Conversores CC-CC

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[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes 1 Unidade II Conversores CC-CC Em certas aplicações, algumas vezes é necessário transformar uma tensão cc em outra com magnitude diferente, seja em trens ou metrôs onde uma tensão de cerca de 4000V do sistema de distribuição é transformada em 300V na alimentação de um motor cc, ou um inversor, ou então, a partir de 12V alimentar um equipamento de 120V. Em sistemas de corrente alternada esta operação de baixar ou elevar a tensão é facilmente feita com um transformador. Em sistemas em cc a situação é bem diferente, e requer o uso de um conversor chaveado.

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Unidade II Conversores CC-CC

• Em certas aplicações, algumas vezes é necessário transformar uma tensão cc em outra com magnitude diferente, seja em trens ou metrôs onde uma tensão de cerca de 4000V do sistema de distribuição é transformada em 300V na alimentação de um motor cc, ou um inversor, ou então, a partir de 12V alimentar um equipamento de 120V.

• Em sistemas de corrente alternada esta operação de baixar ou elevar a tensão é facilmente feita com um transformador. Em sistemas em cc a situação é bem diferente, e requer o uso de um conversor chaveado.

Page 2: Conversores CC-CC

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Unidade II Conversores CC-CC

• Estruturas estáticas feitas de chaves ativas e idealmente sem perdas que convertem uma tensão contínua em uma outra com certa magnitude.

• O dispositivo semicondutor opera a uma freqüência alta, quando comparado com variações na tensão de entrada.

• É possível o uso de filtros passa-baixa para retirar componentes indesejáveis na tensão devido ao chaveamento.

cc

ccV V0= =

Page 3: Conversores CC-CC

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• Os conversores cc-cc são usados em fontes para computadores, TV, vídeos, aplicam-se também em tração e carros elétricos.

• Permitem freios regenerativos com economia de energia em sistemas com freqüentes partidas e paradas.

• Têm ampla aplicação como reguladores de tensão contínua, carregadores de bateria.

• Aplicados também em sistemas para aproveitamento de energias renováveis.

Unidade II Conversores CC-CC

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Unidade II Conversores CC-CC

• O valor médio da tensão de saída é dado por:

Princípio de Operação

kVfVtVTtdtv

TV

t

==== ∫ 11

000

11

V0 10 0 <<⇒<< Vk

V

tt1 T

v0

R

S

V

ii

V0

+

-

ton toff

(t)

Ttt =+ 21

Page 5: Conversores CC-CC

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kVV0 =

R

S

V V0

+

-

Ttk 1=

v (t)

V

tT

v0

ton toff

(t)

V0

t1

V

tt1 T

v0

ton toffV

0

(t)

vV

tT

0

ton

toff(t)

V0

t1

k=0,9

k=0,75

V

tt1 T

0

ton toffV

0 k=0,5

k=0,25

Unidade II Conversores CC-CC

Page 6: Conversores CC-CC

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Unidade II Conversores CC-CC

• A tensão de saída é uma amostra chaveada da tensão de entrada.

• A tensão e a corrente de saída apresentam uma grande quantidade de ripple.

• A alta freqüência de chaveamento causa interferência conduzida e irradiada.

• Esta estrutura tem pouca aplicação devido a grande quantidade de harmônicos na tensão de saída.

Princípio de Operação

R

S

V

ii

V0

+

-

V

tt1 T

0

ton toffV

0 k=0,5

Page 7: Conversores CC-CC

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Unidade II Conversores CC-CC

Princípio de Operação

R

S

V

ii

V0

+

-

V

tt1 T

0

ton toffV

0 k=0,5

kVfVtVTtdtv

TV

t

==== ∫ 11

000

11

RVk

RkV

RVI === 0

0

RVkdt

Rv

T1dtiv

T1P

2t

0

20

t

0000

11

=== ∫∫

•A potência da saída varia proporcionalmente ao quadrado do ciclo de trabalho k.•Controlando-se o valor de k controla-se a potência fornecida à carga

Page 8: Conversores CC-CC

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Unidade II Conversores CC-CC

Resistência vista pela fonte.

R

S

V

ii

V0

+

-

RV

i

+

-

médio

i

kR

RkVV

IVRmedio

i ===/

• A operação da chave faz com que a tensão de entrada veja o conversor como uma resistência variável, e inversamente proporcional a k. 0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100

Cilco de trabalho, k (%)

Ri(

%)

Page 9: Conversores CC-CC

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cc

ccV=200V V0= = =150V

I=15A =20AI0

R

S

200V

20A15A

150V

Impossível

Mais elementos são necessários

Unidade II Conversores CC-CC

Page 10: Conversores CC-CC

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Unidade IIConversores CC-CC

• Idealmente o conversor apresenta tensão e corrente sem ripple• Há uma queda de tensão no elemento série• A diferença entre as correntes de entrada e de saída é

proporcionada pelo elemento paralelo.• Os elementos são sem perdas - A potência absorvida pelo

elemento série é fornecida pelo elemento paralelo.

O Conversor Genérico

V V0

ElementoSérie

ElementoParalelo

I=15A Io=20A

I=5A

=200V =150V

Page 11: Conversores CC-CC

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V V0

?I

?

in I0Ish

• Quais dispositivos podem estar sob tensão média ou corrente média não nula sem dissipar or armazenar energia?

Chaves

Unidade IIConversores CC-CC

Page 12: Conversores CC-CC

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Unidade II Conversores CC-CC

• Chaves são os únicos elementos que podem estar submetidos a uma tensão média diferente de zero ou conduzir uma corrente média não nula sem dissipar energia.

• Logo, os elementos série e paralelo devem ser chaves.

O Conversor Genérico

V V0

I=15A Io=20A

I=5A

=200V =150V

S 1

S 2

+ -

+

-

-

-

+ +

- -

Page 13: Conversores CC-CC

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Unidade IIConversores CC-CC

• Um filtro capacitivo (C) ideal elimina o ripple na tensão.• Um filtro indutivo (L) ideal elimina o ripple na corrente.

Unidades de Filtro

V V0

I=15A Io=20A

I=5A

=200V =150V

S 1

S 2

+ -

+

-

-

-

+ +

- -

CL

Page 14: Conversores CC-CC

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Unidade II Conversores CC-CC

• O fluxo de energia pode ser em ambas as direções dependendo da estratégia de controle das chaves.

• S1 e S2 operam de maneira complementar.• O arranjo S1, S2 e L (ligadas a um ponto comum) forma

uma célula canônica.

Topologia Generalizada

V V0S

Iin I0

Ish1 S2

LC

+

-

+

-

Page 15: Conversores CC-CC

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Unidade IIConversores CC-CC

• Conversor abaixador ou conversor buck;• Conversor elevador ou conversor boost;• Conversor abaixador-elevador ou conversor buck-boost;• Conversor cc operando em quatro quadrantes (H-Bridge);• Conversor Cúk.

Tipos Básicos de Conversores cc-cc

Page 16: Conversores CC-CC

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Unidade II Conversores CC-CC

• V0= kV , 0<k<1• S é uma chave que opera em alta frequência (MOSFET,

IGBT).• D é comumente chamado de diodo de roda livre• T é o período de chaveamento• f é a frequência de chaveamento• k=t1/T é o ciclo de trabalho

Conversor Abaixador ou Conversor Buck

kVfVtVTtdtv

TV

t

==== ∫ 11

000

11LCarga

DV

is iL

V0

+

-

S

Page 17: Conversores CC-CC

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Após t1 (quando a corrente atinge Imax), a chave abre. O valor de Imax é:

A energia armazenada na indutância em t= t1 é

A indutância L absorve energia (volts-segundos) durante o tempo t1 em que a chave está ligada. A corrente através da indutância cresce a uma taxa constante dada por :

Unidade II Conversores CC-CC

Lt)VV(i 0−

=

LtVVI 1

0max )( −=

Conversor Abaixador - Princípio de Funcionamento

t1 t 2

A+

A-

V-V0

V0

I max

0

2maxLI

21W =

Chave S conduzindo

is i

LDV

L

V0

+

-

S+ -

Page 18: Conversores CC-CC

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Quando a chave abre, e a tensão na indutância cai para o valor constante V0, pela condução do diodo de roda livre.A corrente cai numa taxa constante dada por:

Unidade II Conversores CC-CC

LtVii 0

max −=

Conversor Abaixador - Princípio de Funcionamento

t1 t 2

A+

A-

V-V0

V0

I max

0

A corrente eventualmente cai a zero num tempo t2 quando a indutância transferiu toda sua energia para carga, e novo processo pode ser iniciado.

0

102

2010

Vt)VV(t

tVt)VV(AA

−=

=−−=+

Chave S não conduzindo

iLi

LV V0

+

-D

s

S - +

Page 19: Conversores CC-CC

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Chave em condução

t

is

V

tton T

vD

tT

Imin

iImax

Son Soff

Tensão de saídaL

Corrente na indutância

Son

T Corrente da fonteDiodo em condução

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor Buck - Operação em Alta Freqüência

LDV V0

+

-

S+ -

LV V0

+

-D

s

S - +

Page 20: Conversores CC-CC

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• A chave operando em alta freqüência, a corrente na indutância varia entre Imax para Imin, com valor médio:

• Enquanto a corrente de carga écontínua variando em torno de um valor médio, a corrente da fonte écomposta pulsos. O valor médio dos pulsos de entrada é:

Unidade II Conversores CC-CC

2/)II(I minmax0 +=

Conversor Buck - Operação em Alta Freqüênciai

i

L

DV

s 0

V0

+

-

i

L

0

V0

+

-

Chave S ligada Chave S desligadav

Vt

t 1 t 2

0

S on Soff

Tensão de saída

t

T

I min

i

I max

0

Corrente de saída

t

i s

Son

T Corrente na chave

I0

TtII 1

0smed=

Page 21: Conversores CC-CC

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Unidade II Conversores CC-CC

Conversor Abaixador – Função de transferência

0VV

smedII

I0VsmedVI

0

0

=

=

1 k

1

Vo/V

ksmedII

Ttk

V

V

1

0

0

1

=

==⇒==== ∫ kVfVtV

Ttdtv

TV

t

11

000

11

• Partindo-se da lei da conservação de energia, a energia que entra no conversor é a mesma que sai, então:

•O conversor pode ser considerado como um transformador de corrente contínua onde o ciclo de trabalho k é equivalente à relação de transformação em corrente alternada.

Page 22: Conversores CC-CC

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• Ripple na Corrente de Saída:

• A presença do filtro L garante um menor ripple na corrente de saída.

• O ripple varia em proporção inversa ao valor de L e f.

• Para se ter um L pequeno, aumenta-se o valor da freqüência f.

Unidade II Conversores CC-CC

LfkkV

LkkTVI

LVVtI

VVtILVL

)1()1(

01

01

−=

−=∆

−=∆

−=∆

=

Conversor CC-CC Abaixador - Buck

t

t

t

t

t

VvD

i L

i S

i C

i oI

im a xim in

i m a xi m in

im a x

im in

i oi o

--

k T T

0

L

IoDV

is iL

V0

+

-

SC

Page 23: Conversores CC-CC

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• Quanto maior o valor da indutância menor o ripplena corrente de saída.

• Para um determinado valor de ripple ∆I, quanto maior o valor de f menor o valor requerido para L.

LfkVkI )1( −

=∆

tT

Imin

i

I max

L

Ripple na corrente da indutância

ILmed

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor Buck – Ripple na corrente da indutância

Page 24: Conversores CC-CC

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28)1(

LCfkVkVC −

=∆

V

tt11 T

V(t)

tTImin

iImax

SonS

off

Tensão de saída

L

Corrente na indutância

∆I

tT

i(t)

Correntes na carga e capacitorICmin

I Cmax

V0D

I Lav

I0

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor Buck – Ripple na tensão de saída

LRDV

isi0S

V0

+

-

C

ic

iL

•A presença do capacitor C0 garante um menor ripple na tensão de saída.

•O ripple varia em proporção inversa ao valor de C0 e f.

•Para se ter um C0 pequeno, aumenta-se o valor da frequência f.

Page 25: Conversores CC-CC

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• Conclusões:– Variações na corrente de carga são limitadas pelo

indutor– A condução de corrente da fonte e descontínua– A tensão de saída conserva a polaridade da tensão

de entrada– Deve ser protegido contra curto circuito no diodo de

roda livre.– Quanto maior a frequência de chaveamento e a

indutância na saída, menor o ripple na corrente de carga.

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor CC-CC Abaixador - Buck

Page 26: Conversores CC-CC

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• Conclusões:– É desejável operação em alta freqüência para

valores reduzidos de indutância e capacitância.– Transfere energia de uma fonte de maior tensão para

outra de menor tensão.– Apresenta característica de fonte de tensão na

entrada e fonte de corrente na saída.

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor CC-CC Abaixador - Buck

V

i

I=====>Buck

L

DV

is i0

V0

+

-

S

Page 27: Conversores CC-CC

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Lcarga

DV

is iL

V0

+

-C

•Frequência de chaveamento = 20kHz•L=200µΗ•R=5Ω•V=24V•C=1pF (muito pequeno)

100us 120us 140us 160us 180us 200us 220us 240us 260us 280us 300us0

1020

0A

2.0A

4.0A

0A

-8.0ACorrente na bateria

Corrente na indutância

Corrente na carga*3

1p24V V1TD = 0TF = 100n

PW = 25uPER = 50u

V1 = 0

TR = 100n

V2 = 15 5Ω

IRF540

0

200u

MUR460

Tensão na carga

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor Buck - Simulação

Page 28: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 28

16.00ms 16.05ms 16.10ms 16.15ms 16.0ms 16.25ms 16.30ms 16.35ms 16.40ms 16.45ms0

20

0A

2.0A

4.0A

-7.5A-5.0A

-2.5A0A

Lcarga

DV

is iL

V0

+

-C

•Switching Frequency = 20kHz•L=200µH•R=5Ω•V=24V•C=500µF

500u24V V1TD = 0TF = 100n

PW = 25uPER = 50u

V1 = 0

TR = 100n

V2 = 15 5Ω

IRF540

0

200u

MUR460

Corrente na bateria

Corrente na indutância

Corrente na carga*3 Tensão na carga

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor Buck - Simulação

Page 29: Conversores CC-CC

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L

VL

Como este arranjo tem característica abaixadora?

Chave

Diodo

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor Buck – importância da indutância

Page 30: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 30

t

VAB(t)

-V2

tL

VVi 21L

−=

i

V1

Lis iL+

-V2

-V2V1

ton toff

L

tLVi 2

L−

=

iL(t)

=24V

21 WW −=

1W

2W

Corrente,

i

ton toff

t

-V2V1

=2V2V1

-V2

ton=toffV(t)iL(t)

Corrente, i

ton toff

t

-V2V1

=4/3V2V1

-V2

ton=3toffV(t)iL(t)

V1

=12VV2

=24VV1

=18VV2

s A B

VAB

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor Buck – importância da indutância

Page 31: Conversores CC-CC

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• k=t1/T é o ciclo de trabalho• O ciclo de trabalho, k varia entre 0 a 1 variando-se t1, T (ou f).

Consequentemente a tensão de saída V0 pode variar de 0 a V.• O controle de k é obtido por técnicas de modulação• Modulação da Largura do Pulso (PWM)

Unidade II Conversores CC-CC

Técnicas de Modulação

O período de chaveamento T(f) permanece constante e a largura do pulso t1 (intervalo em que a chave permanece conduzindo) varia para se obter o valor de k desejado, ou seja, tem-se t1 como variável de controle.

t

t

t

VvD

t T

V 0K <0,5

K =0,5

K>0,5

V 0

V 0

1

Page 32: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 32

kVV0 =

Ttk 1=

v (t)

V

tT

v0

ton toff

(t)

V0

t1

V

tt1 T

v0

ton toffV

0

(t)

vV

tT

0

ton

toff(t)

V0

t1

k=0,9

k=0,75

V

tt1 T

0

ton toffV

0 k=0,5

k=0,25

LS

DV

isi0

V0

+

-

C0

Unidade II Conversores CC-CC

Técnica de Modulação PWM

Page 33: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 33

• Modulação da Frequência do Pulso (PFM)• Neste método, t1 é mantido constante e a freqüência com

que é aplicado varia de acordo com o valor desejado de k. Neste caso a freqüência de chaveamento é a variável de controle.

Unidade II Conversores CC-CC

Técnicas de Modulação

A técnica PWM é mais utilizada pelo fato de operar com freqüência constante, o que facilita o projeto de filtros.

t

t

t

VvD

T

V 0K<0,5

K=0,5

K>0,5

V 0

V 0

1

T2

T3

Page 34: Conversores CC-CC

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L

VL

Célula Canônica

Como obter outra topologia?

Chave

Diodo

L

VL

Chave

Diodo

Page 35: Conversores CC-CC

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• Quando a chave S conduz, a corrente aumenta armazenando energia na indutância.

• Quando a chave S é aberta, D é diretamente polarizado, e a energia armazenada na indutância é transferida para carga.

• A tensão de saída será a soma da tensão de alimentação com o valor de tensão na indutância.

• Para S em condução:

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor CC-CC Elevador - Boost

1L t

ILVV ∆==

1tLVI =∆

• Para S aberta:

20L t

ILVVV ∆=−=

Como Vo é maior que V tem-se uma tensão negativa aplicada sobre o indutor provocando um decrescimento em sua corrente.

L Di

LoadSV

L i0

V0

+

-

Page 36: Conversores CC-CC

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Chave S em condução

Chave S bloqueada t

vC

kT T

t

t

iL

iRI

Imin

t

iSi2i1

o

Io

t

iC

io

Formas de onda

Vmin

Vmax Vo

DL

SV

i L Imax

-Imax Io

S

D I0

V0

+

-

L

V

i L

V0

+

-

I0

+-

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor Boost – Princípio de operção

Page 37: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 37

Unidade II Conversores CC-CC

20 t

LVVI −

−=∆

Conversor Boost – Função de transferência

1L t

ILVV ∆==

1tLVI =∆

20L t

ILVVV ∆=−=

off

0

tT

k11

VV

=−

=

Son=====>

Soff=====>

∞<<⇒<< 0VV 1k0

L

V

iL

L

V

i L i0

V0

+

-

C

)toff(I)ton(I ∆−=∆

Page 38: Conversores CC-CC

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1 k

2

Vo/V

0.5

1

off

0

tT

k11

VV

=−

=

∞<<⇒<< 010 VV k

L

cargaS

D

V

iL I0

V0

+

-

C

Conversor boost

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor Boost – Função de transferência

Page 39: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 39

fLkVI =∆

t

iL

Imin Io

Imax

L

cargaS

D

V

iL I0

V0

+

-

C

Conversor boost

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor Boost – ripple na corrente da indutância

Page 40: Conversores CC-CC

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fCkIVc

0=∆tkT T

Vmin

Vmax Vo

L

cargaS

D

V

iL I0

V0

+

-

C

Conversor boost

vC

(t)

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor Boost – ripple na tensão de saída

Page 41: Conversores CC-CC

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Unidade II Conversores CC-CC

Conversor Boost - ripple• Ripple nos filtros

• Ripple na indutância de entrada:

• O ripple na corrente de entrada varia em proporção inversa ao valor de L e f.

• Para se ter um L pequeno, aumenta-se o valor da freqüência f.• Ripple de tensão na capacitância de saída:

• A presença do capacitor C garante um menor ripple na tensão de saída.• O ripple varia em proporção inversa ao valor de C0 e f.• Para se ter um C pequeno, aumenta-se o valor da freqüência f.

fLkVI =∆

1tLVI =∆

L

S

D

V

iL i0

V0

+

-

C

fCkIV 0

c =∆

Page 42: Conversores CC-CC

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• Conclusões:– O conversor Boost pode elevar uma tensão sem auxílio de um

transformador– Apresenta condução contínua na corrente da fonte– Altos picos de corrente na chave durante t1– A tensão de saída apresenta difícil regulação para k>0,5.– A polaridade da tensão de saída é a mesma da tensão de

entrada.– É robusto contra curto-circuito na chave ou na carga.

Unidade IIConversores CC-CC

Conversor CC-CC Elevador - Boost

Page 43: Conversores CC-CC

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• Conclusões:– Transfere energia de uma fonte de menor tensão para

outra de maior tensão.– Apresenta característica de fonte de corrente na

entrada e fonte de tensão na saída.

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor CC-CC Elevador - Boost

V

i

I=====>Boost

L

cargaS

D

V

iL I0

V0

+

-

C

Page 44: Conversores CC-CC

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t

VAB(t)

-Vx

tL

Vi ABL =

i

V1

LiL+

-V2

ton toff

L

tLVi x

L−

=

iL(t)

21 WW −=

1W

2W

Energia armazenada na indutância

s

A B

=V2V1

=V1VAB

Corrente, i=0t

V(t)iL(t)

=V2V1

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

Corrente,

i

ton toff

t

=2V1V2

-V2

ton=toffV(t)iL(t)

VAB

V1

-VAB

=V1+V2 VAB

=24VV2=12VV1<

V1

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor Boost – importância da indutância

Page 45: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 45

V1

LiL+

-V2s

A B

=V1VAB

Corrente, i

ton toff

t

=4V1V2

-V2

ton=3toffV(t)iL(t)

VAB

V1

-VAB

=V1+V2 VAB

=48VV2=12VV1

=V1VAB

Corrente, i

ton t

t

=17V1V2

-V2

ton=16toffV(t)iL(t)

V1-VAB

=204VV2=12VV1

=V1+V2 VAB

off

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor Buck – importância da indutância

Page 46: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 46

60ms 61ms 62ms 63ms 64ms 65ms 66ms 67ms 68ms 69ms 70ms0

25

50 Tensão de Saída

Tensão de entrada

Correnta na indutância

L

LoadS

D

V

iL

I0

V0

+

-

C IRF54024V V2TD = 0TF = 100n

PW = 25uPER = 50u

V1 = 0

TR = 100n

V2 = 15

MUR4602m

20Ω100µ

0

•Frequência de chaveamento = 20kHz•L=2mH•R=20Ω•V=24V•C=100µF

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor Boost - Simulação

Page 47: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 47

L

VL

Célula Canônica Como obter mais uma topologia?

Chave

Diodo

L

VL

Chave

Diodo

LVL

Chave Diodo

Unidade II Conversores CC-CC

Page 48: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 48

• Son =====> Energia é armazenada na indutância.• Soff =====> A energia da indutância é transferida para carga.• A polaridade da tensão de saída é invertida em relação à da tensão de

alimentação.• Não há uma conexão direta entre a entrada e a saída do conversor -

Conversor indireto.• Quando a chave S conduz, a corrente aumenta no indutor, e a energia

é armazenada nele.

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor CC-CC Abaixador / Elevador ou Buck / Boost

Lcarga

S D

V

iL

i0

V0

+

-

Page 49: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 49

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor CC-CC Abaixador / Elevador ou Buck / Boost

Chave S fechada

Chave S aberta

Formas de onda

LiL

S

V

D i0

V0

+

-+

-

LiL

S

V

D i0

V0

+

-

+

-

t

t

t

t

vc

iL

-I o

is

Iot

iD

-Vc

-i

-i min

max

Imin

iC

-Vmin-Vmax

Imax

-Imax Io

Imin

Imax

Page 50: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 50

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor CC-CC Abaixador / Elevador ou Buck / Boost

dtdiLVL =

Son=====>

Soff=====>

∞<<⇒<< 0V0 1k0

1tILV ∆

=

20 t

ILV ∆−=

off

on0

tt

k1k

VV

−=−

−=1 k

3

Vo/V

0.5

1

0.75

Função de Transferência

Page 51: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 51

• Ripple nos elementos de filtro

• Ripple de corrente na indutância:

• Ripple de tensão na capacitância:

Unidade II Conversores CC-CC

fLkVI =∆

Conversor CC-CC Abaixador / Elevador ou Buck / Boost

fCkIV 0

c =∆

L carga

S D

V

iL

I0

V0

+

-

Page 52: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 52

Ripple na corrente da indutância

fLkVIL =∆

Lcarga

S D

V

iL

I0

V0

+

-

iL

IoImin

Imax

I0

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor CC-CC Abaixador / Elevador ou Buck / Boost

Page 53: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 53

Lcarga

S D

V

iL

I0

V0

+

-

fCkIVc

0=∆ t

vc

-Vc

-Vmin-Vmax

Ripple na tensão do capacitor

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor CC-CC Abaixador / Elevador ou Buck / Boost

Page 54: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 54

• Conclusões:– A tensão de saída pode, teoricamente variar entre (0 e

∝), dependendo do valor de k.– A polaridade da tensão de saída é invertida em relação

à da entrada.– Em caso de falha na chave a corrente de curto é

limitada pela indutância.– A corrente de entrada é descontínua, logo, altos picos

de corrente circulam pela chave.

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor CC-CC Abaixador / Elevador ou Buck / Boost

Page 55: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 55

• Conclusões:– A tensão de saída será buck ou boost dependendo do

ciclo de trabalho. O conversor será abaixador para k < 0,5 e ser elevador para k > 0,5.

– Apresenta característica de fonte de tensão na entrada e na saída.

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor CC-CC Abaixador / Elevador ou Buck / Boost

=====>Buck/Boost

L carga

S D

V

iL

I0

V0

+

-

V

i

V

Page 56: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 56

t

V(t)

V2

tLVi 1

L =

i

V1 iL +

-V2

ton toff

L

tLVi 2

L−

=

iL(t)

21 WW −=

1W

2W Corrente, i

ton toff

t

V1

=3V1V2

-V2

ton=3toffV(t)iL(t) =12VV1

=24VV2

s

VCorre

nte, i

ton toff

t

=-V1V2

V2

ton=toffV(t)iL(t)

=-12VV2=12VV1<

V1

V1

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor Buck-Boost – importância da indutância

Page 57: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 57

V1 iL +

-V2

s

V

V1

Corre

nte,

i

ton toff

t

=-1/3V1V2

-V2

ton=1/3toffV(t)iL(t)

Corrente, i

ton t

t

=-16.99V1V2

-V2

V(t)iL(t)

off

V1

=16toffton

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor Buck-Boost – importância da indutância

Page 58: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 58

V1 iL +

-V2

s

V

IL=(V1/L

).t

V1>V2

V1=V2

V1<V

2

IL=I0-(V2/L).t

IL=I0-(V2/L).t

ton toffton toff

ton toffton toff

I0=(V1/L).ton

ton toff

iL(t)

Quanto maior for k, maior a taxade mudança de IL durante toff.

Quanto maior for k, maior a taxade mudança de IL durante toff, maior será V2.

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor Buck-Boost – importância da indutância

Page 59: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 59

L R

S D

V

iL

I0

V0

+

-

•Frequência de chaveamento = 20kHz•L=2mH•R=20Ω•V=24V•C=100µF•k=0,7

Cilco de trabalho=0,7

VV >0

25.0ms 25.5ms 26.0ms 26.5ms 27.0ms 27.5ms 28.0ms

-40.0V

0V

-60.6V

26.2V

V0

V

24 100uV3TD = 0TF = 100n

PW = 35uPER = 50u

V1 = 0

TR = 100n

V2 = 15 20

MUR460

2m

0

IRF540

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor Buck-Boost - Simulação

Page 60: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 60

-20V

0V

20V

40V

25.0ms 25.5ms 26.0ms 26.5ms 27.0ms 27.5ms 28.0ms

L R

S D

V

iL

I0

V0

+

-

Resultado de simulação para k=0,4

VV <0

24 100uV3TD = 0TF = 100n

PW = 15uPER = 50u

V1 = 0

TR = 100n

V2 = 15 20

MUR460

2m

0

IRF540

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor Buck-Boost - Simulação

•Frequência de chaveamento = 20kHz•L=2mH•R=20Ω•V=24V•C=100µF•k=0,4

Page 61: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 61

Unidade VI Conversores CC-CC

Característica dos Conversores

Lcarga

S D

ViL

i0

V0

+

-

L

cargaS

D

V

iL i0

V0

+

-

C

Lcarga

SDV

isi0

V0

+

-V

i

I

V

i

I

=====>

=====>

=====>

Buck

Boost

Buck/BoostV

i

V

Page 62: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 62

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor Cúk

L 1 L 2i

S D V 0

+

-

s

V

+ -C 1

C 2

I 0

Page 63: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 63

Unidade II Conversores CC-CC

Conversor CúkL 1 L 2i

S D V 0

+

-

s

V

+ -C 1

C 2

I 0

Chave S em condução:

•A indutância L1 carrega e capacitor C1 polariza inversamente D

•O capacitor C1 descarrega sua energia através de C2, carga e L2. Logo, C2 e L2 carregam.

+

+

Page 64: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 64

Unidade iIConversores CC-CC

Conversor Cúk

Chave S em bloqueio:

•O capacitor C1 é carregado pela fonte e pela energia armazenada em L1 através de D (L1 descarrega).

•L2 descarrega, transferindo energia para carga através de D.

L 1 L 2i

S D V 0

+

-

s

V

+ -C 1

C 2

I 0

+

+

Page 65: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 65

off

on

tt

kk

VV

−=−

−=1

0

off

ons

tt

kk

II

−=−

−=10

L 1 L 2i

S D V 0

+

-

s

V

+ -C 1

C 2

I 0•A chave S e o diodo D operam complementarmente.

•C1 é o meio de transferência de energia da fonte para a carga.

Unidade iIConversores CC-CC

Conversor Cúk

Page 66: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 66

Unidade II Conversores CC-CC

Característica dos Conversores

LCarga

SDV

isi0

V0

+

-V

i

I=====>Buck

L

CargaS

D

V

iL i0

V0

+

-C V

i

I=====>Boost

LCarga

S D

ViL

i0

V0

+

-

V

i

V=====>Buck/Boost

I

I=====>Cúk

CargaS DV

L

V0+

-

i0

1 L2

C

is

Page 67: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 67

Unidade II Conversores CC-CC

Conversores cc-cc de Dois Quadrantesis

D1

D2

S1

S2V

ioRLE

Chopper de dois quadrantes

Operação no primeiro quadrante

is

D2

S1V

ioRLE

Operação no segundo quadrante

is D1

S2V

ioRLE

is

D2

S1V

ioRLE

is D1

S2V

ioRLE

A combinação de operação das chaves (diodos e transistores) determina se o conversor será abaixador ou elevador.O conversor será abaixador quando S1conduz durante t1, transferindo energia da fonte para a carga. Quando S1 abre, a corrente de carga, que é indutiva, circulará por D2. Em ambas as situações a tensão e a corrente na carga são positivas.O conversor elevador é composto pela operação de S2 e por D1 durante o tempo em que S2 permanece aberta. Neste modo, quando S2 está conduzindo e é comandada a bloquear, a corrente da carga é transferida para o diodo D1, havendo regeneração de energia.

Page 68: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 68

Há várias possibilidades de operação.1- S1 e S4 estão ligadas, tensão positiva é aplicada à carga aumentando a corrente de carga no sentido positivo.2- Se S1 ou S4 é desligada, D2 ou D3 conduz, fazendo com que a corrente decresça na mesma direção positiva.3- S1 e S4 estão ligadas e conduzindo, e são comandadas a bloquear, a corrente indutiva regenerará para fonte através de D1 e D4.

É importante ressaltar que o funcionamento da estrutura está relacionado com o tipo de carga entre A e B e a estratégia de comando das chaves.

Unidade II Conversores CC-CC

Conversores cc-cc de Quatro Quadrantes

V+

-

S S

SS

1

4

3

2

D

D D

D1

4

3

2

R L E

A B

Page 69: Conversores CC-CC

[email protected]/~fantunes 69

Regenerando carga ativaS1 e S4 estando conduzindo e são comandados a bloquear. A corrente de carga é transferida para D2 e D3 , havendo regeneração da energia armazenada na indutância. Deve-se observar que, mesmo havendo sinal de base ativo, as chaves S2 ou S3 não podem conduzir enquanto a corrente estiver circulando por D2 e D3. Tornando-se nula a corrente por D2 e D3 ,a energia armazenada em E é dissipada em R, circulando por S2 e D4. Comandando-se S2 a abrir, a energia de E é regenerada para fonte através de D1 e D4.

O conversor de 4-Q permite o fluxo de energia entre carga e fonte em qualquer direção pelo controle de k e escolha das chaves. É um conversor extremamente versátil.

Unidade II Conversores CC-CC

Conversores cc-cc de Quatro Quadrantes

V+

-

S S

S S

1

4

3

2

D

D D

D1

4

3

2

R L E

A B