u
4 3 IXGH40N60-X10
3
D1N914-X
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
COXD 53.188000E093
KP
5.034
KF
VTD
0.36047
2.657
AREA 37.500000E06
CGS 31.942000E-09
TAU 287.560000E-09
AGD AGD
06
18.750000E-
de
92
Encuentro de Investigación en IE, 17—18 Marzo, 2005
Las formas de onda obtenidas por la simulación se muestran en la Figura 9:
20V
0V
-20V
V(L:2)
-115.0A
-117.5A
-120.0A
I(L)
400mA
0A
I(Dm)
1.0A
0A
-1.0A
I(C)
-8.700V
-8.725V
-8.750V
V(C:2)
200mA
SEL>>
0A
49.80ms
49.82ms
I(R)
49.84ms
49.86ms
49.88ms
49.90ms
49.92ms
49.94ms
49.96ms
49.98ms
Time
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.
.
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.
Encuentro de Investigación en IE, 17—18 Marzo, 2005
93
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.