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Conversores CC-CC (Buck e Forward)

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

Pós-Graduação em Desen. de Produtos Eletrônicos Conversores Estáticos e Fontes Chaveadas

Florianópolis, março de 2014.

Prof. Clóvis Antônio Petry. Prof. Joabel Moia.

Bibliografia para esta aula

Conversores CC-CC: 1.  Introdução aos conversores CC-CC; 2.  Conversor CC-CC abaixador - Buck; 3.  Conversor CC-CC do tipo Forward.

www.ProfessorPetry.com.br

1E ( )1 1v ,f

2E ( )2 2v ,f

ConversorCC-CC

Retificador

Inversor

Conversorindireto de

tensão

Conversorindireto defreqüência

Conversores CC-CC

E1 E2

Conversor CC-CC

Princípio geral: Controla o fluxo de potência entre duas fontes de tensão contínua.

Conversores CC-CC

Algumas aplicações:

•  Controle de velocidade de motores CC; •  Fontes chaveadas; •  Energias alternativas; •  Correção de fator de potência; •  Carregadores de bateria; •  Aplicações veiculares; •  Adaptação de tensão contínua; •  Entre outras.

Conversores CC-CC

Estágio de conversão CC-CC de uma fonte chaveada:

Conversores CC-CC

Exemplo: Como realizar esta conversão?

Conversores CC-CC

Exemplo: Como realizar esta conversão? Usando resistores.

Conversores CC-CC

Exemplo: Como realizar esta conversão? Usando reguladores lineares.

Conversores CC-CC

Vi100V

R5Ώ

S

oV

Vi

sDT× sT

Exemplo: Como realizar esta conversão? Usando conversores chaveados.

Ploss≈0W S on

S off

Rendimento 70 a 98% 1

ss

TF

= on

s

TDT

=

Conversores CC-CC

Vi100V

R5Ώ

S oV

Vi

sDT× sT

Exemplo: Como realizar esta conversão? Usando conversores chaveados.

0

1 onTon

o i is s

TV V dt VT T

= ⋅ =∫

Tensão média na saída:

on sT D T= ⋅

o iV D V= ⋅ o

i

VDV

=

Conversores CC-CC

Ganho Estático do Conversor

Vi100V

R5Ώ

S oV

Vi

sDT× sT

o iV D V= ⋅Como variar a tensão média de saída?

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

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

on

s

TDT

=

Conversores CC-CC

o iV D V= ⋅Como variar a tensão média de saída?

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

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

on

s

TDT

=

oV

iV

sDT× sT

oV

iV

sDT× sT

oV

iV

sDT× sT

oV

iV

sDT× sT

Conversores CC-CC

Conversor CC-CC abaixador - Buck

iT

L

+

-

Vin C

V

Vo

T

iD+

-

iL

VC

iC

RL

iR

Vout

+

-

+

-

Estrutura de um conversor do tipo Buck

Etapas de operação - MCC

iT

L

+

-

Vin

T

D

iL

C RL+

-

iR

V

+

-

out

T

L

+

-

Ein D

iL

CRL

+

-

VCE+ -

V

+

-

out

Formas de onda

VD

VCE

T

T1 T2

(E )

L

in

i L

i T i D i T

(E ) in

VC

0 T1 T

VC

i

Conversor CC-CC abaixador - Buck

Análise das grandezas envolvidas

VD

VCE

T

T1 T2

(E )

L

in

i L

i T i D i T

(E ) in

VC

0 T1 T

VC

i

0

1 onTon

o i is s

TV V dt VT T

= ⋅ =∫

Tensão média na saída:

o iV D V= ⋅

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.2

0.4

0.6

0.8

11

0

G D( )

10 D

Ganho estático

Conversor CC-CC abaixador - Buck

Análise das grandezas envolvidas

VD

VCE

T

T1 T2

(E )

L

in

i L

i T i D i T

(E ) in

VC

0 T1 T

VC

i

Corrente no Indutor

( ) TTT

LVVT

LVVi 1outin

1outin

L−=−=Δ

DfLVVi outin

L−=Δ

inout DVV =( )Lf

DD1Vi inL

−=Δ

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0

ΔI L D( )

10 D

Conversor CC-CC abaixador - Buck

Análise das grandezas envolvidas

VD

VCE

T

T1 T2

(E )

L

in

i L

i T i D i T

(E ) in

VC

0 T1 T

VC

i

Corrente de pico no Indutor

RL

P i2iI +Δ=

L

outLP R

V2iI +Δ=

( )Lf2DD1V

RVI in

L

outP

−+=

PDPTP III ==

Corrente de pico no transistor e no diodo

Conversor CC-CC abaixador - Buck

Análise das grandezas envolvidas

VD

VCE

T

T1 T2

(E )

L

in

i L

i T i D i T

(E ) in

VC

0 T1 T

VC

i

Tensão no capacitor

( )ft2sen2ii L

C πΔ≅

( )∫ πΔ== dtft2senC2idti

C1V L

CCA

( )ft2cosC2f2

iV LCA π

πΔ=

Cf4i

2V LC

πΔ=Δ

C

L

Vf2iCΔπ

Δ=

Conversor CC-CC abaixador - Buck

Análise das grandezas envolvidas

VD

VCE

T

T1 T2

(E )

L

in

i L

i T i D i T

(E ) in

VC

0 T1 T

VC

i

Tensão no capacitor Efeito da RSE

CLRSE iRSEiRSEVCA

⋅=⋅=

2C

2LRSE iRSEiRSEP

efCA⋅=⋅=

Conversor CC-CC abaixador - Buck

Análise das grandezas envolvidas

VD

VCE

T

T1 T2

(E )

L

in

i L

i T i D i T

(E ) in

VC

0 T1 T

VC

i

Correntes no transistor

0

1 D T

Tmd LI i dtT

⋅= ∫

Corrente média

2

0

1 D T

Tef LI i dtT

⋅= ∫

Corrente eficaz

Tmd LI D I= ⋅

Tef LI D I= ⋅

Conversor CC-CC abaixador - Buck

Análise das grandezas envolvidas

VD

VCE

T

T1 T2

(E )

L

in

i L

i T i D i T

(E ) in

VC

0 T1 T

VC

i

Correntes no diodo

1 T

Dmd LD TI i dt

T ⋅= ∫

Corrente média

21 T

Tef LD TI i dt

T ⋅= ∫

Corrente eficaz

( )1Tmd LI D I= − ⋅

1Tef LI D I= − ⋅

Conversor CC-CC abaixador - Buck

Filtro de saída (freqüência de ressonância):

D

S a

b

+

-

iV

oL

oVoC oR

12o

o o

FL Cπ

=⋅ 10

soFF ≤

Conversor CC-CC abaixador - Buck

Principais formas de onda (circuito simulado):

Conversor CC-CC abaixador - Buck

Principais formas de onda (transitório de partida):

Conversor CC-CC abaixador - Buck

Principais formas de onda (regime permanente):

Conversor CC-CC abaixador - Buck

Etapas de operação - MCD

iT

L

+

-

Vin

T

D

iL

C RL+

-

iR

V

+

-

out

T

L

+

-

Ein D

iL

CRL

+

-

VCE+ -

V

+

-

out

Formas de onda

T

L

+

-

Ein D CRL

+

-

VCE+ -

V

+

-

out

TD·T

LI

S1 S2

2

2o

i

V DV Dγ

=+

Ganho estático

2

in

L IoV T

γ ⋅ ⋅=⋅

Conversor CC-CC abaixador - Buck

Etapas de operação – Condução Critica

iT

L

+

-

Vin

T

D

iL

C RL+

-

iR

V

+

-

out

T

L

+

-

Ein D

iL

CRL

+

-

VCE+ -

V

+

-

out

Formas de onda

TD·T

LI

S1 S2

2

2o

i

V DV Dγ

=+

Ganho estático

o

i

V DV

=

Conversor CC-CC abaixador - Buck

Conversor CC-CC abaixador - Buck

2

in

L IoV T

γ ⋅ ⋅=⋅

Condução contínua (MCC) e descontínua (DCM):

MCC

1a etapa 2a etapa

Conversor CC-CC abaixador - Buck

Condução contínua (MCC) e descontínua (DCM):

DCM

1a etapa 2a etapa 3a etapa

Conversor CC-CC abaixador - 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 CC-CC abaixador - Buck

Filtro de entrada (corrente na fonte sem filtro):

Conversor CC-CC abaixador - Buck

Filtro de entrada (corrente na fonte com filtro):

Conversor CC-CC abaixador - Buck

Função do Filtro de entrada: • Reduzir a corrente pulsada na fonte Vi;

• Reduzir a interferência eletromagnéticas devido ao elevado conteúdo harmônico da corrente pulsada; • Evitar problemas com indutâncias parasitas em série com a fonte, pois no instante de abertura da chave pode produzir sobre tensões destrutivas aos semicondutores.

Conversor CC-CC abaixador - Buck

PWM alta freqüência

Controle através de modulação PWM

Conversor CC-CC abaixador - Buck

•  Perdas em comutação: •  Transistor; •  Recuperação reversa do diodo.

•  Perdas em condução: •  Semicondutores (Transistor e Diodo); •  Resistência dos componentes (indutor e capacitor

•  Perdas dos elementos magnéticos (núcleo).

Análise de Rendimento: Perdas Associadas ao conversor

Conversor CC-CC abaixador - Buck

iT

L

+

-

Vin C

V

Vo

T

iD+

-

iL

VC

iC

RL

iR

Vout

+

-

+

-

•  Para calcular as perdas do componentes, primeiramente calcula-se as corrente médias e eficazes que circulam pelos mesmos.

Conversor Forward – Buck isolado

+

-Vin

DDT

1D L

RC

DNPN SN

VP VS

2D

V1

L

Vout

VF+ -

Conversor Forward – Buck isolado

+

-Vin

DDT

1D L

RC

DNPN SN

VP VS

2D

V1

L

Vout

VF+ -

•  Derivado do conversor Buck, com adição do transformador e de outro diodo no circuito de saída;

•  É quase sempre empregado no modo de condução contínua,

uma vez que nesta condição os picos de correntes no primário e no secundário são menores. Assim com a variação na tensão de saída;

•  Existe uma pequena energia magnetizante que circula pelo núcleo, que deve ser retirada a cada ciclo. Por isso a necessidade de um enrolamento auxiliar no transformador.

Etapas de operação – MCC

+

-Vin

DDT

1D L

RC

VP VS

2D

i

1

L

Vout

L

iT

DNPN SN

inP VV =

PP

SS V

NNV =

+

-Vin

T

1D L

C

M iL

iT

iM

Vin RL

Visto pelo primário

Primeira Etapa

Conversor Forward – Buck isolado

Etapas de operação – MCC

Segunda Etapa

+

-Vin

DDT

1D L

RC2D

i

L

L

iT iMVCE

+

-

DNPN SN

Conversor Forward – Buck isolado

Vi/n-Vo

VLo

TsDTs-Vo

(1 )

0 0

1 1s sDT D Ti

o os s

V V dt V dtT n T

−⎛ ⎞−⎜ ⎟⎝ ⎠∫ ∫

o

i

n V DV⋅ =

'o oV n V= ⋅

'o

i

V DV

=

Análise da tensão no indutor

+

-Vin

DDT

1D L

RC

DNPN SN

VP VS

2D

V1

L

Vout

VF+ -

Segunda Etapa (D2) Primeira Etapa (D1)

Conversor Forward – Buck isolado

Ganho Estático

Ganho estático em função da razão cíclica:

0 0,25 0,5 0,75 10

0,25

0,5

0,75

1

D

Vo'/Vi

Conversor Forward – Buck isolado

Esforço de Corrente no Interruptor: Primeira Etapa

P

SLL NNii =

tMVi in

M =

P

SL

P

SLMLMT N

NiNNiiiii ≈+=+=

+

-Vin

T

1D L

C

M iL

iT

iM

Vin RL

Conversor Forward – Buck isolado

+

-Vin

DDT

1D L

RC

DNPN SN

VP VS

2D

V1

L

Vout

VF+ -

Formas de onda

VCE

T

T1

T2

i Ti L

(V ) in

TD

iM(I )M

I M +

V inV in +NPND

in2D1inP VTNTVN =

2D1P TNTN =

1D1

NN

maxD

P −=max

in

D

PinmaxCE D

VNN1VV =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

Conversor Forward – Buck isolado

Conversor Forward com 2 transistores

TR

+

- V

i

CE22D

E2

VP

C

i

L

LR

1

TR2

1D

E2

+

-

+

-

TR1NP

VS

NS

NS

3D

4D

Va

L

Vout

Conversor meia-ponte

Primeira Etapa

TRE2

i

1

1D

+

-3D

4D

L

E2

+

-

+

-

+

-

C

i

L

LR

NP

3D

4D

L

Segunda Etapa

Etapas de operação – MCC

Conversor meia-ponte

Etapas de operação – MCC

Terceira Etapa

C

i

L

LR

NP

3D

4D

L

Quarta Etapa +

- 2D

C

i

L

LR

TR2

E2

3D

4D

L

+

-

+

-

+

-

Conversor meia-ponte

VP

T

T1

2T

L

Vout

i

VCE

VC

i

in

TR1

TR2

VNSNP.

Va

E2

iL

TR1

E

E/2

Formas de onda

Conversor meia-ponte

6D

5D

C

L

LR

RT1D

inV

1 RT 3

RT 2 RT 4

3D

2D 4D

C

Conversor ponte completa

6D

5D

C

L

LR

RT1D

inV

1 RT 3

RT 2 RT 4

3D

2D 4D

C

Conversor ponte completa

•  Aplicações de maior potência quando comparado ao conversor meia ponte; •  Possui maior número de semicondutores, mas são submetidos a Menores esforços de tensão e corrente; •  Razão cíclica limitada a 0,5;

•  Não existe a necessidade de inclusão de um circuito para desmagnetizar núcleo.

Conversor ponte completa:

6D

5D

C

L

LR

RT1D

inV

1 RT 3

RT 2 RT 4

3D

2D 4D

C

Conversor ponte completa

6D

5D

C

L

LR

RT1D

inV

1 RT 3

RT 2 RT 4

3D

2D 4D

C

Conversor ponte completa

6D

5D

C

L

LR

RT1D

inV

1 RT 3

RT 2 RT 4

3D

2D 4D

C

Conversor ponte completa e meia ponte Capacitor Série:

• Desigualdades nos tempos de comutação dos interruptores podem provocar o aparecimento de uma componente contínua na tensão e, Consequentemente, uma corrente contínua no primário; • Esta corrente pode provocar a saturação do núcleo do transformador e uma provável falha no conversor; • Desta maneira, emprega-se um capacitor em série para impedir a circulação de uma corrente com componente contínua;

• Deve-se empregar um capacitor de tensão adequada e de polipropileno, devido as baixas perdas em alta frequência.

Conversor Push-Pull

4D

3D

C

L

LR

inV

RT 1 RT 21D 2D

SN

SNPNLi

1V

4D

3D

C

L

LR

inV

RT 1 RT 21D 2D

SN

SNPNLi

1V

V1

T

T1

T3

TR

(2V ) in

VCE1 (V ) in

2

TR1

Formas de onda

Conversor Push-Pull

DS a

b

-

+

iV oVoC oRoL

Próxima aula

Conversores CC-CC: •  Conversor Buck-Boost e conversor Flyback.

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