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Practico DC-DC Electronica de Potencia - 2016

Practico Convertidores DC-DC

Electronica de Potencia

Curso 2016

Ejercicio 1

(Problema 8 - Primer Parcial 2001)

Un convertidor Buck (o chopper reductor) esta formado por una llave y un diodoideales, una inductancia de 5 µH y un condensador ideal de 47 µF . Alimenta unacarga 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 tension de salida.

Ejercicio 2


Un flyback aislado se usa para una fuente de 24 VCC 5 A a partir de una tensionque puede ser indistintamente 110 VCA ±20 % o 220 VCA ± 20 %.

Se disena de tal manera que en todo el rango de operacion trabaja en conducciondiscontinua”(demagnetizacion completa). La frecuencia es de 50 kHz y el ciclo de

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trabajo maximo es 0, 45. Se considerara que el condensador del rectificador de en-trada tiene capacidad suficientemente grande como para que la tension de continuaal flyback no tenga rizado. Se disenara de tal manera que en el peor caso sea el delımite de flujo distinto de cero (lımite de conduccion continua).

Calcular la inductancia vista desde el bobinado de entrada.

Pregunta extra (agrega puntos pero no quita si no se hace): calcular la tensionmaxima sobre la llave.

Ejercicio 3


Se trata de disenar un forward converter que alimenta una carga en 24 VCC apartir de una tension que puede variar entre 80 y 150VCC .

Se dispone de una llave que soporta 400 VCC . Para minimizar la corriente ins-tantanea por la llave se trabaja con el mayor ciclo de trabajo posible.

El primario del transformador tiene 40 vueltas.

Calcular el numero de vueltas de los otros bobinados. Se asume conduccioncontinua.

Ejercicio 4

(Problema 1 - Segundo Parcial 2004)

Un convertidor formado por una inductancia, un mosfet, un diodo y un conden-sador suministra una tension constante de 65 V a partir de una baterıa cuya tensionpuede variar entre 40 y 57 V . El polo negativo de la tension de entrada y el de la desalida coinciden. Tiene una carga mınima de 5 W . El control PWM tiene frecuencia25 kHz y ciclo de trabajo mınimo 0, 04. Suministra a la carga una potencia maximade 500 W .

a) Dibujar el convertidor y deducir las expresiones de la transferencia (tensionde salida)/(tension de entrada) para conduccion continua y discontinua. (7puntos)

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b) Calcular el mınimo valor de la inductancia para que el convertidor opere co-rrectamente en vacıo (solo con la carga mınima). (7 puntos)

c) Dibujar la corriente por el mosfet, indicando valores de abcisas y ordenadas,con el convertidor a plena carga y con rizado maximo de corriente por lainductancia. (8 puntos)

Nota: para b) y c) suponer conduccion continua o discontinua segun convenga,resolver y confirmar la suposicion.

Ejercicio 5


Una fuente que suministra 13, 8 VCC 10 A se implementa como un flyback enconduccion discontinua. Se dispone de un MOSFET IRFPE50 cuya hoja de datosse adjunta. Se lo usara al maximo, tomando como lımites maximos la corriente con-tinua con Tc = 100 oC y el 70 % de la tension de bloqueo. La fuente se alimenta contension continua o alterna, a traves de un rectificador ideal con su correspondientecondensador para rizado ' 0. La tension mınima de alimentacion es de 87 VCC . Lafrecuencia del PWM es 100 kHz. Cuando conduce, se considera que el diodo tieneuna caıda de tension constante de 1 V .

a) Calcular la inductancia del primario del transformador. (4 puntos)

b) Determinar el ciclo de trabajo maximo. (4 puntos)

c) Calcular la relacion de vueltas del transformador. (4 puntos)

d) Determinar la tension maxima de alimentacion de alterna que admite el conver-tidor. Evaluar si el rotulo “tension de alimentacion 110 a 220 VCAVCC ± 20 %”es correcto (4 puntos)

e) El mosfet y el diodo se montan en un mismo disipador. La temperatura am-biente puede llegar a 50oC y la de juntura no puede pasar de 110oC. Calcularla resistencia termica del disipador. (7 puntos)

Nota: para a), b), c) y d) considerar la llave como ideal con excepcion de laslimitaciones de tension y corriente. Para e) usar (como aproximacion) los resultadosde a) b), c) y d).

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Ejercicio 6


Un convertidor forward alimenta una carga de 24 V 50 A desde la baterıa delproblema 1 (40 − 57 V ). La frecuencia del PWM es de 50 kHz, ciclo de trabajomaximo 0, 65. Se trata de usarlo al maximo para minimizar la corriente. El primariotiene 15 vueltas, y la inductancia del filtro de salida tiene 15 µH.

a) Determinar el numero de vueltas de los otros bobinados. (5 puntos)

b) Calcular la maxima tension y corriente instantaneas que debe soportar la llave.Se supone que la corriente magnetizante maxima es aproximadamente un 10 %de la corriente maxima por la llave. (7 puntos)

c) Calcular la inductancia especıfica del nucleo. (4 puntos)

d) Determinar el valor del condensador de salida para que el rizado de tensionsea menor que 1 % pico a pico. Evaluar si se puede usar condensadores de lahoja adjunta. (6 puntos)

Nota: hay 67 puntos en juego, con 50 puntos el parcial se considera totalmenteresuelto (el excedente no acumula con el anterior).

Ejercicio 7

(Problema 2 - Examen julio 2002)

Una fuente para telecomunicaciones de 58 VCC , 20 A de salida, rizado 200 mVpico a pico, esta implementada con un rectificador monofasico conectado a un con-densador suficientemente grande como para considerar constante la tension recti-ficada, seguido de un convertidor DC-DC forward aislado tipo puente asimetrico.La fuente se alimenta de 220 VCA ± 20 %. Trabaja a 50 kHz, con ciclo de trabajomaximo 0, 45 (utilizado al maximo) y tiene un transformador con un primario de40 vueltas e inductancia de magnetizacion 2000 µH. El valor de la inductancia desalida es de 200 µH. Como llaves se utilizan 2 Mosfets IRFP460. Se adjunta hoja dedatos (tres primeras paginas). Los 4 diodos se consideran ideales. La temperaturaambiente maxima es de 40 oC.

a) Dibujar el circuito completo de la fuente. (8 puntos)

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b) Calcular el numero de vueltas del secundario del transformador, suponiendoconduccion continua a plena carga. (20 puntos)

c) Calcular el valor del condensador de salida, considerandolo ideal. Verificar sila suposicion de conduccion continua es correcta. (20 puntos)

d) Dibujar la forma de onda de la corriente por los Mosfets, indicando valores deabscisas y ordenadas, en el caso en que la tension de red es la mınima y quela fuente funciona a plena carga. (30 puntos)

e) Calcular, para la situacion de la parte c) y utilizando los resultados obtenidosen la misma, la resistencia termica del disipador de cada Mosfet para que latemperatura de juntura no supere los 100 oC. (30 puntos)

Resolver las partes a), b) y c) suponiendo que los Mosfets se comportan comollaves ideales.

Ejercicio 8


Un chopper elevador (boost, step up) alimenta una carga de hasta 2 kW a unatension de 300 V a partir de una baterıa de tension 210 V . Esta implementado conun diodo que se considera ideal, un condensador suficientemente grande como paraconsiderar que la tension sobre el mismo es constante, una inductancia de 105µH,y un MOSFET IRFP360, del cual se adjunta tres paginas de su hoja de datos. Elcontrol PWM tiene una frecuencia de 100 kHz. La temperatura ambiente maximaes de 40 oC.

a) Dibujar, indicando los valores correspondientes de abscisas y ordenadas, laforma de onda de tension y corriente por el MOSFET, considerandolo llaveideal y con el convertidor a plena carga. (4 puntos)

b) Calcular la resistencia termica maxima que puede tener el disipador del MOS-FET para que la temperatura maxima de juntura no pase del 80 % de la maxi-ma admisible. Utilizar los valores de tension y corriente calculados para a).Considerar que en las conmutaciones la tension sube o baja instantaneamente.(8 puntos)

c) Para disminuir la disipacion en el MOSFET se agrega un circuito de ayudaal apagado (turn-off snubber) tal que, cuando la corriente por la llave lleguea cero, la tension haya subido como maximo al 80 % del valor final. Calcularcompletamente los componentes pasivos del circuito. (8 puntos)

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Ejercicio 9


Para adaptar cargas de 110 VCC al sistema de alimentacion auxiliar de una centraltermica con tension 220VCC ± 20 % se construye un convertidor DCDC no aislado.El negativo de la entrada coincide con el de la salida. Se dispone de un condensadorde 3300 µF / 200 V , 50 mΩ, dos MOSFET IRFP360 (se adjunta hoja de datos) yun control PWM de 40 kHz y ciclo de trabajo variable entre 0, 04 y 0, 9. El consumomaximo previsto en 110 V es de 14 A.

a) Dibujar el circuito. Se supone que el sistema de 220 VCC se comporta comouna fuente de tension de impedancia interna cero. (3 puntos)

b) Calcular el mınimo valor de la inductancia para que la tension de salida tengaun rizado pico a pico maximo de 0, 2 V para todo el rango de tension deentrada. (6 puntos)

c) Determinar la resistencia de carga mınima para que el convertidor opere co-rrectamente en vacıo. (6 puntos)

d) Realizar un primer calculo aproximado de la resistencia termica del disipadorsobre el cual estan montados los dos MOSFETs para que, a 50 C de tem-peratura ambiente la temperatura de juntura de ninguno de ellos supere los140 C. Justificar aproximaciones. En particular evaluar en base a resultadosanteriores si se puede considerar ∆IL ' 0. (8 puntos)

Nota: para b) y c) suponer llaves ideales; para la parte d) utilizar los valoresde tension y corriente de las partes anteriores y considerar los parametros de losMOSFETs solamente para el calculo de la disipacion.

Ejercicio 10


Una nueva especificacion del convertidor del problema 1 indica que se requie-re aislacion galvanica entre entrada y salida y que el convertidor debe trabajar enconduccion continua a partir de una corriente de carga de 0, 5 A. Se opta por unconvertidor simetrico tipo puente completo con transformador con punto medio enel secundario. Se dispone de un control PWM de 50 kHz con dos salidas desfasadas180 de ciclo de trabajo variable entre 0, 04 y 0, 45. Se supone que los componentesson ideales.

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a) Calcular la relacion de vueltas del transformador para que la corriente por lasllaves sea mınima. (6 puntos)

b) Calcular la inductancia de salida. (6 puntos)

c) Calcular aproximadamente las corrientes eficaces para las cuales debe ser di-mensionado el transformador. Justificar aproximaciones. (7 puntos)

Ejercicio 11

(Problema 2 - Examen marzo 2001)

Se necesita disenar una fuente para alimentar un equipo electronico de maneraque pueda ser conectado a la tension auxiliar de continua de cualquier subestacionde UTE. Las baterıas de las subestaciones pueden ser de 24, 48, 110 y 220 V , y latension puede desviarse hasta ±20 % del valor nominal.

Tendra 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 implementacion se elige un flyback trabajando a 100kHz en conducciondiscontinua, con un ciclo de trabajo maximo de 0,8. Se dispone de mosfets de 300,400, 500 y 600 V . Se utilizara el que trabaje a una tension maxima 80 % de la no-minal. El nucleo disponible tiene una inductancia especıfica de 50 nH

vuelta2. Se incluye

un bobinado de demagnetizacion que actuara solamente en caso de que las salidasde la fuente queden abiertas (en vacıo).

El control del flyback actua, en caso de sobrecarga, limitando la corriente depico del mosfet a 3 A. Se supone que los diodos en conduccion tienen una caıda detension fija de 1 V .

1) Calcular el numero de vueltas del primario y de los secundarios de salida. (30p)

2) Elegir el mosfet utilizable de la tension mas baja posible y calcular el numerode vueltas del bobinado de demagnetizacion. (10p)

3) Calcular la capacidad del condensador de salida de la fuente de 5V y estimarel maximo 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 corto-circuito en la salida de 5V. (30p)

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