REGULADORES CHAVEADOS

Seminário de Eletrônica Industrial II
Prof. Márcio Abud
Junho/2009
Rodrigo C. SÁtiro
Vitor Moreira Peres
06526-3
04238-3
Princípio básico de operação:
• Considerado uma chave ideal;
• Fornece potência alternada para a carga.
• Ton = tempo de condução do chopper
• T = período
• Valor médio da tensão:
Ton
E o  Ei 
T
Ton
• d= T
; d = duty cicle – determina o
nível médio de tensão na carga.
Duty Cicle
•
Duas formas de controle:
– Frequência constante: modulação PWM (mais usado);
– Frequência variável: T variável e Ton e Toff constantes.
Aplicações
Aplicações
• Outras aplicações:
- Fontes de alimentação DC;
- Carregadores de bateria;
- Reguladores chaveados;
- Aquecimento resistivo;
- Controle de lasers de diodo.
Vantagens
• Maior economia de energia em veículos operados por bateria;
• Frenagem regenerativa;
• Diminuição das correntes de partida;
• Variação mais uniforme da aceleração;
• Menor manutenção;
• Rápida resposta a perturbações.
REGULADORES CHAVEADOS
Os Choppers podem ser utilizados como reguladores chaveados, para
converter uma tensão CC, em geral não regulada, em uma tensão CC regulada
de saída.
A regulação normalmente é conseguida por modulação em largura de
pulsos a uma frequência fixa, sendo o dispositivo de chaveamento na maioria
das vezes um TJB, MOSFET ou IGBT de potência.
NOTA:
O projetista pode selecionar a frequência de chaveamento escolhendo
os valores de R e C do oscilador.
Como uma regra prática, para maximizar a eficiência, o período mínimo
do oscilador deve ser 100 vezes maior que o tempo de chaveamento do
transistor.
REGULADORES CHAVEADOS
A tensão de controle vg pode ser obtida comparando-se a tensão de
saída com seu valor desejado; vc pode ser comparado com um tensão dente de
serra vr para gerar o sinal de controle PWM para o Chopper.
REGULADORES CHAVEADOS
Há quatro topologias básicas de reguladores chaveados:
•
•
•
•
Reguladores BUCK;
Reguladores BOOST;
Reguladores BUCK-BOOST;
Reguladores CÚK.
REGULADOR BUCK
Em um regulador Buck, a tensão média de saída Va é menor que a
tensão de entrada Vs, caracterizando-se assim um Regulador Abaixador.
REGULADORES
BUCK
Supondo que a corrente no indutor cresça linearmente de I1 a I2 no tempo t1:
E a corrente no indutor caia linearmente de I2 a I1 no tempo t2:
Encontrando o valor de ∆I nas equações anteriores, obtém-se:
Substituindo t1=kT e t2=(1-k)T, obtém-se a tensão média de saída como:
REGULADOR BUCK
• Os reguladores Buck requerem apenas um transistor, são simples e têm
eficiência elevada, maior que 90%.;
• O di/dt da corrente de carga é limitado pelo indutor L. Entretanto, a
corrente de entrada é descontínua e um filtro de alisamento de entrada
normalmente é requerido;
• Ele fornece uma polaridade da tensão de saída e a corrente de saída é
unidirecional;
• Ele requer um circuito de proteção em caso de possível curto-circuito
através do caminho do diodo.
REGULADOR BOOST
Um regulador Boost utilizando um MOSFET de potência é mostrado abaixo:
Em um regulador Boost a tensão de saída é maior que a tensão de entrada.
REGULADOR
BOOST
Quando o transistor está conduzindo, o
capacitor fornece a corrente de carga por t = t1.
Supondo que a corrente no indutor cresça linearmente de I1 a I2 no tempo t1:
E a corrente no indutor caia linearmente de I2 a I1 no tempo t2:
Encontrando o valor de ∆I nas equações anteriores, obtém-se:
Substituindo t1=kT e t2=(1-k)T, obtém-se a tensão média de saída como:
REGULADOR BOOST
• Um regulador Boost pode elevar a tensão de saída sem um transformador;
• Devido ao único transistor, ele tem uma eficiência elevada;
• A corrente de entrada é contínua. Entretanto, um alto pico de corrente tem de
fluir através do transistor de potência;
• A tensão de saída é muito sensível a variações no ciclo de trabalho k e pode ser
difícil estabilizar o regulador;
• A corrente média de saída é menor que a corrente média do indutor por um
fator de (1-k) e uma corrente eficaz muito mais elevada flui através do capacitor de
filtro, resultando na utilização de um capacitor e um indutor de filtro maiores que
aqueles de um regulador buck.
Supondo um circuito sem perdas:
REGULADOR BUCK-BOOST
Um regulador buck-boost fornece uma tensão de saída que pode ser
menor ou maior que a tensão de entrada; a polaridade da tensão de saída é
oposta à da tensão de entrada.
Este regulador também é conhecido como regulador inversor.
REGULADOR
BUCK-BOOST
Supondo que a corrente no indutor cresça linearmente de I1 a I2 no tempo t1:
E a corrente no indutor caia linearmente de I2 a I1 no tempo t2:
Encontrando o valor de ∆I nas equações anteriores, obtém-se:
Substituindo t1=kT e t2=(1-k)T, obtém-se a tensão média de saída como:
REGULADOR BUCK-BOOST
• Um regulador buck-boost fornece polaridade inversa da tensão de saída sem
um transformador;
• Ele tem eficiência elevada;
• Sob condição de falta do transistor, o di/dt da corrente de falta é limitado
pelo indutor L e será Vs/L;
• A proteção de curto-circuito de saída é fácil de ser implementada;
•Entretanto, a corrente de entrada é descontínua e um pico de corrente
elevada flui através do transistor Q1.
REGULADOR CÚK
Similar ao regulador buck-boost, o regulador Cúk fornece uma tensão de
saída que é menor ou maior que a tensão de entrada, mas com a polaridade
oposta à esta.
Quando a tensão de entrada é ligada e o transistor Q1 desligado, o diodo
Dm é diretamente polarizado e o capacitor C1 carregado através de L1, Dm e da
tensão de entrada Vs.
REGULADOR
CÚK
Supondo que a corrente no indutor L1 cresça linearmente de IL11 a IL12 no tempo t1:
E devido ao capacitor carregado C1, a corrente no indutor L1 caia
linearmente de IL12 a IL11 no tempo t2:
Onde, Vc1 é a tensão média no capacitor C1.
Encontrando o valor de ∆I1 nas equações anteriores, obtém-se:
Substituindo t1=kT e t2=(1-k)T, obtém-se a tensão média no capacitor C1:
Supondo que a corrente no indutor L2 cresça linearmente de IL21 a IL22 no tempo t1:
E a corrente no indutor L2 caia linearmente de IL22 a IL21 no tempo t2:
Encontrando o valor de ∆I2 nas equações anteriores, obtém-se:
Substituindo t1=kT e t2=(1-k)T, obtém-se a tensão média no capacitor C1:
REGULADOR CÚK
Igualando as duas equações de Vc1 encontradas anteriormente,
encontra-se a tensão média de saída como:
O regulador CúK baseia-se na transferência de energia do capacitor. Como
resultado, a corrente de entrada é contínua. O circuito tem baixas perdas de
chaveamento e eficiência elevada. Quando o transistor Q1 está conduzindo, ele suporta
correntes dos indutores L1 e L2. Consequentemente, um pico elevado de corrente flui
através dele. Como o capacitor possibilita a transferência de energia, a ondulação de
corrente do capacitor C1 também é elevada. Esse circuito também requer um capacitor
e um indutor adicionais.
REGULADORES CHAVEADOS
Limitações da Conversão em um Único Estágio
CONVERSORES CC-CC ISOLADOS
CONVERSOR BUCK FULL-BRIDGE
BUCK HALF-BRIDGE
CONVERSOR FORWARD
CONVERSOR FLYBACK
BUCK PUSH-PULL ISOLADO
OUTROS CONVERSORES ISOLADOS
Chopper em motor DC
• Um quadrante: operação apenas de motorização ou de regeneração
• Dois quadrantes: operação de motorização e frenagem regenerativa com
um único sentido de giro do motor
• Quatro quadrantes: operação de motorização e frenagem regenerativa com
sentidos de giro diferentes
Chopper de Um Quadrante
• Primeiro quadrante: tensão e corrente são positivas.
Chopper de Um Quadrante
• Segundo quadrante: tensão positiva e corrente negativa.
Chopper de Dois Quadrantes
• Tipo A: inverte o sentido da corrente mas mantém o mesmo
sentido da tensão.
• Operação de motorização:
CH1 “on” e D1 “off”
CH1 “off” e D1 “on”
• Operação de regeneração:
CH2 “on” e D2 “off”
CH2 “off” e D2 “on”
Chopper de Dois Quadrante
• Tipo B: inverte o sentido da tensão mas mantém o mesmo
sentido da corrente.
• Operação de motorização:
CH1 “on” e CH2 “on”
CH1 “off” e CH2 “on”
• Operação de regeneração:
Chopper de Quatro Quadrantes
• Inverte o sentido da corrente e da tensão no motor.
• Operação de motorização no sentido 1:
CH4 está sempre “on” e CH1 fica chaveando.
• Operação de regeneração no sentido 1:
CH1, CH3 e CH4 sempre “off” e CH2 fica chaveando. Não há
necessidade de inverter a tensão Ea.
• Operação de motorização no sentido 2:
CH2 sempre “on” e CH3 fica chaveando.
• Operação de regeneração no sentido 2:
CH1, CH2 e CH3 sempre “off” e CH4 fica chaveando.
TIPOS DE COMUTAÇÃO
Os diferentes tipos de chopper são funções dos circuitos de comutação, ou
seja, dos circuitos auxiliares que devem comutar o SCR principal, que conduz corrente
contínua. Basicamente os circuitos de comutação são classificados em:
· Comutação pela carga (load commutation) : neste tipo de circuito, a corrente
da carga que flui pelo tiristor principal torna-se nula, ou é transferida para outro
tiristor auxiliar, que neste caso comuta com o tiristor principal;
· Comutação forçada (forced commutation) : a corrente pelo tiristor principal é
forçada a anular-se, levando-o ao bloqueio;
· Comutação por tensão (voltage commutation) : um capacitor pré-carregado
polariza reversamente (durante um reduzidíssimo intervalo de tempo) o tiristor
principal bloqueando-o;
· Comutação por corrente (current commutation) : um pulso de corrente é
aplicado ao catodo do tiristor principal, anulando a corrente que circula por ele,
bloqueando-o quando a corrente resultante for nula.
COMUTAÇÃO PELA CARGA
Inicialmente disparam-se S1 e S2 e o capacitor C carrega-se com
polaridade indicada na figura, até que Vc seja igual a E e a corrente ic anula-se.
Quando S3 e S4 são disparados, eo torna-se igual a (E + Vc), que resulta
numa tensão inicial igual a 2E na carga. Com S3 e S4 conduzindo, a polaridade do
capacitor tende a se inverter de E para –E. Neste ponto, a corrente ic tende
novamente a ser nula, o que bloqueia os tiristores S3 e S4 e faz novamente o diodo
DFW conduzir.
COMUTAÇÃO POR TENSÃO
Para que o circuito funcione corretamente, Q2 deve ser disparado em
primeiro lugar para carregar o capacitor C. Disparando Q2, a corrente circulará pela
fonte, pelo capacitor, que será carregado com Vc > 0, por Q2 e pelo circuito de carga.
Uma vez carregado o capacitor, o circuito está preparado para a comutação,
podendo ser disparado o tiristor principal que é Q1. Isso faz com que seja aplicada a
tensão V à carga.
Como um circuito LC tem característica oscilatória, a corrente i, que circulará pelo circuito será
senoidal, começando de zero, atingindo um máximo e depois voltando a zero. Quando a corrente se
anular, o capacitor terá invertido a tensão nos seus terminais, ficando portanto com Vc < 0.
No momento em que for desejada a comutação de Q1, dispara-se Q2. A tensão Vc < 0 do capacitor
será colocada em paralelo com Q1 bloqueando-o, e, a corrente de carga passará a circular por Q2 de
modo a fazer com que o capacitor novamente carregue-se com Vc > 0. Assim, o ciclo repete-se
sucessivamente, com Q1 sendo disparado para “fechar” a chave e, Q2 disparado para “abrir” a chave.
COMUTAÇÃO POR CORRENTE
Para que o circuito funcione corretamente, Q2 deve ser disparado em
primeiro lugar para carregar o capacitor C. Disparando Q2, a corrente circulará pela
fonte, pelo capacitor, que será carregado com Vc > 0, por Q2 e pelo circuito de carga.
Uma vez carregado o capacitor, o circuito está preparado para a comutação,
podendo ser disparado o tiristor principal que é Q1. Isso faz com que seja aplicada a
tensão V à carga.
COMUTAÇÃO POR CORRENTE
Para que o circuito funcione corretamente, Q2 deve ser disparado em
primeiro lugar para carregar o capacitor C. Disparando Q2, a corrente circulará pela
fonte, pelo capacitor, que será carregado com Vc > 0, por Q2 e pelo circuito de carga.
Uma vez carregado o capacitor, o circuito está preparado para a comutação,
podendo ser disparado o tiristor principal que é Q1. Isso faz com que seja aplicada a
tensão V à carga.
COMUTAÇÃO POR CORRENTE
Há um novo circuito oscilante composto
por CLS1D2. Quando a corrente ic2 for
igual a is1, o tiristor S1 bloqueia. Admitese que o indutor Ld seja capaz de manter
constante a corrente io.
Um outro circuito oscilante é o constituído
por CLD2D1. O diodo D1 conduz o excesso
de corrente io-ic3. Quando ic3 = io, o
diodo D1 bloqueia.
COMUTAÇÃO POR CORRENTE
A partir daí, S1, S2 e D1 estão bloqueados e a carga é alimentada por CLD2.
A tensão no capacitor C cresce até que DFW fique polarizado diretamente. Uma informação
adicional é que este tipo de chopper é utilizado no metrô de Toronto (Canadá) e foi
originalmente desenvolvido pela Hitachi Electric Co.
FIM
MUITO OBRIGADO A TODOS!