Convertidores CD CD

 

 Encuentro de Invest Investigación igación 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 [email protected],, [email protected] [email protected],, jim_zid9@hotma  [email protected] il.com,, e-mail: [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.

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].

U

Los convertidores cd se usan mucho mucho para el control control de motores de tracción de automóviles automóviles eléctricos, tranvías, grúas marinas, montacargas y elevadores de mina. Proporciona un control uniforme de aceleración[7], gran gran eficiencia y rápida respuesta dinámica[3]. Se puede puede usar en el frenado regenerativo de motores de cd para regresar la energía a la fuente. Los convertidores 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.

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II. CONTENIDO  A. Teoría de convertidores convert idores 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 inductor L, el capacitor 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 D m  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 D m. 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 de la corriente ecuación del voltaje salida: rizo pico a pico en el inductor las cuales igualamos para obtener la 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.

 

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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 F igura 3.

Figura 3. Regulador Reductor-Elevador. 

Este regulador proporciona un voltaje de salida que puede ser mayor o menor al voltaje de

 

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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 

1 − k 

VS

(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.

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 escogieron las opciones 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 simulación del circuito, la Tabla 2 muestra los parámetros parámetros del diodo D1N914-X y la Tabla 3 los parámetros del BJT.

TABLA 1.

 

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 Encuentro de Invest Investigación igación en IE, 17—18 Marzo, 2005 PARÁMETROS DEL REGULADOR REDUCTOR 

.tran R_R1 0 1 V_V2 1 2

0 4.5m 4m 500 +PULSE 0 48 0 1ns 1ns 0.016668m 0.04m

V_V9 3 0 L_L1 4 1 C_C1 0 1

DC 12 145.83u 200u

Q_Q4 D_D2 30 24 4 Q2N2222-X1 D1N914-X

Análisis de transitorio Resistencia de carga Fuente para pulso de compuerta Voltaje de entrada Inductor L Capacitor C BJT DiodoQD

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:

 

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Investigación igación en IE, 17—18 Marzo, 2005  Encuentro de Invest 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

4.10ms

4.15ms

4.20ms

4.25ms

4.30ms

4.35ms

4.40ms

4.45ms

4.50ms

-I(R1) Time

Figura 5. Formas de onda de un regulador reductor con 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. 

 

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Después se llevaron a cabo las simulaciones de dicho diagrama mediante el submenú Setup que se encuentra en el menú  Analisys , en dicho dicho submenú se escogen las 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 simulación del circuito, la Tabla 5 muestra los parámetros parámetros del diodo D1N914-X y la Tabla 6 los parámetros del MOSFET MBREAKND-X. TABLA 4 PARAMETROSROS PARAMETROSR OS 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 PARAMETROSROSS DEL DIODO D1N194-X.  PARAMETROSRO

IS 2.220000E-18 BV 1.800000E+03 TABLA 6 PARAMETROSROSS DEL MOSFET MBREAKND-X PARAMETROSRO MBREAKND-X NMOS.

L KP LAMBDA PB CJSW

100.000000E-06 20.000000E-06 0 0.8 0

W GAMMA IS PBSW CGSO

100.000000E-06 0 10.000000E-15 0.8 0

VTO PHI JS CJ CGDO

2.1 0.6 0 0 0

CGBO UCRIT LETA TEMP

010.000000E+03 0 0

TOX DIOMOD WETA VDD

01 0 0

XJ VFB UO XPART

0 0 0

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:

 

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  40V 40 V

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

79.55ms

79.60ms

79.65ms

79.70ms

79.75ms

-I(R1) Time

  Figura 7. Formas de onda de un regulador elevador con MOSFET de potencia. a) Voltaje de compuerta. compuerta. b) Corriente a través del inductor. c) Corriente a través del diodo. d) Corriente a través del capacitor. e) Voltaje 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 aplicado trabajo del durante el tiempo de carga y descarga del inductor debido al voltaje de pulso a lacircuito compuerta de MOSFET.  B.3. Simulación del Regulador Reductor-Elevado Reductor-Elevadorr

Primero se utilizó la opción Schematics de Pspice para desarrollar el circuito como se muestra en la Figura 8.

 

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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 potencia

se encuentra en el menú  Analisys , en dicho dicho submenú se escogen las 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 simulación del circuito, la Tabla 8 muestra los parámetros parámetros del diodo D1N914-X y la Tabla 9 los parámetros del IGBT IXGH40N60-X10. TABLA 7 PARAMETROSROSS DEL REGULADOR REDUCTOR-ELEVA PARAMETROSRO REDUCTOR-ELEVADOR. DOR.

.tran R_R 0 2 V_Vpulse 4 2

0 50ms 49.8ms 50 +PULSE 0 30 0 1n 1n 0.024m 0.04m

V_Vs L_L C_C Z_Z16

1 0 0 1

12 150uH 200u IXGH40N60-X10

Análisis de transitorio Resistencia de carga Fuente para pulso de compuerta Voltaje de entrada Inductor L Capacitor C IGBT Z

D_Dm

2 3

D1N914-X

Diodo D

0 3 1 4 3

TABLA 8 PARAMETROSROSS DEL DIODO D1N194-X.  PARAMETROSRO

IS 22.20000E-24 BV 1.800000E+03 TABLA 9 PARAMETROSROSS DEL IGBT IXGH40N60-X10 NIGBT.  PARAMETROSRO

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-

 

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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

49.84ms

49.86ms

49.88ms

49.90ms

49.92ms

49.94ms

49.96ms

49.98ms

I(R) Time

  Figura 9. Formas de onda de un regulador reductor-elevador con con transistor de potencia. 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 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 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.

 

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IV. REFERENCIAS [1] John Q. Attla, Attla, ” Pspice and Matlab for electronics and integrated approach,” approach,” CRC Press, pp 317, 3137, 4358 y 99105. [2] Muhammad Muhammad H. Rashid, Rashid, ” Electrónica Electrónica de potencia, potencia, circuitos, circuitos, dispositivos dispositivos y aplicaciones,” aplicaciones,” 3a ed., Prentice Hall, Hall, pp 166221, 264265. [3] Ned Mohan, Tore M. Undelan, Undelan, William P. Robbins,” Robbins,” Power Electronics,” John Wiley Wiley y Sons Inc, 2a ed., pp 161196. [4] William H. Hayt, Jr. Jack E. Kemmerly, Steven 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.