DISEÑO DE UN CONVERTIDOR BUCK UTILIZANDO LA HERRAMIENTA SIMULINK DE MATLAB Y PSPICE

AUTORES: Ing. Aldo Aarón Hernández Cervantes Ing. Roberto José Velasco Monroy

DOCENTE DEL ITSPVESTUDIANTE DE LA MAESTRÍA EN CIENCIAS DE LA INGENIERÍA MECATRONICA

noviembre 2012

Instituto tecnológico Superior de Puerto Vallarta

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CONTENIDO

INTRODUCCIÓN MODELADO MATEMÁTICO CONVERTIDOR BUCK / SIMULACIÓN EN

SIMULINK CONVERTIDO CD –CD (BUCK) / MODELADO EN

PSPICE CIRCUITO CONVERTIDOR BUCK PRACTICO RESULTADOS CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA

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INTRODUCCIÓN

CONVERTIDO DE CD – CD

APLICACIONES• COMPUTACIÓN•BALASTROS ELECTRÓNICOS•ADAPTADORES DE VOLTAJE•BALASTROS ELECTRÓNICOS•SISTEMAS ROBOTIZADOS, ETC.

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INTRODUCCIÓN

CONVERTIDOR BUCK

Ve Vs Vs < Ve

SIMULACIONES

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MODELADO MATEMÁTICO

COMPONENTES BÁSICAS DE UN CONVERTIDOR BUCK

CONVERTIDOR BUCK IDEAL

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MODELADO MATEMÁTICO

ECUACIONES QUE DESCRIBEN EL COMPORTAMIENTO DEL BUCK ASUMIENDO QUE EL INTERRUPTOR PUDE TENER POSICIÓN DE ENCENDIDO Y APAGADO EN UNA FORMA PERIÓDICA

VARIABLES DINÁMICAS DEL SISTEMA• CORRIENTE EN LA BOBONA i L

• VOLTAJE EN EL CAPACITOR V c = V s

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MODELADO MATEMÁTICO VARIABLES DE ESTADO DEL CONVERTIDOR

DE LAS ECUACIONES QUE DESCRIBEN LA OPERACIÓN DEL BUCK Y LAS PROPUESTA DE LAS VARIABLES DE ESTADO SE OBTIENEN EL SIGUIENTE ARREGLO MATRICIAL COMO MODELO MATEMÁTICO

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CONVERTIDOR BUCK / SIMULACIÓN EN SIMULINK

Simulink es una herramienta de desarrollada por MATLAB donde es posible realizar simulaciones de sistema por medio de bloques que representan diferentes acciones y operaciones matemáticas, para que en conjunto se represente la dinámica en tiempo continuo y discreto, de sistemas que se representan con un modelo matemático(Hernández & Osorio, 2008).

PROCESO DE SIMULACIÓN:A) DEFINICIÓN DE PARÁMETROS DEL SISTEMA

B) IDENTIFICAR LOS BLOQUES PARA CADA PARÁMETRO A SI COMO LAS OPERACIONES CORRESPONDIENTES EN Simulink

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CONVERTIDOR BUCK / SIMULACIÓN EN SIMULINK

c) CONSTRUCCIÓN DEL CONVERTIDOR CONSIDERANDO EL MODELO

MATEMÁTICO EN Simulink

MODELO EN Simulink DE CONVERTIDOR BUCK

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CONVERTIDOR BUCK / SIMULACIÓN EN SIMULINK

DENTRO DEL MODELADO LA VARIABLE ES MUY IMPORTANTE, Y PUEDE TOMAR VALORES ENTRE 0,1 CON LA FINALIDAD DE PROPORCIONAR EL VOLTAJE REQUERIDO AL CONVERTIDOR, PARA OBTENER SU VALOR SE REQUIERE UN CIRCUITO ADICIONAL PWM (MODULADOR DE ANCHO DE PULSO) QUE TIENE LA SIGUIENTE FUNCIÓN:

DONDE EL CICLO DE TRABAJO ES

A UNA FRECUENCIA DE 100,000 HZ

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CONVERTIDOR BUCK / SIMULACIÓN EN SIMULINK

D) CIRCUITO PWM NECESARIO PARA ACTIVAR EL MOSFET SIMULADO EN Simulink

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CONVERTIDOR BUCK / SIMULACIÓN EN SIMULINK

E) MODELO DEL CONVERTIDOR BUCK EN Simulink UTILIZANDO PWM

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CONVERTIDO CD –CD (BUCK) / MODELADO EN PSPICE

LA HERRAMIENTA DE SIMULACIÓN DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS LLAMADA PSPICE SE BASA EN ESQUEMATIZAR UN DIAGRAMA DE LOS DIFERENTES DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS CON SUS RESPECTIVAS CARACTERÍSTICAS PARA LLEVAR A CABO UNA REPRESENTACIÓN DE RESULTADOS(Quintáns, 2008).

PARA P REALIZAR LA SIMULACIÓN EN PSPICE ES NECESARIO FIJAR LOS PARÁMETROS DE OPERACIÓN DEL CONVERTIDOR COMO SE MUESTRAN A CONTINUACIÓN:PARÁMETRO SÍMBOL

OVALOR

ES

VOLTAJE DE ENTRADA v 24 V

VOLTAJE DE SALIDA vo 12 V

CORRIENTE DE CARGA io 1 A

FRECUENCIA DE CONMUTACIÓN

fs 100 KHz

FACTOR DE RIZO DE CORRIENTE (%)

r(i) 20

FACTOR DE RIZO DE VOLTAJE (%)

r(v) 0.5

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CONVERTIDO CD –CD (BUCK) / MODELADO EN PSPICE

AL TOMAR LOS DATOS DE LA TABLA ANTERIOR SE CALCULAN LOS VALORES DE R, L Y C NECESARIOS PARA COMPLETAR LOS ELEMENTOS DEL CIRCUITO A SIMULAR.

CONSIDERANDO VALORES COMERCIALES L= PARA Y PARA C=

PARA EL CASO DE LOS DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS SE DETERMINA UTILIZAR UN MOSFET IRF-640 Y UN DIODO MUR-140.

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CONVERTIDO CD –CD (BUCK) / MODELADO EN PSPICE

EN LA SIGUIENTE FIGURA SE DESCRIBE EL ESQUEMA DEL CIRCUITO CONVERTIDOR BUCK CON LOS PARÁMETROS CALCULADOS PARA SU FUNCIONAMIENTO SIMULADO EN PSPICE:

V 1

TD = 0

TF = 1 n sP W = {D / F s }P E R = {1 / F s }

V 1 = 0

TR = 1 n s

V 2 = 1 2

R1 2

L

0 . 6 m H

1 2

QI R F 6 4 0

DM U R 1 4 0

C2 . 2 u

P A R A M E T E R S :F s = 1 0 0 0 0 0D = 0 . 5 0

V2 4 V d c

0

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CIRCUITO CONVERTIDOR BUCK PRACTICO

PARA CONSTRUIR EL CONVERTIDOR BUCK FÍSICAMENTE CON LOS PARÁMETROS PROPUESTOS, ES NECESARIO IMPLEMENTAR EL PWM, PROPONIENDO USAR EL CIRCUITO INTEGRADO TL-494 PARA ESTA FUNCIÓN, UTILIZANDO ESTA CONFIGURACIÓN DE CONEXIÓN PARA LA EXCITACIÓN EN EL TRANSISTOR IRF-640, PROPONIENDO EL SIGUIENTE CIRCUITO.

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CIRCUITO CONVERTIDOR BUCK PRACTICO

TOMANDO EN CUENTA EL CIRCUITO ANTERIOR PROPUESTO ES NECESARIO CALCULAR LOS VALORES DE LAS RESISTENCIAS Y CAPACITORES ASOCIADOS PARA OBTENER LOS PARÁMETRO SE FUNCIONAMIENTO REQUERIDOS :

PARA FRECUENCIA DE CONMUTACIÓN DE 100 KHz SE PROPONE UNA

SE PROPONE QUE EL INICIO DE LA RESPUESTA SEA SUAVE, PARA LO CUALES CALCULADA EN FUNCIÓN DE

REPRESENTA EL PERIODO DE CONMUTACIÓN (10S) Y SON LOS CICLOS DE RELOJ REQUERIDOS EN EL CIRCUITO INTEGRADO (SE PROPONEN 50 CICLOS).

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CIRCUITO CONVERTIDOR BUCK PRACTICO

EL CIRCUITO COMPLETO IMPLEMENTADO EN LABORATORIO SE MUESTRA EN LA SIGUIENTE FIGURA, DONDE ADEMÁS SE ANEXA UN DRIVER CONECTADO ENTRE EL PWM Y EL CONVERTIDOR CON EL PROPÓSITO DE AISLAR ESTAS ETAPAS.

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RESULTADOS

LA FIGURA SIGUIENTE MUESTRA LA GRÁFICA DEL VOLTAJE DE SALIDA PROPORCIONADO POR LA SIMULACIÓN DEL CONVERTIDOR BUCK EN SIMULINK. DONDE SE VISUALIZA QUE EL VOLTAJE DE SALIDA PRESENTA UN VALOR DE 12 V.

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RESULTADOS

A CONTINUACIÓN SE MUESTRA LA GRÁFICA DEL VOLTAJE DE SALIDA OBTENIDO DEL CIRCUITO SIMULADO POR LA HERRAMIENTA PSPICE, PROPORCIONANDO UN VALOR DE VOLTAJE APROXIMADAMENTE DEL 5% POR DEBAJO DE LOS 12 PROPUESTOS EN LA SALIDA.

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RESULTADOS

EN EL CASO DEL CIRCUITO PRÁCTICO LLEVADO A CABO EN EL LABORATORIO SE OBTUVO UNA SALIDA CON UN VALOR DE 12.1 VOLTS Y UNA FRECUENCIA DE CONMUTACIÓN GENERADA POR LA SEÑAL DEL PWM DE 120K Hz. A CONTINUACIÓN SE MUESTRA LA GRÁFICA DE LA SEÑAL OBTENIDA DEL PWM CON UN OSCILOSCOPIO DIGITAL DE LA MARCA TEKTRONIX.

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CONCLUSIONES

COMO SE INDICA EN LA INTRODUCCIÓN ESTE ARTÍCULO SE REALIZÓ CON LA IDEA FUNDAMENTAL DE VERIFICAR EL COMPORTAMIENTO DEL CONVERTIDOR DC – DC DEL TIPO BUCK UTILIZANDO EN ESTE CASO DOS HERRAMIENTAS Y POSTERIORMENTE COMPARAR LOS RESULTADOS CON UN CIRCUITO PRÁCTICO HECHO EN LABORATORIO; DONDE LOS RESULTADOS DE AMBAS SIMULACIONES FUERON MUY PARECIDAS EN FORMA, SIN EMBARGO EL RESULTADO DE LA SIMULACIÓN ES PSPICE TUVO UN 5% POR DEBAJO DEL VALOR EN EL VOLTAJE DE SALIDA CON RESPECTO AL VALOR PRESENTADO EN LA SIMULACIÓN EN SIMULINK DONDE EL VALOR DEL VOLTAJE DE SALIDA SI CORRESPONDE AL VALOR PREVISTO COMO PARÁMETRO DE DISEÑO.

POR ÚLTIMO CABE DESTACAR QUE NUESTRO CIRCUITO PRÁCTICO SE UTILIZÓ PARA ALIMENTAR UN MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA PARA REPRESENTAR LA CARGA VARIABLE.

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BIBLIOGRAFÍA

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Computadora Utilizados Como Instrumentos Didácticos en el Aprendizaje de Ingeniería de Control. CIDETEC-IPN.

Huei su, J. (2002). Learning Feedback Controller Design of Switching Converters Via MATLAB/SIMULINK. IEEE

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Narayanaswamy, P. (2005). Modeling y simulation of a switched mode power supply using simulink. Australasian Universities Power Engineering Conference.

Quintáns, C. (2008). SIMULACIÓN DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS CON ORCAD 16 DEMO. MARCOMBO.

Rashid, M. H. (2004). Electronica de Potencia. México: Pearson.