UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SEDE CUENCA CARRERA DE INGENIERIA ELECTRÓNICA Tesis previa a la obtención del Título de Ingeniero Electrónico “DISEÑO Y MONTAJE DE FUENTE CONMUTADA PARA ALIMENTACIÓN DE CONVERTIDOR MULTINIVEL” AUTORES: PEÑAFIEL CÁCERES DANNY PATRICIO RAMÓN FLORES PAÚL FERNANDO DIRECTOR: ING. FLAVIO QUIZHPI CUENCA - 2013 DECLARACIÓN DE RESPONSABILIDAD Los conceptos desarrollados, análisis realizados y las conclusiones obtenidas a partir del presente trabajo, son de exclusiva responsabilidad de los autores. Por medio de la presente declaración cedemos los derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Universidad Politécnica Salesiana pudiendo hacer uso de la misma para fines académicos. Cuenca, 4 de Enero del 2013 ING. FLAVIO QUIZHPI CERTIFICO: Haber dirigido y revisado prolijamente cada uno de los capítulos del informe de la monografía, realizada por los aspirantes a Ingenieros: Danny Patricio Peñafiel Cáceres y Paúl Fernando Ramón Flores, previa obtención del título de Ingeniero Electrónico. Por cumplir los requisitos autorizo su presentación. Cuenca 4 de Enero del 2013 AGRADECIMIENTOS: Eexpresó mi más sincero, agradecimiento a las personas que fueron partícipes directa o indirectamente, ya que gracias a su colaboración he podido desarrollar esta tesis, especialmente al Ingeniero Julio Viola y al Ingeniero Flavio Quizhpi nuestro Director ,que nos han guiado en estos seis meses con sus conocimientos y dirección para que sea posible la finalización de nuestra tesis, a mi gran amigo y compañero Paul que también ha puesto lo mejor de el para poder lograr este gran sueño. También agradezco a la Universidad Politécnica Salesiana en donde he adquirido mayores conocimientos para formarme como profesional y de esta manera culminar una etapa más de mi vida. Danny Tras el desarrollo de este proyecto existen muchas personas cuyos nombres no estarán en estas líneas pero que gracias a su apoyo ha hecho posible la conclusión de esta tesis, gracias a ustedes De manera muy especial quiero agradecer al Ingeniero Julio Viola que con sus conocimientos y paciencia ha hecho posible el correcto desarrollo e implementación de esta tesis; al Ingeniero Flavio Quizhpi nuestro director por su guía, sus concejos y por permitirnos formar parte del Grupo de Investigación de Energías al cual ha sido un verdadero placer pertenecer; a Danny que más que un compañero de tesis ha sido mi amigo a lo largo de los años, y un apoyo en muchos momentos importantes de mi vida. A mi Universidad que ha sido un hogar en el que he obtenido conocimiento, amistad, y experiencias. Paúl DEDICATORIA: Esta tesis va dedicada primeramente a Dios quien me ha guiado paso a paso día a día, a mis amados padres que gracias a su esfuerzo, dedicación, paciencia sobre todo y amor han logrado guiarme por el buen camino dándome fuerzas para seguir adelante y así cumplir con una mas de mis metas, a mis hermanos y amigos que siempre han estado a mi lado apoyándome y ayudándome, y a una persona muy importante en mi vida, mi amada Anita que gracias a su apoyo incondicional y paciencia, ha estado siempre a mi lado dándome fuerzas para seguir adelante, y a todos aquellos que de una manera u otra han influenciado en mi para que termine con éxito esta etapa de mi vida. Danny Este proyecto de tesis está dedicado a mis padres, que son mi inspiración para avanzar y no rendirme ante las pruebas que la vida me ha puesto y me pondrá, ya que gracias a su paciencia, apoyo y dedicación he llegado a este punto en mi vida ; a mis abuelos que me han enseñado con sus acciones el respeto y la paciencia para con otros, a mi hermano por el tipo apoyo que solo él me podría brindar, a mis amigos, y para Liss por su apoyo, concejos y cariño. Paúl INDICE GENERAL CAPÍTULO 1 CONFIGURACIÓN DE FUENTES CONMUTADAS ..................................... 1 1.1 Descripción del Sistema ………………………………………………….... 1 1.2 Determinación de las características técnicas de la fuente ………………... 6 1.2.1 Fuentes Conmutadas …………………………………………….. 8 1.2.2 Control en Fuentes Conmutadas ……………………………….. 12 1.2.3 Sistema a implementar …………………………………………. 12 1.3 Análisis Matemático ……………………………………………………... 13 CAPÍTULO 2 DISEÑO DE LA FUENTE ............................................................................... 19 2.1 Estudio y dimensionamiento de los elementos …………………………... 19 2.1.1 Análisis de protecciones ………………………………………... 20 2.1.2 Rectificador de entrada ………………………………………… 21 2.1.3 Filtrado …………………………………………………………. 23 2.1.4 Inversor ………………………………………………………… 26 2.1.4.1 Driver ………………………………………………… 26 2.1.4.2 IGBT …………………………………………………. 28 2.1.4.3 Red Snubber …………………………………………. 31 2.1.4.4 Transformador ………………………...……………… 34 2.1.5 Rectificador de Salida ………………………………………….. 34 2.1.5.1 Diodo Schottky ……………………………………….. 35 2.1.5.2 Inductancia …………………………………………… 36 2.1.5.3 Capacitor de alta frecuencia ………………………….. 38 2.1.6 Descripción del control utilizado ……………………………..... 43 2.1.6.1 Características del TL494 ……………………............ 44 2.1.6.2 Partidor de tensión para primera alimentación de controlador ……………………………………….... 46 2.1.6.3 Funcionalidades utilizadas …………………………… 48 2.1.6.3.1 Control de tiempo muerto ……………......… 49 2.1.6.3.2 Tensión de referencia ……………………...... 49 2.1.6.3.3 Frecuencia de operación .................................. 49 2.1.6.3.4 Arranque suave ............................................... 52 2.1.7 Elementos extra ............................................................................ 53 2.1.7.1 Disipadores de calor ....................................................... 54 2.1.7.1.1 Disipadores de calor para IGBT’s ................ 54 2.1.7.1.2 Disipadores de calor para diodos Schottky ... 57 2.1.7.2 Convertidor DC – DC a 5v ............................................ 58 2.1.7.3 Conectores ..................................................................... 59 2.1.7.4 Test Points ..................................................................... 60 2.2 Generar listado de Elementos ..................................................................... 61 CAPITULO 3 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL CIRCUITO IMPRESO ......................... 63 3.1 Software a utilizar ....................................................................................... 63 3.1.1 Creación de componentes ............................................................ 64 3.2 Construcción del esquemático .................................................................... 67 3.3 Construcción del PCB ................................................................................. 68 3.3.1 Montaje de Componentes ............................................................. 70 CAPITULO 4 PRUEBAS GENERALES DEL SISTEMA ..................................................... 75 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA INDICE DE FIGURAS CAPÍTULO 1 Figura 1.1: Diagrama de bloques del convertidor multinivel ............................. 2 Figura 1.2: Circuito esquemático de una de las ramas del convertidor .............. 3 Figura 1.3: Montaje de etapa de potencia ........................................................... 4 Figura 1.4: Tarjeta de Sensores ............................................................................ 4 Figura1.5: Vista 3D de la tarjeta de control obtenida desde el programa de diseño Altium ................................................................................. 5 Figura1.6: Vista 3D una de las tarjetas de drivers obtenida desde el programa de diseño Altium ................................................................................. 6 Figura1.7: Diagrama de Bloques General ........................................................... 7 Figura1.8: Rectificación usada para conversión AC-DC .................................... 8 Figura1.9: Topología Push-Pull ........................................................................ 11 Fgura1.10: Diagrama de bloques del sistema implementado ........................... 13 CAPITULO 2 Figura 2.1: Diagrama de bloques de fuente conmutada .................................... 20 Figura 2.2: Fusible de cristal 2A ....................................................................... 20 Figura 2.3: Configuración en puente completo ................................................. 21 Figura 2.4: Rectificación de onda completa filtrada por capacitor ................... 22 Figura 2.5: Puente rectificador KBL005 ........................................................... 23 Figura 2.6: Capacitor Panasonic 470uf ............................................................ 23 Figura 2.7: Simulación rectificación entrada .................................................... 25 Figura 2.8: Grafica de osciloscopio de la rectificación de entrada ................... 25 Figura 2.9: Valores medidos del voltaje y corriente en la rectificación de entrada ..................................................................................... 25 Figura 2.10: Esquema del circuito inversor ...................................................... 26 Figura 2.11: Driver IXDI604PI ......................................................................... 27 Figura 2.12: Driver IXDI604PI conectado a dos IGBT’s ................................. 28 Figura 2.13: IGBT HGTG5N120BND encapsulado TO-220 ........................... 30 Figura 2.14: Red snubber RC para IGBT ........................................................ 31 Figura 2.15: Simulación red snubber ................................................................ 32 Figura 2.16: Grafica de los picos ...................................................................... 33 Figura 2.17: Vatímetro con el valor de la potencia disipada por la resistencia ................................................................................. 33 Figura 2.18: Diagrama de `pines del transformador ......................................... 34 Figura 2.19: Rectificador de salida con filtrado LC ......................................... 35 Figura 2.20: Diodo schottky MBR1045 TO-220 .............................................. 36 Figura 2.21: Circuito equivalente del filtro LC en CA ..................................... 37 Figura 2.22: Inductor toroidal TCH20-26 ......................................................... 38 Figura 2.23: Circuito simulación salidas ±15v ................................................. 39 Figura 2.24: Osciloscopio Voltaje de ingreso ................................................... 40 Figura 2.25: Osciloscopio voltaje de salida ±15v ............................................ 40 Figura 2.26: Circuito simulación salidas +15v ................................................. 41 Figura 2.27: Osciloscopio voltaje de salida +15v ............................................. 41 Figura 2.28: Circuito simulación salidas +15v ................................................. 42 Figura 2.29: Osciloscopio voltaje de salida +15v ............................................. 42 Figura 2.30: Capacitor cerámico THD .............................................................. 43 Figura 2.31: Distribución de pines del controlador TL494 ............................... 43 Figura 2.32: Diagrama de Bloques del Controlador TL494 ............................. 44 Figura 2.33: Partidor de tensión Feedback ....................................................... 45 Figura 2.34: Partidor de tensión para alimentación en el arranque ................... 46 Figura 2.35: Simulación del partidor de tensión para alimentación en el arranque ...................................................................... 48 Figura 2.36: Tiempo muerto ............................................................................. 49 Figura 2.37: Curva de comportamiento para frecuencia de operación ...................................................................................................... 50 Figura 2.38: Configuración para Q1 y Q2 ........................................................ 50 Figura 2.39: Circuito de control de tiempo muerto y arranque suave ............................................................................................... 52 Figura 2.40: Circuito de control de tiempo muerto y arranque suave con apagado por pulsante ......................................................... 53 Figura 2.41: Circuito equivalente ..................................................................... 55 Figura 2.42: Disipador Heatsinks para TO-220 ............................................... 56 Figura 2.43: Disposición de pines LM22675 .................................................... 58 Figura 2.44: Esquema convertidor DC-DC a 5v ................................................ 59 Figura 2.45: Conector macho y hembra 2 pines ............................................... 60 Figura 2.46: Conector macho y hembra 5 pines ............................................... 60 Figura 2.47: Test points ...................................................................................... 61 CAPITULO 3 Figura 3.1: Creación del footprint para el transformador ................................. 65 Figura 3.2: Footprint del transformador finalizado ........................................... 65 Figura 3.3: Pines para componente esquemático .............................................. 66 Figura 3.4: Símbolo esquemático de Transformador finalizado ....................... 66 Figura 3.5: Designación de pines para creación de componente ...................... 67 Figura 3.6: Resultado de la importación del esquemático al PCB .................... 68 Figura 3.7: PCB para fuente, obtenida en Altium ............................................. 69 Figura 3.8: Vistazo de la placa construida ........................................................ 70 Figura 3.9: Montaje de la etapa de rectificación y control ............................... 71 Figura 3.10: Montaje de driver e IGBT´s ......................................................... 72 Figura 3.11: Montaje de Transformador ........................................................... 72 Figura 3.12: Montaje de elementos de salida .................................................... 73 Figura 3.13: Montaje terminado ....................................................................... 74 CAPITULO 4 Figura 4.1: Diagrama de bloques usado para la realización de pruebas ........... 75 Figura 4.2: Tensión alterna a la salida del Variac ............................................. 76 Figura 4.3: Tensión rectificada de entrada a la salida del puente rectificador ............................................................................ 77 Figura 4.4: Vista amplificada del rizado de 120Hz a la salida del puente rectificador ..................................................................... 77 Figura 4.5: CH3 Medición de la frecuencia de disparo de gate ........................ 78 Figura 4.6: CH3 Disparo de gate y CH4 Tensión colector-emisor para el mismo IGBT ................................................................. 79