Práctico Convertidores DC-DC

Transcripción

1 Práctico DC-DC Electrónica de Potencia Práctico Convertidores DC-DC Electrónica de Potencia Curso 2016 Ejercicio 1 (Problema 8 - Primer Parcial 2001) Un convertidor Buck (o chopper reductor) está formado por una llave y un diodo ideales, una inductancia de 5 µh y un condensador ideal de 47 µf. Alimenta una carga de 10 W en 5 V a partir de una fuente de 24 V. Trabaja a 100 khz. Calcular el rizado pico a pico de la tensión de salida. Ejercicio 2 (Problema 9 - Primer Parcial 2001) Un flyback aislado se usa para una fuente de 24 V CC 5 A a partir de una tensión que puede ser indistintamente 110 V CA ±20 % o 220 V CA ± 20 %. Se diseña de tal manera que en todo el rango de operación trabaja en çonducción discontinua (demagnetización completa). La frecuencia es de 50 khz y el ciclo de 1

2 Práctico DC-DC Electrónica de Potencia trabajo máximo es 0, 45. Se considerará que el condensador del rectificador de entrada tiene capacidad suficientemente grande como para que la tensión de continua al flyback no tenga rizado. Se diseñará de tal manera que en el peor caso sea el de límite de flujo distinto de cero (límite de conducción continua). Calcular la inductancia vista desde el bobinado de entrada. Pregunta extra (agrega puntos pero no quita si no se hace): calcular la tensión máxima sobre la llave. Ejercicio 3 (Problema 10 - Primer Parcial 2001) Se trata de diseñar un forward converter que alimenta una carga en 24 V CC a partir de una tensión que puede variar entre 80 y 150V CC. Se dispone de una llave que soporta 400 V CC. Para minimizar la corriente instantánea por la llave se trabaja con el mayor ciclo de trabajo posible. El primario del transformador tiene 40 vueltas. Calcular el número de vueltas de los otros bobinados. Se asume conducción continua. Ejercicio 4 (Problema 1 - Segundo Parcial 2004) Un convertidor formado por una inductancia, un mosfet, un diodo y un condensador suministra una tensión constante de 65 V a partir de una batería cuya tensión puede variar entre 40 y 57 V. El polo negativo de la tensión de entrada y el de la de salida coinciden. Tiene una carga mínima de 5 W. El control PWM tiene frecuencia 25 khz y ciclo de trabajo mínimo 0, 04. Suministra a la carga una potencia máxima de 500 W. a) Dibujar el convertidor y deducir las expresiones de la transferencia (tensión de salida)/(tensión de entrada) para conducción continua y discontinua. (7 puntos) 2

3 Práctico DC-DC Electrónica de Potencia b) Calcular el mínimo valor de la inductancia para que el convertidor opere correctamente en vacío (sólo con la carga mínima). (7 puntos) c) Dibujar la corriente por el mosfet, indicando valores de abcisas y ordenadas, con el convertidor a plena carga y con rizado máximo de corriente por la inductancia. (8 puntos) Nota: para b) y c) suponer conducción continua o discontinua según convenga, resolver y confirmar la suposición. Ejercicio 5 (Problema 2 - Segundo Parcial 2004) Una fuente que suministra 13, 8 V CC 10 A se implementa como un flyback en conducción discontinua. Se dispone de un MOSFET IRFPE50 cuya hoja de datos se adjunta. Se lo usará al máximo, tomando como límites máximos la corriente continua con T c = 100 o C y el 70 % de la tensión de bloqueo. La fuente se alimenta con tensión continua o alterna, a través de un rectificador ideal con su correspondiente condensador para rizado 0. La tensión mínima de alimentación es de 87 V CC. La frecuencia del PWM es 100 khz. Cuando conduce, se considera que el diodo tiene una caída de tensión constante de 1 V. a) Calcular la inductancia del primario del transformador. (4 puntos) b) Determinar el ciclo de trabajo máximo. (4 puntos) c) Calcular la relación de vueltas del transformador. (4 puntos) d) Determinar la tensión máxima de alimentación de alterna que admite el convertidor. Evaluar si el rótulo tensión de alimentación 110 a 220 V CA V CC ± 20 % es correcto (4 puntos) e) El mosfet y el diodo se montan en un mismo disipador. La temperatura ambiente puede llegar a 50 o C y la de juntura no puede pasar de 110 o C. Calcular la resistencia térmica del disipador. (7 puntos) Nota: para a), b), c) y d) considerar la llave como ideal con excepción de las limitaciones de tensión y corriente. Para e) usar (como aproximación) los resultados de a) b), c) y d). 3

4 Práctico DC-DC Electrónica de Potencia Ejercicio 6 (Problema 3 - Segundo Parcial 2004) Un convertidor forward alimenta una carga de 24 V 50 A desde la batería del problema 1 (40 57 V ). La frecuencia del PWM es de 50 khz, ciclo de trabajo máximo 0, 65. Se trata de usarlo al máximo para minimizar la corriente. El primario tiene 15 vueltas, y la inductancia del filtro de salida tiene 15 µh. a) Determinar el número de vueltas de los otros bobinados. (5 puntos) b) Calcular la máxima tensión y corriente instantáneas que debe soportar la llave. Se supone que la corriente magnetizante máxima es aproximadamente un 10 % de la corriente máxima por la llave. (7 puntos) c) Calcular la inductancia específica del núcleo. (4 puntos) d) Determinar el valor del condensador de salida para que el rizado de tensión sea menor que 1 % pico a pico. Evaluar si se puede usar condensadores de la hoja adjunta. (6 puntos) Nota: hay 67 puntos en juego, con 50 puntos el parcial se considera totalmente resuelto (el excedente no acumula con el anterior). Ejercicio 7 (Problema 2 - Examen julio 2002) Una fuente para telecomunicaciones de 58 V CC, 20 A de salida, rizado 200 mv pico a pico, está implementada con un rectificador monofásico conectado a un condensador suficientemente grande como para considerar constante la tensión rectificada, seguido de un convertidor DC-DC forward aislado tipo puente asimétrico. La fuente se alimenta de 220 V CA ± 20 %. Trabaja a 50 khz, con ciclo de trabajo máximo 0, 45 (utilizado al máximo) y tiene un transformador con un primario de 40 vueltas e inductancia de magnetización 2000 µh. El valor de la inductancia de salida es de 200 µh. Como llaves se utilizan 2 Mosfets IRFP460. Se adjunta hoja de datos (tres primeras páginas). Los 4 diodos se consideran ideales. La temperatura ambiente máxima es de 40 o C. a) Dibujar el circuito completo de la fuente. (8 puntos) 4

5 Práctico DC-DC Electrónica de Potencia b) Calcular el número de vueltas del secundario del transformador, suponiendo conducción continua a plena carga. (20 puntos) c) Calcular el valor del condensador de salida, considerándolo ideal. Verificar si la suposición de conducción continua es correcta. (20 puntos) d) Dibujar la forma de onda de la corriente por los Mosfets, indicando valores de abscisas y ordenadas, en el caso en que la tensión de red es la mínima y que la fuente funciona a plena carga. (30 puntos) e) Calcular, para la situación de la parte c) y utilizando los resultados obtenidos en la misma, la resistencia térmica del disipador de cada Mosfet para que la temperatura de juntura no supere los 100 o C. (30 puntos) Resolver las partes a), b) y c) suponiendo que los Mosfets se comportan como llaves ideales. Ejercicio 8 (Problema 1 - Segundo Parcial 2002) Un chopper elevador (boost, step up) alimenta una carga de hasta 2 kw a una tensión de 300 V a partir de una batería de tensión 210 V. Está implementado con un diodo que se considera ideal, un condensador suficientemente grande como para considerar que la tensión sobre el mismo es constante, una inductancia de 105µH, y un MOSFET IRFP360, del cual se adjunta tres páginas de su hoja de datos. El control PWM tiene una frecuencia de 100 khz. La temperatura ambiente máxima es de 40 o C. a) Dibujar, indicando los valores correspondientes de abscisas y ordenadas, la forma de onda de tensión y corriente por el MOSFET, considerándolo llave ideal y con el convertidor a plena carga. (4 puntos) b) Calcular la resistencia térmica máxima que puede tener el disipador del MOS- FET para que la temperatura máxima de juntura no pase del 80 % de la máxima admisible. Utilizar los valores de tensión y corriente calculados para a). Considerar que en las conmutaciones la tensión sube o baja instantáneamente. (8 puntos) c) Para disminuir la disipación en el MOSFET se agrega un circuito de ayuda al apagado (turn-off snubber) tal que, cuando la corriente por la llave llegue a cero, la tensión haya subido como máximo al 80 % del valor final. Calcular completamente los componentes pasivos del circuito. (8 puntos) 5

6 Práctico DC-DC Electrónica de Potencia Ejercicio 9 (Problema 1 - Segundo Parcial 2005) Para adaptar cargas de 110 V CC al sistema de alimentación auxiliar de una central térmica con tensión 220V CC ± 20 % se construye un convertidor DCDC no aislado. El negativo de la entrada coincide con el de la salida. Se dispone de un condensador de 3300 µf / 200 V, 50 mω, dos MOSFET IRFP360 (se adjunta hoja de datos) y un control PWM de 40 khz y ciclo de trabajo variable entre 0, 04 y 0, 9. El consumo máximo previsto en 110 V es de 14 A. a) Dibujar el circuito. Se supone que el sistema de 220 V CC se comporta como una fuente de tensión de impedancia interna cero. (3 puntos) b) Calcular el mínimo valor de la inductancia para que la tensión de salida tenga un rizado pico a pico máximo de 0, 2 V para todo el rango de tensión de entrada. (6 puntos) c) Determinar la resistencia de carga mínima para que el convertidor opere correctamente en vacío. (6 puntos) d) Realizar un primer cálculo aproximado de la resistencia térmica del disipador sobre el cual están montados los dos MOSFETs para que, a 50 C de temperatura ambiente la temperatura de juntura de ninguno de ellos supere los 140 C. Justificar aproximaciones. En particular evaluar en base a resultados anteriores si se puede considerar I L 0. (8 puntos) Nota: para b) y c) suponer llaves ideales; para la parte d) utilizar los valores de tensión y corriente de las partes anteriores y considerar los parámetros de los MOSFETs solamente para el cálculo de la disipación. Ejercicio 10 (Problema 3 - Segundo Parcial 2005) Una nueva especificación del convertidor del problema 1 indica que se requiere aislación galvánica entre entrada y salida y que el convertidor debe trabajar en conducción continua a partir de una corriente de carga de 0, 5 A. Se opta por un convertidor simétrico tipo puente completo con transformador con punto medio en el secundario. Se dispone de un control PWM de 50 khz con dos salidas desfasadas 180 de ciclo de trabajo variable entre 0, 04 y 0, 45. Se supone que los componentes son ideales. 6

7 Práctico DC-DC Electrónica de Potencia a) Calcular la relación de vueltas del transformador para que la corriente por las llaves sea mínima. (6 puntos) b) Calcular la inductancia de salida. (6 puntos) c) Calcular aproximadamente las corrientes eficaces para las cuales debe ser dimensionado el transformador. Justificar aproximaciones. (7 puntos) Ejercicio 11 (Problema 2 - Examen marzo 2001) Se necesita diseñar una fuente para alimentar un equipo electrónico de manera que pueda ser conectado a la tensión auxiliar de continua de cualquier subestación de UTE. Las baterías de las subestaciones pueden ser de 24, 48, 110 y 220 V, y la tensión puede desviarse hasta ±20 % del valor nominal. Tendrá una salida de 5 V, 3 A y otra auxiliar doble de ±(12 V + 10 %, 5 %), 75 ma. El rizado de la fuente de 5 V no puede ser mayor de 100 mv pico a pico. Para su implementación se elige un flyback trabajando a 100kHz en conducción discontinua, con un ciclo de trabajo máximo de 0,8. Se dispone de mosfets de 300, 400, 500 y 600 V. Se utilizará el que trabaje a una tensión máxima 80 % de la nominal. El núcleo disponible tiene una inductancia específica de 50 nh. Se incluye vuelta 2 un bobinado de demagnetización que actuará solamente en caso de que las salidas de la fuente queden abiertas (en vacío). El control del flyback actúa, en caso de sobrecarga, limitando la corriente de pico del mosfet a 3 A. Se supone que los diodos en conducción tienen una caída de tensión fija de 1 V. 1) Calcular el número de vueltas del primario y de los secundarios de salida. (30p) 2) Elegir el mosfet utilizable de la tensión más baja posible y calcular el número de vueltas del bobinado de demagnetización. (10p) 3) Calcular la capacidad del condensador de salida de la fuente de 5V y estimar el máximo valor permitido de la resistencia serie equivalente del mismo. (30p) 4) Determinar el valor medio de la corriente por el diodo si se produce un cortocircuito en la salida de 5V. (30p) 7

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