DEPARTAMENTO DE ELECTRICA Y ELECTRÓNICAELECTRÓNICA DE POTENCIA

NRC: 2369

Preparatorio No. 2

CONVERSOR DE POTENCIA DC-DC TIPO BUCK

Integrantes:Luis Carrión

Juan Carlos IllanesCristian Vasco

Sangolquí, 27 de octubre de 2015

1. Tema

Conversor de potencia DC-DC tipo Buck.

2. ObjetivosObjetivo general

Analizar y diseñar un circuito conversor de potencia DC-DC tipo Buck.

Objetivos específicos Realizar la simulación del circuito en el software PSIM y verificar su

funcionamiento Realizar la implementación del circuito en protoboard con los

elementos previamente seleccionados en el diseño del conversor

3. Materiales

Protoboard 1 transistor MOSFET IR2110 1 foco de 12V 1 capacitor 200uf 1 bobina 200mH Cables para Protoboard Fuente de alimentación

4. PREPARATORIO

1. Traducir la información respecto al convertidor buck del blog

En muchas situaciones, tenemos que usar MOSFETs configurados como conmutadores high-side. Muchas veces tenemos que usar MOSFETs configurados como interruptores de lado alto y lado bajo. Tal como en los circuitos de puente. En los circuitos de medio puente, tenemos 1 MOSFET de lado alto y 1 MOSFET de lado bajo. En los circuitos de puente completo tenemos 2 MOSFET de lado alto y 2 MOSFET de lado bajo. En tales situaciones, existe la necesidad de utilizar los circuitos de accionamiento del lado alto en los circuitos de accionamiento del lado bajo. La forma más común de conducción MOSFETs en estos casos es utilizar conductores de lado alto y bajo. Sin duda, el ejemplo de chip piloto más popular es el IR2110. Y en este artículo / tutorial se hablará del mismo. En primer lugar vamos a echar un vistazo al diagrama de bloques y las asignaciones de patas y las definiciones de pin

Diagrama de Bloques del IR2110

Diagrama de Pines del IR2110

Observe que el IR2110 viene en dos paquetes .14 pines con agujero pasante y la superficie de 16 pines montaje SOIC  .Ahora vamos a hablar de los diferentes pines.VCC es el suministro del lado bajo y debe estar entre 10V y 20V. VDD es el suministro de la lógica a la IR2110. Puede ser entre + 3V a + 20V (con referencia a VSS). La tensión real que se elige utilizar depende del nivel de tensión de las señales de entrada. Aquí está el gráfico:

Es una práctica usualmente VDD = + 5V. Cuando VDD = + 5V, el umbral de entrada lógica 1 es ligeramente superior a 3V. Así, cuando VDD = + 5V, el IR2110 se puede utilizar para manejar cargas cuando la entrada "1" es mayor que 3 voltios. Esto significa que puede ser utilizado para casi todos los circuitos, ya que la mayoría de los circuitos tienden a salidas de 5V. Cuando se está utilizando microcontroladores la tensión de salida será superior a 4V (cuando el microcontrolador tiene VDD = + 5V, que es bastante común). Cuando se está utilizando SG3525 o TL494 u otro controlador PWM, probablemente se obtendrá voltajes mayores a 10V. Por lo tanto, el IR2110 puede ser utilizado fácilmente.Se puede bajar el VDD hasta 4V si se está usando un microcontrolador o cualquier chip que dé salida de 3.3V (por ejemplo dsPIC33).  En algunos casos VDD fue seleccionado como menos de + 4V, y esto provocaba fallas en el circuito. Por lo tanto, no se recomienda usar un VDD menor a + 4V.Si por alguna razón, se tiene señales de niveles con la lógica "1" menores a 3V, se necesita un convertidor de nivel que aumentará la tensión a límites aceptables. En tales situaciones, se recomienda aumentar hasta 4V o 5V y el uso de IR2110 VDD = + 5V.

Ahora se va a hablar de VSS y COM. VSS es el suministro de tierra lógica. COM es "retorno de lado bajo" básicamente, conexión a tierra de baja transmisión lateral. Parece que son independientes y se podría pensar que tal vez se podría aislar a las salidas de transmisión y señales de control. Sin embargo, se puede estar equivocado. Si bien no están conectados internamente, IR2110 es un conductor no aislado, lo que significa que VSS y COM deben estar conectados a tierra.

HIN y LIN son las entradas lógicas. Una señal de alto para HIN significa que se desea conducir el MOSFET del lado alto, es decir, un alto rendimiento se proporciona en HO. Una señal de baja para HIN significa que desea apagar el MOSFET del lado de alta, lo que significa que se proporciona un bajo rendimiento en HO. 

La salida de HO - alto o bajo - no es con respecto a tierra, pero si con respecto a VS. Pronto veremos cómo un circuito de arranque (diodo + condensador) se utiliza para proporcionar el suministro flotante para conducir el MOSFET utilizando VCC, VB y VS.

VS es el retorno de alimentación flotante del lado alto. Cuando está en alto, el nivel de HO es igual al nivel en VB, con respecto a VS. Cuando está en bajo, el nivel en HO es igual a VS, con respecto a VS, efectivamente cero.Una señal de alto para LIN significa que se desea conducir el MOSFET del lado bajo, lo que significa que un alto rendimiento es proporcionado en LO. Una señal de bajo en LIN significa que se desea apagar el MOSFET del lado bajo, lo que significa que una baja producción es proporcionada en LO. 

La salida de LO es con respecto a tierra. Cuando está en alto, el nivel en LO es igual al nivel de VCC, con respecto a VSS, o tierra de manera efectiva. Cuando está en bajo, el nivel en LO es igual al nivel en VSS, con respecto a VSS, efectivamente cero.SD se utiliza como control de apagado. Cuando este pin está en bajo , el IR2110 está activado o la - función de apagado está deshabilitada. Cuando este pin está en alto, las salidas se apagan, es decir se desactiva la unidad IR2110.Ahora echemos un vistazo a la configuración IR2110 común para conducir MOSFETs en configuraciones laterales altas y bajas en una etapa medio puente.

D1, C1 y C2 junto con los IR2110 forman el circuito de arranque. Cuando LIN = 1 y Q2 está encendido, C1 y C2 quedan cargadas al nivel en VB, que es una caída de diodo por debajo de + VCC. Cuando LIN = 0 y HIN = 1, la carga en C1 y C2 se utiliza para añadir la tensión adicional - VB en este caso por encima del nivel de la fuente de Q1 para conducir la Q1 en la configuración del lado ato. Se debe escoger una capacitancia

suficientemente grande para C1 de modo que pueda suministrar la carga necesaria para mantener Q1 durante todo el tiempo. C1 tampoco debe ser demasiado grande para que la carga no sea demasiado lenta y el nivel de voltaje se eleve lo suficiente como para mantener el MOSFET encendido. Cuanto mayor sea el tiempo, mayor es la capacitancia requerida. Por lo tanto ,mientras menor es la frecuencia, mayor es la capacitancia requerida para C1. Cuanto mayor sea el ciclo de trabajo, mayor es la capacitancia requerida para C1. Sí, hay fórmulas para el cálculo de la capacitancia sin embargo, hay muchos parámetros involucrados, algunos de los cuales no podemos saber , por ejemplo, la corriente del condensador de fuga. Así, quse es mejor estimar la capacitancia . Para frecuencias bajas como 50Hz, se debe usar entre 47 μf y 68 μf. Para frecuencias altas como 30 kHz a 50 kHz, se debe usar entre 4,7 μf y 22 μf. Ya que estamos usando un condensador electrolítico, un condensador cerámico debe utilizarse en paralelo con este condensador. El condensador de cerámica no es necesario si el condensador de arranque es de tantalio.

D2 y D3 descargan las capacidades de puerta del MOSFET con rapidez, sin pasar por las resistencias de la puerta, lo que reduce el tiempo de apagado. R1 y R2 son las resistencias limitadoras de corriente.

+ MOSV puede ser de hasta un máximo de 500V.+ VCC debe ser de un suministro limpio. Se debe usar capacitores de filtro y condensadores de desacoplamiento de + VCC a tierra para el filtrado.Ahora echemos un vistazo a un par de circuitos de ejemplo de aplicación de la IR2110.

Circuito IR2110 de alta tensión de excitación medio-puente

Circuito IR2110 de alta tensión de excitación de puente completo con control de interruptor independiente

Se observa que el IR2110 utiliza para conducir un puente completo. La funcionalidad es. Una cosa común que a menudo se hace es que, HIN1 está ligado / cortocircuito a LIN2 y HIN2 está ligado / cortocircuito a LIN1, lo que permite el control de los 4 MOSFETs de 2 entradas de señal, en lugar de 4 como se muestra a continuación

Circuito IR2110 de alta tensión de excitación de puente completo con control del interruptor atado

Usando el IR2110 como conductor de alta de un solo lado de alta tensión

En la figura anterior se observa que el IR2110 está siendo utilizando como un conductor de lado alto de un solo lado. El circuito es bastante simple y sigue la misma funcionalidad descrita anteriormente. Una cosa para recordar es que, dado que no hay un interruptor del lado bajo, se debe conectar una carga de OUT a tierra. De lo contrario, los condensadores de arranque no podrán cargarse

Uso de la IR2110 como un único controlador del lado bajo.

Uso de la IR2110 como conductor del lado bajo dual

2. Dibuje el esquemático completo del circuito incluyendo el driver IR2110 con sus elementos de disparo y los elementos de potencia para obtener un convertidor Buck

CIRCUITO EN PROTEUS

CIRCUITO EN PSIM

3. Describir el problema de lograr la conducción del MOSFET cuyo terminal de FUENTE no está conectado a tierra. Detallar la solución mediante el driver IR2110.

4. Realizar el análisis para describir la relación entre el rizado de corriente y el rizado de voltaje de los elementos reactivos L, C y la frecuencia de conmutación.

Datos:V=12 [V ]V g=24 L=200mHC=200uF

D= VV g

D=1224

D=12

Intervalo 1:

V L=V G−v

Aproximación de pequeño rizado

v=V +V riz≈V

V L=V G−V

iL=ic+VR

iC=iL−VR

iL=I+ Iriz ≈ I

iC=I−VR

Intervalo 2:

V L=−v

Aproximación de pequeño rizado

v=V +V riz≈V

V L=−V

iL=ic+VR

iC=iL−VR

iL=I+ Iriz ≈ I

iC=I−VR

Análisis de corriente de rizado en el inductor:

Intervalo 1:

vL ( t )=LdiL(t )dt

V L=V G−V

diL (t)dt

=v L (t )L

diL (t)dt

=V G−VL

2∆ iLDT S

=V G−VL

∆ iL=V G−V2L

DT S

Análisis de voltaje de rizado del capacitor

Intervalo 1:

iC=Cdv (t )dt

iC=I−VR

iCC

=dv (t )dt

d vc (t)dt

= IR−VRC

2∆V CDT S

= IR−VRC

∆V C=IR−VRC

DT S

Aplicando los datos ya conocidos obtenemos

L=200mHC=200uF

∆ iL=V G−V2L

DT S

∆ iL=24−122 (200mH )

(0.5) 1f S

∆ iL=24−122 (200mH )

(0.5) 110kHz

∆ iL=0.0015

Balance de carga del condensador

1T S

∫0

T S

iCdt=0

1T S [∫0

DTS

(I−VR )dt+ ∫DT S

TS

(I−VR )dt ]=01T S [(I−VR )DT S+(I−VR )T S−(I−VR )DT S]=0

1T S [ID−VD

R+ I−V

R−ID+VD

R ]=0I=VR

∆V C=IR−VRC

DT S

∆V C=

VRR−V

RCDT S

∆V C=0

5. Describir cinco características (las más importantes) del IR2110 a partir de la hoja de datos Datasheet

Posee un Voffset máximo de hasta 500 voltios, lo que lo hace práctico para trabajos de electrónica de potencia.

Tiene la característica de ser un driver de doble lado (alto y bajo) lo que abre muchas posibilidades hacia su uso, ya que dependiendo de cómo se

conecten sus pines HIN, LIN, HO y LO puede trabajar de distintas maneras según lo que se requiera.

Posee la capacidad de trabajar con corrientes mayores de 5 amperios lo que lo hace ideal en circuitos en los que la corriente sea alta.

El rango de alimentación para el accionamiento de la base esta entre 10 y 20V

Posee Tolerancia a la tensión transitoria negativa

6. Bibliografía

http://tahmidmc.blogspot.com/2013/01/using-high-low-side-driver-ir2110-with.html

Fundamentals of Power Electronics. R.W.Eriksson 1997