Convertidor Boost

Diseo de un regulador elevador (Boost). Universidad de Cundinamarca. Becerra Prez Yoan, Jimenez Merchan Alex

Camilo, Martnez Vargas Steven.

1

Abstract this report explains the procedure for the design

of a boost regulator, as well as the proper selection of the

necessary components for proper operation. The regulation is

usually obtained by a PWM signal, which can be implemented

by operational amplifiers, microcontrollers or signal

generators. Because of its stability and precision was

determined using a signal generator, preconfigured with the

control signal for operating the boost regulator. Moreover, this

report describes the design process for a snubber network in

order to protect the circuit.

Resumen Este informe explica el procedimiento para

realizar el diseo de un regulador elevador (ms conocido

como boost), as como, la seleccin adecuada de los

componentes necesarios para su correcto funcionamiento. La

regulacin suele obtenerse gracias a una seal PWM, que

puede ser implementada mediante amplificadores

operacionales, microcontroladores o generadores de seal. En

razn a su estabilidad y precisin, se determin el uso de un

generador de seal previamente configurado con la seal de

control para el funcionamiento del regulador elevador.

Adems, este informe descibe el proceso de diseo para una

red Snubber con el fin de proteger el circuito.

ndice de trminosCiclo de Trabajo, Convertidor CC-CC,

Eficiencia, Regulador-elevador, Seal de disparo.

I. INTRODUCTION

OS convertidores DC-DC son circuitos electrnicos de

potencia que convierten un valor de voltaje DC en otro

nivel de voltaje, tambin en DC. Se emplean ampliamente

en sistemas de suministro de energa de corriente continua

regulados de modo de conmutacin. Se aplican

fundamentalmente en el control de dispositivos que

requieren un consumo de energa considerable.

En el presente trabajo se tratar principalmente el

funcionamiento de un convertidor Boost (Regulador-

Elevador), as como su correspondiente proceso de diseo,

teniendo en cuenta una seleccin detallada de los materiales

Informe recibido Mayo 24, 2013. Diseo de un regulador elevador

(Boost).

B. P. Yoan es estudiante de la Universidad de Cundinamarca sede

Fusagasug; (e-mail: [email protected]).

J. M. Alex Camilo es estudiante de la Universidad de Cundinamarca

sede Fusagasug; (e-mail: [email protected]).

M. V. Steven es estudiante de la Universidad de Cundinamarca sede

Fusgasug; ([email protected]).

a emplear, segn la corriente y el voltaje que deben

soportar.

II. CRITERIOS DE DISEO

Para el desarrollo de este informe, deben considerarse

ciertos parmetros de entrada al momento de disear el

convertidor Boost, que son los siguientes:

Voltaje de entrada = 12 Voltios

Voltaje de salida = 50 Voltios +/- 1% (porcentaje

rizado)

Frecuencia de conmutacin = 50 KHz

Potencia = 20 Watts +/- 5%

La Figura 1 muestra el diagrama esquemtico de un

regulador Boost, el cual se trabajar en este informe.

A. Ciclo til de la seal de control

Para el clculo del ciclo til, se debe empezar por la

siguiente formula:

(1)

Despejando D de (1) se obtiene el ciclo til de trabajo de

la seal de control del transistor:

(2)

Diseo de un regulador elevador (Boost)

Becerra Prez. Yoan, Jimenez Merchan. Alex Camilo, y Martnez Vargas. Steven.

L

Fig. 1. Diagrama esquemtico del convertidor Boost a disear e

implementar.

Fuente. Autores.



2

Donde:

B. Resistencia de carga

(3)

(4)

Donde:

Lo anterior, define el rango de valores que debe tener la

carga para un correcto funcionamiento del circuito. Cabe

anotar que la potencia de disipacin de la carga, debe estar

entre el rango de tolerancia de la potencia, que fue definida

en los parmetros de entrada.

C. Valores de capacitancia e inductancia

Como se tienen dos valores de resistencia de carga (R1 y

R2), se establecern dos posibles casos para encontrar el

valor mnimo de inductancia y capacitancia acordes al

circuito. Este proceso se menciona a continuacin:

1) Primer Caso

Usando la resistencia mnima (R2)

(5)

(6)

Donde:

2) Segundo Caso

Usando la resistencia mxima (R1)

(8)

(9)

Donde:

Ya que el valor de inductancia mnima es mayor en el

segundo caso, se opt por elegir los valores obtenidos en

este caso, para calcular los valores de voltaje y corriente

que se describen en el literal D de esta seccin:

Donde:

Para el caso del capacitor, se escogi uno de valor

comercial cercano al valor calculado, que para este caso es



3

de 15 F a 100 voltios, mientras que para el inductor, se

decidi elaborar una con ncleo toroidal de acuerdo a las

siguientes caractersticas:

3) Elaboracin del inductor

Se prefiri el ncleo toroidal a otros elementos porque su

factor de calidad es mayor que el de una bobina

convencional, y tambin porque se logran inductancias muy

compactas y de menor tamao. Lo datos del ncleo toroidal

son los que se encuentran registrados en la Tabla 1:

De acuerdo con los datos obtenidos anteriormente, se

pudo establecer qu el ncleo toroidal con el que se estaba

trabajando corresponda a un T-106 (vase Figura 2), cuyas

medidas son similares a las obtenidas en la Tabla 1.

D. Calculo de la Corriente para cada elemento

La corriente que debe soportar la carga se calcula con la

siguiente formula:

(10)

El periodo de conmutacin Ts se define como el inverso

de la frecuencia de conmutacin:

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

Donde:

Imax = mxima corriente que circular por el inductor

Imin = mnima corriente que circular por el inductor

ILrms = corriente que debe soportar el inductor

E. Seleccin del transistor

Para la seleccin del transistor Q se debe tener en cuenta

el periodo de conmutacin, y la corriente mxima y mnima

que circular por el inductor. La Figura 3 ilustra el

comportamiento de la corriente del transistor en el circuito.

(16)

Fig. 2. Medidas para diferentes toroides.

Fuente. Ifastnet. Nucleos Toroidales

TABLA I

DATOS DEL NUCLEO TOROIDAL

Item Valor Unidad de

medida

Dimetro exterior 2.5 cm

Dimetro interior 1.5 cm

Seccin horizontal 0.5 cm

Altura del ncleo 1.1 cm

Longitud de cada

espira

3.2 cm

Dimetro del hilo 50.820

0.129

mils

cm

Fuente: Autores



4

De acuerdo con la Figura 3, se puede determinar la

funcin de la corriente instantnea del transistor:

(17)

La corriente rms del transistor de calcula de la siguiente

forma:

(18)

Donde:

La tensin mxima que debe soportar el transistor es

equivalente al voltaje de la fuente, es decir 12 Voltios

Este anlisis determina las condiciones que se deben

tener en cuenta al momento de elegir el transistor a utilizar

en el circuito. Debido a que la frecuencia de conmutacin es

alta, los transistores MOSFET son los ms indicados por su

velocidad de operacin, no poseen corriente de compuerta,

lo que evita problemas en el convertidor Boost.

Segn el voltaje (12 V) y la corriente hallada en las

ecuacin 21 se determin que el MOSFET apropiado para

realizar el convertidor Boost es el IRF540, ya que soporta

voltajes entre drenaje y fuente de hasta 100 V y corriente

mxima de drenaje de 22. Asimismo, este transistor

presenta alta eficiencia si se utiliza en convertidores DC-

DC, UPS y control de motores. En el Anexo 1 se muestran

las especificaciones ms importantes de este transistor

F. Seleccin del diodo

El comportamiento de la corriente del diodo en el circuito

convertidor elevador es opuesto al del transistor, es decir,

cuando el transistor conduce, el diodo se comporta como un

circuito abierto, y viceversa (vease Figura 4).

Acorde con la Figura 4, se puede determinar la funcin

de la corriente instantnea del diodo:

(19)

Para encontrar B, se reemplazan los valores de id(t) y t,

los cuales salen de la forma de onda de la Figura 4

(20)

Sustituyendo la ecuacin 20 en 19, queda:

(21)

Para encontrar la corriente rms del diodo se utiliza la

ecuacin 18, pero los intervalos a evaluar son diferentes:

(22)

Fig. 4. Corriente del diodo como una funcin del periodo de

conmutacin.

Fuente. Autores.

Fig. 3. Corriente del transistor como una funcin del periodo de

conmutacin.

Fuente. Autores.



5

Donde:

Similar al caso del transistor, la seleccin del diodo debe

ser la adecuada, ya que parmetros como frecuencia de

conmutacin y corriente rms del diodo son importantes a la

hora de escoger un diodo. Por ello se escogi el diodo de

conmutacin rpida UF5404, que soporta hasta 280 voltios

y corrientes pico de 125 amperios. En el Anexo 2 se

encuentran las especificaciones relevantes del diodo.

G. Seal de control del transistor

De acuerdo con la ecuacin 2, la seal de control que

debe llegar al transistor, debe tener un ciclo de trabajo del

76% con una frecuencia de operacin de 50 kHz. Esta seal

(que por lo general es PWM) puede generarse mediante

amplificadores operacionales, microcontrolador o generador

de seal.

Por cuestiones de eficiencia y precisin, se decidi elegir

el generador de seal como el medio para crear la seal de

control PWM que llegar al transistor MOSFET. La Figura

5 muestra la seal PWM que pondr a conmutar al

transistor.

H. Circuito de disparo

En la figura 1, se puede observar que el transistor

MOSFET est conectado directamente a la referencia del

circuito, lo que facilita la realizacin de un circuito de

disparo. Para disparar el MOSFET correctamente, se

decidi utilizar una configuracin de transistores en push-

pull que ayuda a descargar la corriente almacenada en el

inductor conectado en el drenaje del transistor MOSFET

cuando se comporta como interruptor abierto. De no

hacerse esto, se presentaran fallas en el transistor al

momento de cambiar de un estado a otro. La Figura 6

muestra la configuracin push-pull utilizada en el circuito.

I. Diseo de la red snubber

Se realizara una red Snubber con el fin de proteger el

transistor de sobrepicos de corriente y voltaje. Para ello se

tuvieron en cuenta los siguientes parmetros:

Caractersticas transistor

Tiempo de cada (tf) = 40 nS (vase anexo 1)

Corriente transistor (iQ(rms)) = 1.338 A (ecuacin 18)

Voltaje salida (Vo) = 50 V

(23)

(24)

(25)

(26)

J. Lista de materiales

Luego de realizar los pasos anteriores, se procede a

mencionar cada uno de los materiales necesarios para la

construccin del convertidor Boost, que son los siguientes:

Resistencia de 120 a 18 W

Capacitor de 16 F

Inductor de 72 H

Q1

IRFP150N

Q22N3906

Q32N3904

R4

33

R62k

R7

2k

Fig. 6. Circuito de disparo para el transistor MOSFET.

Fuente. Autores.

3 4 5 6

x 10-4

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Fig. 5. Seal PWM con ciclo util de 50%.

Fuente. Autores.



6

Fuente de voltaje de 12 VDC

Transistor MOSFET IRF540

Diodo Ultra Fast Recovery UF5404

Transistor BJT 2N3904, 2N3906 o TIP31C, TIP131

III. ANLISIS DE RESULTADOS

En esta seccin se muestran los comportamientos de

voltaje y corriente en cada uno de los elementos

seleccionados, con el nimo de observar la respuesta del

circuito tanto a la entrada como a la salida y posteriormente

determinar su eficiencia.

Las figuras 7-16 muestran la respuesta del circuito en

cada uno de los elementos que en el intervienen. Cabe

anotar que dichas respuestas, fueron obtenidas mediante el

software de simulacin Simulink de Matlab.

En la Figura 7 se observa el valor de Vs que corresponde

a 12 V, mientras que en la figura 8 se tiene la corriente de

entrada del convertidor (es la misma corriente del inductor),

que presenta un sobreimpulso en un pequeo instante de

tiempo, pero despus se mantiene en un rango de valores

constante

Las figuras 9 y 10 describen la forma de onda del voltaje

y la corriente que llega a la carga. Similar al caso de la

Figura 8, presentan un sobreimpulso en un tiempo corto,

pero despus se mantiene en 50 voltios y 1.75 amperios

aproximadamente. El voltaje de salida coincide con el

criterio de diseo de voltaje de salida, al igual que la

corriente que se calcul en la ecuacin 10.

El voltaje en el inductor de la Figura 11 vara

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

x 10-3

-100

-80

-60

-40

-20

0

Fig. 11. Voltaje en el inductor.

Fuente. Autores.

1 2 3 4 5 6

x 10-3

-5

0

5

10

15

20

25

Fig. 10. Corriente de salida del convertidor Boost.

Fuente. Autores.

0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Fig. 9. Voltaje de salida del convertidor Boost.

Fuente. Autores.

1 2 3 4 5 6 7

x 10-3

0

5

10

15

20

25

Fig. 8. Corriente de entrada del convertidor Boost.

Fuente. Autores.

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.0111

11.2

11.4

11.6

11.8

12

12.2

12.4

12.6

12.8

13

Fig. 7. Voltaje de entrada del convertidor Boost.

Fuente. Autores.



7

constantemente alcanzando un valor pico de 12 voltios.

Para la Figura 8, se observa que la corriente del inductor

despus de cierto tiempo se mantiene entre un valor mayor

que cero y un valor cercano a 3 amperios, entendindose

as, que los valores de Imax e Imin encontrados en las

ecuaciones 13 y 14 respectivamente, coinciden con lo que

se obtiene en dicha seal.

Segn la Figura 13, El voltaje en el diodo tiene un

comportamiento parecido al voltaje en el inductor, con la

diferencia de que el valor pico que presenta el voltaje del

diodo es cero, mientras que en el inductor este valor es de

12 voltios.

La corriente en el diodo (Figura 14) es similar a la

corriente en el transistor MOSFET y presenta un rango de

valores constantes entre 0 y aproximadamente 2 amperios,

que se asemeja a lo descrito en las figuras 3 y 4.

Luego de que el circuito estuviese listo para ser utilizado,

se procedi a realizar mediciones de voltaje y corriente

(tanto de entrada como de salida), para compararlos con los

resultados obtenidos analticamente y calcular la potencia

de entrada y salida, y a su vez, la eficiencia del convertidor

Boost. Los resultados fueron los siguientes

Voltaje de entrada (Vin) = 11.19 V

Corriente de entrada (Iin) = 2.68 A

Potencia de entrada (Pin) = Vin*Iin = 29.9892 W

Voltaje de salida (Vout) = 50 V

Corriente de salida (Iout) = 0.42 A

Potencia de salida (Pout) = Vout*Iout = 21 W

Eficiencia = (Pout/Pin)*100 = 70%

IV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Algunos componentes elctricos y electrnicos presentan

algunas prdidas por temperatura, disipacin de calor, entre

otros, algo que influye en el ptimo desempeo de un

circuito.

La red Snubber es un circuito activo o pasivo que mejora

el rendimiento del elemento en donde est conectada la red.

Una ventaja de la red Snubber consiste en hacer trabajar los

elementos de conmutacin en zonas seguras, es decir, no

exponindolos a su lmite; por tanto su vida til aumenta y

el sistema funciona mejor.

La generacin de la seal de disparo para el transistor se

iba a realizar mediante microcontrolador (PIC), pero se

requera de un optoacoplador a la salida de este para

prevenir algn dao en l. Como la seal que se generaba

0 1 2 3 4 5 6 7

x 10-3

5

10

15

20

Fig. 14. Corriente en el diodo de conmutacin rpida.

Fuente. Autores.

0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10-3

-100

-80

-60

-40

-20

0

Fig. 13. Voltaje en el diodo de conmutacin rpida.

Fuente. Autores.

0 1 2 3 4 5

x 10-3

0

5

10

15

20

25

Fig. 12. Corriente en el capacitor.

Fuente. Autores.



8

en el PIC era de una frecuencia alta (100 kHz), al pasar por

el optoacoplador se perda, entendindose as que el

optoacoplador no funciona a frecuencias altas. Otra posible

solucin consisti en conectar el PIC directamente al

circuito de disparo, pero este se reiniciaba constantemente

porque la corriente que solicitaba el circuito de disparo era

mayor a la q entregaba el PIC. Finalmente se opt por

utilizar un generador de seal, que es muy preciso, fiable y

adems entrega la seal deseada al circuito de disparo.

La funcin primordial de un convertidor DC-DC (sea

elevador o reductor), consiste en conservar la potencia tanto

en la entrada como en la salida. En el caso del reductor, se

sacrifica voltaje para aumentar corriente y as mantener la

misma potencia y una eficiencia cercana o igual al 100%.

Este aspecto es lo que diferencia a un circuito convertidor

de otros circuitos que reducen o elevan voltaje, pero que

presentan prdidas significativas de potencia.

REFERENCIAS

1. HART, Daniel W. Electrnica de potencia. PRENTICE HALL, Madrid

2001. 472 p.

2. IFASTNET. Nucleos toroidales. [En lnea]. Disponible en:

.

[Consultado el 20 de mayo de 2013].

3. INTERNATIONAL RECTIFIER. IR2110. [En lnea]. Disponible en:

.


4. INTERNATIONAL RECTIFIER. IRF540. [En lnea]. Disponible en: <

http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irf540n.pdf>.


5. JGD. UF5400 Series. [En lnea]. Disponible en:

. [Consultado el 20 de mayo de 2013].

6. MOHAN, Ned. Electrnica de potencia: convertidores, aplicaciones y

diseo Tercera Edicin. MC GRAW HILL, Mxico 2005.

7. RASHID, Muhammad. Electrnica de potencia: circuitos dispositivos y

aplicaciones Tercera Edicin. PEARSON EDUCATION, Mxico

2004. 904 p.

Becerra Prez. Yoan

Jimenez Merchan Alex Camilo

Martnez Vargas Steven

Estudiantes IX Semestre

Ingeniera Electrnica

Universidad de Cundinamarca



9

ANEXOS

ANEXO 1

ESPECIFICACIONES DEL TRANSISTOR IRF540N

Fuente: INTERNATIONAL RECTIFIER. IRF540.

ANEXO 2

ESPECIFICACIONES DEL DIODO UF5404

Fuente: JGD. UF5400 Series.

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