Aula 7 - Buck_Boost_2 - Batlab

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA II
AULA 7 – CONVERSOR BUCK-BOOST
Parte 2
Prof. Marcio Kimpara
UFMS - Universidade Federal de Mato Grosso do Sul
FAENG – Faculdade de Engenharias, Arquitetura e Urbanismo e Geografia
BUCK-BOOST em modo de condução descontínuo (MCD)
O conversor Buck-Boost operando no MCD apresenta três etapas de operação:
1ª Etapa (t0, t1)  intervalo ton = t1-t0
No instante inicial, t=t0 o interruptor controlado
“S” é comandado para a condução (on). A
tensão sobre o indutor será igual a tensão de
entrada (Vi). O indutor armazena energia e a
corrente sobre ele irá crescer linearmente. O
diodo é polarizado reversamente e mantém-se
bloqueado. Durante toda a etapa a saída é
alimentada pelo capacitor;
2ª Etapa (t1, t2)  intervalo tD = t2-t1
No instante t=t1, com o desligamento da chave
(off) a polaridade da tensão sobre o indutor é
invertida para que seja mantido o fluxo da
corrente iL. Com a inversão de polaridade de
“VL” o diodo é polarizado diretamente e entra
em condução. Assim, nesta etapa ocorre a
transferência de energia armazenada no
indutor para o capacitor e carga.
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BUCK-BOOST em modo de condução descontínuo (MCD)
3ª Etapa (t2, t3)  intervalo tx = t3-t2
A corrente no indutor se anula e assim a chave
o diodo estão bloqueados. A carga é alimentada
pelo capacitor. Esta etapa tem duração até o
novo acionamento da chave em Ts.
Tensão de comando
Vg
Se durante o tempo de
abertura da chave a
corrente IL se anular,
significa que toda a
energia armazenada no
indutor L foi transferida a
carga.
t0
t1
t2
t
I L (t )
ton
t
toff
tD
tX
Ts
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Análise do Conversor Buck-Boost – MCD (reg. Permanente)
Iin = IS(t)
VD(t)
Chave
fechada
Vs(t)
L
ETAPA 1:
ID(t)
Intervalo: ton  t1  t0
S: ON e D: OFF
VL(t)
IL(t)
C
VC(t)
Ic(t)
Io
Tensões
LOAD
Vin
D
Vo
Correntes
Chave ligada  vS (t )  0
Elementos em série  iS (t )  iL (t )
Diodo bloqueado  vD (t )  Vin  Vo
Diodo bloqueado  iD (t )  0
Tensão no indutor  Vin  vL (t )  0
(Lei de Kirchhoff)
Malha saída  iC (t )  io (t )
diL (t )
dt
Corrente indutor  iL (t ) 
vL (t )  Vin
Tensão indutor  vL (t )  L
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Eletrônica de Potência II
Vin
.t
L
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Análise do Conversor Buck-Boost – MCD (reg. Permanente)
Iin = IS(t)
VD(t)
Chave
aberta
D
Vs(t)
ETAPA 2:
Intervalo: t D  t2  t1
S: OFF e D: ON
ID(t)
L
C
VC(t)
Ic(t)
Io
VL(t)
IL(t)
LOAD
Vin
Vo
Correntes
Tensões
Chave desligada  vS (t )  Vin  Vo
Chave desligada  iS (t )  0
Diodo conduzindo  vD (t )  0
Diodo conduzindo  iD (t )  iL (t )
Tensão no indutor  vL (t )  Vo
Lei dos nós  iL (t )  iC (t )  iO
Tensão indutor  vL (t )  L
diL (t )
dt
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Corrente indutor  iL (t ) 
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 Vo
.t
L
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Análise do Conversor Buck-Boost – MCD (reg. Permanente)
Iin = IS(t)
VD(t)
Chave
aberta
D
Vs(t)
ETAPA 3:
ID(t)
L
VL(t)
IL(t)
C
VC(t)
Ic(t)
Io
LOAD
Vin
Vo
Intervalo: t X  TS  t 2
S: OFF e D: OFF
Correntes
Tensões
Indutor  vL (t )  0
iD (t )  iS (t )  0
iL (t )  0
0
Lei de Kirchhoff  Vin  vL (t )  vS (t )  0  vS (t )  Vin
Lei de Kirchhoff  vD (t )  vL (t )  Vo  0
vD (t )  Vo
iC (t )  iL (t ) 
iC (t )  
vo (t )
R
Vo
R
Nesta etapa, somente o capacitor
fornece energia para a carga.
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I L (t )
Formas de onda Correntes
• Condução descontínua
• Regime permanente
• Componentes ideais
I L _ máx
I L
t
I S (t )
I L _ máx
t
I C (t )
IL_máx Io
t
 Io
I D (t)
ton
t
toff
tD
tX
Ts
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Formas de onda Tensões
• Condução descontínua
• Regime permanente
• Componentes ideais
VL (t)
Vin
t
 Vo
VS (t )
Vin Vo
Vin
t
V D (t )
Vin Vo
Vo
ton
t
toff
tD
tX
Ts
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Cálculo do Ganho estático
para o MCD
O ganho estático de um conversor é
a relação entre sua tensão de saída e
entrada, em valores médios
VL (t)
Vin
0
 Vo
t
ton
toff
tD
Balanço volt.segundo no indutor
(Tensão média no indutor)
tX
Ts
 
 


VL _ med  0  Vin . t1  t0    Vo . t 2  t1   0
 
    
 t D 
  ton  
Vo D.Ts
0  Vin .ton  Vo .t D 

Vin
tD
tD  depende de alguns
Eq. (1)
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parâmetros do circuito
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Corrente no diodo
I D (t)
IL_ máx  IL (t1)
I L
Em se tratando do BuckBoost, o valor médio da
corrente no diodo é igual
ao valor médio da
corrente de saída.
ton
tD
t
tX
toff
Ts
Io_méd
Corrente de média:
ID_méd
Ts
C
Vo
I D _ m ed
Ic_méd
I D _ méd  I C _ méd  I o _ méd , mas I C _ m éd  0
Logo: I D _ méd  I o
I o  I D _ m éd
1

TS
I o _ m éd  I o
 1  Vo


 2   L  tD   tD 

 

1

iD (t ).dt

TS 0
Ts
1
Área →  iD (t ).dt  .i pico .t D
2
0
i pico  I L
2
Vo Vo .t D
Io 

R 2.L.TS
Eq. (2)
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tD 
2.L.TS
R
Juntando (1) e (2), obtemos:
Vo
R
 D.
Vin
2. f S .L
OU
Vo
D

Vin
K
Onde:
2L
K
R.TS
Ganho estático do conversor
Buck-Boost operando em MCD
Para que o conversor opere no MCD é necessário que:
t D  toff
tD 
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1  D 
fS
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Ábaco
É importante destacar que no modo descontínuo o ganho estático
depende da carga (Io) e do indutor (L). Em outras palavras, sempre que
a carga do conversor for alterada, tem-se um comportamento distinto
em termos de ganho estático.
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Características gerais do conversor Buck-Boost
• No conversor buck-boost, a tensão média de saída pode ser maior,
igual ou menor que a tensão de entrada, porém com a polaridade
invertida
• O conversor buck-boost combina as características de entrada de um
conversor buck e as características de saída de um conversor boost;
• A chave de potência pode ser utilizada para proteger a carga de
curto-circuito;
• Não isolado;
• Elevada eficiência;
• Problemas EMI;
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Análise das
topologias dos
conversores
Vcc
Vo
Vcc
Vo
Vcc
Vo
BUCK
Vcc
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Vo
BUCK-BOOST
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Vcc
Vo
L
L
S
S
D
Vcc
Vcc
Vcc
D
Vo
BUCK
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D
S
BOOST
Vo
L
BUCK-BOOST
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Vo
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Comparação do Conversor Abaixador
com o Abaixador - Elevador
Para a mesma entrada e mesma carga (mesma potência) as solicitações
elétricas no conversor Buck-Boost são maiores.
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Comparação do Conversor Elevador
com o Abaixador - Elevador
Para a mesma entrada e mesma carga (mesma potência) as solicitações
elétricas no conversor Buck-Boost são maiores.
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Modos de Condução
Os três conversores estudados podem
operar tanto no modo contínuo quanto
descontínuo.
Ao variar io varia o valor médio de iL
Importante:
Considerando que uma vez montado, a
indutância do conversor não é alterada e a
frequência de operação seja mantida 
Observar a carga conectada para garantir o
modo de operação projetado.
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Cálculo do Ganho estático dos conversores CC-CC clássicos
Modo de
operação
BUCK
MODO DE
CONDUÇÃO
CONTÍNUO
MODO DE
CONDUÇÃO
DESCONTÍNUO
BOOST
BUCK-BOOST
Vo
1

Vin 1  D
Vo
D

Vin 1  D
4.D 2
1 1
Vo
K

Vin
2
Vo
D

Vin
K
Vo
D
Vin
Vo

Vin
2
4.K
1 1 2
D
2L
K
R.TS
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