02 Conversores CC-CC

11

PARTE 4:PARTE 4:

CONVERSORES CONVERSORES CCCC--CCCC

2

CONVERSORES CC-CC CONCEITOS BÁSICOS

- Um chopper ou conversor cc-cc

pode ser considerado como a versão CC de um transformador CA

com uma relação de espiras

continuamente variável.

-

Aplicações típicas:

• controle de tração e velocidade;

• carregamento de baterias;

• fontes chaveadas;

•

aplicações gerais para adaptação de níveis de tensões cc entre fonte e carga.

3

CONVERSORES CC-CC PRINCÍPIO DO CONVERSOR ABAIXADOR

Capítulo 9: Choppers –

pág. 371 a 404 –

Muhammad

H. Rashid, Eletrônica de Potência: Circuitos, Dispositivos e Aplicações, Prentice

Hall, 2ª

edição, 1993.

4

CONVERSORES CC-CC

ton –

tempo de condução do interruptor (t1 );

toff –

tempo de bloqueio do interruptor (t2 );

Vi –

tensão de entrada (fonte de alimentação) (Vs );

Vo –

tensão de saída (carga) (Vo );

fs –

freqüência de comutação ou chaveamento (f);

Ts –

período de comutação ou chaveamento (T).

Atenção: Esta será

a nomenclatura unificada empregada para este tópico, que é

diferente

daquela adotada no livro texto.

S –

interruptor ou “chave”

(BJT, MOSFET, IGBT

ou SCR

com comutação forçada);

PRINCÍPIO DO CONVERSOR ABAIXADOR

5

CONVERSORES CC-CC

fs –

freqüência de comutação ou chaveamento (f);

D –

razão cíclica ou ciclo de trabalho (k).

( ) ( )0

1 onton

o i s on i io meds s

tV v t dt V f t V D VT T

= = ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅∫1

ss

fT

=

0 1on on

s on off

t tD DT t t

= = ⇒ ≤ ≤+

( )( )

( ) ( )2

0

1 s

o med is on i io med

D T

o io efs

V D VI f t I D IR R

V v t dt D VT

⋅

⋅= = = ⋅ ⋅ = ⋅

= ⋅ ⋅ = ⋅∫


6

CONVERSORES CC-CC

( ) ( ) ( )2 2

0 0

1 1s sD T D To i

i o o os s

v t VP P v t i t dt dt DT T R R

⋅ ⋅

= = ⋅ ⋅ = ⋅ =∫ ∫

Supondo um conversor sem perdas, tem-se:

A impedância (ou resistência de entrada) vista pela fonte é:

i ii

o i

V V RRI D V R D

= = =⋅

-

A razão cíclica pode ser variada por meio da variação de Ton ou fs (Ts ). Portanto, a tensão de saída Vo pode ser variada de 0 a Vi e o fluxo de potência pode ser controlado.

•

Operação em freqüência constante: A freqüência de comutação é

mantida constante e o tempo de condução é

variado (PWM: pulse width modulation –

modulação por largura de pulso).

•

Operação em freqüência variável: A freqüência de comutação é variada. Tanto o tempo de condução como o tempo de bloqueio: podem

ser mantidos constantes (modulação em freqüência).


7

CONVERSORES CC-CC PRINCÍPIO DO CONTROLE PWM

8

CONVERSORES CC-CC CONVERSOR ABAIXADOR COM CARGA RLE

9


11i

diV Ri L Edt

= + +

Modo 1 (0≤t≤ton ):

Ao final deste modo, tem-se:

Modo 2 (ton ≤t≤Ts ):

Ao final deste modo, tem-se:Em regime permanente, tem-se I3 =I1 .

10


Ondulação da corrente de pico a pico:-

Pode-se provar que a ondulação máxima é

dada por:

-

As equações previamente apresentadas são válidas apenas para fluxo contínuo de corrente.

-

Para um tempo de bloqueio grande, particularmente em baixa freqüência e baixa tensão de saída, a corrente de carga pode ser descontínua.

-

A corrente de carga será

contínua se L/R>Ts ou Lfs >>R.

- No caso de corrente de carga descontínua, tem-se I1 =0.

11

CONVERSORES CC-CC PRINCÍPIO DO CONVERSOR ELEVADOR

Na condução do interruptor:

12

CONVERSORES CC-CC CLASSIFICAÇÃO DOS CHOPPERS

Chopper Classe A: permite fluxo de potência apenas da fonte para a carga ⇒ corrente na carga e tensão na carga positivas (retificador) ⇒ chopper de

um quadrante.

Chopper Classe B:

permite fluxo de potência apenas da carga para a fonte ⇒ corrente na carga negativa e tensão positiva (inversor).

13


Chopper Classe B:

Chopper Classe C:

a corrente na carga é

tanto positiva quanto negativa, mas a tensão na carga é

sempre positiva ⇒ chopper de dois quadrantes

(bidirecionalidade

de corrente) ⇒

operação como retificador ou inversor.

14


Chopper Classe C:

15


Chopper Classe D:

a corrente na carga é

sempre positiva, mas a tensão na carga é

tanto positiva quanto negativa ⇒

chopper de dois quadrantes

(bidirecionalidade

de tensão) ⇒ operação como retificador ou inversor.

16


Chopper Classe E:

tanto a tensão quanto a corrente na carga são positivas e negativas ⇒

chopper de quatro quadrantes (bidirecionalidade

de

tensão e de corrente) ⇒ operação como retificador ou inversor.

17

CONVERSORES CC-CC TOPOLOGIAS DE CONVERSORESCC-CC NÃO ISOLADOS

- Conversor buck;

- Conversor boost;

-Conversor buck-boost;

- Conversor Cúk;

- Conversor SEPIC;

- Conversor Zeta.

18

CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BUCK EM MCC

Conversor buck:

a tensão de saída é

menor que a tensão de saída.

- Durante a condução do interruptor, tem-se:

19

CONVERSORES CC-CC- Durante o bloqueio do interruptor, tem-se:

- A ondulação da corrente é

dada por:

- Sendo e , tem-se:

G=Vo /Vi –

ganho estático do conversor em MCC.

Considerando um circuito sem perdas, tem-se:

-

A ondulação da corrente no indutor e da tensão no capacitor são dadas por:

CONVERSOR BUCK EM MCC

20

CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BUCK EM MCD

-

Dependendo da freqüência de comutação, da indutância e da capacitância de filtro, a corrente no indutor pode ser descontínua.

razão cíclica de condução descontínuaon ocd

s

t tD

T+

= =

2

2ganho estático em condução descontínua

2o

oi

i s

V DGLIV D

VT

= = =+

21

CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BUCK EM MCD

Para uma ampla faixa de variação de razão cíclica, o pior caso ocorre quando 0,5:

8

icrit

s o

D

VL

f I

=

=

( )1indutância crítica

2i

crits o

V D DL

f I−

= =

22

CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BOOST EM MCC

23


24



A ondulação de corrente pico a pico é

dada por:

A ondulação da tensão é

dada por:( )o o i o

oo s s

I V V I DV

V f C f C−

Δ = =

( )11

oi i o o i o i

IV I V I V I D I

D= = − ⇒ =

−

( )i o i i

s o s

V V V V DI

f LV f L−

Δ = =

25

CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BOOST EM MCD

-

Em regime permanente, o valor médio da tensão no indutor é

nulo:

-

Além disso, em MCD, a corrente média no indutor é:

-

Manipulando as expressões anteriores, tem-se:

-

Para garantir a operação em condução contínua, o mínimo valor da corrente no indutor deve ser maior do que zero.

( ) 21=indutância crítica

2 2i i

crits o s o

V D D V DL

f I f P−

= =

( ) 0 o s di s i o d

i d

V DT tV DT V V t

V t+

+ − = ⇒ =

( )( ) ( )

( )máxméd 2 2

on dL ii i s dL

s

I t t V DI I I DT t

T L

+= = ⇒ = +

22 21

2i o o i

do i i s o

LI LI V V Dt

DV DV V f LI= = ⇒ = +

26

CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BOOST EM MCD

27

CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BUCK-BOOST EM MCC

-

O conversor buck-boost combina as características de entrada de um conversor buck e as características de saída de um conversor boost;-

A tensão média de saída pode ser maior, igual ou menor que a tensão

de entrada, porém com a polaridade invertida.

28


29



( )11

oi i o o i o i

I DV I V I V I D D I

D= − = − ⇒ =

−

A ondulação de corrente pico a pico é

dada por:

( )i o i

s o i s

VV V DI

f L V V f LΔ = =

−

A ondulação da tensão é

dada por:

( )o o o

oo i s s

I V I DV

V V f C f CΔ = =

−

1

0,50,50,5

o

i

o i

o i

o i

V DV D

D V VD V VD V V

=−

< ⇒ <= ⇒ => ⇒ >

30

CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BUCK-BOOST EM MCD

-

Em regime permanente, o valor médio da tensão no indutor é

nulo:

0 o si s o d

i d

V DTV DT V t

V t+ − = ⇒ =

-

Além disso, em MCD, a corrente de saída média é:

( )2

máx 22 2

dL o d so d

s s

I t V t LTI t

T LT R= = ⇒ =

-

Manipulando as expressões anteriores, tem-se:

2o o

i s

V RD

V f L=

-

Para garantir a operação em condução contínua, o mínimo valor da corrente no indutor deve ser maior do que zero.

( ) ( )21=indutância crítica

2 2i i

crits o s o

V D D DVL

f I f P−

= =

31

CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BUCK-BOOST EM MCD

32

CONVERSORES CC-CC CONVERSOR CÚK

-

A transferência de energia da fonte para a carga é

feita por meio de um capacitor;-

Tanto a corrente de entrada quanto a de saída podem ser contínuas,

devido à

presença dos indutores;-

A tensão de saída apresenta-se com polaridade invertida em relação à

tensão de entrada.

33

CONVERSORES CC-CC CONVERSOR CÚK

-

Na primeira etapa, o interruptor conduz, de modo que a corrente

no indutor L1 cresce linearmente. O capacitor descarrega sua energia alimentando o estágio de saída e o diodo permanece bloqueado.

-

Na segunda etapa, o interruptor é

bloqueado. A fonte de alimentação carrega o capacitor C1 . A energia armazenada no indutor é

transferida à

carga através do diodo.

34

CONVERSORES CC-CC CONVERSOR CÚK em MCC

Projeto:

35

CONVERSORES CC-CC CONVERSOR CÚK em MCC

-

Uma vez que a característica estática do conversor Cuk

é

idêntica à

do conversor abaixador-elevador de tensão (buck-boost), as mesmas curvas características apresentadas anteriormente são válidas também para esta topologia.-

Definindo o ganho estático e o parâmetro Ke , que por sua vez se

relaciona com a descontinuidade, tem-se: 2

1 2

1 2

e 2

o e oe e

i e i s

V L I L LD K LV K V T L L

= ⇒ = =+

1 1 82

ecrit

KD

± −=

-

O ciclo de trabalho crítico, no qual há

a passagem do modo de condução contínuo para o descontínuo, é

dado por:

36

CONVERSORES CC-CC CONVERSOR SEPIC

-

O conversor SEPIC

(Single Ended Primary Inductance Converter) também possui uma característica de transferência do tipo abaixadora-

elevadora

de tensão; - Diferentemente do conversor Cúk, a corrente de saída é

pulsada;

-

Os interruptores ficam sujeitos a uma tensão que é

a soma das tensões de entrada e de saída e a transferência de energia da entrada para a saída ocorre através do capacitor.

37


-

Na primeira etapa, o interruptor conduz e o diodo permanece bloqueado. O indutor L1 armazena energia a partir da fonte de entrada. As correntes em L1 e L2 crescem linearmente. O capacitor Co descarrega sua energia alimentando o estágio de saída e o diodo permanece bloqueado.

-

Na segunda etapa, o diodo passa a conduzir. Ambos os indutores fornecem energia para a carga. O capacitor C1 é

carregado.

38


Projeto:

( )

( )

( )

( )

11 1

22 2

2

11

2

11

1

1

1

o

i

o si s

o si s

i sC

o

i sCo

o o

V DGV D

V D TV DTI

L LV D TV DT

IL L

V D TV

R C D

V D TV

R C D

= =−

−Δ = =

−Δ = =

Δ =−

Δ =−

39

CONVERSORES CC-CC CONVERSOR ZETA

-

O conversor Zeta

também possui uma característica abaixadora- elevadora

de tensão. Na verdade, a diferença entre este conversor, o

Cuk

e o SEPIC

é

apenas a posição relativa dos componentes;- A corrente de entrada é

descontínua e a de saída é

continua;

- A transferência de energia ocorre através do capacitor.

40


-

Na primeira etapa, o interruptor conduz e o diodo permanece bloqueado. A corrente em ambos os indutores cresce linearmente. As correntes em L1 e L2 crescem linearmente. O capacitor C1 é

descarregado e o capacitor Co é

descarregado.

-

Na segunda etapa, o diodo passa a conduzir. O indutor L1 descarrega sua energia, carregando C1 . Por sua vez, o indutor L2 alimenta o estágio de saída.

41


Projeto:

( )

11

22

11

22

1

18

o

i

i

s

i

s

oC

s o

oCo

s o

V DGV D

V DI

f LV D

If L

V DV

f R CV D

Vf L C

= =−

Δ =

Δ =

Δ =

−Δ =

42

-

Trata-se da versão isolada do conversor buck-boost.

Funções do Transformador:

-

isolamento entre a fonte e a carga;

-

acumulação de energia quando o interruptor T está

em condução;

-

adaptar a tensão necessária no enrolamento secundário.

CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FLYBACK

43

Etapas de Funcionamento e Formas de Onda Básicas para Condução Descontínua:

Ls -

indutância magnetizante

referida ao secundário do transformador.


4444


Projeto:

( )o o o

oo i s s

I V I DV

V V f C f CΔ = =

−

45

CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FORWARD

46

-

Trata-se da versão isolada do conversor buck.


47

-

Durante a 2ª

etapa de funcionamento, o transformador deve ser inteiramente desmagnetizado. Caso contrário, ocorrerá

sua saturação magnética, provocando o

mau funcionamento no conversor.


48

-

Para que a desmagnetização seja assegurada, é

necessário que quando a razão cíclica for máxima, TD =T2 . Assim, tem-se:

a) Análise das Grandezas Envolvidas

c) Corrente no Indutor e Cálculo da Indutância

b) Tensão Média na Carga (Vout ):

-

Normalmente, Dmax =0,5. Então, pode-se escrever:

onde


49

d) Corrente de Pico nos Enrolamentos Secundário e Primário

e) Cálculo da Capacitância

f) Transformador

Kp −

fator de utilização do primário (Kp =0,5);Kw −

fator de utilização da área do enrolamento (Kw =0,4);

J −

densidade de corrente (250-400 A/cm2);ΔB −

variação de fluxo eletromagnético (0,2-0,3 T).


50

f) Transformador

Np –

número de espiras do enrolamento primário;Ae –

área efetiva da perna central do núcleo [m];

ΔB −

variação de fluxo eletromagnético [T].

Nsn –

número de espiras do secundário de número “n”;VF –

queda de tensão no diodo [V].


51

⇒ O ferrite, usado em núcleos de transformadores e indutores, é

formado por compostos à

base de níquel, zinco e/ou manganês. Possui baixa coercividade, o que permite a magnetização reversa com pouca dissipação de energia (perdas por histerese). Por outro lado, a alta resistividade do material reduz a circulação de correntes parasitas. É

amplamente

usado em fontes chaveadas devido às perdas reduzidas em altas freqüências.⇒

A densidade de fluxo de

saturação para um núcleo de ferrite é

da ordem de 0,3 T.

⇒ A densidade de trabalho, inferior ao valor de Bmax , depende da freqüência de trabalho.


52


53

-

Escolha da Seção Transversal dos Condutores dos Enrolamentos:

Scm −

área de secção reta do condutor [cm2];

Ief −

valor eficaz da corrente.


54

1) Especificar: Vin , Vout , Pout , fs , ΔVo , ΔiL , η.

2) Definir a razão cíclica nominal, lembrando que Dmax =0,5

4) Calcular a(s) capacitância(s).

3) Calcular a(s) corrente(s) de carga, a(s) corrente(s) de pico no(s) enrolamentos secundário(s) e a(s) resistência(s) de carga.

5) Calcular o produto Ae ⋅Aw e definir o núcleo do transformador.


55

6) Calcular o número de espiras dos enrolamentos primário e secundário(s),

8) Calcular a(s) indutância(s).

7) Calcular a(s) relaç(ão)(ões) de transformação.


56

T=período da tensão de entrada do filtro de saída; TS =2⋅T=período de funcionamento do conversor.

CONVERSOR HALF-BRIDGECONVERSORES CC-CC

57

1ª

Etapa:

2ª

Etapa:

3ª

Etapa:

CONVERSOR HALF-BRIDGECONVERSORES CC-CC

58

-

A topologia do tipo Half-Bridge normalmente e é

recomendada para potências inferiores a 500 W.

- Para potências maiores, é

empregado o conversor do tipo Full-Bridge.

CONVERSOR FULL-BRIDGECONVERSORES CC-CC

59

- Pode ser considerado como um caso particular do conversor Full-Bridge ou Half-Bridge.

-

Destinado a pequenas potências, por propiciar um mau aproveitamento do transformador e dificultar o emprego de técnica para evitar a saturação no núcleo devido à

desigualdade entre os

tempos de comutação dos interruptores.

-

É

mais recomendado para baixas tensões por submeter os interruptores a tensões muito elevadas.

CONVERSOR PUSH-PULLCONVERSORES CC-CC

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02 Conversores CC-CC