Controle e Simulação de Conversores CC/CC

Diógenes Grave
Patrícia Câmara
Simon Delabie
Túlio Dourado
Descrição da Aplicação
Teoria
Características dos Conversores Utilizados
Projeto e Especificações
Exemplos de Aplicações Reais
Referências
Os Conversores DC-DC são largamente
utilizados em dispositivos eletrônicos pois
tais dispositivos frequentemente contém
diversos subcircuitos que exigem
diferentes níveis de tensão em relação ao
fornecido pela bateria.
Exemplos
Dispositivos Eletrônicos Portáteis
Carregador de Bateria
No-Breaks
Os conversores DC-DC são dispositivos usados
para converter uma fonte de tensão contínua de
um nível para outro.
Utilizam comutação de sinal e armazenamento
de energia (indutor, capacitor, transistores,
diodos).
Também conhecidos como reguladores
chaveados ou fontes chaveadas.
A Conversão é realizada pelo armazenamento
temporário da energia de entrada e da liberação
na saída com uma tensão diferente.
Vantagens:
Alta Eficiência
Dispositivos reduzidos (CI)
Desvantagens:
Maior Custo
Complexidade
Emissão de Ruídos
A conversão pode ser feita para diminuir a
tensão de saída em relação à de entrada ou o
contrário.
Step-up / Step down
Além disso podem variar a polaridade entre
entrada e saída.
Topologias
Existem diversas topologias de conversores DC-DC,
cabendo ao projetista determinar aquela que
melhor se aplica.
Topologias mais utilizadas
Conversores que utilizam transformadores são
chamados de isolados, ao contrário dos não isolados.
A classificação em Forward e Flyback é feita pois no
Forward a energia percorre o elemento magnético e a
carga simultaneamente.
Já no Flyback, a energia é transferida para o elemento
magnético e num segundo estágio é liberado para a
carga.
Além disso os conversores podem ser classificados em
Inversores e Não Inversores de Polaridade.
PWM
Frequência mínima de duas vezes a máxima
frequência da banda passante.
Filtrar a tensão de referência para evitar
harmônicos em frequência maior ou igual à de
chaveamento.
Métodos de controle:
Controle feito por PWM (modulação em largura de
pulso), com os seguintes métodos:
Single-loop control (Controle de laço/malha simples)
Input voltage feedforward (Alimentação com a tensão
de entrada)
Current-mode control (Controle pelo método da
corrente)
Métodos de controle:
Single-loop control
Controlado pela comparação entre a tensão de saída e
o ciclo de trabalho.
Métodos de controle:
Input Voltage Feedforward
Aumenta a imunidade da tensão de saída do conversor
em relação a ruídos na tensão da entrada DC;
Faz o valor de pico da rampa do modulador PWM
proporcional à tensão de entrada DC;
Um aumento da tensão DC de entrada aumentará a
inclinação da rampa do PWM.
Métodos de controle:
Current-mode control
O PWM é substituído por um circuito de realimentação
de corrente;
O método promove controle da corrente de saída e
protege o circuito de potência;
Melhor performance na rejeição de ruídos da fonte e
no aumento de carga.
Métodos de controle:
Current-mode control
Conversores CC-CC
Aplicados em Fontes de Alimentação Chaveadas e
Acionamento de motores de Corrente Contínua.
Nas fontes chaveadas, sucedem os retificadores
não controlados, reduzindo o Ripple e regulando a
tensão de saída da fonte.
Topologia Básica
Conversor Abaixador ou Buck
Conversor Elevador ou Boost
Conversor Elevador-Abaixador ou Buck-Boost
Diagrama de blocos da Conversão CC-CC
Nota-se então, que uma fonte chaveada é formada por
um laço com realimentação negativa que visa manter
constante tensão de saída Vs.
Diagrama de blocos da Conversão CC-CC
A tensão de controle (Vcontrole) é obtida por um
circuito controlador (compensador), que atua a
partir de dois sinais de entrada: o valor medido
(tensão de saída, por exemplo), e um sinal de
referência desejada.
A implementação de malha(s) de controle tem
como objetivo garantir:
A precisão no ajuste da Variável de Saída
A correção de desvios provenientes de transitórios
na alimentação ou mudança na carga.
A modulação PWM pode ser obtida utilizando
CIs dedicados, como:
SG3524, SG3525, SG3526, SG3527, TL494.
As características específicas de cada CI variam
Em função da aplicação, do grau de desempenho
esperado, das proteções implementadas.
Circuitos de comando ou gate-drivers
Frequentemente utilizados para comandar as
chaves semicondutoras a partir do sinal PWM,
Composto por um circuito integrado controlador
PWM com alguns componentes adicionais, como
resistores e capacitores, responsáveis pela
determinação da frequência de operação;
Circuito integrado LM3524;
Não possui circuito interno de acionamento do
transistor;
Possibilita limitação de corrente;
Frequência máxima de PWM na ordem de 300kHZ;
Possui Tensão de referência interna;
Esquemático do Conversor Buck com controle a
PWM:
Circuito de acionamento do transistor:
Composto por diodos, transistores, resistores e um
transformador;
Tem principal função de acionar o transistor
comutador;
Recebe o sinal PWM do controlador LM3524,
transferindo o comendo de abrir ou fechar, para a
chave semi-condutora;
Esquemático do Conversor Buck com circuito de
acionamento do transistor:
Circuito de limitação de corrente:
Conversores Buck podem apresentar picos de
corrente;
Atua em conjunto com o integrado LM3524 para
limitar a corrente e evitar danos ao dispositivo;
Circuito de limitação de corrente:
Funcionamento:
Corrente de entrada acima do permitido;
Sensor resistivo polariza o conjunto de transistores;
Um sinal é enviado ao controlador;
O sinal PWM é cortado até ocorrer a estabilização
da corrente;
Esquemático do Conversor Buck com circuito de
limitação de corrente:
Circuito de potência:
Carregador de Baterias:
Conversor CC-CC Flyback no modo descontinuo
com transformador controlado pelo integrado
1M0380;
Regulador de Tensão do carregador através do
TL431;
Circuito de controle de corrente;
Tensão de saída do carregador em 28V;
Flyback:
Controlado pelo integrado 1M0380
Pino 3 com tensão de 18V mantido pelo Zener;
Liberação dos primeiros sinais PWM;
Alimentação do integrado pelo terceiro
enrolamento do flyback;
Tensão de alimentação fixada em 30V pelo
enrolamento;
A partir da figura do flyback do segundo
exemplo da aplicação prática, projete o
transformador do mesmo, considerando para os
cálculos:
Tensão de entrada entre 130V e 350V;
A razão cíclica, δ, de 0,5;
Corrente saída máxima de 1A e mínima de 0,1A;
Tensão de saída de 28V;
Queda de tensão no diodo de 1,5V;
Frequencia de trabalho do LM0380 de 67kHz
Projete os parâmetros do circuito de potência (L
e C) do conversor Buck do primeiro exemplo
prático. Dados:
Tensão de entrada (Vi): entre 22V e 36V;
Tensão de saída de 5V;
Ripple da tensão de saída: 10mVpp
Corrente de saída (Io): 200mA;
Carga (R): 25Ω;
Comutação do transistor: PWM;
Frequencia de trabalho do PWM: 100kHz
Operação: MCC
Rodrigues, Leandro Gaspari – Estudo e Desenvolvimento
de um Conversor DC-DC de Topologia Buck para
aplicação Aeroespacial. Escola de Engenharia de São
Carlos – USP
Shiavon, Gilson Junior – No-Break 1,2KVA, Senoidal,
Operando em Malha Fechada: Cirtuito de Potência,
Circuito de Controle Analógico e Circuito de controle
Digital com DSC – Centro de Tecnologia e Urbanismo –
Universidade Estadual de Londrina
Brumatti, Márcio – Eletrônica de Potência. Automação
Industrial. Centro Federal de Educação Tecnológica do
Espírito Santo – CEFET/ES
A. J. Forsyth, S. V. Mollov - Modelling and Control of DCDC Converters. Power Engineering Journal. 1998.