RESULTADOS EXPERIMENTALES

Los diagramas de potencia y de control se muestran en la figura 5-7, acompañados del listado de dispositivos, tablas 5.9 y 5.10, utilizados en el prototipo.

La figuras 5.8 y 5.9 muestran las corrientes experimentales en el primario y secundario del transformador Flyback.

En la forma de onda de la corriente del secundario puede observarse el escalón producido durante el tiempo de bloqueo del transistor de potencia, con lo que se comprueba en forma experimental el estudio teórico y en particular el funcionamiento en forma no lineal de la inductancia filtro de salida. En esta figura puede además confirmarse un valor de factor k aproximadamente igual a 2.42, que ha sido establecido en la ecuación (5-17), bajo el criterio de igualar las potencias procesadas en cada núcleo.

El valor máximo de la corriente en el primario, entrega un valor aproximadamente de 26[A].

Figura 5-7 Circuitos de control y potencia.

Tabla 5.9 Componentes del circuito de Control

CI SG3524 Pt 5.0 [KO], 15 vueltas Qd BC177 Pd 5.0 [KO], 15 vueltas Dd MUR120 Rt 1.5 [KO], ,1/8 [W] Dz 1N4740, 10 [V] Rd 390 [O], 1/8 [W] Ct 0.005 [uF] Rg 5 [O], 1/8 [W] Ca 1 [uF] Rdv1 13.0 [KO], 1/8 [W] Cd 50 [nF] Rdv2 4.3 [KO], 1/8 [W ]

Tabla 5.10 Componentes del circuito de Potencia SW IRFP150 D1 MUR420 D2 MUR840 dp 1, dp 2, dp s MUR140 D11, D12, FR307 Cs1, Cs2 470[µF], 100[V] Cf 330[µF], 100[V] Cp s 470[nF], Cp1,Cp2 220[nF], rp1, rp 2 47.0 [KO], 5 [W] rp s 1.0 [KO], 5 [W] Transformador Flyback EE-55

n1 = 7 espiras, 56 hilos, AWG30

n2 = 44 espiras, 25 hilos, AWG30

gap : 0.6 [mm]

Transformador Forward EE-55

n3 = 12 espiras, 56 hilos, AWG30

n4 = 51 espiras, 7 hilos, AWG30

Lf EE-20

70 espiras , AWG30 250 [uH]

Las figuras 5-10 y 5-11muestran las formas de onda experimental de las tensiones en los embobinados primarios de los transformadores, Flyback y Forward, respectivamente.

En ambas se puede observar el restablecimiento del núcleo, dado por la parte negativa de la tensión, durante el tiempo de apertura del interruptor.

Por último la figura 5-12 muestra la forma de onda experimental obtenida desde el interruptor de potencia, revelando puntas de tensión sobre el interruptor, lo cual obviamente incrementara las perdidas en el transistor

La figura 5-13 muestra la característica de salida experimental donde puede observarse las regiones de conducción continua y discontinua del convertidor.

Figura 5-8 Corriente primaria del Transformador Flyback. 4[A]/div

Figura 5-10 Tensión primario del Transformador Flyback. 5[V]/div

Figura 5-12 Tensión sobre el interruptor. 20[V]/div

La eficiencia obtenida a plena carga, figura 5-14, fue de 0.75, la razón principal de este mal resultado se explica fundamentalmente, en que debido a limitaciones del laboratorio, debió diseñarse el circuito de control para una fuente de entrada al circuito de control de 12[V], por lo tanto se considera que la conmutación del interruptor de potencia fue defectuosa y pasaba por la zona activa del interruptor. Por otra parte es posible mejorar la eficiencia realizando una optimización en los circuitos de protección y fijación de tensión del interruptor de potencia, así como también del layout del circuito.

Como en todo el circuito aislado, es preciso también poner especial cuidado en controlar las inductancias de dispersión de los transformadores, por lo que esta topología es especialmente sensible en este punto, ya que se tendrá dos núcleos, cuyos efectos parásitos irán en perjuicio de un único interruptor.

La característica de salida experimental, muestra la tensión de salida función de la corriente media de salida, utilizando como parámetro el ciclo de trabajo y se muestra en la figura 5-14, el cambio en la razón cíclica controla la potencia transferida hacia la carga y regula la tensión de salida. La pendiente presentada en la característica de salida experimental dentro del modo de conducción continua es producto de la resistencia de conducción del interruptor, la caída de tensión a través de los diodos de salida y la caída de tensión debido a la reactancia de dispersión.

Figura 5-14 Característica de salida.

5.6 CONCLUSIONES DEL CAPITULO

En este capitulo ser ha presentado la metodología de diseño del “Nuevo convertidor Flyback-Forward ”, donde se ha dimensionado cada elemento que constituye la etapa de potencia. Además se ha presentado aspectos fundamentales del diseño del circuito de control. Respecto de la protección del interruptor se ha optado por un esquema de restitución no disipativo, con el objeto de llevar las sobre tensiones sobre el interruptor a niveles seguros de acuerdo al interruptor utilizado.

Se ha verificado el principio de funcionamiento en forma experimental, lo cual se ve principalmente validado por la forma de onda de la corriente en el secundario del transformador Flyback, figura 5-9.

Además de las principales formas de onda experimentales de tensión presentadas se han entregado las curvas de eficiencia y la característica de salida del convertidor.

CONCLUSIONES

La inserción de transformadores a las topologías de convertidores CC-CC tiene como principal ventaja la aislamiento de dos sistemas de energ ía, la fuente suministradora y la carga. Además es posible manejar la relación de conversión de energía , favoreciendo la disminución de estrés en los elementos que conforman el convertidor aislado.

Se ha visto que existen, en lo que a conversión CC-CC aislada se refiere, dos formas de transferir energ ía fundamentalmente distintas y que están representadas por una parte por el convertidor Forward, el cual transfiere directamente energía hacia la carga durante la conducción del interruptor de potencia y por otra, el convertidor Flyback, el cual como contrapartida al anterior, entrega la energía a la carga durante el bloqueo del interruptor.

Los convertidores CC-CC operando en modo de conducción continuo de corriente, se presentan como más aptos para procesar una mayor cantidad de energ ía.

El nuevo convertidor propuesto que ha sido desarrollado experimentalmente, es parte de una de las ramas de la familia de convertidores aislados con dos formas de procesar energ ía, derivada de los convertidores Buckboost-buck y que además puede entenderse como la versión de solo un interruptor del convertidor Flyback-Pushpull.

La ventaja de integrar estas formas de transferencia es aprovechar ambas etapas, pensando siempre en la operación en modo de conducción continua de corriente, definidas por la conducción y bloqueo del interruptor lográndose por otra parte repartir la energía a transferir hacia la carga en dos núcleos magnéticos.

Se ha realizado un análisis cualitativo, mostrando las etapas de operación, en modo de conducción continua, en el inductor acoplado secundario o de salida y se han entregado las principales formas de ondas teóricas del convertidor.

Posteriormente se analiza cuantitativamente, entregando las principales ecuaciones que predicen el comportamiento del convertidor, en modo de conducción continuo de corriente, estas ecuaciones han sido validadas mediante la simulación de un proyecto básico del convertidor. Las curvas obtenidas de la simulación corroboran el ecuacionamiento.

El factor k que se ha definido en el ecuacionamiento de este convertidor define de forma clara, el comportamiento del convertidor, ya que si k pertenece al intervalo ] 1;2[ sus características se asemejan al convertidor Forward, de otro modo si k pertenece al intervalo ] 2; 8 [, el comportamiento del convertidor será semejante al convertidor Flyback. Una muestra de esto, es la figura 2-13, donde se muestra la ondulación de corriente en el inductor de salida. Por una parte en la curva N1 = 0.5 N2, se tiene una mayor ondulación lo cual incidirá en un mayor valor de L2 para un mismo requerimiento de ondulación. En la curva N1=2.0N2, se observa que la ondulación es considerablemente menor, por cuanto valores menores de inductancia serán requeridos para filtrar esta corriente, lo que implica menor tamaño. Esto revela que está preponderando en la transferencia de energía el núcleo que sostiene a los inductores acoplados o Flyback.

Es fácil darse cuenta, que gracias al manejo del factor k, los esfuerzos en los dispositivos que conforman el nuevo convertidor propuesto pueden ser distribuidos, acomodándolos dependiendo los requerimientos necesarios. Puesto que este factor depende de la relación entre la relación de espiras del Flyback y del Forward, se cuenta con gran versatilidad en este aspecto además este factor influye en la distribución de las potencias procesadas por cada núcleo, pudiendo ser también distribuidas.

Además se ha abordado el modelado dinámico de pequeña señal, en modo de conducción continua en el inductor acoplado secundario, del nuevo convertidor propuesto, mediante el método de espacio estados medios.

El modelo de espacio estado, predice un cero de semiplano positivo en la función de transferencia control-salida, operando en modo de conducción continua, por lo que la respuesta dinámica del convertidor se verá limitada ya

que el margen de ganancia a frecuencias mucho más bajas que la de este cero de plano derecho.

Un cero de plano derecho, posee una elevación en la magnitud de la ganancia de 20 [db/dec], pero con 90º de retardo en vez de adelanto. Esta característica es difícil pero no imposible de compensar.

Este cero no se presenta en la familia de convertidores derivados del convertidor reductor o Buck. Este es encontrado solo en topologías Flyback, Boost y Cuk y solamente cuando estos están operando en modo de conducción continua de corriente en el inductor. El nuevo convertidor Flyback -Forward también hereda esta condición y deberá tenerse presente a la hora de cerrar el lazo de control.

Se ha presentado la metodología de diseño del “Nuevo convertidor Flyback-Forward ” , donde se ha dimensionado cada elemento que constituye la etapa de potencia. Además se ha n presentado aspectos fundamentales del diseño del circuito de control. Respecto de la protección del interruptor se ha optado por un esquema de restitución no disipativo, con el objeto de llevar las sobretensiones sobre el interruptor a niveles seguros de acuerdo al interruptor utilizado.

Se ha verificado el principio de funcionamiento en forma experimental, lo cual se ve principalmente validado por la forma de onda de la corriente en el secundario del transformador Flyback.

Además de las principales formas de onda experimentales de tensión presentadas se han entregado las curvas de eficiencia y la característica de salida del convertidor.