CAPITULO 4. Diseño, prueba y análisis experimental de convertidores conmutados de alta
4.4 Diseño y prueba de un convertidor Buck-Boost (Inversor)
El convertidor conmutado de alta frecuencia en su topología Buck-Boost presenta un comportamiento interesante por el hecho de que puede trabajar como un convertidor reductor o elevador, dependiendo del valor del ciclo de trabajo, tal como ya fue acotado en el capítulo 2.
De esta manera nos planteamos el siguiente caso de estudio para el diseño del convertidor.
Se tiene un nivel de tensión de 5 VDC en la entrada del convertidor, se desea
implementar un convertidor conmutado de alta frecuencia en el cual la tensión regulada a la salida posea un valor de -5 VDC. La corriente de salida debe tener
un valor de 200mA. El nivel de rizado pico-pico en la tensión de salida del convertidor debe ser menor a 0.25 v.
a) Ciclo de trabajo
Tal como se ha mencionado el convertidor Buck-Boost presenta una característica interesante ya que su comportamiento aparte de provocar una inversión de la polaridad de la tensión de entrada puede funcionar como convertidor elevador o reductor dependiendo del ciclo de trabajo establecido. En este caso se observa que en este caso el convertidor únicamente está trabajando como inversor, esto a la vez permite de manera rápida observar que el valor del ciclo de trabajo es de 0.5. Para comprobar este resultado
se presenta nuevamente la ecuación que establece la relación entre las variables terminales del convertidor.
DC O O V V V D (Ecuación 2.93) 5 . 0 D (Ecuación 2.94) a) Para el transistor:
La corriente promedio por ciclo de conmutación está definida por
O Q I D D I 1 (Ecuación 4.95) mA IQ 200 (Ecuación 4.96)
Mientras que la tensión reversa máxima permitida está dada por:
DC O RM V V V (Ecuación 4.97) v VRM 10 (Ecuación 4.98)
b) Para el diodo tenemos que:
La corriente promedio está definida por:
O D I I (Ecuación 4.99) mA ID 200 (Ecuación 4.100)
y el nivel de tensión pico reverso máximo está dado por:(Ecuación 4.72)
DC O PR V V V (Ecuación 4.101) v VPR 10 (Ecuación 4.102)
Observando las hojas de datos del fabricante para este encapsulado, para la configuración en topología Buck-Boost es necesaria la presencia de un diodo externo, de manera que aunque se trabaje con corrientes bajas es necesario implementar esta configuración. Esto resulta un poco contradictorio ya que las características del diodo externo a utilizar corresponderían en gran medida con las características del diodo interno del encapsulado.
Tal como se observa en la ecuación 4.101 el valor de la tensión pico reverso máxima que debe soportar el diodo está determinada por la suma de las tensiones de entrada y salida del convertidor, en este caso particular esta tensión tiene un valor dentro del rango aceptable para el diodo interno del encapsulado sin embargo en otros casos de
diseño esta condición no necesariamente se cumple y se corre el riesgo de exponer al diodo interno a niveles de tensión pico reverso de magnitudes que puedan comprometer el funcionamiento y seguridad del dispositivo. Esta razón motiva al fabricante a establecer como recomendación la incorporación de un diodo externo el cual cumpla a cabalidad las condiciones de operación para su adecuado funcionamiento dentro del convertidor.
De esta manera al tener conocimiento de este hecho se podría utilizar el diodo interno del encapsulado para el desarrollo del convertidor, teniendo la previsión de no superar el nivel de tensión pico reverso de 35v para el cual está especificado el diodo.
c) Para el inductor
Tenemos que la inductancia mínima que permite al diodo trabajar en modo de conducción continuo está dada por:
min , min 2 1 O DC I fs D D V L (Ecuación 4.103) H Lmin 313 (Ecuación 4.104)Esto para un valor mínimo de corriente de 100mA. Elegimos una inductancia 390µH para el desarrollo del convertidor.
Una vez elegido este valor de inductancia recalculamos el valor de la frecuencia teórica para obtener el valor del capacitor que debe ser conectado a la patilla 3 del encapsulado. Utilizamos el mismo procedimiento que se ha empleado para las otras topologías del convertidor. De la ecuación 4.103 despejamos el valor de la frecuencia para un valor de inductancia de 390µH, de manera que obtenemos una frecuencia de operación de 16000 Hz, Con este valor y un ciclo de trabajo de 0.5 observamos que el tiempo de encendido del transistor de paso debe ser de 31ms, utilizando la aproximación dada por la ecuación 4.7 obtenemos que el capacitor debe ser de 372pF.
d) Para el capacitor
El valor de la capacitancia de salida está determinado por la siguiente ecuación:
RPP O O V fs D I C , max , (Ecuación 4.105)
O RPP O I V ESR0.1 , (Ecuación 4.106) Sustituyendo los valores obtenemos que:
F
C50 (Ecuación 4.107)
m
ESR 250 (Ecuación 4.108)
El valor de las resistencias del lazo de realimentación y de la resistencia limitadora de corriente presentan los mismos valores que en el caso del convertidor Buck, ya que se presentan los mismos niveles de tensión de referencia.
De esta manera se encuentra completamente dimensionado el convertidor. El diagrama esquemático del circuito con los valores reales de los componentes utilizados en el laboratorio se muestra en la figura 4.22.
4.4.1 Trabajo en el laboratorio
La figura 4.22 muestra el diagrama esquemático del circuito utilizado en el laboratorio con los valores reales de los componentes que se utilizaron en la implementación del convertidor.
Figura 4.22. Formas de onda de corriente a través del diodo del convertidor.
Iniciamos el análisis observando el comportamiento de las formas de onda a la salida del convertidor. Dichas formas de onda se presentan en la figura 4.23.
Figura 4.23. Formas de onda de tensión de entrada (superior) y salida (inferior) del convertidor.
Las mediciones efectuadas a las variables de las formas de onda mostradas en la figura 4.22 se muestran en la figura 4.23.
Figura 4.24. Mediciones realizadas a las formas de onda de entrada (izquierda, canal 1) y salida (derecha, canal 2) utilizando el osciloscopio.
Se puede calcular la regulación de tensión en este caso en un valor aproximado del 18%, el más alto obtenido hasta el momento, esto radica en una mayor variación de la tensión de salida del convertidor, la cual es una condición no deseada. Sin embargo el nivel de
rizado pico a pico se encuentra en un valor cercano al valor de diseño, esto lo que indica es que el convertidor aunque trabaja con características de tensión de salida apropiadas para la alimentación de un circuito electrónico, sin embargo una variación pronunciada de la tensión de entrada del convertidor podría generar que la tensión de salida presente un comportamiento oscilatorio. Para comprobar este hecho se muestra la figura 4.24.
Figura 4.25. Variación de la tensión de salida respecto a la variación de la tensión de entrada del convertidor.
La figura 4.24 se muestra con el fin de observar de manera efectiva el comportamiento de la tensión de salida del convertidor ante una variación de un nivel de mayor magnitud en la tensión de entrada con respecto al mostrado en la figura 4.22, para lograr que la fuente DC utilizada para alimentar el convertidor presentará una forma de tensión con distorsiones de mayor magnitud e baja la magnitud de la corriente proporcionada por la fuente, ya que este comportamiento irregular de la fuente ya había sido notado. Los valores de las variables relacionadas con la tensión, medidos para la forma de onda presente en la figura 4.24 se describen a continuación:
Figura 4.26. Mediciones realizadas a las formas de onda de entrada (izquierda, canal 1) y salida (derecha, canal 2) utilizando el osciloscopio.
Si volvemos a calcular la regulación de tensión con base en estos resultados se muestra que esta tiene un valor de 13%. De esta manera se comprueba que la regulación de tensión presenta valores similares independientemente de la magnitud del pico de tensión de la tensión de entrada.
De la misma manera que se ha efectuado para los restantes convertidores, se puede realizar un barrido de tensiones en el cual se muestre la variación de la tensión de salida del convertidor con respecto a las variaciones de la señal de tensión de entrada. Esta variación se muestra en la figura 4.27.
Figura 4.27. Tensión de salida en función de la tensión de entrada del convertidor, topología Buck- Boost, modo conducción continuo.
Se observa de manera bastante interesante que la tensión de salida con polaridad inversa presenta un comportamiento creciente frente a las variaciones de la tensión de entrada. Utilizando el valor de un ciclo de trabajo máximo de 75%, así como un nivel de tensión de referencia de 5.238v en la patilla 1 del encapsulado dado por el valor real de las resistencias de la red de realimentación podemos establecer según la ecuación 4.28 que el nivel de tensión de salida debe alcanzar su valor esperado de 5.238v cuando la tensión de entrada supere los 3.92v. En la figura 4.25 se muestra que el nivel deseado de la tensión de salida se obtiene a partir de los 5.48v, lo cual muestra un porcentaje de error de aproximadamente 1.5v, esta desviación que porcentualmente es alta podemos establecer que se debe básicamente a desviaciones de los valores reales respecto a los valores medidos de las tensiones de salida o de las resistencias del lazo de realimentación.