Curso Fonte Chaveada_02_2008

5/10/2018 Curso Fonte Chaveada_02_2008 - slidepdf.com

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Sistemas de alimentação



Fontes primárias de Corrente Alternada (CA)

Fontesprimárias

Frequência Tensão

Européia 50Hz 220, 230V (175-265V)

Amer./Jap. 60, 50Hz 110, 100V (85-135V)

Universal 50-60Hz 110-230V (85-265V)

Aviação 400Hz 115V (80-165V)



Sistema de alimentação com reguladoreslineares

Poucos componentes.

Robustos Não geram EMI e RFI

Pesados e volumosos

Baixo rendimento



Comparação entre fontes lineares e chaveadas

Chaveada Linear

Relação

Potência/Peso

30 a 300W/kg 10 a 30W/kg

Relação

Potência/Volume

50 a 300W/l 20 a 50W/l

“Ripple”da tensão de

saída

1% 0,1%

EMC Importante Desprezíveis

Rendimento 65 a 90% 35 a 55%



Revisão dos conversores c.c./c.c

Conversores sem isolamento elétrico:1.Buck2.Boost3.Buck-Boost

Conversores com isolamento elétrico:1.Flyback2.Duplo Flyback3.Forward4.Duplo Forward



Revisão de Fundamentos de Circuitos

Como calcular a relação entre as variáveis elétricas?

Vamos recordar as propriedades dos indutores e capacitores emcircuitos elétricos em regime permanente:

• A tensão média em indutor é nula.

• A corrente média em um capacitor é nula.

Caso contrario, a corrente no indutor e a tensão no capacitor cresceriam indefinidamente (não

estaríamos em regime permanente).

vL = 0

+

-

Circuito em

regime

permanente iC = 0



Revisão de Fundamentos de Circuitos

Na forma de onda da tensão em um indutor “a soma dosprodutos volts·segundos = 0”

vL = 0

+

-

Circuito emregime

permanente

iL

Td·T

t

t

iL

Comando

vLt

-

+

Áreas iguais



1. Análise do conversor Buck Modo de condução contínuo

Hipóteses:

•

A tensão de saída Vo é constante durante um ciclo dechaveamento.

• A corrente no indutor é sempre maior que zero.

Td·T

t

t

t

t

iS

iD

iL

Comando

iS iL

iDE

VO

iD= iL VO-+

iS= iL

E VO

+-

Durante D·T

Durante (1-D)·T



2. Análise do conversor Buck

•

Tensão média nula no indutor

T

D·T

t

t

iL

Comando

vL

t-

+E- VO

IO

- VO

(E- VO)·D·T - VO·(1-D)·T = 0 VO = D·E

•

Corrente média nula no capacitor

+

-

vL

E

iO vO

+

-

iLiC R

IL = IO = VO/R




• Aplicação do balanço de potências

IS = IO·VO/E IS = IO·D

• Corrente média no diodo

ID = IL - IS ID = IO·(1-D)

VS max = VD max = E

vO

+

-E

iO

R

iS

iL

iD

+

-vS

vD

+

-

•

Tensões máximas

TD·T

t

tiS

iD

IS

ID




O conversor “buck” pode ser visto como um

transformador de corrente contínua

VO = E·D

IO = Is/D

Transformador ideal de corrente continua

E vO

+

-R

iOis

1 : D



E·D·T + (E- VO)·(1-D)·T = 0 VO = E/(1-D)• Balanço volts·segundos

VS max = VD max = VO= E/(1-D)•

Tensões máximas

iL iD

iSE

vO

1. Análise do conversor Boost Modo de condução contínuo



iL

iD

iSE vO

R

iO

TD·T

t

t

t

t

iS

iD

iL

Comando

IL

IS

IDIL = IO·VO/E IL = IO/(1-D)

• Corrente média por diodoID = IO = VO/R

• Corrente media no transistorIL = ID + IS Is = IO.D/(1-D)

• Balanço de potência

2. Análise do conversor Boost



O curto-circuito e sobrecarga noconversor Boost

E R

Este caminho de circulação de corrente não podeser interrompido atuando sobre o transistor. O

conversor não pode ser protegido desta forma.



E·D·T - VO·(1-D)·T = 0 VO = E·D/(1-D)• Balanço volts·segundos

VS max = VD max = E+VO= E/(1-D)•

Tensões máximas

+

-v

D

vO

+

-

E R

+ -vS

vL

+

-

1. Análise do conversor Buck-Boost Modo de condução contínuo



2. Análise do conversor Buck-Boost

vO

+

-

E

IO

RiL

iDiS

• Balanço de potência

IS = IO·VO/E IS = IO·D/(1-D)

•

Corrente média por diodoID = IO = VO/R

•

Corrente media no indutorIL = ID + IS IL = IO/(1-D) T

D·Tt

t

t

t

iS

iD

iL

Comando

IL

IS

ID



O modo de condução nos três conversoresbásicos (I)

(somente um indutor e um diodo)

Conversor

com indutore diodo

iO

iL

R vO

+

-E

IL = IO/(1-D) (boost e buck-boost)IL = IO (buck)

TD·T

t

t

iL

Comando

IL

O valor médio de iL depende de IO:



O modo de condução nos três conversoresbásicos (II)

•

Ao variar IO varía o valor médio de iL

• Ao variar IO não varíam as derivadas de iL (dependem de E e de VO)

t

t

iL IL

iL IL

iL IL

t

R1

Rcrit > R2

R2 > R1

Modo de condução crítico

Modo de condução contínuo



O modo de condução nos três conversoresbásicos (III)

t

t

iLIL

Rcrit

t

R3 > RcritiL IL

iL IL

R3 > Rcrit

Modo contínuo

Modo descontínuo

O que acontece se R > Rcrit ?



Fatores que originam o modo de conduçãodescontínuo do conversor:

t

t

iL

t

iL

iL

• Diminuição do valor do indutor.

•

Diminuição da freqüência dechaveamento.

• Aumento do valor do resistor de

carga (diminuição do valor médio dacorrente no indutor).



Existem 3 estados distintos:

• Condução do transistor (D·T)

• Condução do diodo (D’·T)

• Transistor e diodo bloqueados (1-D-D’)·T

Exemplo

VOE

VOE E VVOE

(D·T) (1-D-D’)·T (D’·T)

Modo descontínuo de condução

IL

tiL

Comando

t

vL

T

D·Tt

D’·T

+-

iD

t

ID

VO

E



VOE

(D·T)

VOE

(D’·T)

E = L·iLmax/(D·T)

iL

t

IL

vL

T

D·Tt

D’·T

+-

iD

t

ID

VO

E

iLmax

iLmax

Relação de transformação M=VO/E :

M =D/(k)1/2 , sendo: k =2·L / (R·T)

Relação de transformação no mododescontinuo (p.e. buck-boost)

VO

= L·iLmax

/(D’·T)

ID = iLmax·D’/2

ID = VO/R



• Relação transformação modo descontinuo, M:

M = D / (k)1/2 , sendo: k = 2·L / (R·T)

• Relação transformação modo continuo, N:

N = D / (1-D)

• Na fronteira: M = N, R = Rcrit , k = kcrit

kcrit = (1-D)2

• Modo contínuo: k > kcrit

• Modo descontínuo: k < kcrit

Fronteira entre modos de condução (buck-boost)

t

iLiL

Rcrit



N = D

2M =

1 + 1 + 4·kD2

kcrit = (1-D)

kcrit max = 1

DM =k

DN =

1-D

kcrit = (1-D)2

kcrit max = 1

2M =

1 + 1 +

4·D2

k

1N =

1-D

kcrit = D(1-D)2

kcrit max = 4/27

Buck Buck-

Boost

Boost

Extensão a outros conversores



1. Incorporação do isolamento galvânico aoconversor buck-boost

Muito fácil incorporar oisolamento galvânico



2. Incorporação do isolamento galvânico aoconversor buck-boost

O indutor e o transformador podem serintegrados em um único dispositivomagnético. Este dispositivo magnético secalcula como um indutor, e não como umtransformador.

• Deve armazenar energia.

• Normalmente tem entreferro

Conversor Flyback

A áli d Fl b k



vO

+

-vS+-

E

+ -

vD

n1 n2

“Soma dos produtos

(volts/espiras)·segundos = 0” D·T·E/n1 - (1-D)·T·VO/n2 = 0

VO = E·(n2/n1)·D/(1-D)

VD max = E·n2/n1 + VO= E·(n2/n1)·/(1-D

VS max = E+VO·n1/n2 = E/(1-D)

Máximas tensões

Análise do conversor FlybackModo de condução contínuo

C D l Fl b k



Dois transistores Baixas tensões nossemicondutores

VO = E·(n2/n1)·d/(1-D) (em m.c.)

Dmax = 0.5

VS1 max = vS2 max = E

VD1 max = vD2 max = E

VD3 max = E·(n2/n1)·/(1-D)

E n1 : n2

S1 D3

D1

D2

S2VO

Conversor Duplo Flyback



Incorporação do isolamento galvânico aoconversor Boost

•Não é possivel incorporar o isolamento

galvânico com um único transistor

•

Com vários transistores pontes alimentadasem corrente



1. Incorporação do isolamento galvânico aoconversor buck

Não pode ser feito porque o transformador nãopode ser desmagnetizado

Lm




Não pode ser feito porque o transformador édesmagnetizado instantaneamente (sobretensão infinita).

Lm

D2

D1




Esta é a solução

Lm

Dipolo de tensão

constante

O ã i t d



Operação em regime permanente de umelemento magnético com dois enrolamentos

Circuito em regime

permanente

n1 : n2

v1 v2

+

-

+

-

(vi /ni) = 0

vi = ni · dF/dt

DF = FB - FA = (vi/ni)·dtB

A

Lei de Faraday:

Em regime permanente:(DF)em um período =0

Logo:

Se se excita o elemento

magnético com ondas quadradas:“soma dos produtos (volts/espiras)·segundos = 0”



Operação em regime permanente de um elementomagnético com vários enrolamentos: exemplo

“Soma dos produtos (volts/espiras)·segundos = 0”

(E/n1)·D1·T - (V2/n2)·D2·T = 0 D2 = D1·n2·E/(n1·V2)

F

tvi/ni

TD1·T

t

D2·T

+-

V1/n1

Fmax

V2/n2

Para assegurar a desmagnetização: D2 < 1 - D1

E

V2n2

n1

V1

1 O F d



Levando em conta:

D’ = D·n2/n1 D’ < 1 - D

obtemos: D < n1/(n1 + n2) Dmax = n1/(n1 + n2)

1. O conversor Forward

E

n2

n1

Desmagnetização baseada

na tensão de entradaV1 = V2 = EV1

V2

n2

n1

2 O conversor Forward




VO

n2:n3

n1

+ -

vD2

vS

+

-

vD1

+

-E

VS max = E+E·n1/n2 = E/(1-Dmax)

VD1 max = E·n3/n1

VD2 max = E·n3/n2

Dmax = n1/(n1 + n2)

E·n3/n1 VO

+-

Durante D·T

VO-+

Durante (1-D)·TVO = D·E·n3/n1 (modo contínuo)

3 O conversor Forward




iD2

VOE n2:n3

n1

iS

iL

iD1

iD3iO

iD2·n3/n1

TD·T

tComando

t

iL iO

D’·T

iD3

iD2

iD1

iS

t

t

t

t

ID2 = IO·D ID1 = IO·(1-D)

Im = E·T·D2/(2·Lm) (ref. ao primário)

IS = IO·D·n3/n1 + Im ID3 = Im

Variação de E



Variação de E

vD2

VO

n2:n3

n1

+ -

vS

+

-

vD1

+

-E

F

t

vi/ni

t+

-

E/n1

Fmax

E/n2E máximo

F

t

vi/ni

t+ -

E/n1

Fmax

E/n2E mínimo

F

t

vi/ni

t+-

E/n1

Fmax

E/n2Tensão alimentação mínima

Existem outras formas de



Existem outras formas dedesmagnetizar o transformador?

F

t

vi/ni

t+-

E/n1

Fmax

VC/n1

Snubber RCD

Baixo rendimento

Integração de componente parasitas Útil para retificador sincrono autoexc.

VC

E

Lm

LdE

Outras formas de desmagnetizar o transformador:



gDesmagnetização ressonante

Pequena variação de E

Integração de componentes parasitas Útil para retificador sincrono autoexc.

vT

t+-

(Resonant reset )vT+

-E

LmLd

E

Outras formas de desmagnetizar o



Ft

vi/ni

t+ -

E/n1

VC/n1

Dois transistores

Integração de componentes parasitas

Útil para retificador sincrono autoexc.

Fluxo médio nulo

Outras formas de desmagnetizar otransformador: Snubber ativo

(Active clamp )

VC = E·D/(1-D)

VC

E

Lm

LdE

Outras formas de desmagn o transf : Conversor



Dois transistores

Tensão máxima notransistor igual a E

Outras formas de desmagn. o transf.: ConversorForward com dois transistores

F

t

vi/ni

t+ -

E/n1

Fmax

E/n1

Dmax = 0.5VO = D·E·n2/n1 (en modo continuo)

VS1 max = VS2 max =E

VD1 max = VD2 max = E

VD3 max = VD4 max = E·n2/n1

E

n1 : n2

S1 D4

D3

D1

D2

S2

VO

Fonte com múltiplas saídas: Uma saída



Fonte com múltiplas saídas: Uma saídacontrolando o chaveamento do transistor e asoutras com regulador linear

Pos-reguladoreslineares

Eficiente

Caro

Complexo

Fontes com múltiplas saídas baseados em um



Fontes com múltiplas saídas baseados em umúnico conversor (regulação cruzada)

• Regula-se apenas uma saída

• As outras ficam parcialmente

reguladas

Importante: a impedância parasita

associada a cada saída deve ser amenor possível

Os conversores “flyback” e “forward” com



y

regulação cruzada

Funciona bem se o transformadorestiver bem feito

Pior:1.Presença do indutor de filtro.

2.Os modos de condução de cadasaída podem ser diferentes.

Melhorando a regulação cruzada em o



g çconversor “forward”

Os dois enrolamentosoperam no mesmomodo de condução

n1

n2

n3

n4

Condição de projeto:n1/ n2 = n3/ n4

Revisão dos conversores c c /c a /c c



Revisão dos conversores c.c./c.a./c.c.

Conversores com isolamento elétrico:1.Push-Pull2.Meia Ponte

3.Ponte Completa

1. Conversor Push-Pull



Conv. cc/cc “push- pull”

Ret. com transf.“tap” central

Ret. com dois indutores


Ret. em ponte


1. Conversor Push Pull




Conversor “forward” Conversor “forward”

Conversor “push-pull ”

DB

B

H

DB

B

H




S2 S1

n1 : n2

n1

n1n2

n2

E

VO

L

• Circuito equivalentequando conduz S2:

E·n2/n1

LVO

• Circuito equivalente

quando conduz S1:

E·n2/n1

L VO

O que acontece quando nenhumdos transistores conduz?




L

VO

iL

D1

D2

iL1

iL2

• Circuito equivalente quandonão conduzem nem S1 nem S2:

• Conduzem ambosdiodos a tensão notransformador é zero• As correntes iL1 e iL1 devem ser tais que:

iL1 + iL2 = iLiL1 - iL2 = iLm (sec. trans.)

VOL

5. Tensões no conversor “push-pull ”



• A tensão vD é a mesma que em um conv.“forward” com uma razão cíclica 2·D

VO = 2·D·E·n2/n1 (en modo continuo)• vsmax = 2·E vD1max = vD2max = 2·E·n2/n1

t

vS2

t

t

Td·T

t

tComando

tvS1

vD1

vD2

vD

2·E

2·E

E·n2/n1

2·E·n2/n1

2·E·n2/n1

S1 S2

S2

n1

n1

n2

n2

E

VO

LvD+-

S1

+ -

vD1

+ -

vD2

vS1

+

-

+

-vS2

D1

D2

Dmax = 0.5

6. Correntes no conversor “push-pull ”



Correntes médias:

IS1 = IS2 = IO·D·(n2/n1) ID1 = ID2 = IO/2

t

t

t

iL

Comando

iS2

t

iD1

iS1

t

Td·T

t

iD2

S1 S2

S2 S1

n1 : n2

n1

n1n2

n2

E

VO

L

iS1

iL

D1

D2

iD1

iD2

iS2

iO

Dmax

= 0.5




S2 S1

n1

n1E

VO

iS1

iS2

• No controle por “modo tensão” pode-se saturar otransformador por assimetrías na duração dos tempos de

condução dos transistores• Ideal utilizar-se o controle por “modo corrente”

DB

B

H

1. Conversor em Meia Ponte (“half bridge ”)



• A tensão vD é a metade daquela queocorre no conversor “push-pull”

VO = D·E·n2/n1 (modo contínuo)• vsmax = E vD1max = vD2max = 2.E·n2/n1

t

vS2

t

t

Td·T

t

tComando

tvS1

vD1

vD2

vD

E

E

E·0.5·n2/n

2.E·n2/n1

2.E·n2/n1

S1 S2VO

S2

n1

n2

n2E

L

vD+-

S1

+ -

vD1

+

- vD2

vS1

+

-

+

-

vS2

D1

D2

E/2

E/2 Dmax = 0.5

2. Correntes no Conversor em Meia Ponte



Correntes médias:


t

t

t

iL

Comando

iS2

t

iD1

iS1

t

Td·T

t

iD2

S1 S2

iD1 iL

S2

n1

n2

n2E

L iO

S1

iD2

iS1

iS2

D1

D2

VO

E/2

E/2 Dmax = 0.5

1. O Conversor em Ponte Completa (“full bridge”)



bridge ”)

• A tensão vD é igual aquela do conversor“push-pull”

VO = 2·D·E·n2/n1 (modo contínuo)• vsmax = E vD1max = vD2max = 2·E·n2/n1

vS2, vS3

t

Comando

tvS1, vS4 E

E

t

t

t

Td·T

t

vD1

vD2

vD E·n2/n1

2·E·n2/n1

2·E·n2/n1

S1, S4S2, S3VO

S3

n1

n2

n2E

L

vD+-

S4

+ -

vD1

+ - vD2

vS4

+

-

+

-

vS3

D1

D2

S1

S2Dmax = 0.5

2. Correntes no conversor em Ponte Completa



Correntes médias:


iD1 iL iO

iD2

iS4

VO

S3

n1

n2

n2E

L

S4

D1

D2

S1

S2

iS3

t

t

tiL

Comand

iS2

, iS3

t

iD1

iS1, iS4

t

Td·T

t

iD2

S2, S3S1, S4

Dmax

= 0.5

Problemas de saturação do transformador doconversor em ponte completa



conversor em ponte completa

• No controle por “modo tensão” pode-se saturar o

transformador por assimetrías na duração dos tempos decondução dos transistores

• Soluções:

• Colocar um capacitor em série CS

•

Usar controle por “modo corrente”

S2

S1CS

E

VO

S3

S4

Conversores com Barramento tipo Fonte de Corrente



Conversor c.c./c.c. “Push- Pull” alimentado em corrente

Conversor c.c./c.c. em pontealimentado em corrente

1. Conversor “push-pull” alimentado em corrente



t

Comando de S1

tComando de S2

t

vS2

t

Td·T

t

tvS1

vD1 2·VO

2·VO·n1/n2

2·VO·n1/n2

VO

vD2 2·VO

VOE

+

-E

VO·n1/n2 VO·n1/n2

E

+-

ConduzemS1 e S2

S1 estábloqueado

S2 estábloqueado

n1

n1

n2

n2E

VO

S2S1

+ -

vD1

+

-vD2

vS2+

-

Dmin = 0.5

2. Conversor “push-pull” alimentado em corrente



E

ConduzemS1 e S2

+-E

VO

·n1

/n2

S1 bloqueado

VO·n1/n2+-E

S2 bloqueado

E

ConduzemS1 e S2

Aplicando o balanço “volts·segundos”

VO = E·(n2/n1)/2(1-D) (modo contínuo)

d·T (1-d)·T

dura t1 dura t1dura t2 dura t2

3. Correntes no “push-pull” alimentado em corrente



iL

iO

n1

n1

n2

n2E S2S1

iD1

iD2

iS2

Dmin = 0.5iS1

Td·T

t

iD1

t

iS2

t

t

iS1

iL

t

Comando de S1

tComando de S2

iD2

IS1 = IS2 = IO·(n2/n1)/4(1-D)

ID1 = ID2 = IO/2

Conversores alimentados em tensãovs alimentados em corrente



E VOn1 n2

n2 n1

VO E

D 1-D1-D D

Modificações

VO = E·D

E VO

Buck VO = E/(1-D)

E VO

Boost

vs. alimentados em corrente

“Push- pull” alimentado emtensão

VO = 2·D·E·n2/n1

E VO

n1

n1n2

n2

“Push- pull” alimentado em

correnteVO = E·(n2/n1)/2(1-D)

E

VOn

1

n1n2

n2

Problema do desligamento do conversor“ h ll” li t d t



“push- pull” alimentado em corrente

S2S1

iL Temos que garantir que ofluxo no indutor não seanule quando sãobloqueados S1 e S2 nomomento de desligamento

do conversoriL

Outro modo de desmagnetizar o indutor de entrada



Desmagnetização

em direção aentrada

Desmagnetizaçãoem direção a

saída

A ponte completa alimentada em corrente



Desmagnetização emdireção a entrada

Desmagnetização

em direção a saída

Se comporta como un “push-pull” alimentado em corrente, exceto a

tensão máxima no transistor (queé Vo

*)

Retificador em ponte na saída



“Push- pull” alimentado em corrente

Ponte completa alimentada em corrente

Como devem ser as correntes na entrada e nasaída de um conversor?



d1-d

i2i1Entrada Saída

i2i1

1 : Nt

i1

t

i2

Situação ideal Situação ideal

Corrente de entrada em cada conversor



t

i1

i1

t

t

i2

t

i2

t

i2

i1

t

Buck-boost

i2i1Boost

i2i1

Buck

i2i1

descontínuacontínua

descontínuacontínua

descontínua descontínua

Filtrando a corrente descontínua de um conversor



Buck

Boost

Buck-Boost

Conversores reversíveis



Fluxo de potência

Redutor / elevador

V1 V2< V1

Fluxo de potênciaRed.-elev. / Red.-elev.

V1 V2

Retificador síncrono



•

Em conversores com tensão de saída baixa (≈ 1,2 a 5V)e correntes muito elevadas (>20A), a queda de tensão nodiodo retificador, vis a vis da tensão de saída, é elevada etorna difícil o controle da tensão de saída.

•

A queda de tensão de um diodo PIN é da ordem de 1,0Venquanto que a do diodo Schotky é de 0,5V.

• Solução: Retificador síncrono apresenta queda detensão inferior a 0,1V

Retificador Síncrono



Fonte

Dreno

Porta

p

n+

n-

Curto circuito

n+

p

Diodoparasita

O transistor MosFet é utilizado como diodo, graças apequena rdson

Retificador Síncrono autoexcitado (Vsaida < 5V)



Retificação convencional Retificação síncrona

Retificador Síncrono autoexcitado (Vsaida < 5V)Retificadores de meia onda



Retificação convencional Retificação síncrona

Conversor Meia Ponte assimétrico

(1-D)·E



Meia ponte com controlecomplementar

1-D

D

D·E

(1-D)·E

E

(1-D)·E D

1-D

E D·E

Curso Fonte Chaveada_02_2008

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