Diseñar Boost Converter

[jcristhian_1]

Hola a todos los compañeros del foro, tengo que diseñar un boost converter o elevador de tension en lo cual no tengo mucha experiencia por lo que invoco su ayuda, todos los alcances y consejos que me quieran dar son bienvenidos.

Por lo pronto empiezo por lasespecificaciones.
Especificaciones:
Vin_nom=12V
Vin_min=11.5V
Vin_max=13.5V
Vo=36V
Io_max=1A
io_min=0.6


Para el diseño de la fuente, me ajustare al libro, Power Supply Cookbook, de Marty Brown

Potencia de Salida: Po=Vo*Io=36V*1A=36W
Potencia de entrada: Pin=Po/eff_estimada=36/0.8=45W, eff_est=0.8 para topologia Boost segun Marty Brown
Corriente de Entrada Promedio: Iav=Pin/Vin_nom=3.75
Corriente Pico de entrada=k*Po/Vin_min=17.22A, k=5.5 para topologia boost
Seleccionando Switch de potencia y rectificador:
Segun la tabla 3-2 del libro podemos calcular los valores maximos del switch de potencia en este caso mosfet y diodo:
Mosfet
Vdss=Vo=36V
Id=2*Po/Vin_min=6.26A
Irfz44: Vdss=55V, Id=49A
Ir540N: Vdss=100V, Id=35A
Diodo:
Vr=Vo=36V
Ir=Io=1A
Fr107: Vr=700V, Ir=1A
Fr307: Vr=700V, Ir=3A

Calculo de La Bobina: aqui pido consejos
Con respecto al calculo de la bobina, segun la bibliografia si queremos Modo de Conduccion continua en la Bobina, tenemos un valor minimo de la inductancia, si queremos conduccion discontinua tenemos un valor maximo, no se que sea lo mas aconsejable para la topologia boost, o si los dos modos son validos, en cuyo caso seria mejor el modo discontinuo ya que daria un valor menor de inductancia, ¿pero que valor usar?, ahora con respecto al material de la bobina ¿es valido el Polvo de hierro?

En todo Caso Ambos Modos de Conduccion coinciden en un valor critico de inductancia (hacia abajo o hacia arriba segun si se desea Modo de conduccion discontinuo/continuo)
Para calcular el valor critico de la bobina es necesario establecer antes la frecuencia de Operacion
f=100Khz, ¿es razonabe en un boost converter?

Ese valor critico de inductancia segun electronica de Potencia de Muhammad Rashid es:
L=k(1-k)*R/(2*f)
Donde R modela el consumo, por lo que R=Vo/Io, en el peor caso (inductancia mas grande) usamos Io_min, 1-Vin/Vo, k=0.625
L=70.31uH, inductancia critica de acuerdo a la anterior ecuacion


Calculos posteriores:
Capacitor de Entrada:
Capacitor de Salida:
Diseño de los elementos que acompañan al CI Regulador, eso sera mas tarde, ahora mismo ya tengo sueño.

[Mario]

Hola Cristhian!

En lugar del FR307 utiliza el 1N5822, un Schottky Barrier de 3A. El FR307 es ultra lento en comparación.
En cuanto al transistor, un clásico 6N60 o 10N60 sería apropiado, además de ser más fácil de encontrar. (6 a 10 Amper)
Por último, la bobina basta que sea de 100uH en adelante para que funcione cualquier sistema Boost. Sobre un toroide de polvo de hierro, arrolla todas las espiras de alambre de 0,7 milímetros que puedas (dependerá del tamaño del toroide).

Con eso y lo que ya tienes, tendría que salir funcionando. No conozco el circuito, pero la mayoría utiliza los mismos, alrededor de un transistor que conmuta a GND sobre una inductancia y rectifica los picos generados en los intervalos de corte del transistor. En esa topología, la mayoría de los circuitos no requieren demasiados cálculos para la etapa de potencia. Que utiliza en el resto? Un MC34063A?

Una cosa que no has mencionado es el filtro de salida, luego del rectificador. La misma inductancia y un electrolítico de 1000uF X 63Volts, estará bien. O mejor, utiliza dos de 470uF X 63V para mejorar la ESR final. También agrega uno de polyester de 100nF X 100V.

Saludos!
Mario

[jcristhian_1]

Gracias por responder, estaba editando pensando que a esta hora no me responderian, muchas gracias.

Con respecto al diodo puse el fr307 y el fr107 buscare el que me dices, con respecto al mosfet si creo que van algo sobredimensionados,el regulador a fuerza seria el tl494 ya que es lo unico disponible por aca.
Respecto a los demas componentes que me aconsejas los usare, mañana voy a tratar de armarlo, la bobina creo que ya tengo una armada por alli sino me equivoco con alambre #18, la medire haber cuanto da de inductancia.
De nuevo muchas gracias.

[jcristhian_1]

Hola Mario, con respecto al diametro del alambre pàra bobinar el toroide, la bobina que tenia hecha la medi y era de solo 88 uH con 18AWG, segun el calculo va un poco mas de lo justo(78uh)
Ahora mi duda es como seria la conexion entre la salida del tl494 y el mosfet, crees que bastaria conectarlo directamente como se hace para un buck converter.

[Mario]

Hola Cristhian!

Entre la salida del TL494 y el Gate del MOSFET, intercala una resistencia de bajo valor 10 a 15 Ohms.
Podrías colocar una R entre el Gate y GND de 47K para asegurar el "apagado" del MOSFET durante el estado bajo del PWM.

OK al valor de la inductancia. Si puedes, intenta llegar a 100uH con algunas espiras más. (La energía recuperada será directamente proporcional a L)
Por último, en el punto donde dice "Load", no olvides de colocar otra L igual en serie con la salida y dos electrolíticos de 470uF X 63 como te indiqué antes.

Saludos!
Mario

[jcristhian_1]

Hola Mario, gracias por tus consejos, he estado probando el convertidor boost en protoboard, hasta ahora va bien, pero aun no le he exigido mucho solo 110mA, efectivamente entrega sus 36V, sin embargo he observado lo siguiente:

-La fuente no es capaz de alcanzar el voltaje con una frecuencia muy alta por ejemplo 100khz, es decir no logra corregir el error.
-En alrededor de 33Khz, si lo hace bastante bien.

Se me ocurre que podria ser por el circuito que hace de driver de mosfet, he colocado un transistor c945 entre la salidas del TL494 y el gate del mosfet, el colector del c945 a una resistencia de 500ohm y esta a suvez a 12V el emisor del c945 a tierra. Quiza sea mejor un totem pole como driver, ya que al aumentar la frecuencia, la resistencia del driver actual, no suministra la cantidad adecuada de corriente al gate para enccenderlo, con el apagado supongo que no hay problema ya que el que se encarga de ello es el c945.



Editado: De que valor adicional seria la bobina a la salida, supongo que me la recomiendas para mejorar el filtrado, (tengo disponibles solenoides de fuente switching de alrededor de 8uh y un pequeño toroide de polvo de hierro)

[Mario]

Hola Cristhian!

Se me ocurre que podria ser por el circuito que hace de driver de mosfet, he colocado un transistor c945 entre la salidas del TL494 y el gate del mosfet, el colector del c945 a una resistencia de 500ohm y esta a suvez a 12V el emisor del c945 a tierra. Quiza sea mejor un totem pole como driver, ya que al aumentar la frecuencia, la resistencia del driver actual, no suministra la cantidad adecuada de corriente al gate para enccenderlo, con el apagado supongo que no hay problema ya que el que se encarga de ello es el c945.

Un MOSFET no consume corriente de Gate. Es puerta aislada. Metal - Oxide - Semiconductor. Es decir, la puerta (Gate) se comporta más como un capacitor (con un dieléctrico especial) que como el diodo clásico de un transistor BJT. por lo tanto, la corriente de activación no cuenta en términos prácticos. Lo que sí importa es la tensión y su forma de onda.

500 Ohms o valores cercanos me parecen muy bajos para esto. Allí debieras poner, en el colector de Q4,(no menos de) 2K2 y sin R1 ya que ésta última te hace trabajar a Q4 en la zona lineal (de amplificación) y no como conmutador, que es el funcionamiento que buscas.
En este tipo de aplicaciones, yo siempre he utilizado el circuito que te muestro a continuación, que es ideal para que los flancos de subida y bajada que activan o cortan al MOSFET sean ultra-rápidos y eficientes. Este circuito nunca me ha traído complicaciones y siempre ha funcionado a la perfección.



De todos, quitando R1 y cambiando R7 por 2K2 (mínimo) debiera funcionar con tu circuito, aunque te recomiendo al menos para ensayos, el circuito de arriba. Luego tú lo reduces si quieres, pero verás que con ese sistema no tendrás problemas de "flancos" en la activación del MOSFET. Ese también, puede ser tu problema al variar de frecuencia. Los impulsos "escalón" se transforman en "curvas". ¿Tienes osciloscopio para controlar esto último?

Saludos!
Mario

Edito: Del filtro de salida hablamos luego de que resuelvas esto.

[jcristhian_1]

Con respecto a los de las corrientes en el gate (de lo que recuerdo que lei para hacer un par de puentes h con mosfet) me referia a impulsos ya que al ser el gate un "capacitor" (medio raro), en un primer momento absorbe un pico de corriente para cargarse y tomar su Total Gate charge requerida para darse la conduccion, una vez que se carga (esto es en nanosegundos)se da la conducion del mosfet y el gate no requiere mas corriente, sin embargo a alta velocidad, esa pequeña carga debe suministrarse en un tiempo pequeño, esto origina picos de corriente, recuerdo que existen formulas para calcularse, y segun eso diseñar o seleccionar el driver.
Lo que se me ocurre en el caso de mi driver mosfet(la resistencia de 500 y el c945) es que cuando el c945 no conduce se forma un circuito RC que quiza no alcanza a cargarse del todo cuando la frecuencia son 100khz, deformandose la onda como tu señalas.
En cambio si cargara el gate a traves de un transistor asi como el circuito que tu me presentas, o quizas con un totem pole la capacitancia de gate se cargaria mas rapido.

Por lo pronto voy a armar el circuito a 33khz que me parece que va a funcionar, ya que es para entregarlo mañana.
Pero me interesa armar tu driver, dime podria reemplazar los transistores, ya que parece que no los encontrare aca, ¿cuales son sus caracteristicas?, podria ser reemplazarlo por el 2n3906?

Otra cosa, si el circuito es para alimentar un arreglo de leds, que tanto filtrado requerire, he colocado dos capcitores de 680uF en paralelo, y uno a la entrada, teniendo en cuenta que la entrada sera de una bateria, ¿es necesario este capacitor?

[Mario]

OK Cristhian!

...... me referia a impulsos ya que al ser el gate un "capacitor" (medio raro), en un primer momento absorbe un pico de corriente para cargarse y tomar su Total Gate charge requerida para darse la conduccion, una vez que se carga (esto es en nanosegundos)se da la conducion del mosfet y el gate no requiere mas corriente, sin embargo a alta velocidad, esa pequeña carga debe suministrarse en un tiempo pequeño, esto origina picos de corriente, recuerdo que existen formulas para calcularse, y segun eso diseñar o seleccionar el driver.

110% de acuerdo.

Pero me interesa armar tu driver, dime podria reemplazar los transistores, ya que parece que no los encontrare aca, ¿cuales son sus caracteristicas?, podria ser reemplazarlo por el 2n3906?

Sí señor. 2N3904 y 2N3906.

Otra cosa, si el circuito es para alimentar un arreglo de leds, que tanto filtrado requerire, he colocado dos capcitores de 680uF en paralelo, y uno a la entrada, teniendo en cuenta que la entrada sera de una bateria, ¿es necesario este capacitor?

Siempre que exista PWM en un circuto se generará ruido, armónicos, EMI y toda la ensalada de cosas feas que nos arruinan el funcionamiento de "otros circuitos" en los alrededores y en la misma entrada de energía. Por lo tanto, será saludable que coloques ese capacitor. Lo más apropiado es utilizar un filtro diferencial, tanto a la entrada como a la salida. Si quieres luego vemos eso (que es la solución óptima), pero por ahora al menos, no dejes de colocar esos capacitores. Muy bueno eso de poner dos en paralelo, mejoras la ESR final. Incluso, incorpora uno de 100nF (polyester) también en paralelo y en ambos extremos para que absorba los armónicos altos de la señal PWM generada.

Saludos!
Mario

[jcristhian_1]

Saludos, aqui de nuevo con el boost converter.
Aca probado con una carga de 1.29A.


La fecuencia la subi a 50Khz,las resistencias de realimentacion del tl494 estan calculadas para dar 35.1V segun se ve en la foto, solo da 34V creo que debo bajar la frecuencia, o mejorar lo de la etapa del driver, lastima que no puedo ver las formas de onda para confirmar o descartar esto.
Otra mejora seria usar la entrada de llimitacion de corriente del tl494.
Adicionalmente, con la carga con que lo probe requeria ya un disipador. Podria deberse esto tambien al driver.

Mario en la etapa de driver que diseñaste, ¿seria conveniente, que el primer transistor del circuito driver sea el transistor de salida del tl494?
Captado lo del EMI, si bien este circuito podria funcionar aun con toda la emi que pueda generar, no es bueno que este lanzando basura por alli, colocare el filtrado para la siguiente version.

aqui el esquema en eagle y board para los que deseen armarlo, si hago mejoras posteriores, las subire aca.
http://www.4shared.com/rar/gG8tg4zn/boost_conv.html