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Prácticas Electrónica de Potencia. 3ºGITI
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PRÁCTICA 4. Análisis mediante Simulación de Convertidores
DC/DC con aislamiento
1. Objetivo
El objetivo de esta práctica es analizar mediante simulación el funcionamiento de los
convertidores DC/DC con aislamiento.
2. Software de simulación
La práctica se realizará en el Centro de Cálculo de la E.S. de Ingenieros de la Universidad
de Sevilla, donde se hará uso de:
 Software de simulación Matlab – Simulink
 SimPowerSystems Toolbox.
3. Conocimientos previos
El alumno debe haber estudiado y asimilado los conceptos referentes al tema de
convertidores DC/DC con aislamiento.
4. Realización de la práctica (2 horas)
4.1 Esquema general y aplicación del sistema a implementar en las practicas
El circuito a implementar durante las siguientes prácticas presenta el siguiente esquema:
400 Vac
Fuente trifásica
Convertidor
Elevador
Rectificador de
diodos trifásico
800 Vdc
BUS DC
DC
DC
AC
Motor
M
AC
DC
DC
Inversor
trifásico
DC
DC
Rectificador
monofásico con
tiristor
Paneles
solares
Convertidor
Flyback
PRÁCTICA 4
AC
DC
Horno
Industrial
Figura 1. Esquema general del sistema de potencia a implementar durante las prácticas de la asignatura
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En esta práctica, se trabajará con la parte del sistema de potencia que se encuentra
dentro del cuadro sombreado marcado como PRÁCTICA 4 en la figura 1. Como se puede
observar, esta parte del sistema completo consta de un convertidor DC/DC con
aplicación de integración de un sistema fotovoltaico. En las prácticas siguientes, se irán
analizando, diseñando y simulando los demás convertidores para conseguir tener el
sistema completo al final de todas las prácticas.
NOTA GENERAL ACERCA DE LAS SIMULACIONES EN SIMSCAPE:
Cualquier simulación que incluya bloques de la librería Simscape de Simulink necesita
del bloque POWERGUI. Por tanto, hay que incluir dicho bloque y configurarlo como
continuo permitiendo el funcionamiento de componentes ideales y sin snubber.
Se debe configurar el tipo de simulación que se va a realizar en Simulink. Para configurar
esto se debe acceder a las opciones de configuración del “Solver” a través de la ventana
“Configuration parameters” empleando el menú “Simulation→Configuration Pameters”.
Configurarlo como de paso variable de tipo ode23s. El paso máximo de simulación
(max step size) se deberá configurar a 20 microsegundos como máximo.
4.1 Diseño teórico del convertidor DC/DC tipo FLYBACK (2 PUNTOS)
Para estudiar el funcionamiento de los convertidores DC/DC con aislamiento se realizará
el montaje del circuito de la figura 2. Dicho circuito consta de una fuente de tensión DC
de 200V y un convertidor tipo FLYBACK conectado a una carga resistiva. La tensión
deseada de salida del convertidor FLYBACK es de 800V y la carga resistiva representa
una inyección de potencia nominal de 2kW.
Figura 2. Esquema del convertidor DC/DC tipo FLYBACK
Diseñar el convertidor FLYBACK suponiendo dispositivos ideales e imponiendo las
siguientes especificaciones:
 Relación de transformación del trafo N2/N1 = 2.5
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


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Rizado de corriente por la bobina de magnetización menor de 1.5 amperios
Rizado de tensión en la carga menor de 5 voltios
Frecuencia de conmutación de 10kHz
Para imponer la relación de transformación, usar el bloque “linear transformer” de la
librería SimPowerSystems con la siguiente configuración:
Realizar todos los cálculos teóricos para diseñar el convertidor así como para conocer:
 Resistencia de salida
 Corriente media de salida
 Duty cycle necesario para tener a la salida la tensión deseada de 800V
 Valor de la corriente media por la bobina
 Valor máximo y mínimo de la corriente por la bobina
 Tensión que tienen que soportar el diodo y el IGBT
 Corriente media por la fuente de entrada
 Corriente media que circula por el diodo
 Corriente máxima y mínima que circula por el diodo
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4.2 Convertidor DC/DC tipo FLYBACK utilizando Matlab-Simulink (3 PUNTOS)
Utilizando el diseño realizado en el punto anterior, realizar el montaje del circuito en
simulink empleando los componentes de la librería SimPowerSystems Simscape.
Simular el circuito imponiendo los valores de los componentes calculados en la parte
teórica. Comprobar que las especificaciones de diseño se cumplen. Para ello, visualizar
mediante bloques tipo display:
 la tensión media en la carga
 la corriente media por la bobina
Representar en scopes:
 Tensión de salida (se podrá visualizar el rizado mediante un zoom)
 Corriente por la bobina (se podrá visualizar el rizado mediante un zoom)
4.3 Convertidor DC/DC tipo FLYBACK en bucle cerrado utilizando Matlab-Simulink
(2.5 PUNTOS)
Se desea controlar de forma automática la tensión de salida del convertidor DC/DC. Para
ello, el valor de referencia de la tensión de salida se fija mediante un bloque Constant. El
control en bucle cerrado de esta tensión se realiza mediante un controlador PI (bloque
PID discreto de Simulink) que se ejecute cada periodo de conmutación. Para ello, se ha
de tomar la medida de la tensión de salida en un periodo de conmutación y calcular el
error cometido en cada instante como Vo*-Vo, siendo Vo* el valor de referencia y Vo la
medida. Este error es la entrada del bloque de control PID. La salida del bloque de control
es finalmente el valor de duty cycle a aplicar en el convertidor FLYBACK tal como se
observa en la figura 3. Este valor se debe saturar entre 0 y 1.
Las constantes de control del bloque PID discreto (configurado como PI) se definen
como:
 PI configurado como discreto e ideal
 Ejecución del PI cada periodo de la señal de conmutación
 Kp: Constante proporcional = 0.0002
 Ki: Constante integral = 25
Representar mediante un scope mediante dos ejes:
 Tensión de salida media deseada y la tensión de salida instantánea real
 Valor instantáneo del duty cycle del convertidor
Figura 3. Esquema del bucle de control para la tensión de salida del convertidor DC/DC
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Representar mediante un scope en ejes diferentes las siguientes corrientes
(representando cuatro periodos de la señal):
 Corriente que circula por la bobina de magnetización
 Corriente que circula por el diodo
 Corriente que circula por el igbt
 Corriente que circula por la fuente de entrada
 Corriente que circula por el condensador de salida
 Corriente que circula por la resistencia de carga
4.4 Convertidor DC/DC tipo FLYBACK en bucle cerrado con aplicación fotovoltaica
(2.5 PUNTOS)
Finalmente, se desea emular un sistema fotovoltaico. Para ello, la tensión de entrada ya
no es una fuente de tensión sino que es una fuente de corriente controlada generada
con el bloque “Controlled Current Source”. En paralelo con dicha fuente se coloca un
condensador de valor 150 microfaradios. La fuente de corriente controlada debe sacar
corriente cero si la tensión del condensador es mayor o igual que 250 voltios y corriente
10 A si la tensión es menor o igual a 200 voltios. Entre 200 y 250 voltios de tensión del
condensador, la evolución de la corriente generada por la fuente será lineal.
En este caso, la tensión de salida del convertidor flyback es constante y será generada
por una fuente de tensión de valor 800 voltios.
El control que hay que implementar mide la tensión del condensador de entrada y le resta
la tensión deseada de 200 voltios tal como se muestra en la figura 4. Este error de tensión
es la entrada del PI cuya salida es directamente el duty cycle a aplicar en el convertidor.
El bloque PI sólo debe estar habilitado y empezar a controlar el sistema si la tensión del
condensador de entrada ha superado alguna vez el valor de 240 voltios. Para ello, se
recomienda usar un flip-flop que anule el error de entrada del PI si éste aún no está
habilitado. Las constantes de control del bloque PID discreto (configurado como PI) se
definen como:
 PI configurado como discreto e ideal
 Ejecución del PI cada periodo de la señal de conmutación
 Kp: Constante proporcional = 0.001
 Ki: Constante integral = 150
Figura 4. Esquema del bucle de control para la tensión de entrada del convertidor DC/DC con aplicación PV
Representar mediante un scope mediante dos ejes:
 Tensión de entrada deseada y la tensión de entrada instantánea
 Valor instantáneo del duty cycle del convertidor
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Representar mediante un scope mediante tres ejes:
 Tensión de entrada instantánea (tensión del panel)
 Corriente de entrada instantánea (corriente del panel)
 Potencia instantánea que proporciona la fuente de entrada que emula el panel
fotovoltaico.
Representar mediante un scope en ejes diferentes las siguientes corrientes
(representando cuatro periodos de la señal):
 Corriente que circula por la bobina de magnetización
 Corriente que circula por el diodo
 Corriente que circula por el igbt
 Corriente que circula por la fuente de salida
 Corriente que circula por el condensador de entrada
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