Conversores CC-CC Não-Isolados (Estágio de Potência)

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina Departamento Acadêmico de Eletrônica

Eletrônica de Potência

Florianópolis, abril de 2012.

Prof. Clóvis Antônio Petry.

Capítulo 9: Choppers DC 1.  Introdução aos conversores CC-CC.

Bibliografia para esta aula

www.florianopolis.ifsc.edu.br/petry

Conversores CC-CC: 1.  Introdução; 2.  Princípio geral; 3.  Conversor Buck; 4.  Exercícios; 5.  Conversor Boost; 6.  Conversor Buck-Boost; 7.  Outros conversores básicos.

Nesta aula

Exemplo: Como realizar esta conversão?

Introdução

Exemplo: Como realizar esta conversão? Usando resistores.

Introdução

Exemplo: Como realizar esta conversão? Usando reguladores lineares.

Introdução

Princípio geral

1s

s

TF

= on

s

TDT

=

S+

-

iV

iI

oVoR

oV

iV

sD T⋅ sT

Tensão média na saída:

on sT D T= ⋅

o iV D V= ⋅ o

i

VDV

=

S+

-

iV

iI

oVoR

oV

iV

sD T⋅ sT

[ ]1med o i s

s

V V V D TT

= = ⋅ ⋅

Princípio geral

Ganho estático:

o iV D V= ⋅

o

i

VDV

=

0 0,25 0,5 0,75 10

0,25

0,5

0,75

1

D

Vo/Vi

S+

-

iV

iI

oVoR

oV

iV

sD T⋅ sT

Princípio geral

Corrente média na entrada:

on sT D T= ⋅

i oI D I= ⋅ i

o

IDI

=

S+

-

iV

iI

oVoR

iI

oI

sD T⋅ sT

[ ]1med i o s

s

I I I D TT

= = ⋅ ⋅

Princípio geral

S+

-

iV

iI

oVoR

oV

iV

sD T⋅ sT

i i iP V I= ⋅

Potência na entrada e na saída:

i oP P=

i o

o i

V IV I

=

o o oP V I= ⋅

i i o oV I V I⋅ = ⋅

oiPPη

=

Princípio geral

S+

-

iV

iI

oVoR

oV

iV

sD T⋅ sT

Como variar a tensão de saída? •  Alterando o tempo de condução e bloqueio (PWM); •  Alterando a freqüência de comutação (PFM).

PWM: •  Modulação por largura de pulsos; •  Pulse WiDth Modulation.

PFM: •  Modulação por freqüência variável; •  Pulse Frequency Modulation.

Princípio geral

oV

iV

sD T⋅ sT

oV

iV

sD T⋅ sT

oV

iV

sD T⋅ sT

oV

iV

sD T⋅ sT

PWM PFM

Princípio geral

Exercício 1) Considerando o circuito abaixo, com tensão de entrada de 12 V, potência de saída de 5 W e tensão de saída de 5 V, determine:

•  Razão cíclica de operação; •  Tensão máxima na saída; •  Corrente média na carga; •  Corrente média no interruptor; •  Corrente máxima no interruptor; •  Tensão máxima sobre o interruptor; •  Potência na fonte.

Tarefas

S+

-

iV

iI

oVoR

oV

iV

sD T⋅ sT

Conversor Buck

D

S a

b

+

-

iV

oL

oVoC oR

Primeira etapa de funcionamento: •  Interruptor conduzindo; •  Diodo bloqueado; •  Energia sendo armazenada no indutor.

D

S a

b

+

-

iV

oL

oVoC oR

0 st D T≤ < ⋅

Conversor Buck

Segunda etapa de funcionamento: •  Interruptor bloqueado; •  Diodo conduzindo; •  Energia armazenada no indutor sendo transferida para saída.

s sD T t T⋅ ≤ <

D

S a

b

+

-

iV

oL

oVoC oR

Conversor Buck

D

S a

b

+

-

iV

oL

oVoC oR

abV

iV

sD T⋅ sTab iV D V= ⋅

[ ]1med ab i s

s

V V V D TT

= = ⋅ ⋅

Conversor Buck

Tensão média sobre o indutor:

D

S a

b

+

-

iV

oL

oVoC oR

( )( ) ( )( )1Lo i o s o s s

s

V V V D T V T D TT

⎡ ⎤= − ⋅ ⋅ + − ⋅ − ⋅⎣ ⎦

( ) ( )1Lo i o oV V V D V D= − ⋅ − ⋅ −⎡ ⎤⎣ ⎦

[ ]Lo i o o oV V D V D V V D= ⋅ − ⋅ − + ⋅

LoV

i oV V−

sD T⋅ sT

oV−

0LoV =

Conversor Buck

D

S a

b

+

-

iV

oL

oVoC oR

( )1 onab i s i

s s

TV V D T VT T

= ⋅ ⋅ =

ab iV D V= ⋅

o abV V= o iV D V= ⋅ o

i

VDV

=

oV

iV

sD T⋅ sT

Conversor Buck

0 0,25 0,5 0,75 10

0,25

0,5

0,75

1

D

Vo/Vi

Ganho estático em função da razão cíclica:

Conversor Buck

Principais formas de onda (circuito simulado):

Conversor Buck

Principais formas de onda (transitório de partida):

Conversor Buck

Principais formas de onda (regime permanente):

Conversor Buck

Exercício 1) Considerando o circuito abaixo determine: •  Tensão média na saída; •  Corrente média na carga; •  Corrente média no indutor; •  Corrente média no interruptor; •  Corrente média no diodo; •  Tensão máxima sobre o interruptor; •  Tensão máxima sobre o diodo; •  Potência média na entrada e na saída.

Tarefas

Ondulação de corrente em Lo:

D

S a

b

+

-

iV

oL

oVoC oR

LoLo o

IV LT

ΔΔ

;

LoLo

o

V TIL⋅ ΔΔ =

( )i o sLo

o

V V D TI

L− ⋅ ⋅

Δ =

( ) ( )1i i iLo

o s o s

V D V D VI D DL F L F− ⋅ ⋅

Δ = = ⋅ −⋅ ⋅

Conversor Buck

Ondulação de corrente em Lo: ( )1LoI D DΔ = ⋅ −

0 0.2 0.4 0.6 0.80

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

ΔI D( )

D

Conversor Buck

Ondulação de corrente em Lo:

( )_max 0,5 1 0,5iLo

o s

VIL F

Δ = ⋅ −⋅

( )_max 1iLo

o s

VI D DL F

Δ = ⋅ −⋅

_max 4i

Loo s

VIL F

Δ =⋅ ⋅

Conversor Buck

Ondulação de tensão em Co:

D

S a

b

+

-

iV

oL

oVoC oR

Conversor Buck

Ondulação de tensão em Co:

Coi

t

Cov

t

2sTd ⋅

2sT

Co Loi iΔ = Δ

CovΔ

sT

CoFi

0_max 231

iCo

o o s

VVL C F

Δ =⋅ ⋅ ⋅

2_max31

io

o Co s

VCL V F

=⋅ ⋅ Δ ⋅

Conversor Buck

Filtro de saída (freqüência de ressonância):

D

S a

b

+

-

iV

oL

oVoC oR

12o

o o

FL Cπ

=⋅ 10

soFF ≤

Conversor Buck

Filtro de saída (resistência série equivalente do capacitor):

D

S a

b

+

-

iV

oL

oVoC oR

 R

RSE

V

C I

VC+ - + -RV

VCV

_maxRSE CoV I RSEΔ = Δ ⋅

Conversor Buck

Filtro de saída (resistência série equivalente do capacitor):

Exemplo: 1,25oC Fµ=

47oC Fµ=

Calculado em função da ondulação de tensão

Escolhido devido a RSE=2,47 Ω

www.epcos.com

Conversor Buck

Condução contínua (MCC) e descontínua (DCM):

MCC

1a etapa 2a etapa

Conversor Buck

Condução contínua (MCC) e descontínua (DCM):

DCM

1a etapa 2a etapa 3a etapa

Conversor Buck

Condução contínua (MCC) para descontínua (DCM): •  Diminuição da carga; •  Indutor do filtro de saída muito baixo; •  Alteração da freqüência de comutação; •  Alteração da tensão de entrada.

Conversor Buck

Filtro de entrada (corrente na fonte sem filtro):

Conversor Buck

Filtro de entrada (corrente na fonte com filtro):

Conversor Buck

Exercício 2) Considerando o circuito abaixo determine: •  Ondulação de corrente no indutor; •  Corrente máxima no indutor; •  Corrente máxima no interruptor e no diodo; •  Ondulação de tensão no capacitor; •  Freqüência de ressonância do filtro de saída.

Tarefas

Exercício 4) Faça o projeto de um conversor Buck considerando: •  Tensão de entrada de 12 V; •  Tensão de saída de 5 V; •  Carga resistiva de 50 W; •  Ondulação de corrente de 10%; •  Ondulação de tensão de 1%; •  Freqüência de comutação de 50 kHz.

Determine: •  Indutância do filtro de saída; •  Capacitor do filtro de saída; •  Interruptor; •  Diodo; •  Dissipadores, se necessário.

Tarefas

Conversor Boost

a

b

+

-

iV

iL

oVoC oR

D

S

Primeira etapa de funcionamento: •  Interruptor conduzindo; •  Diodo bloqueado; •  Energia sendo armazenada no indutor.

0 st D T≤ < ⋅

a

b

+

-

iV

iL

oVoC oR

D

S

Conversor Boost

Segunda etapa de funcionamento: •  Interruptor bloqueado; •  Diodo conduzindo; •  Energia armazenada no indutor sendo transferida para saída.

s sD T t T⋅ ≤ <

a

b

+

-

iV

iL

oVoC oR

D

S

Conversor Boost

( )( )1ab o s

s

V V T D TT

= ⋅ − ⋅

( )1ab oV V D= −

a

b

+

-

iV

iL

oVoC oR

D

S

abV

oV

sD T⋅ sT

Conversor Boost

ab iV V=1

io

VVD

=−

1 i

o

VDV

= −

abV

oV

sD T⋅ sT( )1ab oV V D= −

a

b

+

-

iV

iL

oVoC oR

D

S

( )( )1ab o s

s

V V T D TT

= ⋅ − ⋅

Conversor Boost

Ganho estático em função da razão cíclica:

 

0 0,25 0 ,5 0,75 10

25

50

75

100

D

Vo/Vi

Conversor Boost

Elementos passivos:

iLi

i s

VI DL F

Δ = ⋅⋅

o o iCo

o s o

I V VVC F V

−Δ = ⋅⋅

( )21

1i

Lio

VIR D

= ⋅−

Conversor Boost

Exercício 4) Faça o projeto de um conversor Boost considerando: •  Tensão de entrada de 5 V; •  Tensão de saída de 12 V; •  Carga resistiva de 50 W; •  Ondulação de corrente de 10%; •  Ondulação de tensão de 1%; •  Freqüência de comutação de 50 kHz.

Determine: •  Indutância do filtro de saída; •  Capacitor do filtro de saída; •  Interruptor; •  Diodo; •  Dissipadores, se necessário.

Tarefas

Conversor Buck-Boost

DS a

b

-

+

iV oVoC oRoL

Primeira etapa de funcionamento: •  Interruptor conduzindo; •  Diodo bloqueado; •  Energia sendo armazenada no indutor.

0 st D T≤ < ⋅

DS a

b

-

+

iV oVoC oRoL

Conversor Buck-Boost

Segunda etapa de funcionamento: •  Interruptor bloqueado; •  Diodo conduzindo; •  Energia armazenada no indutor sendo transferida para saída.

s sD T t T⋅ ≤ <

DS a

b

-

+

iV oVoC oRoL

Conversor Buck-Boost

( ) ( )( )1ab i s o s s

s

V V D T V T D TT

⎡ ⎤= ⋅ ⋅ + − ⋅ − ⋅⎣ ⎦

( ) ( )0i s o s sab

s

V D T V T D TV

T⋅ ⋅ − − ⋅ − ⋅

=

DS a

b

-

+

iV oVoC oRoL

Lo abV V=

iV

sD T⋅ sT

oV−

( )1ab i oV V D V D= ⋅ − ⋅ −

Conversor Buck-Boost

1o iDV VD

= ⋅−

1 o

i

VDV

= +

DS a

b

-

+

iV oVoC oRoL

Lo abV V=

iV

sD T⋅ sT

oV−

( )1 0ab i oV V D V D= ⋅ − ⋅ − =

( )1i oV D V D⋅ = ⋅ −

Conversor Buck-Boost

Ganho estático em função da razão cíclica:

 

0 0,25 0 ,5 0,75 10

2,5

5

7,5

10

D

Vo/Vi

Conversor Buck-Boost

Exercício 4) Faça o projeto de um conversor Buck-Boost considerando: •  Tensão de entrada de 2 V; •  Tensão de saída de 5 V; •  Carga resistiva de 1 W; •  Ondulação de corrente de 10%; •  Ondulação de tensão de 1%; •  Freqüência de comutação de 50 kHz.

Determine: •  Indutância do filtro de saída; •  Capacitor do filtro de saída; •  Interruptor; •  Diodo; •  Dissipadores, se necessário.

Tarefas

Outros conversores básicos - Cuk

Outros conversores básicos - Sepic

Outros conversores básicos - Zeta

Tabela comparativa dos conversores CC-CC

Conversor Ganho estático Característica

Buck Abaixador

Boost Elevador

Buck-Boost Abaixador/Elevador

Cuk Abaixador/Elevador

Sepic Abaixador/Elevador

Zeta Abaixador/Elevador

o

i

V DV

=

11

o

i

VV D

=−

1o

i

V DV D

=−

1o

i

V DV D

= −−

1o

i

V DV D

=−

1o

i

V DV D

=−

Próxima aula

www.florianopolis.ifsc.edu.br/petry

Capítulo 9: Choppers DC: 1.  Modulação.