UNIVERSIDAD SANTO TOMAS ELECTRONICA DE POTENCIA Abstract—This paper is done for make a analysis and design guide for high frequency switched converter Buck (reducer). I. INTRODUCIÓN N el presente trabajo se realiza un añalisis y diseño de un convertidor conmutado de alta frecuencia en su topología Buck. E Dentro del campo de la electrónica el estudio de las fuentes de alimentación es un tema de suma importancia debido a la incontable cantidad de aplicaciones que necesitan del uso de estos dispositivos para su funcionamiento. Entre las múltiples aplicaciones se pueden encontrar fuentes de alimentación de computadores, cargadores de baterías, de teléfonos, en fin, de cualquier dispositivo electrónico portátil. Dentro de este sinfín de aplicaciones los convertidores conmutados de alta frecuencia toman un papel de suma importancia debido a las características eléctricas y físicas de los dispositivos, ya que presentan mejores características en variables como lo son las conversiones de voltaje en estado estacionario, las características del rizado de salida y la naturaleza de las corrientes de entrada y de salida, entre otras. Su principio básico de funcionamiento se da por medio de la conmutación rápida de los elementos interruptores, los cuales modifican las formas de ondas de corriente a través del convertidor, principio que permite al circuito obtener un nivel de tensión promedio en sus terminales de salida que coincida con la tensión de referencia planteada. El control de la magnitud de tensión de salida se da por medio de un lazo de control el cual muestrea la tensión de salida del convertidor y realiza acciones de control sobre los elementos internos del convertidor de manera que regula el tiempo de encendido de un transistor de paso (modulación por ancho de pulso) o modifica el tiempo de conmutación del convertidor manteniendo un tiempo de encendido del transistor fijo (frecuencia variable). En los inicios del desarrollo de la electrónica se dio la utilización de fuentes lineales, sin embargo existen gran cantidad de inconvenientes al utilizar este tipo de fuentes, ya que tienen un gran tamaño y disipan la mayor parte de la energía en forma de calor, además de que presentan características muy pobres de regulación de tensión que afectan el funcionamiento del equipo. Conforme se dio el avance de la electrónica los equipos se fueron tornando más susceptibles a variables como sobre-tensiones, cambios bruscos o ruido en las tensiones de alimentación, haciendo esto imprescindible el uso de fuentes de alimentación reguladas que garanticen características más adecuadas de la tensión que ingresa al equipo Las fuentes conmutadas presentan ciertas características que las hacen ser recomendadas con respecto de las lineales; como son la mayor eficiencia (superior al 90% comparada con el 70% de FUENTE CONMUTADA REDUCTORA “BUCK” Jhoan Miguel Escobar, Diego Alberto Verdugo 1
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UNIVERSIDAD SANTO TOMAS ELECTRONICA DE POTENCIA
Abstract—This paper is done for make a analysis and design guide for high frequency switched converter Buck (reducer).
I. INTRODUCIÓN
N el presente trabajo se realiza un añalisis y diseño de un convertidor conmutado de alta frecuencia en su topología
Buck. E
Dentro del campo de la electrónica el estudio de las fuentes de alimentación es un tema de suma importancia debido a la incontable cantidad de aplicaciones que necesitan del uso de estos dispositivos para su funcionamiento. Entre las múltiples aplicaciones se pueden encontrar fuentes de alimentación de computadores, cargadores de baterías, de teléfonos, en fin, de cualquier dispositivo electrónico portátil.
Dentro de este sinfín de aplicaciones los convertidores conmutados de alta frecuencia toman un papel de suma importancia debido a las características eléctricas y físicas de los dispositivos, ya que presentan mejores características en variables como lo son las conversiones de voltaje en estado estacionario, las características del rizado de salida y la naturaleza de las corrientes de entrada y de salida, entre otras. Su principio básico de funcionamiento se da por medio de la conmutación rápida de los elementos interruptores, los cuales modifican las formas de ondas de corriente a través del convertidor, principio que permite al circuito obtener un nivel de tensión promedio en sus terminales de salida que coincida con la tensión de referencia planteada. El control de la magnitud de tensión de salida se da por medio de un lazo de control el cual muestrea la tensión de salida del convertidor y realiza acciones de control sobre los elementos internos del convertidor de manera que regula el tiempo de encendido de un transistor de paso (modulación por ancho de pulso) o modifica el tiempo de conmutación del convertidor manteniendo un tiempo de encendido del transistor fijo (frecuencia variable).
En los inicios del desarrollo de la electrónica se dio la utilización de fuentes lineales, sin embargo existen gran cantidad de inconvenientes al utilizar este tipo de fuentes, ya que tienen un gran tamaño y disipan la mayor parte de la energía en forma de calor, además de que presentan características muy pobres de regulación de tensión que afectan el funcionamiento del equipo. Conforme se dio el avance de la electrónica los equipos se fueron tornando más
susceptibles a variables como sobre-tensiones, cambios bruscos o ruido en las tensiones de alimentación, haciendo esto imprescindible el uso de fuentes de alimentación reguladas que garanticen características más adecuadas de la tensión que ingresa al equipo
Las fuentes conmutadas presentan ciertas características que las hacen ser recomendadas con respecto de las lineales; como son la mayor eficiencia (superior al 90% comparada con el 70% de las lineales), transformadores de menor tamaño y costo El principal inconveniente es que como trabaja con alta frecuencia (superior a los 50 Khz.) puede ocasionar interferencia a otros circuitos. Las fuentes conmutadas son convertidores cc-cc, por lo que la red debe ser previamente rectificada y filtrada con una amplitud de rizado aceptable. En la posición de abierto se configura como rectificador de onda completa. En la posición de cerrado el circuito funciona como rectificador doblador de tensión,
PRINCIPIO BASICO DE SU FUNCIONAMIENTO
Una fuente conmutada trabaja en base al principio del interruptor, es decir, cerrando y abriendo un interruptor podemos controlar la cantidad de energía entregada a la Carga.
Figura 1. Fuente conmutada
Cuando el interruptor "I" se encuentra cerrado, el voltaje de la batería V es entregado a la carga R, y por lo tanto, en R se desarrolla una potencia (energía) igual al producto de voltaje V por la corriente IR que circula por R. Si el interruptor "I" se
FUENTE CONMUTADA REDUCTORA “BUCK”
Jhoan Miguel Escobar, Diego Alberto Verdugo
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encuentra abierto entonces la potencia que se disipa (desarrolla) en R es cero. Es decir, si abrimos y cerramos el interruptor varias veces seguidas (frecuencia) en la carga se estará desarrollando una potencia promedio; por supuesto que en el interruptor I no se desarrolla ninguna potencia, por lo tanto toda la potencia entregada por la batería V es aprovechada por R. Existen dos tipos de fuentes conmutadas aquellas que varían el tiempo en que el interruptor está cerrado manteniendo la frecuencia de conmutación constante, y aquellas que varían la frecuencia manteniendo fijo o constante el tiempo en que el interruptor se encuentra cerrado.
Una fuente conmutada se compone de una etapa de rectificación y filtro de entrada, esta etapa Para evitar sobrecalentamientos los condensadores electrolíticos de filtro (C1 y C2) deben ser de bajo ESR (baja resistencia interna) y de la tensión adecuada. Es conveniente conectar en paralelo con estos otros condensadores tipo MKP para mejor desacoplo de alta frecuencia de conmutación. Los rectificadores deben soportar una tensión inversa de 600; etapa de pico de arranque, TH1 y TH2 son resistencias NTC (coeficiente negativo de temperatura), que limitan la corriente de inicio que tiende a ser demasiado alta, dependiendo de la aplicación en cambio de estas resistencias se implementan relés o Mosfet; etapa de protección contra transitorios, se utiliza un varistor para evitar los picos de tensión debido a la conmutación.
Figura 2. Rectificador
DIAGRAMA DE BLOQUES QUE LA CONFORMAN
Figura 3.
En el primer bloque rectificamos y filtramos la tensión alterna
de entrada convirtiéndola en una continua pulsante. El segundo bloque se encarga de convertir esa continua en una onda cuadrada de alta frecuencia (10 a 200 kHz.), La cual es aplicada a una bobina o al primario de un transformador. Luego el segundo bloque rectifica y filtra la salida de alta frecuencia del bloque anterior, entregando así una continua pura.
El cuarto bloque se encarga de comandar la oscilación del segundo bloque. Este bloque consiste de un oscilador de frecuencia fija, una tensión de referencia, un comparador de tensión y un modulador de ancho de pulso (PWM). El modulador recibe el pulso del oscilador y modifica su ciclo de trabajo según la señal del comparador, el cual coteja la tensión continua de salida del tercer bloque con la tensión de referencia.
NOTA: ciclo de trabajo es la relación entre el estado de encendido y el estado de apagado de una onda cuadrada.
El transistor utilizado normalmente corresponde a un transistor MOSFET de potencia.
El control efectuado sobre el transistor MOSFET se da por control de la tensión de puerta, mientras que en el transistor bipolar dicho control se da por medio de control de corriente de base. El circuito excitador para el disparo únicamente necesita cargar y descargar la puerta del transistor para controlar su estado. La razón de la utilización de estos dispositivos para esta aplicación se da debido a que presenta las siguientes ventajas: (Seguí, 2007)
- Alta impedancia de entrada: Esta característica es importante ya que permite realizar el control del transistor con un dispositivo de baja potencia.
- Gran velocidad de conmutación: Constituye básicamente la razón fundamental de la utilización en convertidores DC/DC debido a las altas frecuencias de trabajo del convertidor.
- Buena estabilidad térmica.
Una de las principales desventajas de este dispositivo lo constituye su costo elevado con respecto al transistor bipolar, pero este costo tiende a disminuir conforme se estandariza su uso en diferentes aplicaciones.
Durante el ciclo de encendido se presentan las siguientes formas de onda de tensión y corriente.
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Se observa como la forma de onda de tensión durante el intervalo de tiempo [0, TON] está determinada por la ecuación 2.6. (Ecuación 2.5) Mientras que la forma de onda de corriente durante este mismo intervalo está determinada por:
Mientras que la forma de onda de corriente durante este mismo intervalo está determinada por:
La secuencia de funcionamiento del convertidor es la siguiente: el controlador se encarga de establecer el tiempo de encendido del transistor, cuando este se encuentra encendido el diodo se encuentra polarizado inversamente por la fuente de entrada por lo que no conduce corriente tal como se aprecia en figura, como el voltaje en la salida del convertidor es menor que el voltaje de entrada la corriente por el inductor será creciente durante este intervalo. Adicionalmente en este periodo la misma onda de corriente que atraviesa el transistor circula a través del inductor. El circuito equivalente y formas de onda de corriente para este período de operación se muestran en la figura
.
Los ciclos de funcionamiento descritos se repiten de manera continua, obteniendo las siguientes formas de onda de corrientes en cada elemento.
De la figura se puede comentar la importancia de la utilización de elementos con velocidades de conmutación elevadas, ya que esto permite realizar diseños para frecuencias de operación de valores elevados. Si los componentes utilizados no son adecuados para el funcionamiento con tiempos de conmutación bajos se corre el riesgo de que antes de que el componente finalice uno de los ciclos de conmutación, el circuito haya agotado el tiempo disponible para realizar dicho ciclo, lo cual ocasionaría un comportamiento indefinido por parte del convertidor.
El presente trabajo ha servido como medio de apoyo en el estudio de los convertidores conmutados de alta frecuencia ya que los esquemas de diseño y análisis planteados permiten realizar un estudio desde un punto de vista bastante intuitivo. De esta manera el trabajo será de gran ayuda para estudiantes a la hora de trabajar de manera teórica o práctica con convertidores conmutados de alta frecuencia, así como para profesores a la hora de instruir sobre el comportamiento de dichos convertidores.
La utilización de convertidores conmutados de alta frecuencia permiten operar un circuito electrónico cuya fuente de alimentación presente variaciones en cuanto a su nivel de tensión, tal como una batería, obteniendo señales de salida con características de regulación y rizado adecuadas para la alimentación de estos circuitos.
