Conversores CC-CC

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Unidade II Conversores CC-CC Em certas aplicaes, algumas vezes necessrio transformar uma tenso cc em outra com magnitude diferente, seja em trens ou metrs onde uma tenso de cerca de 4000V do sistema de distribuio transformada em 300V na alimentao de um motor cc, ou um inversor, ou ento, a partir de 12V alimentar um equipamento de 120V. Em sistemas de corrente alternada esta operao de baixar ou elevar a tenso facilmente feita com um transformador. Em sistemas em cc a situao bem diferente, e requer o uso de um conversor chaveado.

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1

Unidade II Conversores CC-CC

V =

cc cc = V0

Estruturas estticas feitas de chaves ativas e idealmente sem perdas que convertem uma tenso contnua em uma outra com certa magnitude. O dispositivo semicondutor opera a uma freqncia alta, quando comparado com variaes na tenso de entrada. possvel o uso de filtros passa-baixa para retirar componentes indesejveis na tenso devido ao chaveamento.www.dee.ufc.br/~fantunes fantunes@dee.ufc.br 2

Unidade II Conversores CC-CC Os conversores cc-cc so usados em fontes para computadores, TV, vdeos, aplicam-se tambm em trao e carros eltricos. Permitem freios regenerativos com economia de energia em sistemas com freqentes partidas e paradas. Tm ampla aplicao como reguladores de tenso contnua, carregadores de bateria. Aplicados tambm em sistemas para aproveitamento de energias renovveis.

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3

Unidade II Conversores CC-CC Princpio de Operaoi S V i + V0 R v (t)0V

ton t1

toff T t

t1 + t 2 = T

O valor mdio da tenso de sada dado por:

1 t1 V0 = v0 dt = V = t1 fV = kV T 0 T

t1

0 < k iL

VL = V V0 = Li0 L +

I t2

I( ton ) = I( toff )V0 1 T = = V 1 k t off

V

C

V0-

I =

V V0 t2 L

0 < k < 1 V < V0 <

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37

Unidade II Conversores CC-CC Conversor Boost Funo de transfernciaiL

L

D

I0+

Vo/Vcarga

V

S

C

V0-

Conversor boost

2 1

V0 1 T = = V 1 k t off

0.5

1

k

0 < k 0,5. A polaridade da tenso de sada a mesma da tenso de entrada. robusto contra curto-circuito na chave ou na carga.

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42

Unidade II Conversores CC-CC Conversor CC-CC Elevador - Boost Concluses: Transfere energia de uma fonte de menor tenso para outra de maior tenso. Apresenta caracterstica de fonte de corrente na entrada e fonte de tenso na sada.iL

L

D

I0+

i

V

S

C

V0-

carga

=====> I Boost

V

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43

Unidade II Conversores CC-CCiL A LV1

Conversor Boost importncia da indutnciaB+

V AB

V(t) i (t)

L

V1=V2Corrente,

s-

V2

V1=V2

i=0t

VAB(t) i (t)

para V1=V2, ento VAB=0, IL=0. Nenhuma energia armazenada em L

L

iLV1

W1t

V(t) i (t)

V2=2V1r or C e, nt e

i

=t t on off

L

V1< =12V V2 =24V

W2t on-VxV iL = AB t L

V =V1 AB -VAB

t off Vx iL = t L

t

ton-V2

t

off

V1

W1 = W2 Energia armazenada na indutnciawww.dee.ufc.br/~fantunes fantunes@dee.ufc.br

V2 =V1+ V AB44

Unidade II Conversores CC-CCiL A LV1

Conversor Buck importncia da indutnciaB+

V AB

s-

V2

V(t) i (t)

V2=17V1 t =16t offonte ren r Co

L

,i

V1 =12V V2 =204V

V =V1 ABt

V(t) i (t)

V2=4V1 t =3t on offnte rre Co

L

,i

V1 =12V V2 =48V

ton

toff

V =V1 ABt

ton-VAB -V2 V2 =V1+ V ABwww.dee.ufc.br/~fantunes

t

off

V1

-VAB -V2 V2 =V1+ V AB

V145

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Unidade II Conversores CC-CC Conversor Boost - SimulaoiL

L

D

I0+

2mV1 = 0 V2 = 15 =0 24V TD = 100n TF TR = 100n PW = 25u PER = 50u

MUR460

V

S

C

V0-

Load

V2

IRF540

100

20

0

Frequncia de chaveamento = 20kHz L=2mH R=20 V=24V 50 C=100F25

Tenso de Sada

Tenso de entrada

Correnta na indutncia060ms 61ms 62ms 63ms 64ms 65ms 66ms 67ms 68ms 69ms 70ms

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46

Unidade II Conversores CC-CC Clula Cannica Como obter mais uma topologia?

Chave

LV L

LVL

Diodo

ChaveV L

Diodo

Diodo

L

Chave

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Unidade II Conversores CC-CC Conversor CC-CC Abaixador / Elevador ou Buck / Boost DSi0 -

V

L

V0+

carga

i

L

Son =====> Energia armazenada na indutncia. Soff =====> A energia da indutncia transferida para carga. A polaridade da tenso de sada invertida em relao da tenso de alimentao. No h uma conexo direta entre a entrada e a sada do conversor Conversor indireto. Quando a chave S conduz, a corrente aumenta no indutor, e a energia armazenada nele.www.dee.ufc.br/~fantunes fantunes@dee.ufc.br 48

Unidade II Conversores CC-CC Conversor CC-CC Abaixador / Elevador ou Buck / BoostD

i0 -

S

+ L iL

Imax Imin

iL Io t

V

V0+

Imax Imin

is

iD

t t

Chave S fechadaD

-i min

i0 -

-i

max

S

L + iL

iCImax Io

V

V0+

-I ovc

t

-Vmin -Vmax

t-Vc

Chave S aberta Formas de onda

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Unidade II Conversores CC-CC Conversor CC-CC Abaixador / Elevador ou Buck / BoostFuno de Transferncia

di VL = L dtSon=====>I V=L t1V0 = L I t2Vo/V

Soff=====>

3 1 0.5 0.75 1 k

V0 t on k = = V 1 k t off0 < k 0,5. Apresenta caracterstica de fonte de tenso na entrada e na sada.SD

I0i

V

L iL

V0+

carga =====>

V

V

Buck/Boost

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Unidade II Conversores CC-CCConversor Buck-Boost importncia da indutnciasV(t) i (t) V2=-V1rr Co e, nt e

-

L

i

=t t on offV1< =12V V2 =-12V

V1

V

iL

+

V2V1

V(t) i (t)

t

L

V2

iLV1

ton

t

off

W1t

V(t) i (t)

V2=3V1te, en r

=3t t on off

L

i

W2t onV2V iL = 1 t L iL =

V1

r Co

V1 =12V V2 =24Vt

t off V2 t L

t on-V2fantunes@dee.ufc.br

toff

W1 = W2www.dee.ufc.br/~fantunes

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Unidade II Conversores CC-CCConversor Buck-Boost importncia da indutncias-

V2=-16.99V1 V(t) i (t)

t on =16toff

L

V1

V

iL

+

V2V1

nte rre Co

,i

t

ton

V1 -V2

Co r

re

L

nt e,

V(t) i (t)

V2=-1/3V1 t =1/3t off on

toff

i

t

t on

toff-V2

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Unidade II Conversores CC-CCConversor Buck-Boost importncia da indutncias-

(t) iLIL=I0-

V1

V

iL

+

V2

I0=(V1/L).t onV12 V

IL=I2

V1 =V 2V2/L ) .t

0-(

on t on t on t on t on

t off t off t off t off t off58

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Unidade II Conversores CC-CC Conversor Buck-Boost - SimulaoSD

I0IRF540 MUR460

V

L iL

V0+

R24

V1 = 0 V2 = 15 TD = 0 TF = 100n TR = 100n PW = 35u PER = 50u

V3

2m

100u

20

0

Frequncia de chaveamento = 20kHz L=2mH 26.2V R=20 V=24V 0V C=100F k=0,7-40.0V -60.6V

VV0 > V

V025.5ms 26.0ms 26.5ms 27.0ms 27.5ms 28.0ms

25.0ms

Cilco de trabalho=0,7www.dee.ufc.br/~fantunes fantunes@dee.ufc.br 59

Unidade II Conversores CC-CC Conversor Buck-Boost - SimulaoSD

I0IRF540 MUR460

V

L iL

V0+

R24

V1 = 0 V2 = 15 TD = 0 TF = 100n TR = 100n PW = 15u PER = 50u

V3

2m

100u

20

0

Frequncia de chaveamento = 20kHz L=2mH 40V R=20 20V V=24V C=100F k=0,4 0V-20V25.0ms 25.5ms 26.0ms 26.5ms 27.0ms

V0 < V

27.5ms

28.0ms

Resultado de simulao para k=0,4www.dee.ufc.br/~fantunes fantunes@dee.ufc.br 60

Unidade VI Conversores CC-CC Caracterstica dos Conversoresis S i0 L + D i carga

V

V0-

=====> Buck

V

I

iL

L

D

i0+

i

V

S C

V0-

carga

=====> Boost

I

V

S

D

i0-

i

V

L

V0+

carga

iL

=====> V Buck/Boost

V

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Unidade II Conversores CC-CC Conversor Ckis L1+ C1 -

L 2

V

S

D

C

2 +

V0

I0

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fant