07 ElePot ConversoresDC DC

7/30/2019 07 ElePot ConversoresDC DC

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Disciplina Eletrnica de Potncia (ENGC48)

Tema: Conversores de Corrente Contnua para

Corrente Contnua Topologias Clssicas

Eduardo Simas([email protected])

Aula 8

Universidade Federal da Bahia

Escola Politcnica

Departamento de Engenharia Eltrica


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Sumrio

Introduo

Conversores Abaixadores

Conversores Elevadores

Conversores Elevadores-Abaixadores

Conversor Ck

Exerccios de Fixao


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DEE

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1. Introduo


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Introduo

Os conversores de corrente contnua (DC) para corrente contnua (DC)

tambm so conhecidos como choppers.

So utilizados para obter uma tenso DC Vo na sada a partir de uma fonte

DC Vs na entrada:

Podem ser classificados como:

Abaixadores (step-down) se Vo < Vs

Elevadores (step-up) se Vo > Vs

Vs Vo

Sist. de controle

Conversor

DC-DC


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Introduo

So utilizados basicamente para:

Obter uma tenso DC regulada (fixa) na sada a partir de uma tenso

DC varivel na entrada;

Obter uma tenso DC ajustvel na sada a partir de uma tenso DC

regulada na entrada.

Principais aplicaes:

Fornecimento de tenso DC regulada;

Controle de mquinas de corrente contnua;

Sistemas HVDC.


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Tenso DC ajustvel a partir de circuitos lineares:

Limitados a Vo < Vs;

Baixa eficincia (significativas perdas);

Utilizados apenas em aplicaes de baixa potncia;

Exemplo: Divisor de Tenso

R1

R2

Vs

Vo

Sendo Vs = 10 V, R1 = 50 e 0 < R2< 50 , calcular

as potncias dissipadas na fonte e numa carga de 1 k

( conectada em Vo) para Vo = 50 V e Vo = 0 V.


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Tenso DC ajustvel a partir de circuitos lineares:

Limitados a Vo < Vs;

Baixa eficincia (significativas perdas);

Utilizados apenas em aplicaes de baixa potncia;

Exemplo: Divisor de Tenso

R1

R2

Vs

Vo

Sendo Vs = 10 V, R1 = 50 e 0 < R2< 50 , calcular

as potncias dissipadas na fonte e numa carga de 1 k

( conectada em Vo) para Vo = 50 V e Vo = 0 V.

Resoluo:

=> Para Vo 50 V R2 = 50 IR1 1,020 A

Ps 100 W e Po = 2,5 W

=> Para Vo= 0 V R2 = 0

IR1

= 2 APs 200 W e Po = 0 W


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Princpio Bsico de um Conversor DC-DC

com Chaves Eletrnicas

A tenso de sada pode ser controlada pela chave S.

Pode-se usar como chave: MOSFET, TBJ, IGBT, GTO.

Razo de trabalho:

Tenso na sada:

T

tD ON

DVsVsT

tVsdt

TVo ON

tON

0

1


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Controlador com Modulao PWM para

conversores DC-DC


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Caractersticas dos Conversores DC-DC no

Modo Chaveado (Topologias Clssicas)

Vantagens:

Topologias e propriedades bem compreendidas e disponveis em vasta

literatura;

Pequeno nmero de componentes;

Alta eficincia; Frequncia de operao constante (modulao PWM);

Controle relativamente simples (disponibilidade de circuitos integrados

comerciais para os controladores);

Podem atingir altas razes de converso (tanto para abaixar como para

elevar). Desvantagens:

Perdas nas chaves aumentam com a frequncia de chaveamento;

Geram interferncia eletromagntica (EMI) no chaveamento.


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Topologias Clssicas de Conversores DC-DC


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2. Conversor Abaixador

(Step-Down ou Buck)


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Conversor Abaixador (Step-Down)

Os conversores DC-DC abaixadores (step-down)

so tambm conhecidos como conversor buck.

Funcionamento semelhante ao conversor bsicoapresentado anteriormente:

Como 0>D>1 e Vo=DVs Vo Vs

O indutor e o capacitor regulam as carctersticas da

corrente e da tenso na carga.

Circuitos Equivalentes:

Chave fechada

Chave aberta

VoVs

iois

Vo

io

VoVs

iois


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Conversor Abaixador

Considerando a corrente no indutor, osconversores DC-DC podem operar em dois

modos:

Modo de Conduo Contnua (MCC)

neste caso a corrente est sempre fluindo

atravs do indutor (iL

> 0) .

Modo de Conduo Descontnua (MCD)

em alguns intervalos de tempo a corrente

no indutor nula.

Em geral prefervel (em grande parte das

aplicaes) a utilizao do conversor no MCC,

porm, quando a corrente no circuito ou a

frequncia de chaveamento ou o ciclo de

trabalho diminuem o conversor pode operar

em MCD.

No modo de conduo

contnua (MCC) iL > 0


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Limite MCC - MCD

Para garantir MCC:

Quando operando no MCC, o capacitor escolhido considerando-se o

valor relativo de ondulao (Vr/Vo) desejado:


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Conversor Step-Down - Exemplo

Considerando um conversor buck com as seguintes caractersticas:

encontre os valores de L e C necessrios para manter MCC e Vr/Vo=1%.


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Conversor Step-Down - Exemplo

Considerando um conversor buck com as seguintes caractersticas:


Substituindo nas equaes anteriores:


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Conversor Step-Down em MCD

Caractersticas de um

conversor operando em

MCD:

Dependendo da aplicao,

o conversor pode ser operado

mantendo constante:

a tenso de entrada Vs

a tenso de sada Vo

A anlise da operao do conversor no MCD deve ser realizada para cada um dos casos.

Na fronteira entre MCC e MCD (2=0):

)(2

)(22

1 , VoVsL

DTVoVsLtoniI peakLLB

Vs


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MCD com a tenso de entrada (Vs) constante:

Aplicao: No controle de velocidade de um motor DC, a tenso de entrada

permanece aproximadamente constante enquanto a tenso de sada ajustada.

A corrente mdia no indutor no limite entre MCC e MCD dada por:

E atinge o valor mximo para D = 0,5 (considerando Vs constante):

)1(2

DDLf

VsILB

Lf

Vs

I MAXLB 8)(


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DEE

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MCD com a tenso de entrada (Vs) constante:

A relao entre as Vs e Vo no conversor :

)(

2

2

4

1

MAXLBIIoD

D

Vs

Vo

Vo / VsVs =


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MCD com a tenso de sada (Vo) constante:

Aplicao: Em fontes DC reguladas a tenso de entrada pode flutuar, mas a tenso de

sada deve permanecer constante.

A corrente mdia no indutor no limite entre MCC e MCD dada por:

E atinge o valor mximo para D = 0 (mantendo Vo constante):

O que na prtica impossvel pois se D = 0 Vo = 0

)1(2

DLf

VoILB

Lf

Vo

I MAXLB 2)(


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MCD com a tenso de sada (Vo) constante:

Neste caso mais conveniente obter uma expresso de D:

2/1

)(

1

VsVo

IIo

Vs

VoD

MAXLB

Vs

Vs

Vs


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2.1. Conversores Abaixadores com

Transformador


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Em algumas aplicaes desejvel haver isolamento galvnico entre a fonte e a carga

(visando segurana e confiabilidade).

Neste caso so utilizados transformadores de alta frequncia (leves e pequenos) que

proporcionam alta eficincia.

Exemplos:

Conversor Direto (Forward Converter);

Conversor Push-Pull.

Conversores Step-Down com Transformador


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Conversor Direto

Circuito:

Funcionamento:

Quando a chave S est fechada D1 -> est conduzindo e D2 em polarizao reversa.

A potncia est sendo transferida da fonte para a carga.

Quando a chave S est aberta D1 -> em polarizao reversa e D2 conduzindo.

Indutor + capacitor alimentam a carga.

Sendo:

n

D

Vs

Vo

21/NNn

O valor de Lb(limite MCC MCD) e do capacitor so calculados do

mesmo modo que para o conversor abaixador sem transformador.

Observao: O enrolamento adicional

(N3) utilizado para evitar saturao do

transformador pois a corrente circula

sempre num mesmo sentido.


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Conversor Push-Pull

Circuito:

Funcionamento:

As chaves operam com defasagem de T/2 e num mesmo ciclo de trabalho (D < 0,5).

S1 fechada e S2 aberta D1 conduzindo e D2 em corte

S1 aberta e S2 fechada D1 em corte e D2 conduzindo

As duas chaves abertas D1 e D2 em conduo e dividindo a corrente do indutor

(no h transferncia de potncia da fonte para a carga)

n

D

Vs

Vo 2

Sendo:

21/NNn

Limite

MCC-MCD:

Filtro a

capacitor:


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3. Conversor Elevador

(Step-Up ou Boost)


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DEE

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Conversor Elevador (Step-Up ou Boost)

Circuito:

Caracterstica entrada sada:

S abertaenergia armazenada no

indutor enviada para o circuito

(diodo+capacitor+carga)

S fechada indutor carregandoe capacitor alimentando a carga

Como 0 D 1, ento Vs VoCircu

itosEquivalen

tes:

VoVs

iois

VoVs

iois

Observao: No so comuns as

aplicaes de conversores elevadores

com transformadores.


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Conversor Step-Up Limite MCC x MCD

Para garantir MCC: e

Para regular a ondulao da tenso

na sada (a partir de Vr/Vo):


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Conversor Elevador - MCC

Neste caso a corrente no indutor sempre

maior que zero.

Modo de conduo contnua (MCC) iL > 0


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Chopper Step-Up - Exemplo

Considerando um conversor boost com as seguintes caractersticas:



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Chopper Step-Up - Exemplo

Considerando um conversor boost com as seguintes caractersticas:


Substituindo nas equaes chega-se a:


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Conversor Elevador em MCD

No limite entre MCC e MCD:

)1(222

1,

DDL

TVotonLVsiI peakLLB

Considerando um circuito sem perdas: )1( DI

IoVoIoVsI

L

L


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Na maioria dos casos o conversor elevador opera com Vo constante.

Num conversor elevador a corrente do indutor igual corrente da fonte.

A corrente mdia na sada no limite entre MCC e MCD dada por:

E atinge o valor mximo para D = 1/3 (considerando Vo constante):

2

)1(2 DDLf

Vo

IoB

Lf

VsI MAXoB 074,0)(


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DEE

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O ciclo de trabalho pode ser expresso em funo de Vo/Vs e IoB/ IoB(MAX) :2/1

)(

127

4

MAXoBI

Io

Vs

Vo

Vs

VoD

Vs

Vs

Vs


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4. Conversor Elevador-Abaixador

(Buck-Boost)


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DEE

Vo

io

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Conversor Elevador-Abaixador (Buck-Boost)

Combina as caractersticas dos

conversores abaixador e elevador.

D > 0,5 Vo > Vs (opera como elevador)

D < 0,5 Vo < Vs (opera como abaixador)

Chave fechada indutor sendocarregado e diodo em bloqueio

Chave aberta indutor transferindo

corrente para o circuito

Circu

itosEquivalen

tes:

VoVs

iois

VoVs

iois


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Conversor Buck-Boost Limite MCC x MCD

Escolhendo o indutor para manter

modo de conduo contnua (MCC):

Escolhendo o capacitor em funo da

tenso de ondulao na sada (Vr/Vo):

)1(222

1, D

L

TVoD

L

TVsiI peakLLB

Considerando um

circuito sem perdas: D

D

I

Io

VoIoVsIL

L

)1(

Corrente no indutor:


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Conversor Buck-Boostno MCD

Do circuito (considerando que o valor mdio da corrente no capacitor zero);

Na maioria das aplicaes do conversor elevador-abaixador a tenso de sada (Vo)

mantida constante.

A corrente mdia na sada no limite entre MCC e MCD dada por:

E atinge o valor mximo para D = 0 (considerando Vo constante):

2)1(

2D

Lf

VoIoB

Lf

VoI MAXoB

2)(

2

)( )1( DII MAXoBoB

IsIIo L


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Vs

Vs

Vs

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Conversor Buck-Boostno MCD

O ciclo de trabalho pode ser expresso em funo de Vo/Vs e IoB/ IoB(MAX) :

)(MAXoBI

Io

Vs

VoD


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4.1 Conversor Elevador-Abaixador com

Transformador (Conversor Fly-Back)


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Conversor Fly-Back Lm indutncia de magnetizao dotransformador fly-back

O indutor do conversor buck-boostfoi substitudo por um transformador:

21/NNn Sendo:


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Conversor Fly-Back- Funcionamento

Chave Fechada: a corrente na indutncia de magnetizao cresce linearmente, o diodoest em corte, no h corrente no transformador e a carga alimentada pelo capacitor.

Chave Aberta: a corrente armazenada na indutncia direcionada para o

transformador, o diodo ligado e a corrente do secundrio alimenta a carga e o

capacitor


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Conversor Fly-Back Limite MCC x MCD

Para manter o modo de conduo contnua:

O filtro a capacitor especificado por:


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5. Conversor Cuk


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Conversor Cuk

Um indutor e um capacitor so adicionados no circuito do conversor elevador.

Tanto a corrente da fonte como a da carga so reguladas (respectivamente pelos indutores

L1 e L2).

A tenso de sada invertida em relao de entrada (assim como no conversor elevador).


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Conversor Cuk- Funcionamento

Chave Fechada:

Chave Aberta:


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Conversor Cuk

Vantagens:

Tanto a corrente da fonte como a corrente de sada so reguladas pelos indutores

(o que no acontece nos outros conversores clssicos).

A necessidade de filtragem externa reduzida.

Desvantagens:

Maior quantidade de dispositivos de filtragem.

Necessidade de uma capacitor C1 de maior capacidade de regulao.


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6. Aplicaes


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Aplicaes:

Drivers de alto desempenho para motores eltricos CC em veculos

eltricos, equipamentos de trao e mquinas ferramenta (normalmente

usa-se conversores Step-down);

Sistemas de radar e sistemas de ignio (Step-up)

Sistemas de gerao fotovoltaicos e elicos para otimizar a carga das

baterias

Em UPS (Uninterruptible Power Supplies) para ajustar o nvel da tenso

retificada ao da tenso de carga das baterias.


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Aplicaes:

Sistemas de distribuio no qual um nico barramento DC utilizado para

alimentar cargas de diversos tipos (em estaes espaciais, barcos, avies).


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Aplicaes:

Lmpadas de descarga de alta intensidade (High Intensity Discharge

HID) em veculos:

As lmpadas HID no possuem filamento.

A descarga eltrica (10 30 kV) produz um arco numa mistura pressurizada de mercrio,

xennio e metal vaporizado.

Para manter o arco 85 V.

Maior durabilidade que as lmpadas comuns.

Produzem luz mais branca.

C CC CC Di i C i l


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Conversores CC-CC Disponveis Comercialmente

Circuitos Integrados:

Mdulos Completos:

Step-Down

Step-Down

ou

Step-Up


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5. Exerccios de Fixao


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Exerccios de Fixao:

1. Projete um conversor DC-DC abaixador acionado por PWM (f = 100 kHz) de modo que ele opere no MCC para: a) Vo = 50 V e b) Vo = 20 V e tenha

uma ondulao de tenso de no mximo 2 %. Est disponvel uma fonte de tenso DC regulada Vs = 70 V e a carga a ser alimentada de 100 .

2. Para a Questo 01-a, encontre o ciclo de trabalho necessrio para que a tenso na sada seja 10 V.

3. Encontre as perdas na chave semicondutora da Questo 01-a se for utilizado um IGBT 30N60B conforme datasheetem anexo.

4. Repita a Questo 03 para o IGBT 30N60C.

5. Repita as Questes 03 e 04 considerando que a frequncia de chaveamento modificada para 1 MHz.

6. Repita a Questo 01 utilizando agora as verses do conversor abaixador com transformador: a) Conversor Direto e b) Conversor Push-Pull.

Considere nos dois casos um transformador de relao de transformao 1:2.

7. Projete um conversor DC-DC elevador acionado por PWM (f = 100 kHz) de modo que ele opere no MCC para Vo = 180 V e tenha ondulao

mxima na sada de 2 V. A fonte de alimentao disponvel Vs = 100 V e a carga a ser alimentada de 50 . Obtenha o ciclo de trabalho

necessrio para que a tenso na sada seja mantida em 180 V quando a tenso da fonte de alimentao do conversor cai para 80 V.

8. Projete um conversor DC-DC elevador- abaixador acionado por PWM (f = 100 kHz) de modo que ele opere no MCC para :a) Vo = 80 V e

b) Vo = 130 V e tenha ondulao mxima na sada de 2 V. A fonte de alimentao disponvel Vs = 100 V e a carga a ser alimentada de 50 .

9. Considerando o circuito projetado na Questo 08-a, obtenha os valores do ciclo de trabalho necessrios para manter na tenso de sada regulada

em 80 V quando a tenso da fonte DC varia de 70 a 130 V.

10. Repita a Questo 08 considerando agora um conversor elevador-abaixadorfly-backcom transformador de relao de transformao 1:2.

11. Repita a Questo 08 considerando agora um conversor Cuk, considere que a variao de tenso do capacitor 1 seja no mximo 5V.


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Referncias

Mohan, Undeland & Robbins. Power Electronics

Converters, Applications

and Design, Wiley, 1995.

Rashid, Muhammad H. Power Electronics Handbook, Devices, Circuits and

Applications, Segunda Edio, Elsevier, 2007.

Ahmed, Ashfak. Eletrnica de Potncia, Wiley,

Pomilio, Jos Antenor. Eletrnica de Potncia , Faculdade de Engenharia

Eltrica e de Computao, UNICAMP, 1998, Revisado em 2002.

As figuras utilizadas nesta apresentao foram retiradas das referncias

listadas acima.

Documents

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