Electrónica de potencia: Conversores de voltaje DC-DC. Buck Converter

Buenas, esta es la primera de una serie de publicaciones de electrónica de potencia, especialmente el tema de conversores de voltaje, poco a poco se irán subiendo cada uno de los conversores con los cuales he estado trabajando últimamente, siempre serán bienvenidas todas sus preguntas y si quieren hacer alguna aclaratoria siempre pueden escribir por aquí, bueno sin mas rodeo empecemos con el tema.

Buck Converter:

Primero que todo, el buck converter es un conversor de voltaje cuyo trabajo es reducir el voltaje de entrada del circuito alterando o no la corriente de salida, por lo cual aveces es mas conveniente implementar uno a utilizar un transformador para reducir el voltaje, tomando en cuenta que este tipo de reductores de voltaje es mas pequeño y mas sencillo de utilizar, incluso se pueden diseñar sistemas de control para realizar las respectivas correcciones por variaciones de voltajes de linea y cargas, pero en este caso solo tomaremos en cuenta el conversor en su versión mas simple donde se calcularan todos los valores de componentes a utilizar con las ecuaciones que serán dadas mas adelante.

Para la construcción de los circuitos y las simulaciones se utilizara el programa de PSIM, especializado en simulaciones de electrónica de potencia, en su pagina puedes obtener la versión demo del mismo que es con la que realizare las simulaciones de los circuitos.

Como se puede apreciar el circuito consta de una entrada de voltaje DC, un switch, el cual puede ser un IGBT o un FET, un diodo que evita que la corriente pase de regreso cuando el conmutador se encuentre apagado y un circuito RLC de carga RC, donde la carga de nuestro sistema, es decir, donde estará el voltaje de salida sera en la resistencia, para los parámetros de diseño del mismo, se deben utilizar las siguientes ecuaciones:

k = Vout / Vin

La constante k es un valor se suma importancia ya que el mismo indica cuales serán los intervalos de conmutación de nuestro switche, indicando en que momento estará cerrado y en que momento abierto, con esto se define el valor al cual sera bajado el voltaje.

t1 = kT

Este es lo que podríamos llamar el Duty Cicle del PWM, es el tiempo en que estará encendido el conmutador.

t2 = (1-k)T

Este sera el tiempo en el cual estará apagado el conmutador.

T = 1 / f

Donde T es el periodo del PWM que sera utilizado, normalmente se tiende a definir una frecuencia de PWM, y de ahí se procede a calcular el valor de todos los componentes del sistema, en caso de tener los componentes y querer definir una frecuencia, se pueden realizar simples despejes de las ecuaciones que se presentaran a continuación.

Rizado de corriente: Este mismo estará presente en la corriente que pasa por el inductor, normalmente no es muy utilizada mas que para calcular el tamaño del inductor con el cual queremos trabajar, esta influye mas en caso de querer realizar una realimentacion del sistema por medio de la corriente.

ΔI = (1-k)kVin / (fL)

Ahora el valor mínimo del inductor que se desea utilizar, viene dado por la siguiente ecuación, en donde se debe colocar el máximo valor de rizado de corriente que se debe permitir en el sistema.

L_m = Vin / 4f ΔI _M

Rizado de Voltaje: Este rizado estará presente en la salida de nuestro circuito, siempre se buscara minimizarlo, debido a que muchos equipos no permiten voltajes con altas variaciones, el mismo es inversamente proporcional a la frecuencia de conmutación, el valor del inductor y del capacitor.

ΔV = Vink(1-k) / 8LCf

Al igual que antes, siempre va a haber un valor mínimo de capacitor para que se cumpla ese rizado, el cual vendrá dado por la siguiente ecuación:

C_m = Vin / 32Lf ² ΔV _M

Con estos valores es posible diseñar un conversor de voltaje de tipo Buck de forma correcta, tomando en cuenta que esto es para casos ideales.

Para concluir con esta sección procederé a presentar un ejemplo, con las simulaciones incluidas, todo en el programa que especifique anteriormente.

Ejemplo:

Se quiere diseñar un conversor de voltaje de tipo Buck, el cual opere con un voltaje de entrada de 400 V y de salida se tenga un voltaje de 60 V con una corriente de 5 Amperes, el mismo debe operar a una frecuencia de 10KHz, los rizados máximos permisibles son de 1%.

Con estas especificaciones se puede empezar a diseñar nuestro sistema.

Empezamos por hallar los intervalos de conmutación, ya que así programaremos nuestro PWM.

k = 60/400 = 0.15
T = 1 / 10Khz = 100useg
t1 = 15useg
t2 = 85useg

Luego procedemos a calcular cuales serán los rizados máximos permisibles por el sistema y con ellos calcular los valores mínimos de capacitancia e inductancia que se deben utilizar.

ΔI = 1% de 5A = 0.05A
ΔV = 1% de 60V = 0.6V
L_m = 400 / (4 x 10Khz x 0.05A) = 0.2H
C_m = 400 / (32 x 0.2 x (10Khz)² x 0.6V) = 1.041uF

Como debemos utilizar valores comerciales utilizaremos un capacitor de 1.2uF el cual es el valor comerciales inmediatamente superior al obtenido, también se puede trabajar con valores mas altos pero esto solo aumentaría el costo del conversor y disminuiría el rizado, el cambiar el valor del capacitor solo hace que el valor mínimo del inductor disminuya, por lo que seguiremos con el mismo criterio para elegirlo, así que utilizaremos un inductor de 208mH.

Para el calculo de la corriente de salida solo se realizara un simple calculo con la ley de ohm, obteniendo así que la resistencia a utilizar debe ser de.

R = V / I = 60 / 5 = 12Ω

Procedemos a realizar la simulación, nuestro circuito queda de la siguiente forma:



Aquí podemos apreciar como quedara nuestro circuito final, y podemos ver que se obtuvieron los resultados deseados al ver la simulación de los voltajes y corrientes de salida.



Se puede evidenciar claramente como en la primera gráfica se tiene el voltaje de entrada de 400V, y luego en la salida tenemos un voltaje de 60V como se deseaba al principio, el mismo tiene su correspondiente rizado el cual ya fue estabilizado con los componentes utilizados.



Con la corriente sucede lo mismo, se aprecia que su valor final es el deseado con un rizado muy pequeño, el cual los indica que el ejercicio esta correcto.

También podemos apreciar un ligero tiempo de establecimiento para el voltaje de salida, por lo que en caso de querer disminuirlos se aconseja hacer un sistema re-alimentado con un controlador PID, el cual hará que el parámetro K sea variable y así se obtengan mejores resultados, en algunos ejemplos también se pueden tener altos picos de voltaje al inicio del voltaje, esto también puede ser corregido con la realimentacion.

Para concluir me gustaría agradecer al profesor Victor Guzmán (Profesor del departamento de Electrónica y Circuitos de la Universidad Simón Bolívar en Caracas, Venezuela) y a sus clases ya que todas las ecuaciones y el conocimiento que tengo fue obtenido de ahí, son de gran ayuda y espero esto pueda ayudar a muchas mas personas, nos veremos pronto con el próximo conversor de voltaje.

ALR.