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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.
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I APÉNDICE A- PROYECTO FÍSICO DEL INDUCTOR
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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
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