Estágio de Potência do Conversor...

Florianópolis, outubro de 2008.

Prof. Clóvis Antônio Petry.

Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina

Departamento Acadêmico de Eletrônica

Conversores Estáticos

Conversores CC-CC Não-IsoladosEstágio de Potência do Conversor Buck

Bibliografia para esta aula

www.cefetsc.edu.br/~petry

Capítulo 9: Choppers DC

1. Introdução aos conversores CC-CC.

Nesta aula

Conversores CC-CC:

1. Introdução;

2. Princípio geral;

3. Conversor Buck;

4. Exercícios.

Exemplo: Como realizar esta conversão?

Introdução


Usando resistores.

Introdução


Usando reguladores lineares.

Introdução

Princípio geral

1s

s

TF

on

s

TD

T

S

+

-

iV

iI

oVoR

oV

iV

sD T sT

Princípio geral

0

1 onT

ono i i

s s

TV V dt V

T T

Tensão média na saída:

on sT D T

o iV D V o

i

VD

V

S

+

-

iV

iI

oVoR

oV

iV

sD T sT

Princípio geral

Ganho estático:

o iV D V

o

i

VD

V

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

0

1 onT

oni o o

s s

TI I dt I

T T

Corrente média na entrada:

on sT D T

i oI D I i

o

ID

I

S

+

-

iV

iI

oVoR

iI

oI

sD T sT

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 I

V I

o o oP V I

i i o oV I V I

oi

PP

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

oV

iV

sD T sT

oV

iV

sD T sT

oV

iV

sD T sT

oV

iV

sD T sT

PWM PFM

Conversor Buck

D

S a

b

+

-

iV

oL

oVoC oR

Conversor Buck

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 sT

0

1 onT

onab i i

s s

TV V dt V

T T

ab iV D V

Tensão média sobre o indutor:

Conversor Buck

D

S a

b

+

-

iV

oL

oVoC oR

0

1 1on s

on

T T

Lo i o o

s s T

V V V dt V dtT T

1

Lo i o on o s on

s

V V V T V T TT

on s onLo i o o

s s s

T T TV V V V

T T T

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

0

1 onT

onab i i

s s

TV V dt V

T T

ab iV D V

o abV Vo iV D V o

i

VD

V

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

Principais formas de onda (circuito simulado):

Conversor Buck

Principais formas de onda (transitório de partida):

Conversor Buck

Principais formas de onda (regime permanente):

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.

Conversor Buck

Ondulação de corrente em Lo:

D

S a

b

+

-

iV

oL

oVoC oR

Lo LoLo o o

di IV L L

dt T

LoLo

o

V TI

L

i o s

Lo

o

V V D TI

L

1

i i iLo

o s o s

V D V D VI D D

L F L F

Conversor Buck

Ondulação de corrente em Lo: 1LoI D D

0 0.2 0.4 0.6 0.80

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

I D( )

D

Conversor Buck

Ondulação de corrente em Lo:

_ max 0,5 1 0,5iLo

o s

VI

L F

_ max 1iLo

o s

VI D D

L F

_ max4

iLo

o s

VI

L F

Conversor Buck

Ondulação de tensão em Co:

D

S a

b

+

-

iV

oL

oVoC oR

Conversor Buck

Ondulação de tensão em Co:

Co Loi I

2

4cosLo

Co s

Ii t

Loiov

oiCoi

oRoC

Coi

t

Cov

t

2

sT

d 2

sT

Co Loi i

Cov

sT

CoFi

0

_ max _ max

2

4

2

Co LoI I

Fundamental da série de Fourier:

Valor de pico para D=0,5:

Conversor Buck

Ondulação de tensão em Co:Coi

t

Cov

t

2

sT

d 2

sT

Co Loi i

Cov

sT

CoFi

0

CoCo Co Co

s o

iv i X

C

3

4cos 90

2

oLoCo s

s o

Iv t

F C

3

2

2

Co Lo

s o

V I

F C

_ max _ max

3

2

2

Co Lo

s o

V I

F C

_ max 231

iCo

o o s

VV

L C F

2

_ max31

io

o Co s

VC

L V F

Tensão sobre o capacitor será:

Conversor Buck

Filtro de saída (freqüência de ressonância):

D

S a

b

+

-

iV

oL

oVoC oR

1

2o

o o

FL C

10

so

FF

Conversor Buck

Filtro de saída (freqüência de ressonância):

Fernando H. Gerent

Dissertação – UFSC/2005

Escolha incorreta do capacitor

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 RSE

Conversor Buck

Filtro de saída (resistência série equivalente do capacitor):

Exemplo:1,25oC F

47oC F

Calculado em função da ondulação de tensão

Escolhido devido a RSE=2,47 Ω

www.epcos.com

Conversor Buck

Condução contínua (MCC) e descontínua (DCM):

MCC

1a etapa 2a etapa

Conversor Buck

Condução contínua (MCC) e descontínua (DCM):

DCM

1a etapa 2a etapa 3a etapa

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

Filtro de entrada (corrente na fonte sem filtro):

Conversor Buck

Filtro de entrada (corrente na fonte com filtro):

Conversor Buck


• 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.

Conversor Buck


• Corrente eficaz no indutor;

• Corrente eficaz no diodo;

• Corrente eficaz no interruptor;

• Corrente eficaz no capacitor.

Conversor Buck

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.

Próxima aula

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