UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN

FACULTAD DE INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

PROYECTO Y CONSTRUCCIÓN DE UN CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSIÓN (BOOST) EN MODO DE

CONDUCCIÓN DISCONTINUA

Responsables por el estudio:

MARAZA JALIRI SAMED CYLE HUGO

PAREDES PAREDES ALEX FERNANDO

QUISPE ERQUINIGO HÉCTOR

MERMA DURAND LUIS FERNANDO

AREQUIPA- PERÚ

Mayo, 2015

1

Resumen del Informe Final para la disciplina de Laboratorio de Electrónica de Potencia;

curso de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Nacional de San Agustín.

PROYECTO Y CONSTRUCCIÓN DE UN CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSIÓN (BOOST) EN MODO DE

CONDUCCIÓN CONTINUA

Setiembre/2015

Profesor: Ing. Ivar Ordoñez Carpio

Palabra Clave: Conversor CC-CC, Conversor Boost, Conducción continua...

2

CONTENIDO

Introducción

1 Operación del Conversor CC-CC Boost MCC................................................................................o

1.1 - Etapas de operación del conversor:..............................................................................1.2 - Principales Formas de Onda:........................................................................................1.3 - Ganancia Estática:.........................................................................................................

2 Projeto do Conversor.........................................................................................................................

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

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

4.1 Estado de Potencia........................................................................................................54.2 Circuito de Comando......................................................................................................4.3 Cálculo Térmico..............................................................................................................

5 Construcción del Prototipo................................................................................................................

6 Resultados Experimentales................................................................................................................

6.1 Formas de Onda..............................................................................................................6.2 Rendimento.....................................................................................................................6.3 Esquemas y Layout.........................................................................................................

7 Conclusión......................................................................................................................................... .

8 Referencias Bibliográficas.................................................................................................................

I Apendice A – Proyecto Físico del Inductor....................................................................

3

OPERACIÓN DEL CONVERSOR CC-CC BOOST MCC

En el conversor CC-CC Boost MCC, se establece una tensión de salida Vo superior a la tensión de entrada Vi y al igual que el convertidor reductor, el convertidor elevador puede funcionar en MCC y en MCD.

Se analizará en lo sucesivo cada modo de operación por separado teniendo en cuenta las siguientes suposiciones.

1.1 – ETAPAS DE OPERACIÓN DEL CONVERSOR:

En el conversor CC-CC Boost,....

Figura 1: Topología de un conversor boost

En la 1ª etapa de operación.

El interruptor S esta encendido.

El diodo se polariza en inversa.

El voltaje de entrada suministra energía al inductor.

La etapa de salida queda aislado con respecto a la entrada.

4

Figura 2: Circuito resultante del convertidor con S cerrado.

En la 2ª etapa de operación.

El interruptor S esta apagado. El diodo se polariza en directa. La etapa de salida recibe energia tanto del inductor como de la entrada.

Figura 3: Circuito resultante del convertidor con S abierto.

En la 3ª etapa de operación

La etapa de salida queda aislado de la entrada, donde el capacitor esta en paralelo con la resistência.

El capacitor le entrega la energia a la resistencia que cargo durante la segunda etapa.

5

Figura 3: Circuito resultante del convertidor con S cerrado.

1.2– PRINCIPALES FORMAS DE ONDA:

1.1 – GANANCIA ESTÁTICA Y PUNTO DE OPERACIÓN:

Ganancia Estática

6

En los circuitos de electrónica de potencia toda la energía almacenada es transferidaa la salida (balance de energía).

Por el balance de energía el área “A” es igual al área “B” en la figura 9

Figura 15 - Balance de Energía

De igualar el área A con el área B obtenemos la fórmula de ganancia estática

E D T( ) 1 D( ) T Vo E

E 1 D( ) Vo

Vo

E

1

1 D ........................................ Ecuación 1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

2

4

6

8

10

12

V D( )

D

Figura 16 - Relación Vo/E en función del ciclo de trab

7

PROYECTO DEL CONVERSOR

CAPÍTULO 2

2.1. Las especificaciones y ecuacionamiento de esfuerzos de los dispositivos:

Calculo de la corriente de salida:

Calculo de la corriente de salida:

Calculo de la ciclo de trabajo:

Por potencias encontramos la corriente de entrada:

Po 100W

Io

Po

Vo

E 36V Vo 72V fs 25KHz

Io 1.389A

Ro

Vo

Io Ro 51.84

E D T( ) 1 D( ) T Vo E

E 1 D( ) Vo

Vo

E

1

1 D

D 1E

Vo D 0.5

IS IE ID

IS IE Io

ESFUERZOS DE LOS DISPOSITIVOS .- INTERRUPTOR:

Corriente media:

Finalmente encontramos Is :

................(1)

Asumiendo que t=0, determinamos b:

Reemplazando en la ecuación (1).

Sabemos que:

Siendo la variación de corriente del inductor

Para nuestros cálculos tomamos el 20%

Determinado la corriente máxima y mínima del inductor:

9

E IE Vo Io

IE

Vo

EIo

Io

1 D

IS

Io

1 DIo

IS Io1

1 D1

D

1 DIo

ISD

1 DIo

IS 1.389A

IS t( )I L

D Tt b( )

IS 0( ) ILmin ILmin

I L

D Tb( ) b

ILmin D T

I L

IS t( )I L

D Tt

ILmin

I LD T

ISef1

T0

D T

tIS t( ) 2

d

IL IS Io

I L 0.2 IL I L 0.556A

Corriente eficaz:

Finalmente de la ecuación (2) obtenemos la corriente eficaz en el interruptor:

ISef I L D1

3

ILmin

I L1

ILmin

I L

ISef 1.967A

Tensión máxima inversa:

VSmax Vo

DIODO.-

Corriente media.-

Corriente eficaz.-

Despejando b

bILmax

I L1 D( ) T

Finalmente ID

ID t( )

I L

1 D( ) Tt

ILmax

I L1 D( ) T

10

ILmax 3.056A

ILmin 2.5AILmin IL

I L

2

ILmax IL

I L

2

VSmax 72V

ID 1.389A

ID t( )I L

1 Dt b( )

ID Io

t 0 ID 0( ) ILmax ILmax

I L

1 D( ) Tb( )

IDef1

T0

D T

tID t( ) 2

d

IDef I L 1 D( )1

3

ILmax

I L

ILmax2

I L2

IDef I L 1 D( )

1

3

ILmax

I L1

ILmax

I L

IDef 1.967A

Tensión máxima inversa

VDmax Vo

INDUCTOR:

Corriente media.-

IL IE

IL

Io

1 D

IL 2.778A

Corriente eficaz.-

CAPACITOR:

Corriente eficaz.-

Icoef IDef2

Io2

Tensión media.-

11

VDmax 72V

ILef ISef2

IDef2 ILef 2.782A

Vcomax 72V

Vcomax Vo

Icoef 1.394A

2.2 DIMENSIONAMIENTO:

2.2.1 Corriente en el diodo:

2.2.2 Corriente en el inductor:

2.2.3 Corriente en el interruptor:

2.2.4 Calculo Inductor:

Por tanto el inductor es:

2.2.5 Cálculo del Capacitor:

Vc 0.01Vo 0.72V

VC

Q

C

C

Io D

fs Vc

C 3.858 105 F

12

IL

Io

1 D2.778A

ISD

1 DIo IS 1.389A

ID Io ID 1.389A

I L. 0.1 IL

E LI L

D T

LE D

I L fs

L 1.296 103 H

CAPÍTULO 3

SIMULACIÓN DEL CONVERSOR

SIMULAR:

CORRIENTE POR EN INDUCTOR L1

VOLTAJE POR EL INDUCTOR

CORRIENTE DEL DIODO

13

VOTAJE DEL DIODO

CORRIENTE DEL CONDENSADOR

CORRIENTE DE SALIDA

VOLTAJE DE SALIDA

CAPÍTULO 4

DIMENSIONAMIENTO DEL ESTADO DE POTENCIA Y DEL CIRCUITO DE COMANDO

14

ESTADO DE POTENCIA

PROYECTO FISICO DEL INDUCTOR

1. Constantes:

Flujo de induccion max.

Densidad max. de corriente

Factor de utiliz. del area del nucleo

Permeabilidad del aire

2. Seleccion del Nucleo:

AeAwL ILmax ILef

BmaxJmax kw1.312cm

4

Nucleo Seleccionado: E-42/15

Ae 1.81cm2

Aw 1.57cm2

lespira 9.7cm

mnucleo 20.2g

3. Calculo del numero de espiras:

NL ceilL ILmax

BmaxAe

73

Bmax

L ILmax

NL Ae0.3T

4. Calculo del entrefierro:

lgap

NL2 0 Ae 10

2m

cm

L0.935mm

5. Dimensionamiento del conductor:

7.5s

0.5cm

fs0.047cm

Diametro del conductor:

15

Bmax 0.3T

Jmax 400A

cm2

kw 0.7

0 4 107

H

m

Dcond 2 0.095cm

Scond

ILef

Jmax6.956 10

3 cm2

Seccion del conductor:

ncond ceilScond

Scu

14

6. Calculo de Perdidas:

6.1 Perdidas en el cobre:

lcond NL lespira 7.081m

Rcobre

cond lcond

ncond0.229

Pcobre Rcobre ILef2

1.771W

6.2 Perdidas magnéticas:

16

BL I L

NL Ae0.054T

Pp 3.8mW

g

Pnucleo Pp mnucleo 0.077W

6.3 Resistencia Térmica del Núcleo:

Rtnucleo 23 Ae Aw1

cm4

0.37 °C

W15.628

°C

W

6.4 Elevacion de la Temperatura:

Pcobre 1.771W

Pnucleo 0.077W

T Pcobre Pnucleo Rtnucleo 28.878K

7. Posibilidad de Ejecucion:

Aw_min

NL Scu_ais ncond

kw1.028cm

2

ExecAw_min

Aw0.655

INTERRUPTOR:

1.1 Caracteristicas:

Rson 1

Ta 45°C

Tsj_max 150°C

Rsja 60°C

W

tf 16ns

tr 22ns

1.2 Perdidas por conducción:

17

Ps_cond ISef2

Rson 3.871W

1.3 Perdidas por conmutación:

Ps_com

fs

2tr tf ILmax VSmax 0.105W

1.4 Pérdidas totales:

PT Ps_cond Ps_com 3.975W

1.5 Resistencia térmica:

Rja_max

Tsj_max Ta

PT26.413

°C

W

TSJ Rsja PT Ta 283.523°C

TSJ > Tsj_max entonces precisa de Disipador

DIODO:

MUR410

2.1 Características:

VTO 1.25V

RDja 28°C

W

18

Tdj_max 175°C

2.2 Perdidas por conducción:

PD rd IDef2

VTO ID 1.736A

2.3 Resistencia térmica:

RDja_max

Tdj_max Ta

PD74.88V

°C

W

PDRDja 48.611A K s

3

m2

kg

Ta 45°C

TDJ RDja PD Ta Ta

TDJ 48.611 45 93.611

TDJ < Tdj_max entonces no es necesario Disipador

CAPACITOR:

RSEVc

ICmax2.592

19

rd 0

Vc 0.72VICmax

I L

20.278A

Se selecciona un capacitor de 2.2uF/160V

CAPÍTULO 5

CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO

1. CÁLCULO DE LOS COMPONENTES DEL CI UC3525

El circuito de control utilizado es el CI. UC3525, un modulador que tiene cuatro salidas, dos de los cuales vamos a utilizar, el de arranque suave y modos de protección adicional, no se utilizará en este proyecto.

20

(CI UC3525)

1.1. OSCILADOR

El CI UC3525 tiene un oscilador interno cuya frecuencia depende de la constante de tiempo de un conjunto de condensadores y resistencias definidas por el usuario. La frecuencia es la expresión aproximada.

……………………………(*)

Dónde:

RD=0

de la ecuación (*) tenemos:

…………………..(**)

Como tenemos fs utilizando la figura (1) para hallar el valor de CT entonces:

21

FIGURA (1)

Asignando el capacitor

22

fs 25KHz tf1

fs tf 4 10

5 s

CT 20nF

RT1.4286

fs CT RT 2.857 10

3 Vref 5.1V D 0.5 Rtot 102K

Vportmax 3.336V

Vportmin 0.975V

DeterminandonVoltaje de Vc

Vc Vportmax Vportmin D Vportmin

Vc 2.155V

R1

Vref Vc Rtot

Vref5.889 10

4

Por tanto el valor de R1 es:

R1 5.889 104

1.2. RAZÓN CÍCLICA

Para ajustar el ciclo de trabajo, debemos transformar la tensión de control aplicada ala pin 2 del CI, que luego se compara con el diente de sierra generada en el oscilador, lo que resulta un impulso como se ve en la figura (2).

Figura (2)

Dónde:

Vref 5.1V

D:=0.5

Determinado el voltaje VC:

Vc Vportmax Vportmin D Vportmin

Vc 2.155V

23

R2 Rtot R1 4.311 104

R1

Vref Vc R2

Vc5.889 10

4

Rtot 102K

Vportmax 3.336V

Vportmin 0.975V

Para poder hallar el valor de R1 le damos a R2 el valor de:

R2 10k

De la figura(2) anterior vamos a utilizar un divisor de tensión para este propósito. Deducimos las ecuaciones y tenemos:

R1

Vref Vc R2

Vc

Por lo tanto el valor de R1 es:

R1 5.889 104

1.3. SOFT-START CAPACITOR

El condensador de arranque suave se coloca sobre el pin 8, lo cual sirve para aumentar gradualmente el ciclo de trabajo para evitar la sobretensión que podría dañar el convertidor cuando está conectado.

El condensador se calcula utilizando la ecuación siguiente:

Css

tentr ICss

Vref

……………(***)

Dónde:

CAPÍTULO 6

RESULTADOS EXPERIMENTALES

SIMULANDO EL CI UC3525 CON SUS RESPECTIVOS COMPONENTES CALCULADOS

24

valores estandars.

calculo del condensador Css donde :

ICss 50A

tentr 100s

Css

tentr ICss

Vref Css 9.804 10

10 F

Donde la señal de salida del CI UC3525 es:

El tiempo cuando vout=15v es:

El periodo de la onda es:

T=1.7x10-5

Entonces: D=0.47

CONCLUSIÓN

a) Hemos podido comprobar experimentalmente que el conversor boost si es un convertidor elevador que obtiene a su salida una tensión continua mayor que a su entrada en nuestro caso de 36V a 70V.

25

b) Nos hemos dado cuenta que para el cálculo del inductor su inductancia depende de la frecuencia y potencia con la que trabaja nuestro conversor Boost

c) En la parte del bobinado del inductor también hemos descubierto que es mejor bobinar un solo conductor de calibre número 26 que dos conductores calibre numero 30 ya que el de calibre número 26 es más grueso y más fácil de manipular que el de calibre número 30 que es más delgado y un poco complicado para bobinar

d) Para nuestro conversor Boost hemos utilizado el mosfet IRF730A como interruptor, este interruptor requiere de un disipador para evitar que se caliente por las conmutaciones que realiza.

e) Para la parte del controlador del Boost hemos utilizado el circuito integrado UC3525 y hemos remplazado el circuito del gate driver por el circuito integrado MC 33151 porque la onda de salida del UC3525 la mantiene mejor que el gate driver a su salida.

f) Para la construcción del circuito conversor Boots hemos utilizado componentes cercanos a los valores hallados teóricamente ya que en el mercado solo existen dichos componentes en valores estándar. Esto hiso que los valores hallados teóricamente como el voltaje y corriente al compararlos con los valores experimentales tengan una pequeña diferencia ya que para nuestro conversor el voltaje teórico de salida es de 80v,pero el voltaje medido en el circuito físico fue de 72.45V

REFERENCIAS 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.

26

I APÉNDICE A- PROYECTO FÍSICO DEL INDUCTOR

27

Driver.- La mayoría de dispositivos eléctricos y electrónicos requieren tensiones y

corrientes que destruirán los circuitos digitales, por tanto, en términos generales, debemos

confiar dicha labor a los llamados circuitos controladores o drivers.

Semiconductores.- Semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o

como un aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o

magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se

encuentre.

Inductor.- Un inductor, bobina o reactor es un componente pasivo de un circuito

eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma

de campo magnético.

DC.- La corriente continua se refiere al flujo continuo de carga electrica a través de

un conductor entre dos puntos de distinto potencial, que no cambia de sentido con el

tiempo.

Topología.- Es la rama de las matemáticas dedicada al estudio de aquellas propiedades de

los cuerpos geométricos que permanecen inalteradas por transformaciones continuas

28

29