Cap. 6 Conversores DC-DC - ?· Conversor Buck (abaixador) ... CONVERSOR DC CHAVEADO ou DC Chopper D…

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  • Cap. 6Conversores DC-DC

  • CONVERSORES DC-DC

    Regulador Linear de Tenso

    Conversores Chaveados

    Conversor Buck (abaixador)

    Conversor Boost (elevador)

    Conversor Buck-Boost

    Conversores Cuk

    Outros

  • REGULADOR LINEAR DE TENSO

    - Transistor funciona como resistor varivel- Circuito capaz de abaixar a tenso- Problema da eficincia

  • REGULADOR LINEAR DE TENSO

    - Potncia absorvida na carga- Potncia absorvida no transistor

    Se tenso na carga = 25% a tenso da fonteEnto 25% da potncia absorvida na carga

    Logo 75% da potncia dissipada no transistor

    Quanto menor a tenso nacarga, pior a eficincia

    Usado apenas emaplicaes de

    baixssima potncia

  • CONVERSOR DC CHAVEADO ou DC Chopper

    ontDT

    - Transistor na regio de corte ouregio de saturao

    - Tenso mdia (ou componente DC)

    D = razo de trabalho (duty ratio)

    0 < D < 1

  • CONVERSOR BUCK (ABAIXADOR)

    ABAIXADOR Tenso de sada menor que da fonte (entrada)

    Fonte chaveada com filtragem dos harmnicos e diodo de proteo

    Sada DC

    Filtro ideal Tenso mdia da sada = Tenso mdia na entrada (filtro sem perdas)

  • CONVERSOR BUCK (ABAIXADOR)

    + + +

    Filtro passabaixa LC

    Diodo(conduz corrente do

    indutor quando a chave esta aberta)

  • CONVERSOR BUCK (ABAIXADOR)

    Chave abre e fecha periodicamente Ciclo de trabalho (Duty cicle) D Tenso de sada Vout = D.Vs (0 < D < 1)

    Corrente contnua Corrente no indutor permanece positiva durante todo o ciclo

    Corrente descontnua Corrente no indutor retorna para o zero durante cada perodo

    Situao considerada

    = .

  • CONVERSOR BUCK (ABAIXADOR)

    Consideraes antes da anlise:

    Estado permanente Corrente contnua no indutor (sempre positiva) Capacitor muito grande Perodo T

    Tempo com a chave fechada = D.T Tempo com a chave aberta = (1-D).T

    Componentes ideais (sem perdas)

  • Chave fechada, diodo bloqueado

    Derivada da corrente uma constanteLogo, a corrente cresce de forma linear

    Tenso no indutor

    Corrente no indutor

    Expresso da corrente crescente no indutor:

  • Chave aberta, diodo conduz

    Demonstrao:

    Expresso da corrente decrescente no indutor

  • L Lclosed openi i 0

    s o oV V V

    DT 1 D T 0L L

    o sV V D

    Operao em estado permanente Corrente do indutor no final do ciclo = corrente no incio do ciclo

    Substituindo equaes:

    Conversor Buck produz uma tenso de sada menor ou igual a tenso de entrada

  • (mdio)=()

    Indutncia para umadeterminada corrente de pico-a-pico

    Indutncia mnima para determinada frequncia de chaveamento

    Dimensionando o Indutor

    Calculando indutor do circuito:

  • CONVERSOR BUCK Transformador DC

    Relao de tenso e corrente a mesmapara transformadores em aplicaes AC

    Corrente contnua Corrente alternada

  • C L Ri i i

    Corrente no capacitor

    Corrente no capacitor usadapara clcular o ripple de tensono circuito.

    Ripple de Tenso na Sada

  • Ripple de Tenso na Sada

    o

    o

    o

    Q CV

    Q C V

    QV

    C

    L Li T i1 TQ2 2 2 8

    oo 2

    V 1 DV

    8LCf

    Carga = rea do tringulo

    Descarregamento do capacitor

    =

    A carga no capacitor a integral da corrente. Integral da corrente a rea do tringulo.

    Ripple de tenso na carga

  • Resistncia Equivalente em Srie (ESR)

    o,ESR C C L CV i r i r

    Capacitores reais Resistor parasita em srie no capacitor (grande efeito) Aumenta o ripple Indutor parasita em srie no capacitor (efeito desprezvel para pequenas frequncias)

    Construo de fontes Utilizar capacitores com baixa resistncia em srie (low-ESR capacitors)

    = Capacitores com alto fator de qualidade (so mais caros $$$ )

    Ao de parasitas em capacitores reais:

  • Otimizando o circuito

    Tcnica da RETIFICAO SNCRONA

    MOSFET Menor queda de tenso com

    relao ao diodo

    Maior eficincia do circuito

    Diodo para conduo da correntedurante o dead-time: Periodo em que ambos MOSFETS esto OFF

  • Equaes de projeto do Conversor BUCK

    o sV V D

    Clculo da tenso de sada

    Clculo da corrente mxima e mnima no indutor

    Dimensionando o indutor

    oo 2

    V 1 DV

    8LCf

    Clculo da flutuao de tenso (ripple)

  • Simulao Exemplo 6-11

  • Simulao Exemplo 6-11

  • Simulao Exemplo 6-11

  • CONVERSOR BOOSTCONVERSOR ELEVADOR

    Tenso de sada > tenso de entrada

  • CONVERSOR BOOSTCONVERSOR ELEVADOR

    Consideraes iniciais:

    - Condio em estado permanente- Corrente sempre positiva no indutor- Capacitor muito grande- Componentes ideais- Chave fechada durante D.T- Chave aberta durante (1-D).T

  • Chave fechada, Diodo Off

    Tenso no indutor igual a tenso da fonte

    Expresso da corrente crescente no indutor:

  • Chave Aberta, Diodo On

    Expresso da corrente decrescente no indutor:

  • L Lclosed open

    s os

    so

    i i 0

    V V 1 D TV DT0

    L L

    VV

    1 D

    Em estado permanente a mudana liquida da corrente no indutor zero.

    Chave sempre aberta D=0 Tenso de sada = Tenso de entrada

    Ciclo de trabalho maior que zero: D>0 Denominador menor que 1. Tenso de sada > Tenso de entrada

    No conversor BOOST a tensode sada igual ou maior que a tenso de entrada.

  • L Lclosed open

    s os

    so

    i i 0

    V V 1 D TV DT0

    L L

    VV

    1 D

    Em estado permanente a mudana liquida da corrente no indutor zero.

    D 1 : D tendendo a 1

    Tenso de sada tende ao infinito no caso dos componentes ideais.

    Devido aos parasitas dos componentes reaisisso no acontece.

    so

    L2

    V 1V

    r1 D1

    R 1 D

    Termo adicional que considera a resistncia no inductor real

  • o

    o

    V D

    V RCf

    oo

    VQ DT C V

    R

    Clculo do Ripple de Tenso de Sada

    Na prtica o capacitor nunca infinito Sempre existe ripple de tenso

    Chave fechada

    Aberta

    FechadaAberta

    Corrente no diodo

    Corrente no capacitor Ripple:

    rea do retngulo:

    Capacitor descarrega corrente sobre a carga.Capacitor grande corrente praticamente constante.

    Capacitor carrega.Corrente que entra nele se reduz a medida que ele carregado.

  • Outras equaes de projeto do conversor BOOSTPotncia de sada

    Corrente mdia no indutor

    Corrente mxima e mnima no indutor

    Condio mnima para correntesempre positiva (corrente contnua)

    Indutncia em funo da variaode corrente

    Capacitncia em funo do ripple de tenso

  • L

    2

    1

    r1

    R 1 D

    EficinciaRazo entre (potncia de sada) e (Potncia de sada + Perdas)

    O aumento do ciclo de trabalhoreduz a eficincia.

    Aumento de perdas no chavemanto

    00 +

    perda

    perda

    perda

    perda

  • 6. CONVERSOR BOOST

  • 6. CONVERSOR BOOST

    Passo 1) Determine a taxa de trabalho

  • 6. CONVERSOR BOOST

    Passo 2) Escolher a frequncia de chaveamento

    Escolher uma frequncia maior que a faixa de udio e menor que o limite suportado pelo transistor ou Mosfet de chaveamento.

    Frequncia mxima de udio para seres humanos = 20kHzFrequncia escolhida = 25 kHz (arbitraria mas com critrios)

  • 6. CONVERSOR BOOST

    Passo 3) Calcular a indutncia mnima para conduo contnua:

    Para prover uma margem de segurana escolher

    At certo ponto L e f so escolhidas de forma arbitrria. Muitos valores so possveis.

  • 6. CONVERSOR BOOST

    Passo 4) Calculando corrente mxima e mnima

    Corrente mdia:

    Variao de corrente (para mais e para menos):

    Escolher: a bitola do fio do indutor, diodo, mosfet.

    Corrente mnima de segurana para garantir funcionamento em corrente contnua.

  • 6. CONVERSOR BOOST

    Passo 5) Calculando capacitncia necessria para o ripple de 1%.

  • 6. CONVERSOR BOOST

    Passo 6) Circuito de disparo da chave

    CI 555

  • 6. CONVERSOR BOOST

    Video: https://www.youtube.com/watch?v=Ym-QgBMvxlE

    Conversor boost 12v 70v

  • CONVERSOR BUCK-BOOST

    Tenso de sadamaior ou menor que a tenso de entrada

    Inverso de polaridade na sada

  • CONVERSOR BUCK-BOOST

  • CONVERSOR BUCK-BOOST

    Suposies para o funcionamento: Estado permanente (estvel) Indutor em conduo contnua Capacitor alto suficiente para supor tenso

    de sada constante Chave fechada pelo perodo DT Chave aberta pelo perodo (1-D).T Componentes ideais

  • Chave fechada, Diodo Off

    LL s

    sL L L

    sL closed

    div V L

    dt

    Vdi i i

    dt t DT L

    V DTi

    L

    Tenso no indutor = Tenso na fonte

    Variao linear da corrente no indutor

    Corrente no indutor p/ chave fechada

    Diodoreversamentepolarizado

    PerodoChavefechada

  • Chave Aberta, Diodo On

    LL o

    oL L L

    o

    L open

    div V L

    dt

    Vdi i i

    dt t 1 D T L

    V 1 D Ti

    L

    Diodo conduz

    Corrente no indutor no pode mudarinstantneamente

    Corrente do indutor passa no resistor e no capacitor

    Tenso no indutor = tenso na carga

    Taxa de variao da corrente no indutor constante.

    PerodoChaveaberta

  • L Lclosed open

    os

    o s

    i i 0

    V 1 D TV DT0

    L L

    DV V

    1 D

    Para termos um funcionamento estvel: Variao lquida de corrente no indutordeve ser zero em um