Conversor cuk

[marulo]

Tengo una gran duda, pues estoy diseñando un convertidor tipo cuk he encontrado diversas maneras de dieñarlo, pues con unas maneras el ciclo de trabajo me da negativo en otros me dicen que es positivo....les agradeceria la ayuda..pues la verdad no c como tomarlo.....

[fabianjsm]

Hola marulo.
El ciclo de trabajo te da negativo como resultado de aplicar una formula? Es una fracción de tiempo, debería ser positiva.
O te refieres a la tensión de salida del Cuk durante el duty (esta sera invertida con respecto a la entrada).

[marulo]

Hola muchas gracias por tu tiempo.. resulta que buscando en la red y diversos libros, me aparece unos calculos con el duty con un menos, otros con un mas, resulta que hago los calculos con el de menos y el duty me da superior a 1, lo hago con el positivo y me da como debe ser menor de 1, pero la cosa es que los calculos de las bobinas y condensadores se descuadran, con descuadran me refiero a que dan muy grandes....entonces por eso no c que hacer....

[Picuino]

¿Puedes dar más datos?
Tensión de salida:
Corriente de salida:
Rango de tensiones de entrada:

¿Cómo es la topología del convertidor? imagino que será no aislado y con bobinas no acopladas:



(En algunos casos se acoplan las dos bobinas en un transformador para conseguir rizado cero a la salida, pero es un tema avanzado que no creo que intentes realizar)

Para esta topología, la ecuación básica en conducción continua es:

   Vo         D
  ----- = --------
    Vi       1 - D

de manera que:

               Vo
   D = ------------
            Vi + Vo

Un saludo.

[marulo]

Buenas. Muchas gracias....el convertidor es no aislado.mira este es un programa que estoy acondicionando para el calculo de los componentes, aquí van los datos que estoy teniendo en cuenta...

% Frecuencia               f=50000
% Voltaje de salida      Vo=130 a 80 Voltios       
% Voltaje de entrada   Vs=125 Voltios
% Potencia de carga    PoMax=200 W 
%
% Ciclo de trabajo
D=Vo/(Vs+Vo)

% Corrientes de bobinas
IL2=Po/Vo
IL1=Po/Vs

% Para lograr que la variacion d corriente sea de aproximadamente el 10%

L2=(Vs*D)/(f*(IL2*0.1)) %Los inductores deben ser mayores y/o iguales a estos valores
L1=(Vs*D)/(f*(IL1*0.1))

% Capacitor 2
C2=(1-D)/(riz*8*L2*(f^2))  %riz, representa el factor de rizado de la señal de salida que estoy colocando de aprox. el 1%

ademas de esto es que he tratado de simular el cto en psim, y me da esta respuesta...

lo que me ha generado dudas respecto a la valides de los cálculos....

[Picuino]

Según las fórmulas:

Tomando
   Vo = 105v   (el punto medio)
   Vs = 125v
   Po = 200w

D = Vo/(Vs+Vo) = 105/(125+105) = 45.7 %

IL2 = Po/Vo = 200/105 = 1.9A   (intensidad media)
IL1 = Po/Vs = 200/125 = 1.6A   (intensidad media)

L2=(Vs*D)/(f*(IL2*0.1)) = 125*0.457/(50k*1.9*0.1) = 6.0mH
L1=(Vs*D)/(f*(IL1*0.1)) = 125*0.457/(50k*1.6*0.1) = 7.1mH

C2= (1-D)/(riz*8*L2*(f^2)) = (1-0.457)/(0.01*8*0.006*(50000^2)) = 452nF

Parecen unos valores muy grandes de L y muy pequeño de C2

No pones nada de C1. El pulso que aparece en la simulación parece ser la resonancia que se produce al conectar el circuito entre L1 y C1.

Saludos.

[Picuino]

Fórmulas útiles para calcular L1 y L2:

Vi = 125v     Tensión de entrada
Vo = 100v    Tensión de salida
P = 200w      Potencia convertida (se supone circuito sin pérdidas)

Ciclo de trabajo:

D = Vo / (Vi + Vo) = 100 / 225 = 0.444

Corriente media por las bobinas:
   IL1=P/Vi  =  200/125  = 1.6 A
   IL2=P/Vo =  200/100  = 2.0 A

Limite entre conducción continua y discontinua:
   dIL = V·D / (f · L)
   para asegurar conducción continua (que siempre pase corriente por la bobina) dIL debe ser menor que  2·IL media

   2·IL = V·D / (f · L) --> L = V · D / (f · 2 · IL)

Cálculo de las bobinas para asegurar la conducción continua:
   L1 = Vi · D / (f · 2 · IL1)  =  125 · 0.444 / (50000 · 2 · 1.6)  = 347 uH
   L1 > 347 uF 

   L2 = Vo · (1-D) / (f · 2 · IL2)  =  100 · 0.555 / (50000 · 2 · 2.0)  = 278 uH
  L2 > 278 uF 

   (Esto hay que repetirlo para encontrar el peor caso con todas las tensiones posibles)
   Con estos valores, la bobina será la más pequeña posible. Si aumentas la inductancia, la bobina es más grande y si disminuyes la inductancia, tambien la bobina será más grande porque necesita aguantar mayor corriente de pico.

   Para conseguir valores más bajos de inductancia habría que aumentar la frecuencia (quizás sea mejor f = 100Khz)

Saludos!

[Picuino]

Para calcular rizado a la salida:

Corriente pico a pico de L2:

   dIL2 = Vo · (1-D) / (f · L2) = 100 · 0.555 / (50000 · 278uH) = 4A

Tensión pico a pico en el condensador (suponiendo C2 = 10uF):

   dVc2 = dIL2 / (8 · f · C) = 4 / (8 · 50000 · 10uF) = 1v

Este valor parece bueno (es el 1% del valor de tensión de salida), pero en la práctica no vale, porque la resistencia en serie del condensador da un rizado mayor.

Un condensador de 10uF puede llegar a tener una ESR = 1 Ohm y provocar un rizado de salida de 4v pico a pico en este circuito (cuatro veces mayor que el calculado antes)

   dVc2 = ESR · dIL2 = 1 · 4 = 4v


Saludos!

[marulo]

Gracias por tus aportes, lo que dices es correcto, pero ahora que me dices si me falto C1, pero resulta que este valor lo estaba calculado mediante la tension media de C1 asi:

% La tensión media de C1 se define
TmC1=Vs-Vo 

% La variación máxima de voltaje en C1 es, el 5% es la variacion de voltaje en C1
VC1=TmC1*0.05

% La resistencia de carga es
R=(Vo^2)/Po

% Calculando C1 a partir de las especificaciones mencionadas
C1=(Vo*D)/(R*f*VC1)

lo que me deja la duda si se puede o no ya que la TmC1, me aparece como una resta, entonces en el momento que el voltaje de salida sea mayor al del entrada me daria un C1 negativo....o puedo tomar los valores positivos, o el hecho de ser un inversor me vuelve el signo positivo¡¡¡¡¡

Gracias...

[Picuino]

TmC1 = Ventrada + Vsalida = 125 + 100 = 225v de media.

(Ten en cuenta que la tensión de salida es negativa, es decir Vo = -100voltios)

Esta también es la tensión máxima del transistor de conmutación.

Variación en la corriente de L1

   dIL1 = Vi · D / (f · L1) = 125 · 0.444 / (50000 · 350uH) = 3.17A

Tensión pico a pico en el condensador C1 (suponiendo C1 = 1uF):

   dVc2 = dIL1 / (8 · f · C1) = 3.17 / (8 · 50000 · 1uF) = 8v


Saludos!

[marulo]

Buenas tardes.....Gracias por el tiempo...

Reorganice el procedimiento, me podrías decir si llevo algo mal?????

% Frecuencia            f=50000
% Voltaje de salida     Vo=130 a 80 Voltios       
% Voltaje de entrada    Vs=120 Voltios
% Potencia de carga     PoMax=200 W 
% riz es el valor aproximado del factor de rizado del voltaje de salida

D=Vo/(Vs+Vo)
 
% Corrientes de bobinas pico
IL2=Po/Vo
IL1=Po/Vs
 
L1=(Vs*D)/(f*2*IL1)
L2=(Vo*(1-D))/(f*2*IL2) %Los inductores deben ser mayores y/o iguales a estos valores.
 
% El valor del capacitor 2 debe ser mayor y/o igual a este valor.
 
C2=(1-D)/(riz*8*L2*(f^2))  %riz, representa el factor de rizado de la señal de salida.
 
% La tension media de C1 se define.
TmC1=Vs+Vo
 
% La variacion maxima de voltaje en C1 es:
VC1=TmC1*0.05
 
% La resistencia de carga es:
R=(Vo^2)/Po
 
% El valor del capacitor 1 debe ser mayor o igual a este valor
C1=(Vo*D)/(R*f*VC1)
 
dIL1 = Vs*D/(f*L1)     %Corriente pico a pico en L1
dIL2 = Vo*(1-D)/(f*L2) %Corriente pico a pico en L2
 
dVc1 = dIL1/(8*f*C1) %Tensión pico a pico en el condensador C1
dVc2 = dIL2/(8*f*C2) %Tensión pico a pico en el condensador C2

Recalcule con estas formulas y me da los valores de la tabla...

Ahora para el diseño yo tomaría como principios los valores que están en rojo “Escogería unos un poco mayores”, ya que el cuk deberá soportar unas variaciones de voltajes….Estoy en lo cierto de mi hipótesis????

Muchas gracias...

[Picuino]

Buenas tardes.....Gracias por el tiempo...

Reorganice el procedimiento, me podrías decir si llevo algo mal?????

% Corrientes de bobinas pico
IL2=Po/Vo
IL1=Po/Vs

L1=(Vs*D)/(f*2*IL1)
L2=(Vo*(1-D))/(f*2*IL2) %Los inductores deben ser mayores y/o iguales a estos valores.

IL1=Po/Vs
Esa es la corriente media, no la de pico.


Imagina esta corriente en L1:



I_av = I_L1_media = P/Vi

I_max - I_min = I_L1_pico_a_pico = (Vi · D) / (f · L1)

En el límite (cuando los picos de corriente llegan a valer cero):

I_L1_pico_a_pico = 2 · I_L1_media

de forma que:

2 · I_L1_media = (Vi · D) / (f · L1)

Despejando:

L1 = (Vi · D) / (f · 2 · I_L1_media)

Que es lo mismo que tu tienes, pero llamando a las corrientes por su nombre.


La bobina L1 se diseña atendiendo a la corriente de pico, que se calcula:

I_L1_pico = I_L1_media + 0.5 · I_L1_pico_a_pico

I_L1_pico = P/Vi + 0.5 · (Vi · D) / (f · L1)

Esta ecuación es MUY importante. Si la bobina sólo aguanta 3 amperios e intentas que conduzca 4 amperios, entonces al pasar de 3 amperios se satura, baja muchísimo su inductancia y se comporta como un cortocircuito.
Puede estropear el transistor y calentarse más de la cuenta. Ese es otro problema que tendrás más adelante.. el diseño de los inductores.


Otra cosa, si L1 es menor que este valor, no pasa nada. Sólo que a veces la corriente se apaga y no siempre conduce L1. Las ecuaciones se complican un poco y la corriente de pico sube más. Por lo demás el circuito sigue funcionando. Te aconsejo que lo simules.

Saludos

[Picuino]

Recalcule con estas formulas y me da los valores de la tabla...

Ahora para el diseño yo tomaría como principios los valores que están en rojo “Escogería unos un poco mayores”, ya que el cuk deberá soportar unas variaciones de voltajes….Estoy en lo cierto de mi hipótesis????

Muchas gracias...

Puedes simular con esos valores a ver que pasa.
Si los valores no son exactos.. no pasa nada. Como mucho entras en conducción discontinua durante un periodo breve y esto no es grave.

Saludos

[Picuino]

% El valor del capacitor 2 debe ser mayor y/o igual a este valor.
 
C2=(1-D)/(riz*8*L2*(f^2))  %riz, representa el factor de rizado de la señal de salida.
 
dVc2 = dIL2/(8*f*C2) %Tensión pico a pico en el condensador C2

Ninguna de esas ecuaciones es cierta, por que hay que sumar la caída de tensión en la resistencia en serie con el condensador.

Recuerda que el rizado dominante suele ser el de la ESR y cuando compras un condensador no sabes cuanto vale...

Lo mejor es que escojas dos o tres condensadores de 10uF en paralelo y suponer una resistencia en serie para cada uno de ellos de 1 o 2 ohmios.

A ver que sale en las simulaciones.

Saludos

[marulo]

Buenos dias....Gracias por la colaboración..... mira es así como me planteas que realice la simulación. (figura 1)....he intentado varias opciones y no he conseguido una respuesta buena. En la figura 2 te muestro la respuesta del cto, y en la 3 una ampliación de la misma.

He intentado aumentando un poco los valores que he calculado, C1, L1, L2, y C2 como me lo propusiste...Intente con proteus pues el Psim me daba la misma respuesta asi variara los valores mas de lo debido...

Gracias y saludos..