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15vo CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA
ELECTROMECÁNICA Y DE SISTEMAS (CNIES 2015)
ARTÍCULO No. ELE 05
ARTÍCULO ACEPTADO POR REFEREO
Diseño y simulación de buck simétrico con
aplicación en sistema de transferencia de
energía inalámbrico
Edgardo N. Huerta, Leobardo H. González, Marco C. Retana, Walter C. Glass, Martha H. Cuellar
Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, ESIME Culhuacan.
E-mail: [email protected]; [email protected]
La idea de trabajar dos convertidores tipo buck simétricos, es
para la conformación en primer instancia de una señal
cuadrada, a través de dos Mosfets trabajando en forma
simétrica, la señal cuadrada se aplica a una carga resonante
tipo LC para la obtención de una señal sinusoidal en la carga.
Resumen— Se presentan resultados de simulaciones de un
convertidor Buck simétrico para la generación de una señal
sinusoidal a una frecuencia de 100KHz. El convertidor surge
como una propuesta de transmisión de energía para la carga y
recarga eficiente de ultra-capacitores. El diseño del convertidor
proporciona la señal adecuada para un circuito transmisor de
energía tipo LC, los resultados de simulación obtenidos permiten
validar teóricamente la propuesta de convertidor
El sistema en todo su conjunto fue diseñado y simulado para
la obtención de una señal sinusoidal capaz de cargar
inalámbricamente a un banco de ultra-capacitores con
aplicaciones en luminarias de baja potencia.
Palabras claves: PWM, sistema inalámbrico, Buck simétrico.
Abstract— We present results of a simulated symmetrical
Buck converter which produce a sine wave at 100KHz. The
converter is a proposal for wireless power transfer, to efficiently
charge ultra-capacitors. The design provides an adequate signal
to an LC transmitter circuit; the simulation results allow
theoretical validation of the proposed converter
II. DESARROLLO
En la Figura 1 se muestra la propuesta de convertidor buck
simétrico, el cual consiste de tres etapas principales:
Una etapa, que consiste de dos convertidores buck, que son
utilizados para entregar un nivel de CD estable y que son
activados en forma complementaria, es decir cuando se activa
el buck1 el buck 2 estará desactivado y cuando se activa el
buck2 se desactiva al buck 1.
Keywords: PWM, Wireless power, symmetrical Buck
E
I. INTRODUCCIÓN
n la actualidad se ha presentado un crecimiento en el uso
de dispositivos móviles con aplicaciones inteligentes, los
cuales necesitan de cargadores inalámbricos altamente
eficientes. Estos sistemas de recarga inteligente comúnmente
emplean un circuito transmisor y receptor conformado por una
bobina y capacitor para la conformación de un circuito tanque
de alto Q que garantice la máxima transferencia de energía
inducida.
La segunda etapa, consiste de un esquema de medio puente
conformado por M3 y M4, su activación complementaria
garantiza una inversión de señal en la carga resonante, dado
que si se activa a M3 y se desactiva a M4 se permite flujo de
corriente desde el buck 1 a la carga lo que genera un voltaje
positivo en el inductor resonante, y la activación de M4 y
desactivación de M3 (control complementario) se permite el
flujo de corriente del buck 2 a la carga lo que genera un
voltaje negativo en el inductor resonante.
Uno de los métodos comunes empleados consiste en la
generación de una señal sinusoidal que es conformada por 2
convertidores buck trabajando en forma complementaria
(simétrica).
La tercera etapa, consiste en un circuito resonante conformada
por la bobina con alto Q y un capacitor de bajo ESR
(resistencia serie equivalente), el circuito resonante se
sintoniza a la frecuencia de salida deseada, 100Khz.
Edgardo N. H. Estudiante de Ingeniería en ESIME Culhuacan del Instituto
Politécnico Nacional. Ciudad de México. [email protected]
Leobardo H. G. Profesor Investigador de la ESIME Culhuacan del Instituto
Politécnico Nacional. Ciudad de México. [email protected]
Marco C. R. Estudiante de Ingeniería en ESIME Culhuacan del Instituto
Politécnico Nacional. Ciudad de México. [email protected]
Walter C. G. Estudiante de Ingeniería en ESIME Culhuacan del Instituto
Politécnico Nacional. Ciudad de México. [email protected]
Martha H. Cuellar. Profesor Investigador de la ESIME Culhuacan del Instituto
Politécnico Nacional. Ciudad de México
México D.F., 19 al 23 de octubre 2015
El diseño se inicia con el valor de inductancia a trabajar, ver
Figura 2, la cual es del fabricante Wurth-Elektronik y presenta
las siguientes características:
L=6.3uH
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Q=80
IR=13A
RDC=0.017Ohms
Vbobina=5V
POUTMax=20W
Ciclo de trabajo
33%
Inductor
LN1
165uH
Inductor
LN2
165uH
COUT
0.422uF
El circuito final del convertidor simétrico con valores finales
para efectos de su simulación, se muestra en la Figura 2.
Figura 1. Propuesta de convertidor buck simétrico
Figura 2. Diseño final de convertidor buck Simétrico
Los diodos utilizados en el convertidor son los 1N5818 y son
de conmutación rápida, presentan una capacitancia de unión
de 60pF. Los Mosfet utilizados presentan una RDSon de
3.9mOhms, lo que minimiza pérdidas de conmutación.
Figura 2. Bobina transmisora para aplicación de recarga inalámbrica
Para la conformación simétrica de la señal cuadrada que se
aplicará al circuito tanque se utiliza una topología en medio
puente con ambos Mosfet con referencia a tierra los ciclos de
trabajo y la frecuencia de operación son 50% y 100KHz
respectivamente. En la Figura 3, se muestran las señales de
control para la activación del medio puente, las cuales son
complementarias y con control de tiempo muerto para evitar
micro-cortos.
Para la energización de la bobina transmisora se requiere de
un voltaje de transmisión de 5V a partir de un voltaje de
entrada de 15V, por lo que los convertidores buck se diseñan
para los siguientes requerimientos:
VIN= 15 V
V0= 5 V
Io ≥= 1A
ΔV01= 15% de Vo1
ΔI01= 10% de Io1
FS= 200 kHz
Las ecuaciones para el diseño del convertidor buck operando
en modo continuo son [1], [2]:
D
L
C
V0
Vin
(1)
Vin V0
8
D
Figura 3. Señales de control para control de esquema medio puente
i FS
(2)
V0 1 D
(3)
En la Figura 4, se muestran las señales de control para la
activación de cada buck simétrico.
V0 L FS2
Con las ecuaciones 1 a 3 se encuentran los valores finales de
componentes que se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1.- Componentes que conforman el convertidor
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ciclo de trabajo del buck simétrico, el cual va de 0.4 a 0.6,
como se observa de los datos presentados en la tabla, la
variación del ciclo de trabajo garantizará una adecuada
energización de la bobina transmisora a valores de corrientes
controlados.
.
Figura 4. Señales de control para buck simétrico.
III. RESULTADOS DE SIMULACIÓN
En la Figura 5, se muestra el resultado de simulación de la
señal obtenida en la carga resonante, se puede comprobar la
conformación de la señal senoidal deseada a una frecuencia de
aproximadamente 100Khz a una amplitud pico-pico máxima
de 3.4V.
Figura 7. Espectro de la corriente en el inductor resonante
Tabla 2. Variación del ciclo de trabajo
Ciclo de
Voltaje en el
Corriente en el
Trabajo
inductor
Inductor
0.4
3.5Vpp
0.9A
0.5
4.5Vpp
1.1A
0.6
6.5Vpp
1.8A
Figura 5.Voltaje en carga resonante
IV. CONCLUSIONES
En la Figura 6, se muestra la señal de corriente obtenida en el
inductor que conforma la carga resonante, se aprecia la
correcta conformación de la señal sinusoidal deseada a una
frecuencia cercana a 100Khz y una amplitud pico-pico
máxima de 0.9A.
Los resultados obtenidos y presentados hasta el momento
permiten validar la idea y el concepto de un convertidor Buck
de forma simétrica, como una solución de control para un
circuito transmisor de energía inalámbrica con aplicación a un
banco de ultra-capacitores para energización de luminarias de
baja potencia. Los resultados de simulación obtenidos
permitirán en una segunda fase de desarrollo, la
implementación de un prototipo experimental para su
comprobación como sistema de alta eficiencia.
V. AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a la COFAA, a la Secretaria de
Investigación y Posgrado del Instituto Politécnico Nacional,
por el apoyo recibido a través del proyecto de investigación
"Sistema de recarga inalámbrica, con aplicación en banco de
supercapacitores para energización de luminarias de baja
potencia" con registro 20150445.
Figura 6.- Corriente en el inductor resonante
En la Figura 7, se muestra el comportamiento armónico de la
corriente del inductor, y que fue obtenida a través de la
aplicación de una ventana de filtraje tipo Black Man- Harris.
Como se puede observar, el contenido armónico de la señal de
corriente es atenuado lo suficiente para garantizar una alta
potencia en la señal de portadora, que es uno de los objetivos
planteados al inicio del artículo.
VI. REFERENCIAS
[1] Ned Mohan, Power Electronics and Drives, Department of
Electric and Computer Engineering, University of
Minnesota, 2003.
Finalmente, en la Tabla 2 se muestra el comportamiento de
voltaje y corriente en el inductor resonante para cambios del
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ARTÍCULO ACEPTADO POR REFEREO
[2] Colonel WM. T. MCLYMAN, Transformer and Inductor
Design Handbook, Marcel Dekker, 2004.
[3] Kalakoutsky, N., Measurement of Residual Stresses a
Literature Survey, M. Sc. Thesis, Lehigh University, 1964.
[4] Muhammad H. Rashid, Electrónica de Potencia,
Circuitos Dispositivos y Aplicaciones. Prentice Hall, 1993
encuentra colaborando en proyectos de
investigación de la Secretaria de
Investigación y Posgrado del I.P.N. Sus
principales áreas de interés son:
electrónica,
instrumentación,
programación y control.
VII. BIOGRAFÍA
Edgardo Netzahuatl Huerta, Actualmente se desempeña
como estudiante de último grado para la obtención de su título
de licenciatura en Comunicaciones y Electrónica en la ESIME
Culhuacan del Instituto Politécnico Nacional, desde 2014 ha
colaborado en proyectos de investigación
de la Secretaria de Investigación y
Posgrado del I.P.N. Sus principales áreas
de interés son: Convertidores CD-CD,
Transmisión inalámbrica.
Leobardo Hernández-González, recibió el título en
Comunicaciones y Electrónica y el grado de Maestro en
Ciencia en Microelectrónica por parte de la ESIME Culhuacan
del Instituto Politécnico Nacional en la Ciudad de México en
1991 y 2005 respectivamente. El grado de Doctor en
Ingeniería Electrónica en el área de
electrónica de potencia del Centro
Nacional de Desarrollo Tecnológico
(CENIDET) en Cuernavaca Morelos,
México en 2009. Desde 1992 se
desempeña como profesor de tiempo
completo en la ESIME Culhuacan, sus
principales áreas de interés son: Modelado
de dispositivos de potencia, detección de fallas y
caracterización de componentes de potencia.
Marco Carbajal Retana, Actualmente se desempeña como
estudiante de último grado para la obtención de su título de
licenciatura en Comunicaciones y Electrónica en la ESIME
Culhuacan del Instituto Politécnico Nacional, desde 2014 se
encuentra colaborando en proyectos de
investigación de la Secretaria de
Investigación y Posgrado del I.P.N. Sus
principales áreas de interés son:
Convertidores
CD-CD,
Transmisión
inalámbrica, modelado numérico.
Walter Calles Glass, Actualmente se desempeña como
estudiante de último grado para la obtención de su título de
licenciatura en Comunicaciones y Electrónica en la ESIME
Culhuacán del Instituto Politécnico Nacional, desde 2014 se
México D.F., 19 al 23 de octubre 2015
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