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Aplica estos tips para acelerar el diseño de controladores para convertidores DC-DC con Simulink

Conoce cómo implementar los recursos que ofrece Simulink para el diseño de controles digitales para una variedad de diseños de convertidores, incluyendo del tipo Boost, SEPIC, Cuk y Buck, por mencionar algunos.

ElectronicosOnline.com Magazine / Oswaldo Barajas

Durante la planeación de un sistema electrónico, la selección de la topología para el tipo de convertidor DC-DC es sumamente importante para el diseño de su controlador digital, el cual puede consumir bastante tiempo del ciclo de diseño y desarrollo del proyecto.

En un artículo de aplicación técnica titulado: "Speed Up Digital Control Design of DC-DC Converters with Simulink", la compañía MathWorks presenta algunas sugerencias para elegir adecuadamente la topología, técnica y herramientas para reducir considerablemente el tiempo destinado al diseño del controlador digital para convertidores DC-DC.

Para llevar a cabo su informe, MathWorks eligió como ejemplo un convertidor SEPIC, al cual se le implementó una técnica de modelado y simulación utilizando Simulink, con el cual realizan diversas actividades incluyendo: Modelación de los circuitos pasivos, circuitos de potencia y una variedad de fuentes de suministro. Además, la simulación del convertidor para modos de conducción continuos-discontinuos, determinación de pérdidas de energía y comportamiento térmico del convertidor, personalización del controlador para soportar los requerimientos del esquema, y generación de código C para la implementación del controlador utilizando un microcontrolador TI C2000 (Texas Instruments).

Kit de desarrollo DC-DC de Texas Instruments, que incluye una tarjeta con microcontrolador y un controlador digital para el convertidor de potencia.

“Simulink te permite identificar problemas de diseño con antelación y optimizar el comportamiento del sistema mediante la simulación y exploración de múltiples opciones de diseño, así como casos operacionales desde un único entorno de desarrollo”, menciona el artículo de MathWorks.

En su ejemplo, el modelo de sistema sirve como base para el desarrollo de todas las actividades, incluyendo la detección de los requerimientos, estructura de diseño, implementación y pruebas. Para esto, los colaboradores de la compañía implementan un convertidor de inductor primario de terminación única (SEPIC, por sus siglas en inglés) y será preparado con el fin de que su función sea ajustar el brillo de los LEDs sobre un display que forma parte de un kit de desarrollo DC7DC LED de Texas Instruments.

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Modelos Simscape.

El SEPIC se modela en Simscape, y una vez que la mayor parte del modelo están colocados, se puede recurrir a la simulación para entender de forma más oportuna el comportamiento del sistema bajo modos de conductividad cotinua-discontinua.

También puede evaluarse con diversas configuraciones para explorar los efectos de distintas frecuencias de conmutación y para descubrir cómo afectan al modelo los componentes térmicos que se han elegido para la topología.

“Simscape provee bloques y librearías para los componentes electrónicos, lo que te permite crear modelos de los sistemas dentro del entorno Simulink. Los modelos Simscape pueden contener variantes de los componentes en diferentes niveles de fidelidad, lo que te permite empezar con representaciones lineales simples y posteriormente escalar a funciones no-lineales”, menciona el artículo.

Resultados de la simulación sobre el convertidor SEPIC en modo continuo-discontinuo.

En caso de que se desee realizar análisis adicionales para evaluar más el diseño del convertidor, se puede optar por ejecutar nuevamente la simulación con menores valores de inducción o cargas más grandes para forzar al convertidor a que revele su desempeño ante modos continuos-discontinuos dependiendo de los valores seleccionados.

Parametrización del MOSFET haciendo uso del datasheet.

Con respecto a las pérdidas de energía y el comportamiento del convertidor, se puede incorporar y analizar no-linealidades en el SEPIC remplazando el switch con un bloque de más alta fidelidad. De acuerdo con el documento de MathWorsk, con unos pocos cambios el modelo de simulación puede utilizarse para determinar las pérdidas de energía y comprender los márgenes de tolerancia de temperatura del SEPIC. El modelo no-lineal de desempeño del convertidor también requerirá que se reemplace el switch con un módulo MOSFET de N-Canales.

Una vez que el MOSFET es parametrizado, entonces es posible comparar las características del módulo (estado inactivo, transferencia y tipo de cargas en compuertas) con ayuda de gráficos que pueden ser interpretados con ayuda de fichas técnicas que incluye el entorno de evaluación.

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