Sistemas de alimentação. Fontes primárias de Corrente Alternada (CA)

Sistemas de alimentação

Fontes primárias de Corrente Alternada (CA)

Fontes primárias

Frequência Tensão

Européia 50Hz 220, 230V (175-265V)

Amer./Jap. 60, 50Hz 110, 100V (85-135V)

Universal 50-60Hz 110-230V (85-265V)

Aviação 400Hz 115V (80-165V)

Sistema de alimentação com reguladores lineares

Poucos componentes.

Robustos

Não geram EMI e RFI

Pesados e volumosos

Baixo rendimento

Comparação entre fontes lineares e chaveadas

Chaveada Linear

Relação Potência/Peso

30 a 300W/kg 10 a 30W/kg

Relação Potência/Volume

50 a 300W/l 20 a 50W/l

“Ripple”da tensão de saída

1% 0,1%

EMC Importante Desprezíveis

Rendimento 65 a 90% 35 a 55%

Revisão dos conversores c.c./c.c

Conversores sem isolamento elétrico:1.Buck2.Boost3.Buck-Boost

Conversores com isolamento elétrico:1.Flyback2.Duplo Flyback3.Forward4.Duplo Forward

Revisão de Fundamentos de Circuitos

Como calcular a relação entre as variáveis elétricas?

Vamos recordar as propriedades dos indutores e capacitores em circuitos elétricos em regime permanente:

• A tensão média em indutor é nula.

• A corrente média em um capacitor é nula.

Caso contrario, a corrente no indutor e a tensão no capacitor cresceriam indefinidamente (não estaríamos em regime permanente).

vL = 0

+

-

Circuito em

regime

permanente iC = 0

Revisão de Fundamentos de Circuitos

Na forma de onda da tensão em um indutor “a soma dos produtos volts·segundos = 0”

vL = 0

+

-

Circuito em

regime

permanente

iL

Td·T

t

t

iL

Comando

vL

t-

+

Áreas iguais

1. Análise do conversor Buck Modo de condução contínuo

Hipóteses:

• A tensão de saída Vo é constante durante um ciclo de chaveamento.

• A corrente no indutor é sempre maior que zero.

Td·T

t

t

t

t

iS

iD

iL

Comando

iSiL

iDE

VO

iD= iL

VO-+

iS= iL

E VO

+-

Durante D·T

Durante (1-D)·T

2. Análise do conversor Buck

• Tensão média nula no indutor

TD·T

t

t

iL

Comando

vL

t-

+E- VO

IO

- VO

(E- VO)·D·T - VO·(1-D)·T = 0 VO = D·E

• Corrente média nula no capacitor

+ -vL

EiO vO

+

-

iL

iC R

IL = IO = VO/R


• Aplicação do balanço de potências

IS = IO·VO/E IS = IO·D

• Corrente média no diodo

ID = IL - IS ID = IO·(1-D)

VS max = VD max = EvO

+

-

E

iO

R

iS

iL

iD

+ -vS

vD

+

-

•Tensões máximas

TD·T

t

t

iS

iD

IS

ID


O conversor “buck” pode ser visto como um transformador de corrente contínua

VO = E·D

IO = Is/D

Transformador ideal de corrente continua

E vO

+

-

R

iOis

1 : D

E·D·T + (E- VO)·(1-D)·T = 0 VO = E/(1-D)• Balanço volts·segundos

VS max = VD max = VO= E/(1-D)• Tensões máximas

iL iD

iSEvO

1. Análise do conversor Boost Modo de condução contínuo

iL iD

iSEvO

R

iO

TD·T

t

t

t

t

iS

iD

iL

Comando

IL

IS

ID

IL = IO·VO/E IL = IO/(1-D)

• Corrente média por diodoID = IO = VO/R

• Corrente media no transistorIL = ID + IS Is = IO.D/(1-D)

• Balanço de potência

2. Análise do conversor Boost

O curto-circuito e sobrecarga no conversor Boost

E R

Este caminho de circulação de corrente não pode ser interrompido atuando sobre o transistor. O conversor não pode ser protegido desta forma.

E·D·T - VO·(1-D)·T = 0 VO = E·D/(1-D)• Balanço volts·segundos

VS max = VD max = E+VO= E/(1-D)• Tensões máximas

+ -vD

vO

+

-

ER

+ -vS

vL

+

-

1. Análise do conversor Buck-Boost Modo de condução contínuo

2. Análise do conversor Buck-Boost

vO

+

-

E

IO

RiL

iDiS

• Balanço de potência

IS = IO·VO/E IS = IO·D/(1-D)

• Corrente média por diodo

ID = IO = VO/R

• Corrente media no indutor

IL = ID + IS IL = IO/(1-D)T

D·Tt

t

t

t

iS

iD

iL

Comando

IL

IS

ID

O modo de condução nos três conversores básicos (I)

(somente um indutor e um diodo)

Conversor

com indutor

e diodo

iO

iL

R vO

+

-E

IL = IO/(1-D) (boost e buck-boost)

IL = IO (buck)

TD·T

t

t

iL

Comando

IL

O valor médio de iL depende de IO:

O modo de condução nos três conversores básicos (II)

• Ao variar IO varía o valor médio de iL

• Ao variar IO não varíam as derivadas de iL (dependem de E e de VO)

t

t

iL IL

iL IL

iL IL

t

R1

Rcrit > R2

R2 > R1

Modo de condução crítico

Modo de condução contínuo

O modo de condução nos três conversores básicos (III)

t

t

iL

IL

Rcrit

t

R3 > Rcrit iL

IL

iL IL

R3 > Rcrit

Modo contínuo

Modo descontínuo

O que acontece se R > Rcrit ?

Fatores que originam o modo de condução descontínuo do conversor:

t

t

iL

t

iL

iL

• Diminuição do valor do indutor.

• Diminuição da freqüência de chaveamento.

• Aumento do valor do resistor de carga (diminuição do valor médio da corrente no indutor).

Existem 3 estados distintos:

• Condução do transistor (D·T)

• Condução do diodo (D’·T)

• Transistor e diodo bloqueados (1-D-D’)·T

Exemplo

VOE

VOE E VO

VOE

(D·T) (1-D-D’)·T(D’·T)

Modo descontínuo de condução

IL

tiL

Comando

t

vL

T

D·Tt

D’·T

+-

iD

t

ID

VO

E

VOE

(D·T)

VOE

(D’·T)

E = L·iLmax/(D·T)

iL

t

IL

vL

T

D·Tt

D’·T

+-

iD

t

ID

VO

E

iLmax

iLmax

Relação de transformação M=VO/E :

M =D/(k)1/2 , sendo: k =2·L / (R·T)

Relação de transformação no modo descontinuo (p.e. buck-boost)

VO = L·iLmax/(D’·T)

ID = iLmax·D’/2

ID = VO/R

• Relação transformação modo descontinuo, M:

M = D / (k)1/2 , sendo: k = 2·L / (R·T)

• Relação transformação modo continuo, N:

N = D / (1-D)

• Na fronteira: M = N, R = Rcrit , k = kcrit

kcrit = (1-D)2

• Modo contínuo: k > kcrit

• Modo descontínuo: k < kcrit

Fronteira entre modos de condução (buck-boost)

t

iL

iL

Rcrit

N = D

2M =

1 + 1 + 4·k

D2

kcrit = (1-D)

kcrit max = 1

DM =

k

DN =

1-D

kcrit = (1-D)2

kcrit max = 1

2M =

1 + 1 + 4·D2

k

1N =

1-D

kcrit = D(1-D)2

kcrit max = 4/27

Buck Buck-Boost

Boost

Extensão a outros conversores

1. Incorporação do isolamento galvânico ao conversor buck-boost

Muito fácil incorporar o isolamento galvânico

2. Incorporação do isolamento galvânico ao conversor buck-boost

O indutor e o transformador podem ser integrados em um único dispositivo magnético. Este dispositivo magnético se calcula como um indutor, e não como um transformador.

• Deve armazenar energia.

• Normalmente tem entreferro

Conversor Flyback

vO

+

-vS

+

-

E

+

-vD

n1 n2

“Soma dos produtos (volts/espiras)·segundos = 0”

D·T·E/n1 - (1-D)·T·VO/n2 = 0

VO = E·(n2/n1)·D/(1-D)

VD max = E·n2/n1 + VO= E·(n2/n1)·/(1-D)

VS max = E+VO·n1/n2 = E/(1-D)

Máximas tensões

Análise do conversor Flyback Modo de condução contínuo

Dois transistores

Baixas tensões nos semicondutores

VO = E·(n2/n1)·d/(1-D) (em m.c.)

Dmax = 0.5

VS1 max = vS2 max = E

VD1 max = vD2 max = E

VD3 max = E·(n2/n1)·/(1-D)

En1 : n2

S1 D3

D1

D2

S2

VO

Conversor Duplo Flyback

Incorporação do isolamento galvânico ao conversor Boost

•Não é possivel Não é possivel incorporar o isolamento

galvânico com um único transistor

•Com vários transistores pontes alimentadas em corrente

1. Incorporação do isolamento galvânico ao conversor buck

Não pode ser feito porque o transformador não pode ser desmagnetizado

Lm


Não pode ser feito porque o transformador é desmagnetizado instantaneamente (sobretensão infinita).

Lm

D2

D1


Esta é a solução

Lm

Dipolo de tensão constante

Operação em regime permanente de um elemento magnético com dois enrolamentos

Circuito em regime

permanente

n1 : n2

v1 v2

+

-

+

-

(vi /ni) = 0

vi = ni · d/dt

= B - A = (vi/ni)·dtB

A

Lei de Faraday:

Em regime permanente:

()em um período=0

Logo:

Se se excita o elemento magnético com ondas quadradas:

“soma dos produtos (volts/espiras)·segundos = 0”

Operação em regime permanente de um elemento magnético com vários enrolamentos: exemplo

“Soma dos produtos (volts/espiras)·segundos = 0”

(E/n1)·D1·T - (V2/n2)·D2·T = 0 D2 = D1·n2·E/(n1·V2)

tvi/ni

T

D1·Tt

D2·T

+-

V1/n1

max

V2/n2

Para assegurar a desmagnetização: D2 < 1 - D1

E

V2

n2

n1

V1

Levando em conta:

D’ = D·n2/n1 D’ < 1 - D

obtemos:

D < n1/(n1 + n2) Dmax = n1/(n1 + n2)

1. O conversor Forward

E

n2

n1

Desmagnetização baseada na tensão de entrada

V1 = V2 = E V1

V2

n2

n1


VO

n2:n3

n1

+

-vD2

vS

+

-

vD1

+

-E

VS max = E+E·n1/n2 = E/(1-Dmax)

VD1 max = E·n3/n1

VD2 max = E·n3/n2

Dmax = n1/(n1 + n2)

E·n3/n1 VO

+-

Durante D·T

VO-+

Durante (1-D)·TVO = D·E·n3/n1 (modo contínuo)


iD2

VOE n2:n3

n1

iS

iL

iD1

iD3iO

iD2·n3/n1

TD·T

tComando

t

iL iO

D’·T

iD3

iD2

iD1

iS

t

t

t

t

ID2 = IO·D ID1 = IO·(1-D)

Im = E·T·D2/(2·Lm) (ref. ao primário)

IS = IO·D·n3/n1 + Im ID3 = Im

Variação de E

vD2

VO

n2:n3

n1

+

-

vS

+

-

vD1

+

-E

t

vi/ni

t+-

E/n1

max

E/n2

E máximo

t

vi/ni

t+-

E/n1

max

E/n2E mínimo

t

vi/ni

t+-

E/n1

max

E/n2

Tensão alimentação mínima

Existem outras formas de desmagnetizar o transformador?

t

vi/ni

t+-

E/n1

max

VC/n1

Snubber RCD

Baixo rendimento

Integração de componente parasitas

Útil para retificador sincrono autoexc.

VC

E

Lm

LdE

Outras formas de desmagnetizar o transformador: Desmagnetização ressonante

Pequena variação de E

Integração de componentes parasitas


vT

t+-

(Resonant reset)vT

+

-E

Lm

LdE

t

vi/ni

t+-

E/n1

VC/n1

Dois transistores

Integração de componentes parasitas


Fluxo médio nulo

Outras formas de desmagnetizar o transformador: Snubber ativo

(Active clamp)

VC = E·D/(1-D)

VC

E

Lm

LdE

Dois transistores

Tensão máxima no transistor igual a E

Outras formas de desmagn. o transf.: Conversor Forward com dois transistores

t

vi/ni

t+-

E/n1

max

E/n1

Dmax = 0.5

VO = D·E·n2/n1 (en modo continuo)

VS1 max = VS2 max =E

VD1 max = VD2 max = E

VD3 max = VD4 max = E·n2/n1

En1 : n2

S1D4

D3

D1

D2

S2

VO

Fonte com múltiplas saídas: Uma saída controlando o chaveamento do transistor e as outras com regulador linear

Pos-reguladores lineares

Eficiente

Caro

Complexo

Fontes com múltiplas saídas baseados em um único conversor (regulação cruzada)

• Regula-se apenas uma saída

• As outras ficam parcialmente reguladas

Importante: a impedância parasita associada a cada saída deve ser a menor possível

Os conversores “flyback” e “forward” com regulação cruzada

Funciona bem se o transformador estiver bem feito

Pior:1.Presença do indutor de filtro.2.Os modos de condução de cadasaída podem ser diferentes.

Melhorando a regulação cruzada em o conversor “forward”

Os dois enrolamentos operam no mesmo modo de condução

n1

n2

n3

n4

Condição de projeto:n1/ n2 = n3/ n4

Revisão dos conversores c.c./c.a./c.c.

Conversores com isolamento elétrico:1.Push-Pull2.Meia Ponte3.Ponte Completa

Conv. cc/cc “push-pull”

Ret. com transf. “tap” central

Ret. com dois indutores


Ret. em ponte


1. Conversor Push-Pull

Conversor “forward” Conversor “forward”

Conversor “push-pull”

B

B

H

B

B

H


S2 S1

n1 : n2

n1

n1

n2

n2

E

VO

L

• Circuito equivalente quando conduz S2:

E·n2/n1

L VO

• Circuito equivalente quando conduz S1:

E·n2/n1

LVO

O que acontece quando nenhum dos transistores conduz?


L

VO

iL

D1

D2

iL1

iL2

• Circuito equivalente quando não conduzem nem S1 nem S2:

• Conduzem ambos diodos a tensão no transformador é zero

• As correntes iL1 e iL1 devem ser tais que:

iL1 + iL2 = iL

iL1 - iL2 = iLm (sec. trans.)

VOL


• A tensão vD é a mesma que em um conv. “forward” com uma razão cíclica 2·D

VO = 2·D·E·n2/n1 (en modo continuo)

• vsmax = 2·E vD1max = vD2max = 2·E·n2/n1

t

vS2

t

t

Td·T

t

tComando

t

vS1

vD1

vD2

vD

2·E

2·E

E·n2/n1

2·E·n2/n1

2·E·n2/n1

S1S2

S2

n1

n1

n2

n2

E

VO

LvD

+

-S1

+

-vD1

+

-vD2

vS1

+

-

+

-vS2

D1

D2

Dmax = 0.5

5. Tensões no conversor “push-pull”

Correntes médias:

IS1 = IS2 = IO·D·(n2/n1) ID1 = ID2 = IO/2

t

t

t

iL

Comando

iS2

t

iD1

iS1

t

Td·T

t

iD2

S1 S2

S2 S1

n1 : n2

n1

n1

n2

n2

E

VO

L

iS1

iL

D1

D2

iD1

iD2

iS2

iO

Dmax = 0.5

6. Correntes no conversor “push-pull”

S2 S1

n1

n1E

VO

iS1

iS2

• No controle por “modo tensão” pode-se saturar o transformador por assimetrías na duração dos tempos de condução dos transistores

• Ideal utilizar-se o controle por “modo corrente”

B

B

H


• A tensão vD é a metade daquela que ocorre no conversor “push-pull” VO = D·E·n2/n1 (modo contínuo)

• vsmax = E vD1max = vD2max = 2.E·n2/n1

t

vS2

t

t

Td·T

t

tComando

t

vS1

vD1

vD2

vD

E

E

E·0.5·n2/n1

2.E·n2/n1

2.E·n2/n1

S1S2

VO

S2

n1

n2

n2E

L

vD

+

-

S1

+

-vD1

+

-vD2

vS1

+

-

+

-

vS2

D1

D2

E/2

E/2 Dmax = 0.5

1. Conversor em Meia Ponte (“half bridge”)

2. Correntes no Conversor em Meia Ponte

Correntes médias:


t

t

t

iL

Comando

iS2

t

iD1

iS1

t

Td·T

t

iD2

S1 S2

iD1 iL

S2

n1

n2

n2E

L

iO

S1

iD2

iS1

iS2

D1

D2

VO

E/2

E/2 Dmax = 0.5

1. O Conversor em Ponte Completa (“full bridge”)

• A tensão vD é igual aquela do conversor “push-pull” VO = 2·D·E·n2/n1 (modo contínuo)

• vsmax = E vD1max = vD2max = 2·E·n2/n1

vS2, vS3

t

Comando

t

vS1, vS4 E

E

t

t

t

Td·T

t

vD1

vD2

vD E·n2/n1

2·E·n2/n1

2·E·n2/n1

S1, S4S2, S3VO

S3

n1

n2

n2E

L

vD

+

-

S4

+

-vD1

+

-vD2

vS4

+

-

+

-

vS3

D1

D2

S1

S2Dmax = 0.5

2. Correntes no conversor em Ponte Completa

Correntes médias:


iD1iL iO

iD2

iS4

VO

S3

n1

n2

n2E

L

S4

D1

D2

S1

S2

iS3

t

t

t

iL

Comando

iS2, iS3

t

iD1

iS1, iS4

t

Td·T

t

iD2

S2, S3S1, S4

Dmax = 0.5

Problemas de saturação do transformador do conversor em ponte completa

• No controle por “modo tensão” pode-se saturar o transformador por assimetrías na duração dos tempos de condução dos transistores

• Soluções:

• Colocar um capacitor em série CS

• Usar controle por “modo corrente”

S2

S1CS

E

VO

S3

S4

Conversor c.c./c.c. “Push-Pull” alimentado em corrente

Conversor c.c./c.c. em ponte alimentado em corrente

Conversores com Barramento tipo Fonte de Corrente

t

Comando de S1

t

Comando de S2

t

vS2

t

Td·T

t

t

vS1

vD1 2·VO

2·VO·n1/n2

2·VO·n1/n2

VO

vD2 2·VO

VOE

+

-E

VO·n1/n2 VO·n1/n2

E+-

Conduzem S1 e S2

S1 está bloqueado

S2 está bloqueado

n1

n1

n2

n2E

VO

S2S1

+

-vD1

+

-vD2

vS2

+

-

Dmin = 0.5

1. Conversor “push-pull” alimentado em corrente

E

Conduzem S1 e S2

+

-E

VO·n1/n2

S1 bloqueado

VO·n1/n2

+-E

S2 bloqueado

E

Conduzem S1 e S2

Aplicando o balanço “volts·segundos”

VO = E·(n2/n1)/2(1-D) (modo contínuo)

d·T (1-d)·T

dura t1 dura t1 dura t2 dura t2

2. Conversor “push-pull” alimentado em corrente

iL

iO

n1

n1

n2

n2ES2S1

iD1

iD2

iS2

Dmin = 0.5

iS1

Td·T

t

iD1

t

iS2

t

tiS1

iL

t

Comando de S1

t

Comando de S2

iD2

IS1 = IS2 = IO·(n2/n1)/4(1-D)

ID1 = ID2 = IO/2

3. Correntes no “push-pull” alimentado em corrente

E VO

n1 n2

n2 n1

VO E

D 1-D

1-D D

Modificações

VO = E·D

E VO

Buck VO = E/(1-D)

E VO

Boost

Conversores alimentados em tensão vs. alimentados em corrente

“Push-pull” alimentado em tensão

VO = 2·D·E·n2/n1

EVO

n1

n1

n2

n2

“Push-pull” alimentado em corrente

VO = E·(n2/n1)/2(1-D)

EVO

n1

n1

n2

n2

Problema do desligamento do conversor “push-pull” alimentado em corrente

S2S1

iLTemos que garantir que o fluxo no indutor não se anule quando são bloqueados S1 e S2 no momento de desligamento do conversor

iL

Outro modo de desmagnetizar o indutor de entrada

Desmagnetização em direção a

entrada

Desmagnetizaçãoem direção a

saída

A ponte completa alimentada em corrente

Desmagnetização em direção a entrada

Desmagnetização em direção a saída

Se comporta como un “push-pull”

alimentado em corrente, exceto a

tensão máxima no transistor (que

é Vo*)

Retificador em ponte na saída

“Push-pull” alimentado em corrente

Ponte completa alimentada em corrente

d1-d

i2i1

Entrada Saída

i2i1

1 : Nt

i1

t

i2

Situação ideal Situação ideal

Como devem ser as correntes na entrada e na saída de um conversor?

t

i1

i1

t

t

i2

t

i2

t

i2

i1

t

Buck-boost

i2i1

Boost

i2i1

Buck

i2i1

descontínuacontínua

descontínuacontínua

descontínua descontínua

Corrente de entrada em cada conversor

Buck

Boost

Buck-Boost

Filtrando a corrente descontínua de um conversor

Fluxo de potência

Redutor / elevador

V1 V2< V1

Fluxo de potência

Red.-elev. / Red.-elev.

V1 V2

Conversores reversíveis

Retificador síncrono

• Em conversores com tensão de saída baixa (≈ 1,2 a 5V) e correntes muito elevadas (>20A), a queda de tensão no diodo retificador, vis a vis da tensão de saída, é elevada e torna difícil o controle da tensão de saída.

• A queda de tensão de um diodo PIN é da ordem de 1,0V enquanto que a do diodo Schotky é de 0,5V.

• Solução: Retificador síncrono apresenta queda de tensão inferior a 0,1V

Fonte

Dreno

Porta

p

n+

n-

Curto circuito n+p

Diodo parasita

Retificador Síncrono

O transistor MosFet é utilizado como diodo, graças a pequena rdson

Retificação convencional Retificação síncrona

Retificador Síncrono autoexcitado (Vsaida < 5V)

Retificação convencional Retificação síncrona

Retificador Síncrono autoexcitado (Vsaida < 5V) Retificadores de meia onda

Conversor Meia Ponte assimétrico

Meia ponte com controle complementar

1-D

D

D·E

(1-D)·E

E

(1-D)·E D

1-DE

D·E

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