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2. Construcción del Proceso del Convertidor Buck

2.1. Introducción.-




2.2. Dimensionamiento del convertidor
Diseño del Convertidor Buck con las siguientes especificaciones:
Vg= 36Vcd
Vo= 12Vcd
Io= 3A
Fsw->100 kHz

2.2.1. Herramienta computacional Webench

Webench es una herramienta computacional gratuita para diseñar circuitos electrónicos de manera fácil y rápida.Éste funciona de manera automática y genera todo un reporte detallado de los convertidores de potencia.
Basta con introducir las especificaciones que deseemos para obtener un esquemático, gráficas, simulaciones, simulaciones térmicas, costos de fabricación del convertidor entre otros. En éste caso se utilizó Webench para analizar y diseñar nuestro convertidor, utilizando las especificaciones dadas.Especificaciones:
Iout 3.0 A
SoftStart 1.0 ms Soft Start Time (ms)
VinMax 40.0 V
VinMin 32.0 V
Vout 12.0 V
Ta 30.0
Fsw = 150.0 kHz

El esquemático del convertidor generado por el software es el siguiente:












Podemos observar en éste convertidor que existen muchos componentes. Es importante analizarlo y determinar cuáles son los componentes quedefinen al convertidor del tipo Buck ya que éstos serán los de importancia para las simulaciones y comparaciones. Dentro de éstos componentes de importancia tenemos:


Mosfet FDD5614P
Fairchild Semiconductor
FETr= 100M Ω
Vf=.8V
Diodo
Caída de tensión = 700mv
Tipo = Shottky
Io = 3A
Cout (33uf)
ESR = 300mΩ
VDC = 25
Cin (eliminar ruido de entrada = 1uf)
ESR = 6mΩ
VDC = 100V
Lout(15uH)
DCR = 28.5mOhm
IDC= 5A
2.2.2. Forma analítica (mediante ecuaciones)
Basándonos en las características ya mencionadas del convertidor, se utilizó el documento de Microship con el fin de obtener otro modelo que sea diferente al entregado por la herramienta utilizada anteriormente del WEBENCH. De ésta manera podremos comparar ambos modelos mediante el uso de la herramienta computacional deMatlab.














Consideraciones:
Vg= 36Vcd
Vo= 12Vcd
Io= 3A
Fsw= 150KHz
Iripple = 0.3*IIoad= 0.9A
ESR = 300mΩ
Voltaje de rizo ( Vripple) = 50mV
Tsw = D/Fsw= 0.33/150K= 2.2µ
Duty cycle
Se calcula el “Duty Cycle” mediante la siguiente ecuación.
D=Vin/Vout=12V/33V=33%
Inductor
Para el cálculo del inductor se toma en cuenta la ecuación que hace referencia alpaso de la corriente a través del mismo, para después despejar el valor del inductor. Podemos darnos cuenta que a mayor valor de frecuencia tendremos un valor menor del inductor.
V_L=L di/dt
L=V_L dt/di=((V_in-V_out))/Iripple*D/Fsw
L=((36-12))/0.9*0.33/150000
L=58.652μH
Capacitor
Para el cálculo del capacitor se hace uso de la siguiente ecuación. Podemos ver que Tswdepende del valor de la frecuencia por medio de la ecuación Tsw=D/Fsw por lo que si vemos la ecuación del capacitor podemos darnos cuenta que a mayor frecuencia tendremos un menor Tsw y así mismo nuestro capacitor será más pequeño. En general, para el capacitor y el inductor, a mayores frecuencias tendremos componentes más compactos.
Vripple=dV =di*(ESR+Tsw/C)C=(Iripple*Tsw)/(Vripple-(Iripple*ESR))
C=(0.9*2.2*〖10〗^(-6))/(0.05-(0.9*0.006) )
C=(1.98x〖10〗^(-6))/0.0446
C=44.3946µF
Resistencia
Con el fin de simular una carga en nuestro circuito se utilizó una resistencia calculada mediante la siguiente ecuación. De ésta manera y con ésta resistencia nos aseguramos de que nuestro circuito esté trabajando a la corriente que señalan las especificaciones.
Vout=Iload*RR=Vout/Iload=12V/3A
R=4 Ω

2.2.3 Simulaciones y Comparaciones
Se definirán dos plantas.
Una para la planta que sacamos por medio de las ecuaciones (modelo analítico).
Otra para la planta que se obtuvo por WEBENCH



Modelo Analítico
L1= 58.65uH
C= 44.39 uF
ROUT=4Ω
Duty Cycle = 33%
El siguiente diagrama muestra como quedó la configuración de la planta utilizando el modelo...