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Conversores CC-CC Não-Isolados (Estágio de Potência)
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina Departamento Acadêmico de Eletrônica
Eletrônica de Potência
Florianópolis, abril de 2012.
Prof. Clóvis Antônio Petry.
Capítulo 9: Choppers DC 1. Introdução aos conversores CC-CC.
Bibliografia para esta aula
www.florianopolis.ifsc.edu.br/petry
Conversores CC-CC: 1. Introdução; 2. Princípio geral; 3. Conversor Buck; 4. Exercícios; 5. Conversor Boost; 6. Conversor Buck-Boost; 7. Outros conversores básicos.
Nesta aula
Tensão média na saída:
on sT D T= ⋅
o iV D V= ⋅ o
i
VDV
=
S+
-
iV
iI
oVoR
oV
iV
sD T⋅ sT
[ ]1med o i s
s
V V V D TT
= = ⋅ ⋅
Princípio geral
Ganho estático:
o iV D V= ⋅
o
i
VDV
=
0 0,25 0,5 0,75 10
0,25
0,5
0,75
1
D
Vo/Vi
S+
-
iV
iI
oVoR
oV
iV
sD T⋅ sT
Princípio geral
Corrente média na entrada:
on sT D T= ⋅
i oI D I= ⋅ i
o
IDI
=
S+
-
iV
iI
oVoR
iI
oI
sD T⋅ sT
[ ]1med i o s
s
I I I D TT
= = ⋅ ⋅
Princípio geral
S+
-
iV
iI
oVoR
oV
iV
sD T⋅ sT
i i iP V I= ⋅
Potência na entrada e na saída:
i oP P=
i o
o i
V IV I
=
o o oP V I= ⋅
i i o oV I V I⋅ = ⋅
oiPPη
=
Princípio geral
S+
-
iV
iI
oVoR
oV
iV
sD T⋅ sT
Como variar a tensão de saída? • Alterando o tempo de condução e bloqueio (PWM); • Alterando a freqüência de comutação (PFM).
PWM: • Modulação por largura de pulsos; • Pulse WiDth Modulation.
PFM: • Modulação por freqüência variável; • Pulse Frequency Modulation.
Princípio geral
Exercício 1) Considerando o circuito abaixo, com tensão de entrada de 12 V, potência de saída de 5 W e tensão de saída de 5 V, determine:
• Razão cíclica de operação; • Tensão máxima na saída; • Corrente média na carga; • Corrente média no interruptor; • Corrente máxima no interruptor; • Tensão máxima sobre o interruptor; • Potência na fonte.
Tarefas
S+
-
iV
iI
oVoR
oV
iV
sD T⋅ sT
Primeira etapa de funcionamento: • Interruptor conduzindo; • Diodo bloqueado; • Energia sendo armazenada no indutor.
D
S a
b
+
-
iV
oL
oVoC oR
0 st D T≤ < ⋅
Conversor Buck
Segunda etapa de funcionamento: • Interruptor bloqueado; • Diodo conduzindo; • Energia armazenada no indutor sendo transferida para saída.
s sD T t T⋅ ≤ <
D
S a
b
+
-
iV
oL
oVoC oR
Conversor Buck
D
S a
b
+
-
iV
oL
oVoC oR
abV
iV
sD T⋅ sTab iV D V= ⋅
[ ]1med ab i s
s
V V V D TT
= = ⋅ ⋅
Conversor Buck
Tensão média sobre o indutor:
D
S a
b
+
-
iV
oL
oVoC oR
( )( ) ( )( )1Lo i o s o s s
s
V V V D T V T D TT
⎡ ⎤= − ⋅ ⋅ + − ⋅ − ⋅⎣ ⎦
( ) ( )1Lo i o oV V V D V D= − ⋅ − ⋅ −⎡ ⎤⎣ ⎦
[ ]Lo i o o oV V D V D V V D= ⋅ − ⋅ − + ⋅
LoV
i oV V−
sD T⋅ sT
oV−
0LoV =
Conversor Buck
D
S a
b
+
-
iV
oL
oVoC oR
( )1 onab i s i
s s
TV V D T VT T
= ⋅ ⋅ =
ab iV D V= ⋅
o abV V= o iV D V= ⋅ o
i
VDV
=
oV
iV
sD T⋅ sT
Conversor Buck
0 0,25 0,5 0,75 10
0,25
0,5
0,75
1
D
Vo/Vi
Ganho estático em função da razão cíclica:
Conversor Buck
Exercício 1) Considerando o circuito abaixo determine: • Tensão média na saída; • Corrente média na carga; • Corrente média no indutor; • Corrente média no interruptor; • Corrente média no diodo; • Tensão máxima sobre o interruptor; • Tensão máxima sobre o diodo; • Potência média na entrada e na saída.
Tarefas
Ondulação de corrente em Lo:
D
S a
b
+
-
iV
oL
oVoC oR
LoLo o
IV LT
ΔΔ
;
LoLo
o
V TIL⋅ ΔΔ =
( )i o sLo
o
V V D TI
L− ⋅ ⋅
Δ =
( ) ( )1i i iLo
o s o s
V D V D VI D DL F L F− ⋅ ⋅
Δ = = ⋅ −⋅ ⋅
Conversor Buck
Ondulação de corrente em Lo: ( )1LoI D DΔ = ⋅ −
0 0.2 0.4 0.6 0.80
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
ΔI D( )
D
Conversor Buck
Ondulação de corrente em Lo:
( )_max 0,5 1 0,5iLo
o s
VIL F
Δ = ⋅ −⋅
( )_max 1iLo
o s
VI D DL F
Δ = ⋅ −⋅
_max 4i
Loo s
VIL F
Δ =⋅ ⋅
Conversor Buck
Ondulação de tensão em Co:
Coi
t
Cov
t
2sTd ⋅
2sT
Co Loi iΔ = Δ
CovΔ
sT
CoFi
0_max 231
iCo
o o s
VVL C F
Δ =⋅ ⋅ ⋅
2_max31
io
o Co s
VCL V F
=⋅ ⋅ Δ ⋅
Conversor Buck
Filtro de saída (freqüência de ressonância):
D
S a
b
+
-
iV
oL
oVoC oR
12o
o o
FL Cπ
=⋅ 10
soFF ≤
Conversor Buck
Filtro de saída (resistência série equivalente do capacitor):
D
S a
b
+
-
iV
oL
oVoC oR
R
RSE
V
C I
VC+ - + -RV
VCV
_maxRSE CoV I RSEΔ = Δ ⋅
Conversor Buck
Filtro de saída (resistência série equivalente do capacitor):
Exemplo: 1,25oC Fµ=
47oC Fµ=
Calculado em função da ondulação de tensão
Escolhido devido a RSE=2,47 Ω
www.epcos.com
Conversor 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 Buck
Exercício 2) Considerando o circuito abaixo determine: • Ondulação de corrente no indutor; • Corrente máxima no indutor; • Corrente máxima no interruptor e no diodo; • Ondulação de tensão no capacitor; • Freqüência de ressonância do filtro de saída.
Tarefas
Exercício 4) Faça o projeto de um conversor Buck considerando: • Tensão de entrada de 12 V; • Tensão de saída de 5 V; • Carga resistiva de 50 W; • Ondulação de corrente de 10%; • Ondulação de tensão de 1%; • Freqüência de comutação de 50 kHz.
Determine: • Indutância do filtro de saída; • Capacitor do filtro de saída; • Interruptor; • Diodo; • Dissipadores, se necessário.
Tarefas
Primeira etapa de funcionamento: • Interruptor conduzindo; • Diodo bloqueado; • Energia sendo armazenada no indutor.
0 st D T≤ < ⋅
a
b
+
-
iV
iL
oVoC oR
D
S
Conversor Boost
Segunda etapa de funcionamento: • Interruptor bloqueado; • Diodo conduzindo; • Energia armazenada no indutor sendo transferida para saída.
s sD T t T⋅ ≤ <
a
b
+
-
iV
iL
oVoC oR
D
S
Conversor Boost
( )( )1ab o s
s
V V T D TT
= ⋅ − ⋅
( )1ab oV V D= −
a
b
+
-
iV
iL
oVoC oR
D
S
abV
oV
sD T⋅ sT
Conversor Boost
ab iV V=1
io
VVD
=−
1 i
o
VDV
= −
abV
oV
sD T⋅ sT( )1ab oV V D= −
a
b
+
-
iV
iL
oVoC oR
D
S
( )( )1ab o s
s
V V T D TT
= ⋅ − ⋅
Conversor Boost
Elementos passivos:
iLi
i s
VI DL F
Δ = ⋅⋅
o o iCo
o s o
I V VVC F V
−Δ = ⋅⋅
( )21
1i
Lio
VIR D
= ⋅−
Conversor Boost
Exercício 4) Faça o projeto de um conversor Boost considerando: • Tensão de entrada de 5 V; • Tensão de saída de 12 V; • Carga resistiva de 50 W; • Ondulação de corrente de 10%; • Ondulação de tensão de 1%; • Freqüência de comutação de 50 kHz.
Determine: • Indutância do filtro de saída; • Capacitor do filtro de saída; • Interruptor; • Diodo; • Dissipadores, se necessário.
Tarefas
Primeira etapa de funcionamento: • Interruptor conduzindo; • Diodo bloqueado; • Energia sendo armazenada no indutor.
0 st D T≤ < ⋅
DS a
b
-
+
iV oVoC oRoL
Conversor Buck-Boost
Segunda etapa de funcionamento: • Interruptor bloqueado; • Diodo conduzindo; • Energia armazenada no indutor sendo transferida para saída.
s sD T t T⋅ ≤ <
DS a
b
-
+
iV oVoC oRoL
Conversor Buck-Boost
( ) ( )( )1ab i s o s s
s
V V D T V T D TT
⎡ ⎤= ⋅ ⋅ + − ⋅ − ⋅⎣ ⎦
( ) ( )0i s o s sab
s
V D T V T D TV
T⋅ ⋅ − − ⋅ − ⋅
=
DS a
b
-
+
iV oVoC oRoL
Lo abV V=
iV
sD T⋅ sT
oV−
( )1ab i oV V D V D= ⋅ − ⋅ −
Conversor Buck-Boost
1o iDV VD
= ⋅−
1 o
i
VDV
= +
DS a
b
-
+
iV oVoC oRoL
Lo abV V=
iV
sD T⋅ sT
oV−
( )1 0ab i oV V D V D= ⋅ − ⋅ − =
( )1i oV D V D⋅ = ⋅ −
Conversor Buck-Boost
Ganho estático em função da razão cíclica:
0 0,25 0 ,5 0,75 10
2,5
5
7,5
10
D
Vo/Vi
Conversor Buck-Boost
Exercício 4) Faça o projeto de um conversor Buck-Boost considerando: • Tensão de entrada de 2 V; • Tensão de saída de 5 V; • Carga resistiva de 1 W; • Ondulação de corrente de 10%; • Ondulação de tensão de 1%; • Freqüência de comutação de 50 kHz.
Determine: • Indutância do filtro de saída; • Capacitor do filtro de saída; • Interruptor; • Diodo; • Dissipadores, se necessário.
Tarefas
Tabela comparativa dos conversores CC-CC
Conversor Ganho estático Característica
Buck Abaixador
Boost Elevador
Buck-Boost Abaixador/Elevador
Cuk Abaixador/Elevador
Sepic Abaixador/Elevador
Zeta Abaixador/Elevador
o
i
V DV
=
11
o
i
VV D
=−
1o
i
V DV D
=−
1o
i
V DV D
= −−
1o
i
V DV D
=−
1o
i
V DV D
=−