IMPLEMENTACIÓN DE UN CONVERTIDOR ELEVADOR DE DOS FASES EN MODO DE CONDUCCIÓN CONTINUA

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1 Vol. NE-, Quino Encuenro de Jóvenes Invesigadores 7 IMPLEMENTACIÓN DE UN CONVERTIDOR ELEVADOR DE DOS FASES EN MODO DE CONDUCCIÓN CONTINUA Valdez Carrera Hécor Osiel (), Limones Pozos César Auguso (), Sosa Zúñiga José Miguel () [Ing. Elecrónica, Insiuo Tecnológico Superior de Irapuao] [hosielvc@gmail.com] [Maesría en ingeniería elecrónica, Insiuo Tecnológico Superior de Irapuao] [cesar.limones@iesi.edu.mx] [Maesría en ingeniería elecrónica, Insiuo Tecnológico Superior de Irapuao] [jmsosa@iesi.edu.mx] Resumen En el presene rabajo se muesra la implemenación de un converidor de dos fases. Se muesra las aplicaciones y venajas que presena la opología mulifase implemenada respeco al converidor convencional. Se realiza dos análisis de la opología presenada. El primer análisis consise en obener el modelo promedio en variables de esado. Por úlimo, se corroboran los resulados derivados de la simulación con los resulados experimenales obenidos de la implemenación. El sisema implemenado fue probado en un prooipo de W. Absrac In he presen work i s shown he implemenaion of a wo-phase elevaor converer. The applicaions and advanages presened by he implemened muli-phase opology wih respec o he convenional converer. The firs analysis consiss in obaining he average model in sae variables. Finally, he resuls derived from he simulaion wih he experimenal resuls obained of he implemenaion are corroboraed. The sysem implemened was ese don a w prooype. Palabras Clave Elecrónica de poencia; reducción de rizo de corriene; mulifase; converidor DC-DC. 8

2 Vol. NE-, Quino Encuenro de Jóvenes Invesigadores 7 INTRODUCCIÓN Los converidores de DC-DC son configuraciones de elecrónica de poencia que adecuan la energía elécrica que proviene de una fuene de corriene direca fija o variable. En un converidor DC-DC elevador, su volaje de salida es mayor y de la misma polaridad que el de la enrada []. Esos converidores son usados para aumenar la poencia de salida y disminuir los rizos de la corriene de enrada y del volaje de salida, dando lugar a la reducción de amaño de los inducores de enrada y del capacior del filro de salida []. diferenes casos, dependiendo del ciclo de rabajo k: Caso I: < k <.5 Caso II: k =.5 Caso III:.5 < k < Caso I En la Figura se muesran las secuencias de conmuación para un ciclo de rabajo menor al.5. Q Q M M M M4 KT (K +½)T MATERIALES Y MÉTODOS En la Figura se muesra la opología de converidor implemenada. X X L L D D T/ T Figura : Secuencias de conmuación para el Caso I. Como se ve en la Figura exisen cuaro modos de operación. Los inervalos de cada modo de operación se muesran en la Tabla. V S + - Q Q + X _ C + V O _ Tabla : Inervalos de los modos de operación del Caso I. Modo de operación. Esado. Inervalo. M Q ON < < KT Figura : Converidor elevador de dos fases. En la Figura se muesra el converidor elevador de dos fases. La opología esá compuesa por dos inducores, un capacior, dos MOSFET s (IRFPC6LC) y dos diodos ulrarapidos (6WT) esos disposiivos de conmuación son accionados mediane secuencias de conmuación desfasadas una respeco de la ora 8º. Dependiendo del ciclo de rabajo, se obuvieron los circuios equivalenes del converidor. Eso resuló en res M Q, Q OFF KT < < T M Q ON T < < (K + ) T M 4 Q, Q OFF (K + ) T < < T En la Tabla se noa que en los modos de operación y 4, Q y Q se encuenran en core al mismo iempo. Mienras que en los oros dos modos de operación (modo y modo ) se alernan sus esados. 8

3 Vol. NE-, Quino Encuenro de Jóvenes Invesigadores 7 Caso II En la Figura se muesran las secuencias de conmuación para un ciclo de rabajo igual a.5. Como se observa en la Figura, solo exisen dos modos de operación. En la Tabla, se muesran los inervalos para los modos de operación. Como se puede ver en la Tabla, aquí se presena la misma siuación de alernación enre los dos disposiivos semiconducores de conmuación que en el Caso I con la diferencia de los inervalos de iempo. Figura : Secuencias de conmuación para el Caso II. Tabla : Inervalos de los modos de operación del Caso II. Modo de operación. Esado. Inervalo. Caso III M M Q Q M Q ON Q OFF KT Q ON Q OFF < < KT KT < < ( K)T En la Figura 4 se aprecian las secuencias de conmuación para un ciclo de rabajo mayor a.5. M (-K )T T/ T Q Q M M M M4 (K -½)T KT T/ T Figura 4: Secuencias de conmuación para el Caso III. Como se ve en la Figura 4, ese caso ambién presena cuaro modos de operación al igual que el Caso I. En la Tabla, se observan los inervalos para los modos de operación. En la Tabla se muesra que en el modo y el modo los dos semiconducores se encuenran saurados, mienras que en el modo y el modo 4 se alernan sus esados al igual que en los oros dos casos. Tabla : Inervalos de los modos de operación del Caso III. Modo de operación. Esado. Inervalo. M Q, Q ON < < (K ) T M Q ON (K ) T < < T M Q, Q ON T < < KT M 4 Q ON KT < < T Para enender el funcionamieno del converidor elevador de dos fases era necesario enender cómo se comporaban Q y Q, ya que por cada modo de operación de cada uno de los res casos anes descrios, se genera un circuio equivalene. De los cuales y de cada uno se obienen ecuaciones en función de las corrienes en ambos inducores (i e i ) y del volaje en el capacior (v o ) y que esén represenadas.en variables de esado. En la Figura, se pueden idenificar esas variables donde, x = i, x = i, x = v o. Las ecuaciones obenidas de los circuios equivalenes nos ayudarán a enconrar un modelo promedio que describa el comporamieno 84

4 Corriene [A] Corriene [A] Volaje [V] Vol. NE-, Quino Encuenro de Jóvenes Invesigadores 7 dinámico del converidor en modo de conducción coninua []. Ese modelo promedio se muesra a coninuación [4] L V s [ L ] = [ C ] x + u [ ] x + [ V s ] R donde: u = k RESULTADOS Y DISCUSIÓN Resulados de simulación A coninuación se muesran los resulados de simulación del converidor elevador de dos fases. El converidor fue someido a dos pruebas para comprobar su correco funcionamieno: una de cambio de carga y ora de cambio de ciclo de rabajo. En la Tabla 4, se muesran los parámeros uilizados para la simulación. Tabla 4: Parámeros de simulación del converidor. Parámero. V s Valor. v L, L 5µH f sw khz k. -.6 R 6Ω - Ω En la Figura 5 se muesra la primera prueba que corresponde al cambio de carga. Como se puede apreciar el volaje de salida no sufre ninguna aleración en su valor debido a que es el mismo que el volaje en el capacior, por oro lado, al hacer el cambio de resisencia de 6 Ω a Ω, ambas corrienes aumenan su valor promedio, sin embargo, su rizo se maniene. En la Figura 6 se muesra la segunda prueba que corresponde al cambio de ciclo de rabajo. Aquí, el volaje promedio de salida, si sufre un cambio debido a que el volaje de salida en esos converidores depende de su ciclo de rabajo. Las corrienes ienen el mismo valor, sin embargo, el rizo en ambas es mayor cuando el ciclo de rabajo aumena. Resulados experimenales Se muesran los resulados experimenales del prooipo del converidor elevador de dos fases, la poencia del converidor implemenado es de W. Se realizaron las mismas pruebas de cambio de carga y de cambio de ciclo de rabajo y se uilizaron los mismos parámeros de la Tabla 4. En la Figura 7a se muesra el cambio de carga de 6 Ω a Ω con un ciclo de rabajo de.6. Como se aprecia, el valor de volaje promedio no cambio. Mienras que las corrienes i e i sufrieron un aumeno en su valor promedio. En la Figura 7b, se muesra el cambio de carga de Ω a 6 Ω en donde se sigue maneniendo el volaje de salida y las corrienes en los inducores regresan a su valor inicial. En la Figura 8a se muesra el cambio de ciclo de rabajo de. a.6 con una resisencia de carga fija a Ω. Debido a que V o = se puede k ver el aumeno en el valor promedio del volaje de salida. Las corrienes en ambos inducores ambién se incremenan debido a la conservación de poencia que presenan los converidores de DC-DC. En la Figura 8b se muesra el cambio de ciclo de rabajo de.6 a. en donde el volaje de salida y las corrienes en los inducores regresan a su valor inicial. Algo que hay que noar es el incremeno del rizo en las corrienes de ambos inducores cuando se hace el cambio de ciclo de. a.6. 4 Volaje de salida [Vo] Corriene en el inducor L [I] Corriene en el inducor L [I] [seconds] Figura 5: De arriba a abajo: Volaje de salida, corriene del inducor L y corriene en el inducor L. 85

5 Vol. NE-, Quino Encuenro de Jóvenes Invesigadores 7 CONCLUSIONES Volaje [V] Corriene [A] Corriene [A] 4 Volaje de salida [Vo] Corriene en el inducor L [I] Corriene en el inducor L [I] [seconds] Figura 6: De arriba a abajo: Volaje de salida; Corriene en el inducor L y; Corriene en el inducor L. Se presenó un converidor DC-DC elevador de dos fases de w de poencia. Al ser someido a un cambio de carga y cambio de ciclo de rabajo, los resulados de simulación y experimenales arrojaron un correco funcionamieno del converidor a lazo abiero y en modo de conducción coninua. Por lo que da a pie a probar el converidor con una ley de conrol derivada del modelo promedio y así someerlo a pruebas en lazo cerrado. AGRADECIMIENTOS Se agradece al ITESI al laboraorio de elecrónica de poencia, a mi asesor M. I. César Limones por permiirme realizar esa invesigación. De igual forma agradecer al Dr. José Miguel Sosa Zúñiga por apoyarme en análisis maemáico que conlleva esa invesigación. a) a) b) Figura 7: De arriba abajo, volaje de salida Vo, corriene en el inducor L y corriene en el inducor L: a) cambio de carga de 6 Ω - Ω; b) cambio de carga de Ω - 6 Ω. Con un ciclo de rabajo de.6 b) Figura 8 De arriba abajo, volaje de salida Vo, corriene en el inducor L y corriene en el inducor L: a) cambio de ciclo de 86

6 Vol. NE-, Quino Encuenro de Jóvenes Invesigadores 7 rabajo de. -.6; b) cambio de ciclo de rabajo de Con una carga de Ω. REFERENCIAS [] Rashid Mohammad, H., Elecrónica de poencia, México, Pearson Educación, 4. [] Sakulchoruangde, S., Khwan-on S.,(6), Three-Phase Inerleaved Boos Converer wih Faul Toleran Conrol Sraegy for Renewable Energy Sysem Applicaions. 6 Inernaional Elecrical Engineering Congress, ieecon6. [] J.-S. Lai, D. Chen, Design consideraion for power facor correcion boos converer operaing a he boundary of coninuous conducion mode and disconinuous conducion mode, IEEE APEC 9, 99, pp [4] [] J. M. Sosa, G. Escobar, P. R. Marínez-Rodríguez, G. Vázquez, M. A. Juárez and J.C. Nava-Cruz, A model-based conroller for a DC-DC boos converer wih an LCL inpu filer,ieecon 5-4s Annual Conference of he IEEE Indusrial Elecronics Sociey, Yokohama, 5, pp doi:.9/iecon