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

Como ya mencione ayer, esta es una serie de publicaciones que trataran de conversores de voltaje DC-DC, en esta ocasión hablaremos del Boost Converter, que al contrario del Buck converter, se encarga de elevar el voltaje que recibe el sistema, claro esta que el mismo no puede ser elevado en altisimas cantidades, por lo que en caso de tener que elevar un voltaje de esa forma es mas recomendable utilizar un transformador, bueno sin dar mas vueltas comencemos.

Boost Converter:

Primero que todo, el Boost Converter es un conversor de voltaje DC-DC, cuyo trabajo es aumentar un voltaje de entrada que se esta recibiendo, alterando o no la corriente de salida, muchas veces es mas conveniente utilizar uno de estos a un transformador, pero todo es dependiendo del voltaje que este demandando el circuito, este tipo de circuitos al igual que los reductores también se les puede implementar un control, ya sea por corriente de salida o por voltaje de salida, siempre que el mismo sea necesario, esto es muy útil para mejorar tiempos de respuesta o eliminar los efectos de las entradas variables que puede tener el sistema, pero para este caso solo realizaremos el conversor en su versión simple a lazo abierto y en esta publicación realizaremos un ejemplo donde calcularemos los valores de los componentes con las ecuaciones que serán dadas mas adelante.

Al igual que en la publicacion anterior, 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 apreciamos y a diferencia del circuito reductor tipo Buck, a pesar de poseer los mismos componentes, un inductor, un capacitor y una resistencia, el switch IGBT o FET y el diodo, estos no están en el mismo orden, haciendo que al momento en que el switch este cerrado el circuito se separa en dos partes, debido al diodo y al corto circuito generado por el switch haciendo que la energía que posee el capacitor sea pasada al resistor, al momento en que el switch esta abierto el circuito trabaja como un sistema RLC común con carga RC.

Vayamos a las ecuaciones, lo mas importante para iniciar nuestros cálculos es hallar la variable "k" de conmutación, la cual sera dada por la siguiente formula:

k = 1 - (Vin / Vout)

Las siguientes definiciones suelen ser las mismas para todos los conversores, por lo que sera un texto algo repetitivo para aquellos que estén siguiendo mis publicaciones, por lo que les pido presten mas atención a las ecuaciones que a lo que explica (si ya leyeron alguna otra publicación que defina los términos).

Esta variable nos va a indicar los intervalos de conmutación de nuestro switch, es decir, definirá cual sera el Duty Cicle del PMW que va a recibir el IGBT, los cuales seran los siguientes:

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 = 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 = Vink / f 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 = Ik / fC

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 = Ik/ f ΔV _M

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

Para concluir esta publicación, vamos a proceder a realizar un ejemplo, con su respectiva simulación, todo esto en PSIM.

Ejemplo:

Se quiere diseñar un conversor de voltaje tipo Boost, el cual opere con un voltaje de entrada de 10 V y deba tener un voltaje de salida de 50 V con una corriente de salida de 100mA, el mismo debe operar a una frecuencia de 20kHz y los rizados máximos permisibles son de 2%.

Empecemos a diseñar nuestro sistema, empezaremos por los intervalos de conmutacion:

k = 1 - 10/50 = 0.8
T = 1 / 20Khz = 50useg
t1 = 40useg
t2 = 10useg

Luego procedemos a calcular cuales serán nuestros rizados máximos permisibles para que con ellos podamos calcular los valores mínimos de nuestro Inductor y nuestro Capacitor.

ΔI = 2% de 100mA = 2mA
ΔV = 2% de 50V = 1V
L_m = 10x0.8 / (20kHzx2mA) = 0.2H
C_m = 100mAx0.8/ (20kHzx1V) = 4uF

Como debemos utilizar componentes con valores comerciales, vamos a utilizar un capacitor de 4.7uF el cual es el valor comercial inmediatamente superior al calculado, y nuestro inductor siendo elegido por el mismo criterio sera uno de 208mH.

Para calcular la resistencia del sistema, se realiza una simple ley de ohm, obteniendo el siguiente valor:

R = V / I = 50 V / 100mA = 500Ω

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 10V, y luego en la salida tenemos un voltaje de 50V 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.

Si tienen alguna duda son bienvenidos a escribir y comentar.

ALR.