Aula 07 - DEE UFBA

Universidade Federal da Bahia
Escola Politécnica
Departamento de Engenharia Elétrica
Disciplina Eletrônica de Potência (ENGC48)
Tema: Conversores de Corrente Contínua para
Corrente Contínua – Topologias Clássicas
Eduardo Simas
([email protected])
Aula 8
Sumário
Introdução
Conversores Abaixadores
Conversores Elevadores
Conversores Elevadores-Abaixadores
Conversor Cúk
Exercícios de Fixação
DEE
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1. Introdução
DEE
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Introdução
Os conversores de corrente contínua (DC) para corrente contínua (DC)
também são conhecidos como choppers.
São utilizados para obter uma tensão DC Vo na saída a partir de uma fonte
DC Vs na entrada:
Conversor
DC-DC
Vs
Vo
Sist. de controle
Podem ser classificados como:
Abaixadores (step-down) se Vo < Vs
Elevadores (step-up) se Vo > Vs
DEE
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Introdução
São utilizados basicamente para:
Obter uma tensão DC regulada (fixa) na saída a partir de uma tensão
DC variável na entrada;
Obter uma tensão DC ajustável na saída a partir de uma tensão DC
regulada na entrada.
Principais aplicações:
Fornecimento de tensão DC regulada;
Controle de máquinas de corrente contínua;
Sistemas HVDC.
DEE
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Tensão DC ajustável a partir de circuitos lineares:
Limitados a Vo < Vs;
Baixa eficiência (significativas perdas);
Utilizados apenas em aplicações de baixa potência;
Exemplo: Divisor de Tensão
Vs
Sendo Vs = 10 V, R1 = 50 Ω e 0 < R2< 50 Ω, calcular
as potências dissipadas na fonte e numa carga de 1 kΩ
( conectada em Vo) para Vo = 50 V e Vo = 0 V.
R1
Vo
R2
DEE
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Tensão DC ajustável a partir de circuitos lineares:
Limitados a Vo < Vs;
Baixa eficiência (significativas perdas);
Utilizados apenas em aplicações de baixa potência;
Exemplo: Divisor de Tensão
Vs
Sendo Vs = 10 V, R1 = 50 Ω e 0 < R2< 50 Ω, calcular
as potências dissipadas na fonte e numa carga de 1 kΩ
( conectada em Vo) para Vo = 50 V e Vo = 0 V.
R1
Resolução:
Vo
R2
DEE
=> Para Vo ≈ 50 V → R2 = 50 Ω → IR1 ≈ 1,020 A
Ps ≈ 100 W e Po = 2,5 W
=> Para Vo = 0 V → R2 = 0 Ω → IR1 = 2 A
Ps ≈ 200 W e Po = 0 W
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Princípio Básico de um Conversor DC-DC
com Chaves Eletrônicas
A tensão de saída pode ser controlada pela chave S.
Pode-se usar como chave: MOSFET, TBJ, IGBT, GTO.
Razão de trabalho:
tON
T
D=
t
tON
1 ON
Tensão na saída: Vo =
Vsdt
=
Vs = DVs
∫
T 0
T
DEE
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Controlador com Modulação PWM para
conversores DC-DC
DEE
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Características dos Conversores DC-DC no
Modo Chaveado (Topologias Clássicas)
Vantagens:
Topologias e propriedades bem compreendidas e disponíveis em vasta
literatura;
Pequeno número de componentes;
Alta eficiência;
Frequência de operação constante (modulação PWM);
Controle relativamente simples (disponibilidade de circuitos integrados
comerciais para os controladores);
Podem atingir altas razões de conversão (tanto para abaixar como para
elevar).
Desvantagens:
Perdas nas chaves aumentam com a frequência de chaveamento;
Geram interferência eletromagnética (EMI) no chaveamento.
DEE
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Topologias Clássicas de Conversores DC-DC
DEE
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2. Conversor Abaixador
(Step-Down ou Buck)
DEE
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Conversor Abaixador (Step-Down)
Os conversores DC-DC abaixadores (step-down)
são também conhecidos como conversor buck.
is
Circuitos Equivalentes:
is
io
io
Vo
Vs
Vs
Vo
Chave fechada
io
Funcionamento semelhante ao conversor básico
apresentado anteriormente:
Como 0>D>1 e Vo=DVs → Vo ≤ Vs
Vo
O indutor e o capacitor regulam as carcterísticas da
corrente e da tensão na carga.
DEE
Chave aberta
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Conversor Abaixador
Considerando a corrente no indutor, os
conversores DC-DC podem operar em dois
modos:
No modo de condução
contínua (MCC) iL > 0
Modo de Condução Contínua (MCC) –
neste caso a corrente está sempre fluindo
através do indutor (iL > 0) .
Modo de Condução Descontínua (MCD) –
em alguns intervalos de tempo a corrente
no indutor é nula.
Em geral é preferível (em grande parte das
aplicações) a utilização do conversor no MCC,
porém, quando a corrente no circuito ou a
frequência de chaveamento ou o ciclo de
trabalho diminuem o conversor pode operar
em MCD.
DEE
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Limite MCC - MCD
Para garantir MCC:
Quando operando no MCC, o capacitor é escolhido considerando-se o
valor relativo de ondulação (Vr/Vo) desejado:
DEE
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Conversor Step-Down - Exemplo
Considerando um conversor buck com as seguintes características:
encontre os valores de L e C necessários para manter MCC e Vr/Vo=1%.
DEE
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Conversor Step-Down - Exemplo
Considerando um conversor buck com as seguintes características:
encontre os valores de L e C necessários para manter MCC e Vr/Vo=1%.
Substituindo nas equações anteriores:
DEE
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Conversor Step-Down em MCD
Características de um
conversor operando em
MCD:
Vs
Dependendo da aplicação,
o conversor pode ser operado
mantendo constante:
a tensão de entrada Vs
a tensão de saída Vo
A análise da operação do conversor no MCD deve ser realizada para cada um dos casos.
Na fronteira entre MCC e MCD (∆2=0):
DEE
1
ton
DT
I LB = iL , peak ≈
(Vs − Vo) =
(Vs − Vo)
2
2L
2L
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Conversor Step-Down em MCD
MCD com a tensão de entrada (Vs) constante:
Aplicação: No controle de velocidade de um motor DC, a tensão de entrada
permanece aproximadamente constante enquanto a tensão de saída é ajustada.
A corrente média no indutor no limite entre MCC e MCD é dada por:
I LB =
Vs
D(1 − D)
2 Lf
E atinge o valor máximo para D = 0,5 (considerando Vs constante):
I LB ( MAX ) =
Vs
8Lf
DEE
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Conversor Step-Down em MCD
MCD com a tensão de entrada (Vs) constante:
A relação entre as Vs e Vo no conversor é:
Vo
=
Vs
D2
1

D 2 +  Io

I
4
LB ( MAX ) 
Vo / Vs
Vs =
DEE
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Conversor Step-Down em MCD
MCD com a tensão de saída (Vo) constante:
Aplicação: Em fontes DC reguladas a tensão de entrada pode flutuar, mas a tensão de
saída deve permanecer constante.
A corrente média no indutor no limite entre MCC e MCD é dada por:
I LB =
Vo
(1 − D)
2 Lf
E atinge o valor máximo para D = 0 (mantendo Vo constante):
I LB ( MAX ) =
Vo
2 Lf
O que na práSca é impossível pois se D = 0 → Vo = 0
DEE
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Conversor Step-Down em MCD
1/ 2
MCD com a tensão de saída (Vo) constante:
Neste caso é mais conveniente obter uma expressão de D:
 Io



I
Vo
LB ( MAX )
D=


Vs  1 − Vo

Vs


Vs
Vs
Vs
DEE
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2.1. Conversores Abaixadores com
Transformador
DEE
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Conversores Step-Down com Transformador
Em algumas aplicações é desejável haver isolamento galvânico entre a fonte e a carga
(visando segurança e confiabilidade).
Neste caso são utilizados transformadores de alta frequência (leves e pequenos) que
proporcionam alta eficiência.
Exemplos:
Conversor Direto (Forward Converter);
Conversor Push-Pull.
DEE
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Conversor Direto
Observação: O enrolamento adicional
(N3) é utilizado para evitar saturação do
transformador pois a corrente circula
sempre num mesmo sentido.
Circuito:
Vo D
=
Vs n
Sendo:
n = N1 / N 2
Funcionamento:
Quando a chave S está fechada D1 -> está conduzindo e D2 em polarização reversa.
A potência está sendo transferida da fonte para a carga.
Quando a chave S está aberta D1 -> em polarização reversa e D2 conduzindo.
Indutor + capacitor alimentam a carga.
DEE
O valor de Lb(limite MCC – MCD) e do capacitor são calculados do
mesmo modo que para o conversor abaixador sem transformador.
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Conversor Push-Pull
Circuito:
Vo 2 D
=
Vs
n
Sendo:
n = N1 / N 2
Funcionamento:
As chaves operam com defasagem de T/2 e num mesmo ciclo de trabalho (D < 0,5).
S1 fechada e S2 aberta
D1 conduzindo e D2 em corte
S1 aberta e S2 fechada
D1 em corte e D2 conduzindo
As duas chaves abertas D1 e D2 em condução e dividindo a corrente do indutor
(não há transferência de potência da fonte para a carga)
DEE
Limite
MCC-MCD:
Filtro a
capacitor:
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3. Conversor Elevador
(Step-Up ou Boost)
DEE
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Conversor Elevador (Step-Up ou Boost)
S fechada indutor carregando
e capacitor alimentando a carga
is
io
Característica entrada – saída:
Como 0 ≤ D ≤ 1, então Vs ≤ Vo
Observação: Não são comuns as
aplicações de conversores elevadores
DEE
com transformadores.
Circuitos Equivalentes:
Circuito:
Vs
Vo
S aberta energia armazenada no
indutor é enviada para o circuito
(diodo+capacitor+carga)
is
io
Vs
Vo
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Chopper Step-Up
Máximo para D ≈ 0,33
Escolha do indutor e
do capacitor:
Para garantir MCC:
e
Para regular a ondulação da tensão
na saída (a partir de Vr/Vo):
DEE
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Conversor Elevador - MCC
Neste caso a corrente no indutor é sempre
maior que zero.
Modo de condução contínua (MCC) → iL > 0
DEE
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Chopper Step-Up - Exemplo
Considerando um conversor boost com as seguintes características:
encontre os valores de L e C necessários para manter MCC e Vr/Vo=1%.
DEE
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Chopper Step-Up - Exemplo
Considerando um conversor boost com as seguintes características:
encontre os valores de L e C necessários para manter MCC e Vr/Vo=1%.
Substituindo nas equações chega-se a:
DEE
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Conversor Elevador em MCD
No limite entre MCC e MCD:
1
Vs
TVo
D(1 − D)
I LB = iL , peak ≈
ton =
2
2L
2L
Considerando um circuito sem perdas:
VsI L = VoIo →
Io
= (1 − D)
IL
DEE
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Conversor Elevador em MCD
Na maioria dos casos o conversor elevador opera com Vo constante.
Num conversor elevador a corrente do indutor é igual à corrente da fonte.
A corrente média na saída no limite entre MCC e MCD é dada por:
I oB =
Vo
D (1 − D) 2
2 Lf
E atinge o valor máximo para D = 1/3 (considerando Vo constante):
I oB ( MAX ) = 0,074
Vs
Lf
DEE
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Conversor Elevador em MCD
O ciclo de trabalho pode ser expresso em função de Vo/Vs e IoB/ IoB(MAX) :
 4 Vo  Vo  Io 
D=
 − 1

27
Vs
Vs
I

 oB ( MAX ) 

1/ 2
Vs
Vs
Vs
DEE
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4. Conversor Elevador-Abaixador
(Buck-Boost)
DEE
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Conversor Elevador-Abaixador (Buck-Boost)
Chave fechada → indutor sendo
carregado e diodo em bloqueio
is
io
Combina as características dos
conversores abaixador e elevador.
io
Vs
Vo
Circuitos Equivalentes:
is
Vs
Vo
Chave aberta → indutor transferindo
corrente para o circuito
io
D > 0,5 → Vo > Vs (opera como elevador)
D < 0,5 → Vo < Vs (opera como abaixador)
Vo
DEE
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Conversor Buck-Boost
Escolhendo o indutor para
manter modo de condução
contínua:
Escolhendo o capacitor em função da
tensão de ondulação na saída (Vr/Vo):
DEE
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Conversor Buck-Boost – Limite MCC x MCD
Corrente no indutor:
1
TVs
TVo
(1 − D)
I LB = iL , peak ≈
D=
2
2L
2L
Considerando um
circuito sem perdas:
VsI L = VoIo →
Io (1 − D )
=
IL
D
DEE
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Conversor Buck-Boost – Limite MCC x MCD
Do circuito (considerando que o valor médio da corrente no capacitor é zero);
Io = I L − Is
Na maioria das aplicações do conversor elevador-abaixador a tensão de saída (Vo)
é mantida constante.
A corrente média na saída no limite entre MCC e MCD é dada por:
I oB =
Vo
(1 − D) 2
2 Lf
E atinge o valor máximo para D = 0 (considerando Vo constante):
I oB ( MAX )
Vo
=
2 Lf
I oB = I oB ( MAX ) (1 − D ) 2
DEE
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Conversor Buck-Boost no MCD
O ciclo de trabalho pode ser expresso em função de Vo/Vs e IoB/ IoB(MAX) :
D=
Vo
Vs
Io
I oB (MAX )
Vs
Vs
Vs
DEE
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4.1 Conversor Elevador-Abaixador com
Transformador (Conversor Fly-Back)
DEE
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Conversor Fly-Back
Lm – indutância de magnetização do
transformador fly-back
O indutor do conversor buck-boost foi substituído por um transformador:
Sendo: n = N1 / N 2
DEE
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Conversor Fly-Back - Funcionamento
Chave Fechada: a corrente na indutância de magnetização cresce linearmente, o diodo
está em corte, não há corrente no transformador e a carga é alimentada pelo capacitor.
Chave Aberta: a corrente armazenada na indutância é direcionada para o
transformador, o diodo é ligado e a corrente do secundário alimenta a carga e o
capacitor
DEE
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Conversor Fly-Back – Limite MCC x MCD
Para manter o modo de condução contínua:
O filtro a capacitor é especificado por:
DEE
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5. Conversor Cuk
DEE
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Conversor Cuk
Um indutor e um capacitor são adicionados no circuito do conversor elevador.
Tanto a corrente da fonte como a da carga são reguladas (respectivamente pelos indutores
L1 e L2).
A tensão de saída é invertida em relação à de entrada (assim como no conversor elevador).
DEE
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Conversor Cuk - Funcionamento
Chave Fechada:
Chave Aberta:
DEE
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Conversor Cuk – Limite MCC x MCD
Valores mínimos para os indutores que mantém o MCC:
O capacitor no lado da saída é escolhido a partir da tensão de ondulação desejada:
A variação de tensão no capacitor C1 é calculada por:
DEE
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Conversor Cuk
Vantagens:
Tanto a corrente da fonte como a corrente de saída são reguladas pelos indutores
(o que não acontece nos outros conversores clássicos).
A necessidade de filtragem externa é reduzida.
Desvantagens:
Maior quantidade de dispositivos de filtragem.
Necessidade de uma capacitor C1 de maior capacidade de regulação.
DEE
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6. Aplicações
DEE
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Aplicações:
Drivers de alto desempenho para motores elétricos CC em veículos
elétricos, equipamentos de tração e máquinas ferramenta (normalmente
usa-se conversores Step-down);
Sistemas de radar e sistemas de ignição (Step-up)
Sistemas de geração fotovoltaicos e eólicos para otimizar a carga das
baterias
Em UPS (Uninterruptible Power Supplies) para ajustar o nível da tensão
retificada ao da tensão de carga das baterias.
DEE
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Aplicações:
Sistemas de distribuição no qual um único barramento DC é utilizado para
alimentar cargas de diversos tipos (em estações espaciais, barcos, aviões).
DEE
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Aplicações:
Lâmpadas de descarga de alta intensidade (High Intensity Discharge – HID) em veículos:
As lâmpadas HID não possuem filamento.
A descarga elétrica (10 – 30 kV) produz um arco numa mistura pressurizada de mercúrio,
xenônio e metal vaporizado.
Para manter o arco ≈ 85 V.
Maior durabilidade que as lâmpadas comuns.
Produzem luz mais branca.
DEE
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Conversores CC-CC Disponíveis Comercialmente
Step-Down
Circuitos Integrados:
Módulos Completos:
Step-Down
ou
Step-Up
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5. Exercícios de Fixação
DEE
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Exercícios de Fixação:
1.
Projete um conversor DC-DC abaixador acionado por PWM (f = 100 kHz) de modo que ele opere no MCC para: a) Vo = 50 V e b) Vo = 20 V e tenha
uma ondulação de tensão de no máximo 2 %. Está disponível uma fonte de tensão DC regulada Vs = 70 V e a carga a ser alimentada é de 100 Ω.
2.
Para a Questão 01-a, encontre o ciclo de trabalho necessário para que a tensão na saída seja 10 V.
3.
Encontre as perdas na chave semicondutora da Questão 01-a se for utilizado um IGBT 30N60B conforme datasheet em anexo.
4.
Repita a Questão 03 para o IGBT 30N60C.
5.
Repita as Questões 03 e 04 considerando que a frequência de chaveamento é modificada para 1 MHz.
6.
Repita a Questão 01 utilizando agora as versões do conversor abaixador com transformador: a) Conversor Direto e b) Conversor Push-Pull.
Considere nos dois casos um transformador de relação de transformação 1:2.
7.
Projete um conversor DC-DC elevador acionado por PWM (f = 100 kHz) de modo que ele opere no MCC para Vo = 180 V e tenha ondulação
máxima na saída de 2 V. A fonte de alimentação disponível é Vs = 100 V e a carga a ser alimentada é de 50 Ω. Obtenha o ciclo de trabalho
necessário para que a tensão na saída seja mantida em 180 V quando a tensão da fonte de alimentação do conversor cai para 80 V.
8.
Projete um conversor DC-DC elevador- abaixador acionado por PWM (f = 100 kHz) de modo que ele opere no MCC para :a) Vo = 80 V e
b) Vo = 130 V e tenha ondulação máxima na saída de 2 V. A fonte de alimentação disponível é Vs = 100 V e a carga a ser alimentada é de 50 Ω.
9.
Considerando o circuito projetado na Questão 08-a, obtenha os valores do ciclo de trabalho necessários para manter na tensão de saída regulada
em 80 V quando a tensão da fonte DC varia de 70 a 130 V.
10.
Repita a Questão 08 considerando agora um conversor elevador-abaixador fly-back com transformador de relação de transformação 1:2.
11.
Repita a Questão 08 considerando agora um conversor Cuk, considere que a variação de tensão do capacitor 1 seja no máximo 5V.
DEE
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Referências
Mohan, Undeland & Robbins. Power Electronics – Converters, Applications
and Design, Wiley, 1995.
Rashid, Muhammad H. Power Electronics Handbook, Devices, Circuits and
Applications, Segunda Edição, Elsevier, 2007.
Ahmed, Ashfak. Eletrônica de Potência, Wiley,
Pomilio, José Antenor. Eletrônica de Potência , Faculdade de Engenharia
Elétrica e de Computação, UNICAMP, 1998, Revisado em 2002.
As figuras utilizadas nesta apresentação foram retiradas das referências
listadas acima.
DEE
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