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Controle e Simulação de Conversores CC/CC Diógenes Grave Patrícia Câmara Simon Delabie Túlio Dourado

Diógenes Grave Patrícia Câmara Simon Delabie Túlio Dourado

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Controle e Simulação de Conversores CC/CC

Diógenes GravePatrícia CâmaraSimon DelabieTúlio Dourado

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Sumário

Descrição da AplicaçãoTeoriaCaracterísticas dos Conversores UtilizadosProjeto e EspecificaçõesExemplos de Aplicações ReaisReferências

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Controle e Simulação de Conversores CC-CC

Descrição da Aplicação

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Os Conversores DC-DC são largamente utilizados em dispositivos eletrônicos pois tais dispositivos frequentemente contém diversos subcircuitos que exigem diferentes níveis de tensão em relação ao fornecido pela bateria.

Descrição da Aplicação

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ExemplosDispositivos Eletrônicos PortáteisCarregador de BateriaNo-Breaks

Descrição da Aplicação

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Teoria

Controle e Simulação de Conversores CC-CC

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Os conversores DC-DC são dispositivos usados para converter uma fonte de tensão contínua de um nível para outro.Utilizam comutação de sinal e armazenamento de energia (indutor, capacitor, transistores, diodos).Também conhecidos como reguladores chaveados ou fontes chaveadas.

Teoria

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A Conversão é realizada pelo armazenamento temporário da energia de entrada e da liberação na saída com uma tensão diferente.

Vantagens:Alta EficiênciaDispositivos reduzidos (CI)

Teoria

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Desvantagens: Maior Custo Complexidade Emissão de Ruídos

Teoria

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A conversão pode ser feita para diminuir a tensão de saída em relação à de entrada ou o contrário.

Step-up / Step down

Além disso podem variar a polaridade entre entrada e saída.

Teoria

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Topologias

Existem diversas topologias de conversores DC-DC, cabendo ao projetista determinar aquela que melhor se aplica.

Teoria

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Topologias mais utilizadas

Teoria

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Conversores que utilizam transformadores são chamados de isolados, ao contrário dos não isolados.A classificação em Forward e Flyback é feita pois no Forward a energia percorre o elemento magnético e a carga simultaneamente.Já no Flyback, a energia é transferida para o elemento magnético e num segundo estágio é liberado para a carga.Além disso os conversores podem ser classificados em Inversores e Não Inversores de Polaridade.

Teoria

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PWM

Frequência mínima de duas vezes a máxima frequência da banda passante.

Filtrar a tensão de referência para evitar harmônicos em frequência maior ou igual à de chaveamento.

Teoria

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Métodos de controle:Controle feito por PWM (modulação em largura de pulso), com os seguintes métodos:

Single-loop control (Controle de laço/malha simples)

Input voltage feedforward (Alimentação com a tensão de entrada)

Current-mode control (Controle pelo método da corrente)

Teoria

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Métodos de controle: Single-loop control

Controlado pela comparação entre a tensão de saída e o ciclo de trabalho.

Teoria

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Métodos de controle: Input Voltage Feedforward

Aumenta a imunidade da tensão de saída do conversor em relação a ruídos na tensão da entrada DC;

Faz o valor de pico da rampa do modulador PWM proporcional à tensão de entrada DC;

Um aumento da tensão DC de entrada aumentará a inclinação da rampa do PWM.

Teoria

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Métodos de controle: Current-mode control

O PWM é substituído por um circuito de realimentação de corrente;

O método promove controle da corrente de saída e protege o circuito de potência;

Melhor performance na rejeição de ruídos da fonte e no aumento de carga.

Teoria

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Métodos de controle: Current-mode control

Teoria

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Projeto e Especificações

Conversores CC-CCAplicados em Fontes de Alimentação Chaveadas e Acionamento de motores de Corrente Contínua.Nas fontes chaveadas, sucedem os retificadores não controlados, reduzindo o Ripple e regulando a tensão de saída da fonte.

Topologia BásicaConversor Abaixador ou BuckConversor Elevador ou BoostConversor Elevador-Abaixador ou Buck-Boost

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Projeto e Especificações

Diagrama de blocos da Conversão CC-CC

Nota-se então, que uma fonte chaveada é formada por um laço com realimentação negativa que visa manter constante tensão de saída Vs.

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Projeto e Especificações

Diagrama de blocos da Conversão CC-CC

A tensão de controle (Vcontrole) é obtida por um circuito controlador (compensador), que atua a partir de dois sinais de entrada: o valor medido (tensão de saída, por exemplo), e um sinal de referência desejada.

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Projeto e Especificações

A implementação de malha(s) de controle tem como objetivo garantir:

A precisão no ajuste da Variável de SaídaA correção de desvios provenientes de transitórios na alimentação ou mudança na carga.

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Projeto e Especificações

A modulação PWM pode ser obtida utilizando CIs dedicados, como:

SG3524, SG3525, SG3526, SG3527, TL494. As características específicas de cada CI variam

Em função da aplicação, do grau de desempenho esperado, das proteções implementadas.

Circuitos de comando ou gate-driversFrequentemente utilizados para comandar as chaves semicondutoras a partir do sinal PWM,

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Exemplos de Aplicações Reais

Controle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.

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Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.

Composto por um circuito integrado controlador PWM com alguns componentes adicionais, como resistores e capacitores, responsáveis pela determinação da frequência de operação;Circuito integrado LM3524;Não possui circuito interno de acionamento do transistor;Possibilita limitação de corrente;Frequência máxima de PWM na ordem de 300kHZ;Possui Tensão de referência interna;

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Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.

Esquemático do Conversor Buck com controle a PWM:

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Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.

Circuito de acionamento do transistor:Composto por diodos, transistores, resistores e um transformador;Tem principal função de acionar o transistor comutador;Recebe o sinal PWM do controlador LM3524, transferindo o comendo de abrir ou fechar, para a chave semi-condutora;

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Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.

Esquemático do Conversor Buck com circuito de acionamento do transistor:

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Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.

Circuito de limitação de corrente:Conversores Buck podem apresentar picos de corrente;Atua em conjunto com o integrado LM3524 para limitar a corrente e evitar danos ao dispositivo;

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Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.

Circuito de limitação de corrente:Funcionamento:Corrente de entrada acima do permitido;Sensor resistivo polariza o conjunto de transistores;Um sinal é enviado ao controlador;O sinal PWM é cortado até ocorrer a estabilização da corrente;

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Esquemático do Conversor Buck com circuito de limitação de corrente:

Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.

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Circuito de potência:

Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.

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Controle de conversor CC-CC de topologia Flyback no modo descontinuo para aplicação em carregadores de bateria.

Exemplos de Aplicações Reais

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Carregador de Baterias:Conversor CC-CC Flyback no modo descontinuo com transformador controlado pelo integrado 1M0380;Regulador de Tensão do carregador através do TL431;Circuito de controle de corrente;Tensão de saída do carregador em 28V;

Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Flyback no modo descontinuo para aplicação em carregadores de bateria.

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Flyback:

Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Flyback no modo descontinuo para aplicação em carregadores de bateria.

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Controlado pelo integrado 1M0380Pino 3 com tensão de 18V mantido pelo Zener;Liberação dos primeiros sinais PWM;Alimentação do integrado pelo terceiro enrolamento do flyback;Tensão de alimentação fixada em 30V pelo enrolamento;

Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Flyback no modo descontinuo para aplicação em carregadores de bateria.

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A partir da figura do flyback do segundo exemplo da aplicação prática, projete o transformador do mesmo, considerando para os cálculos:

Tensão de entrada entre 130V e 350V;A razão cíclica, δ, de 0,5;Corrente saída máxima de 1A e mínima de 0,1A;Tensão de saída de 28V;Queda de tensão no diodo de 1,5V;Frequencia de trabalho do LM0380 de 67kHz

Exercícios

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Projete os parâmetros do circuito de potência (L e C) do conversor Buck do primeiro exemplo prático. Dados:

Tensão de entrada (Vi): entre 22V e 36V;Tensão de saída de 5V;Ripple da tensão de saída: 10mVppCorrente de saída (Io): 200mA;Carga (R): 25Ω;Comutação do transistor: PWM;Frequencia de trabalho do PWM: 100kHzOperação: MCC

Exercícios

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Referências

Rodrigues, Leandro Gaspari – Estudo e Desenvolvimento de um Conversor DC-DC de Topologia Buck para aplicação Aeroespacial. Escola de Engenharia de São Carlos – USPShiavon, Gilson Junior – No-Break 1,2KVA, Senoidal, Operando em Malha Fechada: Cirtuito de Potência, Circuito de Controle Analógico e Circuito de controle Digital com DSC – Centro de Tecnologia e Urbanismo – Universidade Estadual de LondrinaBrumatti, Márcio – Eletrônica de Potência. Automação Industrial. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo – CEFET/ESA. J. Forsyth, S. V. Mollov - Modelling and Control of DC-DC Converters. Power Engineering Journal. 1998.

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DÚVIDAS