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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MORELIA Maestría En Ciencias En Ingeniería Electrónica
Práctica 3. Convertidor Buck-Boost
Sistemas de alimentación Conmutados Dr. Javier Correa Gómez
Ing. Luis Antonio Mendoza Gómez
20/11/2009
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Sistemas de Alimentación Conmutados ITM
PRÁCTICA 3. CONVERTIDOR BUCK-BOOST
2
Contenido Objetivo ......................................................................................................................................................... 3
Introducción .................................................................................................................................................. 3
Análisis del circuito ................................................................................................................................... 4
Desarrollo .................................................................................................................................................... 11
Descripción de la práctica ....................................................................................................................... 11
Equipo Utilizado ...................................................................................................................................... 11
Material Utilizado ................................................................................................................................... 11
Circuito .................................................................................................................................................... 12
Cálculos Realizados para el convertidor elevador. ................................................................................. 12
Cálculos realizados para el circuito de control. ...................................................................................... 16
Comparación de resultados obtenidos en la simulación y en la práctica ............................................... 19
Comparación de la señal de control antes y después del driver en la práctica .................................. 19
Comparación de la corriente en la fuente y MOSFET en la teoría y práctica ..................................... 20
Comparación del voltaje en la fuente en la teoría y práctica ............................................................. 21
Comparación del voltaje en el inductor en la teoría y práctica .......................................................... 22
Comparación del rizo de corriente en el inductor en la teoría y práctica ..................................... 23
Comparación del voltaje compuerta-surtidor en la teoría y práctica ........................................ 24
Comparación del voltaje drenador-surtidor en la teoría y práctica ........................................... 25
Comparación del voltaje en el diodo ánodo-cátodo en la teoría y práctica .............................. 26
Comparación de la corriente en el diodo en la teoría y práctica .................................................. 27
Comparación del voltaje en la salida en la teoría y práctica ........................................................ 28
Comparación del rizo de voltaje en la salida en la teoría y práctica ............................................ 29
Conclusiones ............................................................................................................................................... 31
Referencias .............................................................................................................................................. 32
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PRÁCTICA 3. CONVERTIDOR BUCK-BOOST
3
Objetivo El alumno aprenderá a analizar y diseñar el circuito básico de un convertidor conmutado
reductor-elevador “Buck-Boost”, obtendrá las ecuaciones necesarias para conocer su comportamiento y diseño, aprenderá a analizar los resultados obtenidos en la simulación del circuito y proporcionará sus experiencias en la práctica.
Introducción
El convertidor buck-boost en un convertidor utilizado para la inversión de la polaridad de voltaje de salida con respecto a la entrada. Su voltaje de salida puede ser tanto reducida como elevada, dependiendo del ciclo de trabajo.
A continuación se muestra un esquema básico de un convertidor reductor-elevador.
Figura 1. Circuito básico para un convertidor buck-boost.
Un posible inconveniente del convertidor reductor-elevador es que el interruptor no está referido a tierra, esto complica el control del interruptor. Este “inconveniente” no tiene ninguna consecuencia si la fuente de alimentación es aislada del circuito de carga.
Este convertidor es muy usado debido a la estabilidad del voltaje que ofrece, permitiendo
aplicaciones en fuentes de propósito especial UPS, además de que su construcción y diseño es de un bajo costo.
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PRÁCTICA 3. CONVERTIDOR BUCK-BOOST
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Análisis del circuito El convertidor reductor-elevador o “buck-boost”, como su nombre lo dice, tiene la capacidad de
reducir o elevar el voltaje de salida con respecto al voltaje de entrada. Este voltaje de salida es regulado
mediante el ciclo de servicio, un posible inconveniente es que el interruptor no está referenciado a
tierra, lo que puede complicar su control, también cabe señalar que la polaridad del voltaje de salida es
inversa al voltaje de entrada.
El circuito básico que se realizó en la práctica es el de un simple convertidor reductor-elevador
no aislado, donde el comportamiento básico de este convertidor se puede explicar de la siguiente
manera, cuando el interruptor esta encendido, el voltaje de entrada es directamente inyectado al
inductor, teniendo como resultado la acumulación de la energía en el mismo, en esta etapa el capacitor
alimenta a la carga, y cuando el interruptor se apaga, el inductor es conectado a la carga y al capacitor,
de esta manera, la energía que almacenó el inductor es transferida al capacitor y a la carga. [1]
DCV
L
DQ
CRL
+
-
Vo
t
Q
ton toff ton
Ts
Figura 2. Circuito básico reductor-elevador "buck-boost" y su señal de control
Se analiza el circuito del convertidor reductor-elevador en su modo de conducción continuo
para encontrar la función de transferencia en voltaje, donde la corriente que pasa a través del inductor
nunca llega a cero durante el ciclo de conmutación, así pues, se examina un periodo completo de
conmutación y suponiendo que todos los elementos en el circuito son ideales,
+
DCL
DQ
CRL
+
-
Vo
-
VLVIN
Figura 3. Qon, Doff
(1)
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+
DCL
DQ
CRL
+
-
Vo
-
VIN ILVL
Figura 4. Qoff, Don
(2)
Se analiza el voltaje de en un periodo completo,
Así pues la función de transferencia del circuito será,
(3)
Se analiza el rizo de corriente en el inductor,
Desde que la corriente del inductor no puede cambiar repentinamente, una trayectoria debe
existir para la corriente del inductor cuando el interruptor está abierto. Esta trayectoria es dada por el
diodo, comúnmente llamado diodo de libre corrimiento. El propósito de este diodo no es el de rectificar,
sino el de direccionar el flujo de corriente en el circuito y asegurarse de que siempre exista una
trayectoria para el flujo de corriente en el inductor. También es necesario que el diodo sea capaz
encender y apagar tan rápido como la frecuencia de conmutación. Así, el diodo permite al regulador
reductor convertir la energía almacenada en el inductor y llevarlo a la carga.
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Cuando el interruptor se cierra, la corriente en el inductor incrementa linealmente. Cuando el
interruptor se abre, el diodo de libre corrimiento causa un decremento de manera lineal en la corriente.
En el modo de conducción continuo, se obtiene una señal triangular, con un valor de corriente
promedio, como se muestra en la siguiente figura,
t
Q
ton toff ton
Ts
t
IL
I2
I1
IL promΔI
Figura 5. Corriente de rizo del inductor L
Se analiza un periodo completo de conmutación para obtener el rizo de corriente en el inductor
,
(4)
,
(5)
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Ahora bien si,
(6)
Se obtiene el rizo de voltaje en el capacitor, sí,
(7)
t
Vo
I2
I1
Vo promΔV
t
IC
I2-I0
I1-I0
tonIo=Δq
Figura 6. Rizo de voltaje en el capacitor
De la figura 7, se deduce que,
(8)
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Se analiza el interruptor Q, donde se determina que el voltaje que debe soportar el interruptor,
en este caso el MOSFET, es el voltaje de entrada más el voltaje de salida,
(9)
Analizamos la corriente en el interruptor, suponiendo que no existen perdidas en el circuito,
,
Así pues,
(10)
Así pues se deduce el comportamiento de voltaje y corriente del transistor como se muestra,
t
Q
ton toff
Ts
ton
t
VDS
VIN
t
IQ
I2
I1
Figura 7. Comportamiento de Voltaje y Corriente en el MOSFET
El voltaje que debe soportar el diodo, será el voltaje de entrada más el voltaje de salida,
(11)
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Ahora se analiza el circuito en modo frontera para encontrar el valor crítico del inductor L y la
resistencia de carga ,
t
Q
ton toff ton
Ts
t
IL
I2IL promΔI
t
VL
VIN
-VO
Figura 8. Comportamiento de la corriente en la frontera
Corriente promedio del inductor,
Sí,
(12)
Además
, donde (13)
y
(14)
Ahora bien, despejando ,
(15)
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Se sustituyen las ecuaciones (11) y (12) en la ecuación (14) para obtener el valor crítico del inductor,
Se despeja L,
(16)
Simplificando la ecuación (13), entonces el valor crítico del inductor será,
(17)
El valor de la resistencia de carga ,
(18)
Con estos cálculos y consideraciones, se puede realizar un convertidor reductor-elevador, en su
modo de conducción continuo, tomando en cuenta los valores críticos para no caer en el modo de
conducción discontinuo, que para efectos de esta práctica es lo que se requiere [2].
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Desarrollo
Descripción de la práctica Analizar y diseñar un circuito convertidor reductor-elevador “buck-boost”, en su configuración
básica, que cumpla con las siguientes características:
.
.
Equipo Utilizado Osciloscopio.
Multímetro.
Fuente de CD fija (12V).
Fuente de CD fija (10V).
Tablero de conexiones (Protoboard).
Simulador OrCad y PSpice.
Material Utilizado Resistencias, varios valores.
Potenciómetros de precisión.
Capacitores de poliéster, electrolíticos.
Circuito Integrado TL494 (circuito de control PWM).
Circuito Integrado IR2110 (Driver).
MOSFET IRF640.
Disipador de calor.
Resistencia de potencia.
Diodo de recuperación rápida MUR120.
Toroide capaz de trabajar a 100KHz.
Alambre para bobina.
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Circuito
Figura 9. Circuito convertidor reductor, utilizado en la simulación.
Cálculos Realizados para el convertidor elevador.
Se calcula el periodo ,
(19)
Se calculan, el ciclo de servicio y tiempo de encendido mínimos y máximos para los
voltajes de salida requeridos,
o y .
(20)
Así pues, el tiempo de encendido ,
(21)
Q
IRF640
0
C RLVin
D MUR120
CTRL
TD = 0TF = 10n
PW = {D/f }PER = {1/f }
V1 = 0
TR = 10n
V2 = 15
PARAMETERS:
f = 100kD = .6
L
1
2
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o y .
(22)
Así pues, el tiempo de encendido ,
(23)
Se analiza el circuito para los valores máximos, ,
Se obtiene el valor del inductor L.
(24)
Se obtiene la corriente de salida , mediante la siguiente ecuación,
(25)
Así pues, se obtiene el valor de la resistencia de carga ,
(26)
Se deduce el valor del capacitor C,
(27)
Se calcula el valor del inductor crítico,
(28)
El valor crítico de la resistencia de carga será,
. (29)
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La corriente mínima para que el convertidor opere en modo de conducción continua, será,
(30)
Se analiza el circuito para los valores mínimos, ,
Se obtiene el valor del inductor L.
(31)
Se obtiene la corriente de salida , mediante la siguiente ecuación,
(32)
Así pues, se obtiene el valor de la resistencia de carga ,
(33)
Se deduce el valor del capacitor C,
(34)
Se calcula el valor del inductor crítico,
(35)
El valor crítico de la resistencia de carga será,
. (36)
La corriente mínima para que el convertidor opere en modo de conducción continua, será,
(37)
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PRÁCTICA 3. CONVERTIDOR BUCK-BOOST
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Se agrupan los valores máximos y mínimos obtenidos
,
. .
,
.
Ahora bien, como se desea que y , cuando el convertidor
alcance los valores máximos, entonces se eligen los valores del inductor y capacitor cuando ,
, por los tanto, se fijan tales valores y se calcula el valor máximo en la carga al que se
puede llegar para seguir operando en modo de conducción continuo al variar el ciclo de servicio del
% hasta .
(38)
Entonces el rango el cual se puede variar la resistencia de carga sin caer en modo de conducción
discontinuo será,
(39)
Se elige una resistencia de carga de 100 que, aunque se sacrifica un poco de potencia, se
puede compensar las pérdidas de voltaje que se pueden obtener en los elementos, esto con el propósito
de que el voltaje de salida sea lo más cercano posible al voltaje propuesto.
Se calcula el voltaje máximo que sebe soportar el MOSFET.
(40)
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PRÁCTICA 3. CONVERTIDOR BUCK-BOOST
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Cálculos realizados para el circuito de control.
Tomando en cuenta las especificaciones y consideraciones recomendadas en la hoja de datos
del circuito de control TL494 utilizado, se realizaron los siguientes cálculos [4].
Se especifica la frecuencia de oscilación para el circuito de control que será la misma a la que se
desea que trabaje nuestro convertidor buck-boost,
(41)
Se propone un valor de (Pin 5), y quela frecuencia , entonces el valor de
(Pin 6), será,
(42)
Se calcula la corriente de carga del capacitor , por medio de la siguiente ecuación,
(43)
Se obtiene el tiempo que dura en cargarse la pendiente del capacitor, que es la que se
comparará con un voltaje de cd para regular el ancho de pulso.
(44)
Se deduce la pendiente de la señal de control, para especificar el voltaje de referencia , que
se necesita para fijar el tiempo de encendido a y 3.33 ,
(45)
Así pues, si el disparo se desea a 6 , entonces,
(46)
Entonces, se propone un divisor de voltaje, para ajustar el voltaje al calculado, donde el
ajuste de tiempo de encendido , se realizará con el amplificador de error, utilizado como un
seguidor de voltaje. Se aplica el voltaje de referencia que provee el circuito (5V), para tener un
tiempo de encendido estable, se calcula la resistencia del divisor para tener en la salida
del divisor de voltaje lo que proporcionará un ciclo de servicio de en la salida del PWM.
Si =10K
(47)
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PRÁCTICA 3. CONVERTIDOR BUCK-BOOST
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Así pues, si el disparo se desea a 3.333 , entonces,
(48)
Se calcula la resistencia del divisor para tener en la salida del divisor de voltaje lo
que proporcionará un ciclo de servicio de en la salida del PWM.
Si =
(49)
Utilizamos la salida de la señal de control como salida paralela o de una sola terminal
referenciada a tierra, mandando el Pin 13 a tierra.
TL494
1
2
16
15
14
13
12
11
10
98
7
6
5
4
3
100Ω
vcc
VREF
RtCt
4.7kΩ
REC
OUT
TO THE
DRIVER
IR2110
VREF
vcc
1kΩ
Figura 10. Configuración del Circuito de control PWM.
Para este tipo de circuitos se tiene un “problema”, que no se cuenta con convertidores como del
tipo boost, donde el MOSFET está conectado con un punto a tierra, en este caso, por la posición del
interruptor, donde se considera un interruptor de tipo “flotado”[5], se debe utilizar un circuito que
pueda disparar el MOSFET de una manera adecuada, para ello se utiliza el circuito IR2110, este circuito
es un driver, el cual tiene la aplicación especial de asegurar el disparo cuando el interruptor no está
referido a tierra, se utilizó el lado en bajo del IR2110 para el disparo del MOSFET [6], añadiéndole una
tierra al drenador (la del circuito de control) para cerrar el ciclo de disparo. El circuito utilizado para el
IR2110 fue el siguiente,
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IR2110
1
2
14
13
12
11
10
9
8 7
6
5
4
3
26Ω
vcc
FROM
THE
TL494
CONTROL
CIRCUIT
OUT TO
THE
GATE OF
THE
MOSFET
Figura 11. Driver IR2110.
Así pues, el circuito final queda de la siguiente manera,
TL494
1
2
16
15
14
13
12
11
10
98
7
6
5
4
3
100Ω
vcc
VREF
RtCt
4.7k
Ω
REC
VREF
IR2110
1
2
14
13
12
11
10
9
8 7
6
5
4
3
vcc
1kΩ
26Ω
vcc
D
C RL
+
-
VoL
IRF640
MUR120
27µF100Ω
10V
480µHTierra para
cerrar el
circuito de
disparo
Vcc=12V
VREF=5V
Figura 12. Circuito final utilizado en el diseño del circuito reductor-elevador.
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PRÁCTICA 3. CONVERTIDOR BUCK-BOOST
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Comparación de resultados obtenidos en la simulación y en la práctica
Comparación de la señal de control antes y después del driver en la práctica
Se observa como la señal de control mejora su calidad al utilizar un driver.
Parámetros de las señales obtenidas: y .
Figura 13. Señal de control a la salida del TL494.
Figura 14. Señal de control a la salida del Driver IR2110
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PRÁCTICA 3. CONVERTIDOR BUCK-BOOST
20
Comparación de la corriente en la fuente y MOSFET en la teoría y práctica
En el desarrollo de la práctica se observó que la demanda que se requería a la fuente de entrada
al estar conmutando era demasiada, llegando al punto que la fuente de alimentación lo no soportaba,
ocasionando que la señal infiltrara mucho ruido en todo el circuito, esto se solucionó añadiendo un
capacitor en paralelo con la fuente de alimentación, para reducir el ruido inducido al circuito, se puede
observar claramente en las señales mostradas.
Figura 15. Corriente en la fuente Vin y MOSFET
Parámetros de las señales obtenidas: .
Figura 16. Corriente en la fuente Vin y MOSFET con capacitor (izq. @ .) y sin capacitor (der. @ .)
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PRÁCTICA 3. CONVERTIDOR BUCK-BOOST
21
Comparación del voltaje en la fuente en la teoría y práctica
Se puede observar cómo a pesar de reducir el rizo se sigue infiltrando un pequeño nivel, debido
a la conmutación del MOSFET.
Figura 17. Voltaje en la fuente Vin
Parámetros de las señales obtenidas: .
Figura 18. Voltaje en la fuente Vin con capacitor (izq. @ 5v/div.) y sin capacitor (der. @ 5v/div.)
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Comparación del voltaje en el inductor en la teoría y práctica
Se puede observar cómo se modifica el valor mínimo de la señal del inductor al variar el ciclo de
servicio ya que el valor mínimo corresponde al voltaje de salida del circuito reductor-elevador.
Figura 19. Voltaje del inductor en la simulación a 6µs (der.) y 3.33µs (izq.)
Parámetros de la señal obtenida: y .
Figura 20. Voltaje del inductor en la práctica a 6µs (der.) y 3.33µs (izq.)
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23
Comparación del rizo de corriente en el inductor en la teoría y práctica
Se puede observar como la corriente se aproxima al modo frontera al estar trabajando con un
ciclo de servicio de .3333.
Figura 21. Rizo de corriente en el inductor IL en la teoría con d=.6 (izq.) y con d=.333 (der.)
Parámetros de las señales obtenidas: .
Figura 22. Rizo de corriente en el inductor IL en la práctica con d=.6 (izq. @ .5v/div.) y con d=.333 (der. @ .2v/div.)
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PRÁCTICA 3. CONVERTIDOR BUCK-BOOST
24
Comparación del voltaje compuerta-surtidor en la teoría y práctica
Figura 23. Voltaje compuerta-surtidor VGS en la teoría con d=.6 (izq.) y con d=.333 (der.).
Parámetros de las señales obtenidas: .
Figura 24. Voltaje compuerta-surtidor VGS en la práctica con d=.6 (izq. @ 10v/div.) y con d=.333 (der. @ 5v/div.)
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25
Comparación del voltaje drenador-surtidor en la teoría y práctica
Figura 25. Voltaje drenador-surtidor VDS en la teoría con d=.6 (izq.) y con d=.333 (der.).
Parámetros de las señales obtenidas: .
Figura 26. Voltaje drenador-surtidor VDS en la práctica con d=.6 (izq. @ 10v/div.) y con d=.333 (der. @ 5v/div.)
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PRÁCTICA 3. CONVERTIDOR BUCK-BOOST
26
Comparación del voltaje en el diodo ánodo-cátodo en la teoría y práctica
Figura 27. Voltaje en el diodo ánodo-cátodo VAK en la teoría con d=.6 (izq.) y con d=.333 (der.).
Parámetros de las señales obtenidas: .
Figura 28. Voltaje en el diodo ánodo-cátodo VAK en la práctica con d=.6 (izq. @ 10v/div.) y con d=.333 (der. @ 5v/div.)
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27
Comparación de la corriente en el diodo en la teoría y práctica
Figura 29. Corriente en el diodo ID en la teoría con d=.6 (izq.) y con d=.333 (der.).
Parámetros de las señales obtenidas: .
Figura 30. Corriente en el diodo ID en la práctica con d=.6 (izq. @ 10v/div.) y con d=.333 (der. @ 5v/div.)
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28
Comparación del voltaje en la salida en la teoría y práctica
Figura 31. Voltaje en la salida Vo en la teoría con d=.6 (izq.) y con d=.333 (der.).
Parámetros de las señales obtenidas: .
Figura 32. Voltaje de salida Vo en la práctica con d=.6 (izq. @ 5v/div.) y con d=.333 (der. @ 1v/div.)
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29
Comparación del rizo de voltaje en la salida en la teoría y práctica
Figura 33. Rizo de voltaje en la salida Vo en la teoría
Parámetros de las señales obtenidas: .
Figura 34. Rizo de voltaje en la salida Vo en la práctica sin capacitor (izq. @ 1v/div.) y con capacitor (der. @ 1v/div.)
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En las siguientes figuras se puede apreciar como al aumentar el ciclo de servicio para aumentar
el voltaje de salida, la fuente no soporta la demanda de potencia que el circuito exige, por lo tanto el
voltaje de la fuente de alimentación tiende a caerse.
Figura 35. Voltaje en la fuente V=10v. y ciclo de servicio d=.3333
Figura 36. Voltaje en la fuente V=9.72v. y ciclo de servicio d=.6
Cuando tenemos un ciclo
de servicio d=.3333, la
demanda en la fuente no
es tan grande ya que la
potencia de salida
requerida es poca, por
tanto, la fuente puede
mantener su voltaje
regulado a 10V.
Cuando tenemos un ciclo
de servicio d=.6, la
demanda en la fuente
comienza a ser
considerable ya que la
potencia de salida
requerida incrementa,
por tanto, la fuente
puede no puede
mantener su voltaje
regulado a 10V.
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PRÁCTICA 3. CONVERTIDOR BUCK-BOOST
31
Conclusiones
Debido a la demanda del circuito regulador y la posición en la que se encuentra el interruptor, la fuente de alimentación de la etapa de potencia se ve afectada de gran medida, tal que, si esta
no es lo suficientemente robusta para soportar los cortes de voltaje que realiza el interruptor, se
infiltra mucho ruido provocado por la misma conmutación del interruptor, teniendo como
consecuencia la infiltración de ruido en el circuito, además de un voltaje de alimentación
inestable. Para ayudar a reducir el ruido infiltrado y que el voltaje de alimentación sea más
estable, se coloca un capacitor en paralelo con la fuente de alimentación, esto ayuda de gran
medida a mantener un voltaje estable, y con menos ruido, así como ayudar a los cambios
bruscos de voltaje ocasionados por la frecuencia de conmutación a la que se encuentra
trabajando el interruptor.
Debido a que el interruptor no está referido a tierra y la necesidad de tener un disparo seguro en el interruptor, un driver es agregado, el cual, además de limpiar la señal proveniente del
circuito de modulación de ancho de pulso TL494, el driver utilizado permite establecer una
configuración tal que asegura el disparo de los interruptores cuando no están referenciados a
tierra, o cuando de alguna manera se consideran que están “flotados”.
Es de gran importancia aislar la etapa de potencia de la etapa de control, utilizando fuentes diferentes, ya que el ruido que se puede generar en la etapa de potencia, puede ser infiltrado en
la etapa de control, teniendo consecuencias muy graves, como la variación no deseada del
ancho de pulso de control, teniendo repercusiones en la calidad del diseño.
En el diseño del convertidor reductor-elevador es de gran importancia tomar en cuenta los
valores de los elementos que se utilizarán, ya que la variación del ciclo de servicio para regular el
voltaje de salida puede llevar de la conducción de modo continuo a la conducción discontinua
del circuito.
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PRÁCTICA 3. CONVERTIDOR BUCK-BOOST
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Referencias
[1] THE POWER ELECTRONICS HANDBOOK, INDUSTRIAL ELECTRONICS SERIES, J. DAVID IRWIN,
TIMOTHY L. SKVARENINA, CRC PRESS, 2002, PAGES 135-146.
[2] DR. JAVIER CORREA GÓMEZ, SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN CONMUTADOS “CONVERTIDOR
BUCK”, CURSO DE MAESTRÍA EN CIENCIAS EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA, INSTITUTO
TECNOLÓGICO DE MORELIA, UNIDAD I.
[3] VREJ BARKHORDARIAN, POWER MOSFET BASICS, INTERNATIONAL RECTIFIER, EL SEGUNDO, CA.
[4] PATRICK GRIFFITH, DESIGNING SWITCHING VOLTAGE REGULATORS WITH THE TL494, TEXAS
INSTRUMENTS APPLICATION REPORT, DECEMBER 2003.
[5] JONATHAN ADAMS, BOOTSTRAP COMPONENT SELECTION FOR CONTROL IC’S, INTERNATIONAL
RECTIFIER, EL SEGUNDO, CA.
[6] INTERNATIONAL RECTIFIER, HV FLOATING MOS-GATE DRIVER ICS, APLICATION NOTE AN-978.