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Tópicos Avançados em Eletrônica II
Aula 1.2
Conversor CC-CC
Prof. João Américo Vilela
Departamento de Engenharia Elétrica
Bibliografia
Tópicos Avançados em Eletrônica II
BARBI, Ivo. & MARTINS Denizar Cruz.
Conversores CC-CC Básicos Não-Isolados.
1ª edição, UFSC, 2001.
BARBI, Ivo. & MARTINS Denizar Cruz.
Introdução ao Estudo dos Conversores CC-CA.
1ª edição, UFSC.
MOHAN Ned; UNDELAND Tore M.; ROBBINS William P. Power
Electronics – Converters, Applications and Design. 2 ed.
New York: John Wiley & Sons, Inc., 1995.
MUHAMMAD, Rashid.
Eletrônica de Potência.
Editora: Makron Books, 1999.
CONVERSOR ELEVADOR DE TENSÃO (“BOOST”; “STEP-UP”)
3
Característica
de fonte de
corrente
Característica
de fonte de
tensão
D
ChIe
Vs
Conversores Boost
DL
ECh Cs Rc
e
Tópicos Avançados em Eletrônica II
4
Conversores Boost
Tópicos Avançados em Eletrônica II
Modo de operação:
1º) Com o interruptor fechado
2º) Com o interruptor aberto
5
Conversores Boost
Tópicos Avançados em Eletrônica II
Forma de onda em detalhe
DT (1-D) T
Is
Ie-Is
Ie
i
i
Le
Cs
6
Ganho Estático - Conversores Boost
Tópicos Avançados em Eletrônica II
Em regime permanente, o valor médio
da tensão no indutor é nulo:
DT (1-D) T
Is
Ie-Is
Ie
i
i
Le
Cs
Intervalo D T (1 - D) T
Tensão
aplicada E - (V0 – E)
010 TDVETDE
DE
V
1
10
Manipulando a equação obtemos:
0 0,2 0,4 0,6 0,8 10
1
2
3
4
5
6G
DD
G
1
1
7
Indutor de entrada - Conversores Boost
Tópicos Avançados em Eletrônica II
Forma de onda da corrente no
indutor de entrada
DT (1-D) T
Ie
i Le
DE
V
1
10
DI
Ie
1
1
0
Para que a potência permaneça
constante no conversor a corrente é
inversamente proporcional a tensão.
c
LfL
ED
L
ETDI
e
Variação da corrente no indutor
ΔI
c
medeefL
ED
D
IIII
212
0_
cL
máxe
fI
EDL
e
A corrente de entrada tem como
limites em regime:
Em função da oscilação da corrente
tem-se o valor do indutor.
Obs. a ondulação da corrente
máxima ocorre para D igual a 1/3
no conversor Boost.
DT (1-D) T
Is
Ie-Isi Cs
Conversor no instante que o
capacitor alimenta a carga
A análise do capacitor de saída fica bastante simples se considerarmos a
saída como uma fonte de corrente; durante o intervalo de condução do
interruptor (DT), somente essa fonte está conectada ao capacitor,
causando um decréscimo em sua tensão:
c
DT
CCfC
IDITD
Cti
CVV 0
0
0
0
1)(
1
Capacitor de Saída - Conversores Boost
Forma de onda da corrente no
capacitor de saída.
Tópicos Avançados em Eletrônica II
DT (1-D) T
Is
Ie-Isi Cs
c
CfC
IDITD
CVV 0
00
1
c
máx
fV
IDC
0
0
0
0
I
VRse
Capacitor de Saída - Conversores Boost
Forma de onda da corrente no
capacitor de saída.
Tópicos Avançados em Eletrônica II
0
0
V
EVD
A razão cíclica no conversor Boost
pode ser representada por:
Assim:
0
000
V
EV
fC
IVV
c
C
Para a condição crítica D igual a 1/3, tem-se o capacitor para pior
condição.
Atividade
Tópicos Avançados em Eletrônica II
O conversor Boost apresentado na figura abaixo, opera em condução
contínua com frequência de chaveamento de 100 kHz. A ondulação da
tensão de saída é de 1% da tensão média aplicada à carga. Imaginando
que o conversor esteja em um ponto de operação com razão cíclica de
0,75, determine:
a) O valor da tensão média na carga (V0);
b) A ondulação da corrente no indutor L (ΔIL);
c) A corrente média no diodo D (IDmed);
d) A potência consumida pela carga (P0);
e) A corrente média na fonte E (IE med);
f) A corrente máxima e mínima no Mosfet (ISmax e ISmin);
g) O valor do capacitor C;
h) Simular o circuito e comparar com os valores calculas.
E = 100V;
L = 1,0 mH;
R0 = 200Ω.
Característica
de fonte de
tensão
Característica
de fonte de
tensão E La
DCs
Rc
Ch
Conversores Buck-Boost – Acumulação Indutiva
Tópicos Avançados em Eletrônica II
12
Conversores Buck-Boost
Tópicos Avançados em Eletrônica II
Modo de operação:
1º) Com o interruptor fechado
2º) Com o interruptor aberto
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Ganho Estático - Conversores Buck-Boost
Tópicos Avançados em Eletrônica II
Em regime permanente, o valor médio
da tensão no indutor é nulo:
Intervalo D T (1 - D) T
Tensão
aplicada E V0
TDVTDE 10
D
D
E
V
1
0
Manipulando a equação obtemos:
D
DG
1
0 0,2 0,4 0,6 0,8 10
1
2
3
4
D
G
0,5
Atividade
Tópicos Avançados em Eletrônica II
O conversor Buck-Boost apresentado na figura abaixo, opera em
condução contínua com frequência de chaveamento de 100 kHz. A
ondulação da tensão de saída é de 1% da tensão média aplicada à carga.
Imaginando que o conversor esteja em um ponto de operação com razão
cíclica de 0,5, determine:
a) O valor da tensão média na carga (V0);
b) A ondulação da corrente no indutor L (ΔIL);
c) A corrente média no diodo D (IDmed);
d) A potência consumida pela carga (P0);
e) A corrente média na fonte E (IE med);
f) A corrente máxima e mínima no Mosfet (ISmax e ISmin);
g) O valor do capacitor C;
h) Simular o circuito e comparar com os valores calculas.
E = 100V;
L = 1,0 mH;
R0 = 200Ω.
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Conversores Cúk
Tópicos Avançados em Eletrônica II
Modo de operação:
1º) Com o interruptor fechado
2º) Com o interruptor aberto
O conversor Cúk pode ser analisando dividindo em dois inversores independentes.
Conversores Cúk – Acumulação Capacitiva
Conversor Boost Conversor Buck
Tópicos Avançados em Eletrônica II
sC VEV
Regime de funcionamento de LE: como
em um elevador de tensão (Boost).
D
EVC
1
Já para L0, o funcionamento é semelhante
ao de um abaixador de tensão (Buck):
CDVV 0
Ganho Estático - Conversores Cúk
Tópicos Avançados em Eletrônica II
ED
D
D
EDDVV C
110
Ganho estático do conversor Cúk.
Atividade
Tópicos Avançados em Eletrônica II
Seja a estrutura do conversor Cúk apresentado na figura abaixo, onde E =
48V; f = 20kHz; D = 0,4; R0 = 10Ω e C = 100μF. Os indutores são
considerados muito grandes, de modo a se poder admitir ILE e I0 constates
em regime permanente. Determinar os valores das seguintes grandezas:
a) Tensão média na carga (V0);
b) Corrente média no indutor de saída I0;
c) Potência na carga (P0);
d) Corrente média no indutor de entrada ILEmed;
e) Ondulação da tensão no capacitor C (ΔVC);
f) Tensão máxima no capacitor C (VCmax);
g) Tensão máxima no transistor S e no diodo D (VTmax e VDmax);
h) Simular o circuito e comparar com os valores calculas.
Caracte-
rística
de fonte de
corrente
Característica
de fonte de
tensão
L
E Ch
Cae+
La
D
Cs Rc
1. Tipos de fontes?
2. Vca = ? Vca = E
Conversores SEPIC
Tópicos Avançados em Eletrônica II
L
E Ch
Cae+
La
D
Cs Rc
L
E Ch
Cae+
La
D
Cs Rc
Conversores SEPIC
Modo de operação:
1º) Com o interruptor fechado
2º) Com o interruptor aberto
Tópicos Avançados em Eletrônica II
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Ganho Estático – Conversores SEPIC
Tópicos Avançados em Eletrônica II
No intervalo D.T ocorre o armazenamento de energia nos indutores LE e
La, e no intervalo (1-D).T essa energia é transferida à carga. Desse modo,
admitindo que durante o período T não ocorram perdas no conversor, pelo
balanço de energia em regime permanente, tem-se:
TDIIVTDIIEmedmedmedmed aEaE 10
Manipulando a equação obtemos:
L
E Ch
Cae+
La
D
Cs Rc
D
D
E
VG
1
0
Caracte-
rística
de fonte de
corrente
Característica
de fonte de
tensão E La
Ch Ca+
Ls
Cs Rc
Conversores ZETA
Tópicos Avançados em Eletrônica II
Conversores ZETA
Modo de operação:
1º) Com o interruptor fechado
2º) Com o interruptor aberto
Tópicos Avançados em Eletrônica II
E La
Ch Ca+
Ls
Cs Rc
E La
Ch Ca+
Ls
Cs Rc
Analisando-se o funcionamento de Ls, observa-se que:
SVDDE )1(
Ou seja, novamente aqui temos:
D
DG
1
Ganho Estático – Conversores ZETA
E La
Ch Ca+
Ls
Cs Rc
Tópicos Avançados em Eletrônica II
