Desempeño de convertidor DC-DC SEPIC con
tecnologı́a Wide Bandgap enfocado a sistemas
Fotovoltaicos
Giovanni A. Baquero, Diana P. Castaño, Andres F. Esteban, Juan S. Ramı́rez, Sebastian D. Sánchez
Semillero de Investigación, Universidad Nacional de Colombia - Sede Bogotá
August 17, 2021
Resumen—Los estándares para energizar dispositivos
electrónicos usando suministros de sistemas fotovoltaicos implica
el uso de conversores de potencia DC-DC para aprovechar la
energı́a del sistema de manera eficiente, manteniendo estables
los niveles de voltaje y corriente requeridos en la aplicación.
Este articulo presenta un diseño de circuito conversor SEPIC
que reduce el voltaje de 24VDC a 5.1VDC usando dispositivos
de banda prohibida ampliada (WGB) como mejora al
indeseado desperdicio de potencia provocado por componentes
parásitos durante la conmutación a 100KHz de frecuencia. Se
pone directamente en comparación con un segundo circuito
equivalente que usa un HEXFET tradicional de Silicio con el
fin de contrastar el desempeño en Simulación usando LTSpice.
Se consiguen mejoras del orden de 1.3 % reduciendo 280mW de
consumo de potencia en el transistor, con el uso de elementos
referenciados comercialmente que facilitan la implementación
real del circuito.
Abstract—The standards for energizing electronic devices using
photovoltaic system supplies imply the use of DC-DC power
converters to harness the energy of the system in an efficient way,
keeping the voltage and current levels required in the application
stable. This article presents a SEPIC converter circuit design that
reduces the voltage from 24VDC to 5.1VDC using wide bandgap
devices (WBG) to improve unwanted power waste caused by
parasitic components during switching at 100KHz. It is put
directly in comparison with a second equivalent circuit that uses a
traditional Silicon HEXFET in order to contrast the performance
in Simulation using LTSpice. Improvements of the order of 1.3
% are achieved, reducing 280mW of power consumption by the
transistor, using commercially referenced elements that facilitate
the tangible implementation of the circuit.
Palabras clave—Convertidor DC-DC, Wide Band Gap, Reductor, SEPIC, Desempeño de Simulación, Eficiencia del Convertidor,
Transistor GaN.
1 I NTRODUCCI ÓN
En medio del desarrollo de nuevas técnicas para el suministro de electricidad por medio de energı́as alternativas como
la solar, se requiere de la innovación en cada una de las etapas
que conforman los sistemas fotovoltaicos. Etapas como la
conversión de potencia son fundamentales para que la relación
entre los niveles de tensión entregados por los paneles solares
se ajusten a las diversas necesidades de los dispositivos del
lado del consumidor. En Colombia ya se plantean polı́ticas
para que por lo menos el 70% de la población tenga acceso a
internet por medio de dispositivos como tablets o smartphones,
por lo cual generalmente las necesidades energéticas de estos
dispositivos requieren obtener niveles de potencia en corriente
continua según los estándares de conexión Tipo USB. [1] De
manera que, siendo los sistemas fotovoltaicos en su etapa de
generación necesariamente de corriente continua, se plantea
diseñar una etapa de ajuste de potencia con conversores
DC-DC que regulen las tensiones de entrada-salida usando
componentes especialmente eficientes. En vista de que una
necesidad primordial en los sistemas fotovoltaicos es optimizar
los niveles de eficiencia, los dispositivos semiconductores
de banda prohibida ampliada o en adelante WGB, son una
mejora importante dentro de los circuitos conversores DCDC ya que disipan menos potencia en forma de calor, lo
que implica menores perdidas. Es importante como primera
aproximación al desarrollo de nueva tecnologı́a de este tipo,
plantear las correspondientes simulaciones en software que
muestren la mejora en eficiencia de los conversores DC-DC
usando transistores WGB como los GaNFET en comparación
con dispositivos tradicionales de Silicio. [2]
1.1 Problema
Se pretende diseñar y evaluar el desempeño de un convertidor DC-DC que regule los niveles de voltaje que vienen de
un sistema fotovoltaico tı́picamente conformado por paneles,
baterı́as y reguladores etc, que suministran entre 12 y 24
voltios. El convertidor debe ser capaz de transformar los
niveles de voltaje-corriente a la entrada de la manera mas
apropiada para conectar a la salida dispositivos electrónicos
que deben ser alimentados por el estándar USB Power Delivery, el cual requiere de 5.1 voltios fijos consumiendo alrededor
de 15 Watts. [3] Especialmente se debe conseguir una mejora
en la eficiencia del convertidor al usar transistores GaNFETs
como alternativa de dispositivo de conmutación a la tecnologı́a
de Silicio.
1.2 Alcance
Este diseño busca evaluar el perfil de eficiencia que tienen
los convertidores DC-DC SEPIC con HEXFET de silicio y
HEMT de Nitruro de Galio usando modelos de simulación
en el software LTSpice, aproximando la mayor cantidad de
parámetros posibles a los especificados por los fabricantes.
Esto permite medir la cantidad aproximada de potencia disipada en cada uno de los elementos individuales y analizar
las señales tanto de régimen transitorio como estacionario, tal
que se evidencien caracterı́sticas como valores promedios y de
rizado.
2 M ETODOLOG ÍA
Para solucionar el problema planteado es bastante útil emplear la topologı́a Single-Ended Primary-Inductor Converter
(SEPIC), ya que se encuentra que es de las topologı́as mas sencillas, practicas y estables para diseñar conversores. Además
de algunas ventajas como la opción de acoplar los inductores,
la topologı́a SEPIC no invierte la salida de voltaje a la vez
que comparten la conexión de tierra y tiene un capacitor que
aı́sla la entrada y salida del circuito. [4] Esta topologı́a exige
tener dos dispositivos que conmuten; del lado de la entrada
se conecta un transistor el cual tendrá dos diferentes modelos
dependiendo de la tecnologı́a, los cuales serán definidos en
la sección de Modelos. Se necesita un diodo de respuesta
rápida del lado de la salida, para lo cual es mas apropiado
usar un Diodo Schottky en el caso de conversores de baja
potencia, y también, un controlador PWM del fabricante
Analog Devices especial para este tipo de topologı́as. Con
todos los modelos definidos se implementan en la simulación,
según el diseño planteado, para hacer pruebas de variación de
voltaje y de carga a manera de comparación entre los dos tipos
de conversores SEPIC.
2.1 Modelos
Los dispositivos semiconductores empleados en el conversor
deben estar en la capacidad de conmutar a frecuencias fsw del
orden de 100kHz, y soportar voltajes del orden de 30V cuando
se encuentran en estado de no conducción. Por lo tanto para
realizar una significativa comparación se emplean transistores
GaN HEMT que tienen ventaja respecto a la potencia disipada,
tanto por la conmutación como por la resistencia de encendido
RDSon .
ponen a prueba transistores de de tipo WGB y de silicio,
variando la frecuencia de conmutación con ciclo útlil del
50%, en el cual se ven destacadas ventajas frente a los
transistores tradicionales. [5]
Para el GaNFET se emplea el modelo de simulación proporcionado por el fabricante Efficient Power Conversion (EPC)
para el transistor EPC2015C [6] el cual incluye los parámetros
de capacitancias y resistencias entre los diferentes terminales
que se ven en la Figura 2.
Figure 2. Modelo de GaNFETs del fabricante EPC. [7]
Por otro lado para el transistor de silicio se usa un HEXFET
AUIRFR4615 de marca Infineon apropiado para los conversores por su baja resistencia de encendido y la rápida
conmutación. [8] El modelo es proporcionado por el propio
fabricante y tiene distintos conjuntos de parámetros agrupados
en niveles para incluir o no el cambio de temperatura dentro
de la Simulación. [9]
El diseño plantea solo comparar los transistores y su desempeño, por lo cual el resto de componentes son iguales
en ambos casos, entre ellos, el diodo de conmutación rápida
Schottky STPS5L60 del fabricante STMicroelectronics el cual
provee el modelo de simulación en Spice. [10] El driver
LT3757 de Analog Devices es especial para modular la señal
PWM de control en varios conversores DC-DC, opera entre
2.9V y 40V de entrada con frecuencia programable desde los
100kHz hasta 1MHz, del cual el software LTSpice ya tiene un
modelo predeterminado dentro de la biblioteca. [11] El resto
de componentes pasivos son configurados manualmente dentro
del simulador según las especificaciones de diseño.
2.2 Diseño e Implementación
Figure 1. Pérdidas totales en transistores de Si, SiC y GaN. Tomado de [5]
La Figura 1 muestra el resultado de un estudio hecho por
CPES (Center of Power Electronic System) en donde se
La estructura tı́pica de un convertidor SEPIC incluyendo
algunos componentes parásitos de los elementos se ven en
la Figura 3. Nótese que allı́ se incluyen componentes componentes parásitos de los dispositivos semiconductores mas
relevantes como RDS o Co en los que la tecnologı́a WGB
destaca en desempeño.
también es inverso al valor de capacitancia y aplica tanto para
C1 y C2 con un factor de diferencia.
C=
Figure 3. Esquema del Modelo aproximado SEPIC
El diseño del circuito parte de la relación que se obtiene
del voltaje de entrada y de salida, usando la bien conocida
Ecuación (1) de un elevador-reductor ideal como el SEPIC,
donde D es el ciclo útil de la señal de control PWM.
Vo
D
=
Vi
1−D
Vo + VF
D=
Vo + Vi + VF
(1)
L1 =
2fsw Pout
(1 − Dmin )Vo2
L2 =
2fsw Pout
(6)
Donde ∆VC es el rizado del voltaje esperado en el capacitor
y k es igual a 1 si se usa la formula para calcular C1
o 0.5 si se usa para calcular C2 . En este último caso se
considera que la mitad del rizado es causado por el valor
de capacitancia y el otro 50% es causado por la Resistencia
Equivalente en Serie (ESR) del condensador de salida. [4] De
manera que el diseño se implementa con 47µF y 220µF
para C1 y C2 respectivamente sabiendo que el voltaje del
condensador de acople debe soportar en promedio Vi y el
capacitor de salida soporta en promedio Vo . [12] La Tabla I
muestra las referencias y especificaciones de los componentes
más importantes ya mencionados que se consideran en la
simulación del conversor.
(2)
En la ecuación (2) debe ser incluido VF que es el voltaje en
directo del diodo Schotkky. [4] Esto permite saber que el ciclo
útil nominal debe estar alrededor de 21.5% si la conversión
va de 20VDC /5.1VDC . Este parámetro permite determinar
los elementos almacenadores de energı́a como inductores y
capacitores. Los inductores pueden ser establecidos siempre y
cuando tengan un valor mayor al calculado por las ecuaciones
(3) y (4), con esto se asegura que el conversor opere en
Modo Continuo (CCM) ya que el rizado de corriente ∆IL
del inductor tiene una relación inversa con su valor inductivo.
[12]
2
Dmin Vimax
η
Io Dmax
k∆VC fsw
(3)
(4)
Con valores de 47µH y 8.2µH para L1 y L2 respectivamente
se cumple el requisito y permite tener un rizado menor al
40% de la corriente promedio que circula por los inductores
según se recomienda en diversos artı́culos, teniendo en que la
corriente de saturación del componente debe ser mayor a IL +
∆IL /2. [4] [11] Para determinar los capacitores apropiados
que se deben usar es clave determinar la corriente RMS que
que fluye por cada uno, mientras que el máximo valor que
soporte el condensador este por encima del resultado de la
ecuación (5) es suficiente para tener un desempeño adecuado
en conversores de baja potencia. [4]
r
Vo + VF
(5)
ICrms = Io
Vimin
La formula de la corriente RMS del condensador aplica de
igual manera tanto para el capacitor de acople C1 como para
el de salida C2 . Sus valores de capacitancia están determinados
igualmente por el rizado de voltaje que se considere aceptable
para la aplicación, la ecuación (6) muestra que el rizado
Table I
TABLA DE DISPOSITIVOS COMERCIALES ESCOGIDOS PARA DISE ÑAR EL
CONVERTIDOR SEPIC
Dispositivo
D
STPS5L60
[10]
AUIRFR46
15 [8]
EPC2015C.
GaN
[13]
L1
DR125470-R
[14]
L2
DR1258R2-R
[14]
C1
TPSE476K0
35H0200
[15]
C2
CL32A227
MQVNNNE
[16]
Si
Comp. Parásito
RF
28 mΩ
VF
390 mV
47 µH
rDS
Co
rDS
Co
rL1
34 mΩ
40 pF
3.2 mΩ
18 pF
74 mΩ
Lim. máximos
IF (rms) 15 A
IF (AV )
5A
VRRM
60 V
IDM
140 A
VDSS
150 V
IDM
235 A
VDSS
48 V
Isat
3.24 A
8.2 µH
rL2
17.6 mΩ
Isat
47 µF
rC1
200 mΩ
Vmax
35 V
220 µF
rC2
2 mΩ
Vmax
6.3 V
Schottky
HEXFET
GaNFET
7.86 A
A partir de los modelos aproximados se puede hacer una
estimación de la potencia que requiere el conversor para
funcionar y el porcentaje que se destina directamente hacia
la carga. Si se consideran como potencia de perdidas las
que incluye a los inductores, capacitores y dispositivos semiconductores tal como lo indica la ecuación (7), se obtiene
aproximadamente 3.02 W disipados por componentes parásitos
usando Silicio versus 2.68 W usando GaN.
PLS = PrL1 + PrL2 + PrC1 + PrC2 + PD + PQ
(7)
Esta estimación indicarı́a que la eficiencia teórica del convertidor con GaNFET es de 85.1%, un 1.6% mas alto que
usando transistor de Silicio, la pequeña diferencia es causada completamente por el dispositivo conmutador. La implementación del circuito en LTSpice se construye siguiendo las
recomendación que se proporciona en la hoja técnica del driver
LT3757/LT3757A [11], en donde se especifica la configuración
apropiada de la etapa de control que se muestra en la Figura
4.
un rizado de 50mV, es decir un 0.99% del voltaje DC, lo
cual es aceptable para un convertidor DC con condensadores
de baja ESR. Adicionalmente el valor promedio calculado se
encuentra en 5.1V para ambos casos, lo cual es de esperarse,
pues cualquiera de los circuitos esta diseñado para ser lo
suficientemente preciso en este aspecto.
Vout SEPIC
Voltaje [V]
5.12
(a)
5.1
Vout Si
5.08
VoutDCSi
Vout GaN
VoutDCGaN
5.06
0
0.5
1
1.5
2
10-5
tiempo [s]
Figure 6. Rizado de voltaje a la salida del convertidor.
(b)
Figure 4. Circuitos de simulación SEPIC. a) circuito con transistor de silicio.
b) circuito con transistor de galio.
3 R ESULTADOS
Para reproducir la simulación en el software, se le especifica
el tiempo final de simulación en 2 milisegundos, pues en este
punto el estado estable se logra mantener indefinidamente. El
comportamiento transitorio del voltaje de salida Vo se ve en
la Figura 5 donde se comparan los dos circuitos, es de notar
que el seguimiento de la trayectoria es prácticamente idéntica
en ambos casos, la estabilidad se logra luego de 1.4ms con un
ligero sobrepico de 5.29V.
Vout SEPIC
4
Si
GaN
-0.5
0
1
tiempo [s]
1.5
10-3
Figure 5. Periodo Transitorio del voltaje de salida del convertidor SEPIC
Si bien el comportamiento a escala de voltios parece
mantener el voltaje constante en 5.1V, al acercar la escala
en el estado estable a la señal de voltaje se obtiene un
rizado periódico con frecuencia fsw . La Figura 6 muestra
que las curvas tienen un comportamiento similar, exhibiendo
0.5
1
1.5
tiempo [s]
2
2
Corriente [A]
0.5
Vgs SEPIC (Si)
0
0
0
Igate SEPIC (Si)
0
0.5
1
tiempo [s]
2
6
1.5
2
10
0.5
-5
1
1.5
2
10-5
tiempo [s]
Igate SEPIC (GaN)
0
-2
4
0
0
2
10
6
-5
Voltaje [V]
2
0.5
Voltaje [V]
Corriente [A]
Voltaje [V]
6
Una diferencia notable en el uso de los GaNFET aparece
al analizar la corriente que fluye por el terminal Gate del
transistor, una vez se pone en alto el voltaje de la señal
de control, un pulso de corriente fluye hasta la compuerta
del FET y carga el capacitor interno para formar el canal
que permite el paso de corriente entre Drain y Source, sin
embargo se evidencia que el transistor GaN consume una
corriente constante alrededor de 210mA en este caso, similar a
lo que reporta (Şehirli, E. 2020) [17] el cual menciona que este
hecho hace que el GaNFET pueda ser mas sensible al ruido.
Igualmente, consumir un nivel de corriente continua afecta la
eficiencia del dispositivo en por lo menos 4.2%, por esto se
debe notar que en la Figura 4, entre el Gate de los transistores
y la salida de la señal PWM proveniente del controlador se
conecta una red RCD en paralelo el cual filtra esta componente
DC y permite manejar los pulsos de corriente similar a como
funcionaria en un transistor tradicional de Silicio tal como se
ve en la Figura 7.
Vgs SEPIC (GaN)
4
2
0
0
0.5
1
tiempo [s]
1.5
2
10-5
Figure 7. Voltajes y corrientes del terminal Gate en ambos transistores del
convertidor.
Sin embargo, el costo que debe asumirse al incluir esta red
es la de deformar la señal cuadrada de PWM que ingresa al
transistor, si bien en el GaNFET solo provoca que el nivel alto
de voltaje descienda de 7.2V a 6V, [11] en el convertidor de Silicio llega a incluso redondear el nivel alto constante. Aun ası́,
el convertidor sigue funcionando, siempre y cuando el pulso
de voltaje que ingrese al transistor supere el voltaje umbral
VT H . Usando la herramienta de LTSpice para evaluar el reporte
de eficiencia de los circuitos simulados, se puede obtener un
valor muy preciso de un análisis automático que se realiza
al simular con parada cuando se detecte el comportamiento
estable de estado estacionario a la salida. El reporte indica
que el convertidor es un 84.3% eficiente al usar el transistor
de Silicio, lo cual permanece por debajo de la eficiencia del
convertidor con GaNFET, consiguiendo un 85.6%. El reporte
incluso confirma que la diferencia claramente es el transistor,
pues indica que el GaNFET consume 280mW menos que
el HEXFET, lo cual representa 79% de lo que consume el
transistor de Silicio.
4 C ONCLUSIONES
•
•
•
•
•
El diseño del circuito convertidor DC-DC es apropiado
para usarse en sistemas Fotovoltaicos que requieran de
una conversión 24VDC a 5VDC, lo cual tı́picamente
es usado en la recarga de baterı́as de dispositivos
electrónicos convencionales, las simulaciones muestran
que el conversor es estable y permanece constante el 5.1
Voltios con un rizado menor al 1%.
El conversor SEPIC domina por ventajas como tener
aterrizada la carga junto con la fuente de voltaje y tener
una corriente de entrada no pulsante lo cual es apropiado
para la aplicación propuesta.
Es importante manejar adecuadamente la señal de PWM
que se envı́a al transistor GaNFET, pues el consumo de
la corriente DC puede empeorar el consumo de potencia
perdiendo la ventaja de eficiencia frente a la tecnologı́a
de Silicio, una red de Resistencia, Condensador y Diodo
en paralelo entre el Gate del transistor y el pin PWM
del Driver puede reducir estas perdidas lo cual implica
mejorar el desempeño del conversor al usar el dispositivo
WGB.
La comparación de los conversores permite analizar que
si bien las ventaja energética del transistor GaN es mejor,
esta es de apenas 1.3% para el SEPIC, lo cual no es
despreciable para niveles tan cercanos al 100%, al reducir
280mW de potencia requeridas en la conmutación y la
conducción del semiconductor, esto representa una gran
mejora para el componente conmutador en los conversores DC-DC.
El circuito fue diseñado atendiendo especialmente a las
especificaciones de las referencias y fabricantes de los
componentes, esto con el objetivo de que el siguiente
avance de la investigación corresponda con la implementación directa del circuito y puesta a prueba de los
resultados aquı́ obtenidos.
R EFERENCIAS
[1] DNP, “Pacto por la transformación digital de colombia.” [Online].
Available: https://www.sigmaelectronica.net/wp-content/uploads/2008/
09/1N4001-1N4007DO-41.pdf
[2] M. Maharjan†, P. Tandukar, A. Bajracharya, and Colaborators, “Sepic
converter with wide bandgap semiconductor for pv battery charger,”
IEEE, 2017.
[3] A. Cox, B. Dunstan, D.Waters, E. Berrios, R. Ismail, and R. Petrie,
Universal serial bus power delivery specification. ECNs, 2014, vol. 2,
no. 1.1.
[4] W. Gu and D. Zhang, “Designing a sepic converter,” National Semiconductor, Application Note 1484, 2008.
[5] T. P. Chow, S. Chowdhury, Z. Guo, and X. Liu, “Comparison of
silicon, sic and gan power transistor technologies with breakdown
voltage rating from 1.2 kv to 15 kv,” CPES Conference, 2016. [Online].
Available: https://cpes.vt.edu/research/showcase/528
[6] EPC, “Device models,” Available at https://epc-co.com/epc/
DesignSupport/DeviceModels.aspx.
[7] R. Beach, A. Babakhani, and R. Strittmatter, “Circuit
simulation using epc device models,” Efficient Power Conversion
Corporation, Application Note: AN005, 2019. [Online]. Available: https://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/product-training/
Circuit Simulations Using Device Models.pdf
[8] Infineon,
“Auirfr4615,”
Available
at
https://www.infineon.
com/cms/en/product/power/mosfet/20v-800v-automotive-mosfet/
120v-300v-n-channel-automotive-mosfet/auirfr4615/#!documents.
[9] F. Stueckler, G. Noebauer, and K. Bueyuektas, “Introduction
to infineon’s simulation models power mosfets,” Infineon,
Application
Note
AN
2014-02
V2.0,
2014.
[Online].
Available:
https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-ApplicationNote
PowerMOSFET SimulationModels-AN-v01 00-EN.pdf?fileId=
5546d46250cc1fdf0151588db5ef1b18
[10] STMicroelectronics, “Stps5l60, 60 v, 5 a low drop power schottky rectifier,” Available at https://www.st.com/en/diodes-and-rectifiers/stps5l60.
html#cad-resources.
[11] A. Devices, “Lt3757/lt3757a, boost, flyback, sepic and inverting
controller,”
Available
at
https://www.analog.com/media/en/
technical-documentation/data-sheets/lt3757-3757a.pdf.
[12] J. Betten, “Benefits of a coupled-inductor sepic converter,” Texas
Instruments Incorporated, Analog Applications Journal, 2011. [Online].
Available: https://www.tij.co.jp/jp/lit/an/slyt411/slyt411.pdf
[13] EPC, “Epc2015c – enhancement mode power transistor,” Available at
https://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/datasheets/EPC2015C
datasheet.pdf.
[14] EATON, “Dr high power density, high efficiency, shielded drum core power inductors,” Available at https://co.mouser.com/datasheet/2/87/
eaton-dr-high-power-density-high-efficiency-shield-1608690.pdf.
[15] AVX, “Tps series,” Available at https://datasheets.avx.com/TPS.pdf.
[16] S. Electro-Mechanics, “Multilayer ceramic capacitors,” Available at
https://co.mouser.com/datasheet/2/585/MLCC-1837944.pdf.
[17] E. Şehirli, “Comparison of si and gan semiconductor based sepic dc-dc
led driver,” European Journal of Science and Technology, 2020.