02 conversores cc-cc
Post on 19-Jan-2016
20 Views
Preview:
TRANSCRIPT
11
PARTE 4:PARTE 4:
CONVERSORES CONVERSORES CCCC--CCCC
2
CONVERSORES CC-CC CONCEITOS BÁSICOS
- Um chopper ou conversor cc-cc
pode ser considerado como a versão CC de um transformador CA
com uma relação de espiras
continuamente variável.
-
Aplicações típicas:
• controle de tração e velocidade;
• carregamento de baterias;
• fontes chaveadas;
•
aplicações gerais para adaptação de níveis de tensões cc entre fonte e carga.
3
CONVERSORES CC-CC PRINCÍPIO DO CONVERSOR ABAIXADOR
Capítulo 9: Choppers –
pág. 371 a 404 –
Muhammad
H. Rashid, Eletrônica de Potência: Circuitos, Dispositivos e Aplicações, Prentice
Hall, 2ª
edição, 1993.
4
CONVERSORES CC-CC
ton –
tempo de condução do interruptor (t1 );
toff –
tempo de bloqueio do interruptor (t2 );
Vi –
tensão de entrada (fonte de alimentação) (Vs );
Vo –
tensão de saída (carga) (Vo );
fs –
freqüência de comutação ou chaveamento (f);
Ts –
período de comutação ou chaveamento (T).
Atenção: Esta será
a nomenclatura unificada empregada para este tópico, que é
diferente
daquela adotada no livro texto.
S –
interruptor ou “chave”
(BJT, MOSFET, IGBT
ou SCR
com comutação forçada);
PRINCÍPIO DO CONVERSOR ABAIXADOR
5
CONVERSORES CC-CC
fs –
freqüência de comutação ou chaveamento (f);
D –
razão cíclica ou ciclo de trabalho (k).
( ) ( )0
1 onton
o i s on i io meds s
tV v t dt V f t V D VT T
= = ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅∫1
ss
fT
=
0 1on on
s on off
t tD DT t t
= = ⇒ ≤ ≤+
( )( )
( ) ( )2
0
1 s
o med is on i io med
D T
o io efs
V D VI f t I D IR R
V v t dt D VT
⋅
⋅= = = ⋅ ⋅ = ⋅
= ⋅ ⋅ = ⋅∫
PRINCÍPIO DO CONVERSOR ABAIXADOR
6
CONVERSORES CC-CC
( ) ( ) ( )2 2
0 0
1 1s sD T D To i
i o o os s
v t VP P v t i t dt dt DT T R R
⋅ ⋅
= = ⋅ ⋅ = ⋅ =∫ ∫
Supondo um conversor sem perdas, tem-se:
A impedância (ou resistência de entrada) vista pela fonte é:
i ii
o i
V V RRI D V R D
= = =⋅
-
A razão cíclica pode ser variada por meio da variação de Ton ou fs (Ts ). Portanto, a tensão de saída Vo pode ser variada de 0 a Vi e o fluxo de potência pode ser controlado.
•
Operação em freqüência constante: A freqüência de comutação é
mantida constante e o tempo de condução é
variado (PWM: pulse width modulation –
modulação por largura de pulso).
•
Operação em freqüência variável: A freqüência de comutação é variada. Tanto o tempo de condução como o tempo de bloqueio: podem
ser mantidos constantes (modulação em freqüência).
PRINCÍPIO DO CONVERSOR ABAIXADOR
7
CONVERSORES CC-CC PRINCÍPIO DO CONTROLE PWM
8
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR ABAIXADOR COM CARGA RLE
9
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR ABAIXADOR COM CARGA RLE
11i
diV Ri L Edt
= + +
Modo 1 (0≤t≤ton ):
Ao final deste modo, tem-se:
Modo 2 (ton ≤t≤Ts ):
Ao final deste modo, tem-se:Em regime permanente, tem-se I3 =I1 .
10
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR ABAIXADOR COM CARGA RLE
Ondulação da corrente de pico a pico:-
Pode-se provar que a ondulação máxima é
dada por:
-
As equações previamente apresentadas são válidas apenas para fluxo contínuo de corrente.
-
Para um tempo de bloqueio grande, particularmente em baixa freqüência e baixa tensão de saída, a corrente de carga pode ser descontínua.
-
A corrente de carga será
contínua se L/R>Ts ou Lfs >>R.
- No caso de corrente de carga descontínua, tem-se I1 =0.
11
CONVERSORES CC-CC PRINCÍPIO DO CONVERSOR ELEVADOR
Na condução do interruptor:
12
CONVERSORES CC-CC CLASSIFICAÇÃO DOS CHOPPERS
Chopper Classe A: permite fluxo de potência apenas da fonte para a carga ⇒ corrente na carga e tensão na carga positivas (retificador) ⇒ chopper de
um quadrante.
Chopper Classe B:
permite fluxo de potência apenas da carga para a fonte ⇒ corrente na carga negativa e tensão positiva (inversor).
13
CONVERSORES CC-CC CLASSIFICAÇÃO DOS CHOPPERS
Chopper Classe B:
Chopper Classe C:
a corrente na carga é
tanto positiva quanto negativa, mas a tensão na carga é
sempre positiva ⇒ chopper de dois quadrantes
(bidirecionalidade
de corrente) ⇒
operação como retificador ou inversor.
14
CONVERSORES CC-CC CLASSIFICAÇÃO DOS CHOPPERS
Chopper Classe C:
15
CONVERSORES CC-CC CLASSIFICAÇÃO DOS CHOPPERS
Chopper Classe D:
a corrente na carga é
sempre positiva, mas a tensão na carga é
tanto positiva quanto negativa ⇒
chopper de dois quadrantes
(bidirecionalidade
de tensão) ⇒ operação como retificador ou inversor.
16
CONVERSORES CC-CC CLASSIFICAÇÃO DOS CHOPPERS
Chopper Classe E:
tanto a tensão quanto a corrente na carga são positivas e negativas ⇒
chopper de quatro quadrantes (bidirecionalidade
de
tensão e de corrente) ⇒ operação como retificador ou inversor.
17
CONVERSORES CC-CC TOPOLOGIAS DE CONVERSORESCC-CC NÃO ISOLADOS
- Conversor buck;
- Conversor boost;
-Conversor buck-boost;
- Conversor Cúk;
- Conversor SEPIC;
- Conversor Zeta.
18
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BUCK EM MCC
Conversor buck:
a tensão de saída é
menor que a tensão de saída.
- Durante a condução do interruptor, tem-se:
19
CONVERSORES CC-CC- Durante o bloqueio do interruptor, tem-se:
- A ondulação da corrente é
dada por:
- Sendo e , tem-se:
G=Vo /Vi –
ganho estático do conversor em MCC.
Considerando um circuito sem perdas, tem-se:
-
A ondulação da corrente no indutor e da tensão no capacitor são dadas por:
CONVERSOR BUCK EM MCC
20
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BUCK EM MCD
-
Dependendo da freqüência de comutação, da indutância e da capacitância de filtro, a corrente no indutor pode ser descontínua.
razão cíclica de condução descontínuaon ocd
s
t tD
T+
= =
2
2ganho estático em condução descontínua
2o
oi
i s
V DGLIV D
VT
= = =+
21
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BUCK EM MCD
Para uma ampla faixa de variação de razão cíclica, o pior caso ocorre quando 0,5:
8
icrit
s o
D
VL
f I
=
=
( )1indutância crítica
2i
crits o
V D DL
f I−
= =
22
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BOOST EM MCC
23
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BOOST EM MCC
24
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BOOST EM MCC
Considerando um circuito sem perdas, tem-se:
A ondulação de corrente pico a pico é
dada por:
A ondulação da tensão é
dada por:( )o o i o
oo s s
I V V I DV
V f C f C−
Δ = =
( )11
oi i o o i o i
IV I V I V I D I
D= = − ⇒ =
−
( )i o i i
s o s
V V V V DI
f LV f L−
Δ = =
25
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BOOST EM MCD
-
Em regime permanente, o valor médio da tensão no indutor é
nulo:
-
Além disso, em MCD, a corrente média no indutor é:
-
Manipulando as expressões anteriores, tem-se:
-
Para garantir a operação em condução contínua, o mínimo valor da corrente no indutor deve ser maior do que zero.
( ) 21=indutância crítica
2 2i i
crits o s o
V D D V DL
f I f P−
= =
( ) 0 o s di s i o d
i d
V DT tV DT V V t
V t+
+ − = ⇒ =
( )( ) ( )
( )máxméd 2 2
on dL ii i s dL
s
I t t V DI I I DT t
T L
+= = ⇒ = +
22 21
2i o o i
do i i s o
LI LI V V Dt
DV DV V f LI= = ⇒ = +
26
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BOOST EM MCD
27
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BUCK-BOOST EM MCC
-
O conversor buck-boost combina as características de entrada de um conversor buck e as características de saída de um conversor boost;-
A tensão média de saída pode ser maior, igual ou menor que a tensão
de entrada, porém com a polaridade invertida.
28
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BUCK-BOOST EM MCC
29
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BUCK-BOOST EM MCC
Considerando um circuito sem perdas, tem-se:
( )11
oi i o o i o i
I DV I V I V I D D I
D= − = − ⇒ =
−
A ondulação de corrente pico a pico é
dada por:
( )i o i
s o i s
VV V DI
f L V V f LΔ = =
−
A ondulação da tensão é
dada por:
( )o o o
oo i s s
I V I DV
V V f C f CΔ = =
−
1
0,50,50,5
o
i
o i
o i
o i
V DV D
D V VD V VD V V
=−
< ⇒ <= ⇒ => ⇒ >
30
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BUCK-BOOST EM MCD
-
Em regime permanente, o valor médio da tensão no indutor é
nulo:
0 o si s o d
i d
V DTV DT V t
V t+ − = ⇒ =
-
Além disso, em MCD, a corrente de saída média é:
( )2
máx 22 2
dL o d so d
s s
I t V t LTI t
T LT R= = ⇒ =
-
Manipulando as expressões anteriores, tem-se:
2o o
i s
V RD
V f L=
-
Para garantir a operação em condução contínua, o mínimo valor da corrente no indutor deve ser maior do que zero.
( ) ( )21=indutância crítica
2 2i i
crits o s o
V D D DVL
f I f P−
= =
31
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BUCK-BOOST EM MCD
32
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR CÚK
-
A transferência de energia da fonte para a carga é
feita por meio de um capacitor;-
Tanto a corrente de entrada quanto a de saída podem ser contínuas,
devido à
presença dos indutores;-
A tensão de saída apresenta-se com polaridade invertida em relação à
tensão de entrada.
33
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR CÚK
-
Na primeira etapa, o interruptor conduz, de modo que a corrente
no indutor L1 cresce linearmente. O capacitor descarrega sua energia alimentando o estágio de saída e o diodo permanece bloqueado.
-
Na segunda etapa, o interruptor é
bloqueado. A fonte de alimentação carrega o capacitor C1 . A energia armazenada no indutor é
transferida à
carga através do diodo.
34
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR CÚK em MCC
Projeto:
35
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR CÚK em MCC
-
Uma vez que a característica estática do conversor Cuk
é
idêntica à
do conversor abaixador-elevador de tensão (buck-boost), as mesmas curvas características apresentadas anteriormente são válidas também para esta topologia.-
Definindo o ganho estático e o parâmetro Ke , que por sua vez se
relaciona com a descontinuidade, tem-se: 2
1 2
1 2
e 2
o e oe e
i e i s
V L I L LD K LV K V T L L
= ⇒ = =+
1 1 82
ecrit
KD
± −=
-
O ciclo de trabalho crítico, no qual há
a passagem do modo de condução contínuo para o descontínuo, é
dado por:
36
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR SEPIC
-
O conversor SEPIC
(Single Ended Primary Inductance Converter) também possui uma característica de transferência do tipo abaixadora-
elevadora
de tensão; - Diferentemente do conversor Cúk, a corrente de saída é
pulsada;
-
Os interruptores ficam sujeitos a uma tensão que é
a soma das tensões de entrada e de saída e a transferência de energia da entrada para a saída ocorre através do capacitor.
37
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR SEPIC
-
Na primeira etapa, o interruptor conduz e o diodo permanece bloqueado. O indutor L1 armazena energia a partir da fonte de entrada. As correntes em L1 e L2 crescem linearmente. O capacitor Co descarrega sua energia alimentando o estágio de saída e o diodo permanece bloqueado.
-
Na segunda etapa, o diodo passa a conduzir. Ambos os indutores fornecem energia para a carga. O capacitor C1 é
carregado.
38
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR SEPIC
Projeto:
( )
( )
( )
( )
11 1
22 2
2
11
2
11
1
1
1
o
i
o si s
o si s
i sC
o
i sCo
o o
V DGV D
V D TV DTI
L LV D TV DT
IL L
V D TV
R C D
V D TV
R C D
= =−
−Δ = =
−Δ = =
Δ =−
Δ =−
39
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR ZETA
-
O conversor Zeta
também possui uma característica abaixadora- elevadora
de tensão. Na verdade, a diferença entre este conversor, o
Cuk
e o SEPIC
é
apenas a posição relativa dos componentes;- A corrente de entrada é
descontínua e a de saída é
continua;
- A transferência de energia ocorre através do capacitor.
40
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR ZETA
-
Na primeira etapa, o interruptor conduz e o diodo permanece bloqueado. A corrente em ambos os indutores cresce linearmente. As correntes em L1 e L2 crescem linearmente. O capacitor C1 é
descarregado e o capacitor Co é
descarregado.
-
Na segunda etapa, o diodo passa a conduzir. O indutor L1 descarrega sua energia, carregando C1 . Por sua vez, o indutor L2 alimenta o estágio de saída.
41
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR ZETA
Projeto:
( )
11
22
11
22
1
18
o
i
i
s
i
s
oC
s o
oCo
s o
V DGV D
V DI
f LV D
If L
V DV
f R CV D
Vf L C
= =−
Δ =
Δ =
Δ =
−Δ =
42
-
Trata-se da versão isolada do conversor buck-boost.
Funções do Transformador:
-
isolamento entre a fonte e a carga;
-
acumulação de energia quando o interruptor T está
em condução;
-
adaptar a tensão necessária no enrolamento secundário.
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FLYBACK
43
Etapas de Funcionamento e Formas de Onda Básicas para Condução Descontínua:
Ls -
indutância magnetizante
referida ao secundário do transformador.
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FLYBACK
4444
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FLYBACK
Projeto:
( )o o o
oo i s s
I V I DV
V V f C f CΔ = =
−
45
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FORWARD
46
-
Trata-se da versão isolada do conversor buck.
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FORWARD
47
-
Durante a 2ª
etapa de funcionamento, o transformador deve ser inteiramente desmagnetizado. Caso contrário, ocorrerá
sua saturação magnética, provocando o
mau funcionamento no conversor.
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FORWARD
48
-
Para que a desmagnetização seja assegurada, é
necessário que quando a razão cíclica for máxima, TD =T2 . Assim, tem-se:
a) Análise das Grandezas Envolvidas
c) Corrente no Indutor e Cálculo da Indutância
b) Tensão Média na Carga (Vout ):
-
Normalmente, Dmax =0,5. Então, pode-se escrever:
onde
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FORWARD
49
d) Corrente de Pico nos Enrolamentos Secundário e Primário
e) Cálculo da Capacitância
f) Transformador
Kp −
fator de utilização do primário (Kp =0,5);Kw −
fator de utilização da área do enrolamento (Kw =0,4);
J −
densidade de corrente (250-400 A/cm2);ΔB −
variação de fluxo eletromagnético (0,2-0,3 T).
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FORWARD
50
f) Transformador
Np –
número de espiras do enrolamento primário;Ae –
área efetiva da perna central do núcleo [m];
ΔB −
variação de fluxo eletromagnético [T].
Nsn –
número de espiras do secundário de número “n”;VF –
queda de tensão no diodo [V].
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FORWARD
51
⇒ O ferrite, usado em núcleos de transformadores e indutores, é
formado por compostos à
base de níquel, zinco e/ou manganês. Possui baixa coercividade, o que permite a magnetização reversa com pouca dissipação de energia (perdas por histerese). Por outro lado, a alta resistividade do material reduz a circulação de correntes parasitas. É
amplamente
usado em fontes chaveadas devido às perdas reduzidas em altas freqüências.⇒
A densidade de fluxo de
saturação para um núcleo de ferrite é
da ordem de 0,3 T.
⇒ A densidade de trabalho, inferior ao valor de Bmax , depende da freqüência de trabalho.
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FORWARD
52
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FORWARD
53
-
Escolha da Seção Transversal dos Condutores dos Enrolamentos:
Scm −
área de secção reta do condutor [cm2];
Ief −
valor eficaz da corrente.
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FORWARD
54
1) Especificar: Vin , Vout , Pout , fs , ΔVo , ΔiL , η.
2) Definir a razão cíclica nominal, lembrando que Dmax =0,5
4) Calcular a(s) capacitância(s).
3) Calcular a(s) corrente(s) de carga, a(s) corrente(s) de pico no(s) enrolamentos secundário(s) e a(s) resistência(s) de carga.
5) Calcular o produto Ae ⋅Aw e definir o núcleo do transformador.
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FORWARD
55
6) Calcular o número de espiras dos enrolamentos primário e secundário(s),
8) Calcular a(s) indutância(s).
7) Calcular a(s) relaç(ão)(ões) de transformação.
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FORWARD
56
T=período da tensão de entrada do filtro de saída; TS =2⋅T=período de funcionamento do conversor.
CONVERSOR HALF-BRIDGECONVERSORES CC-CC
57
1ª
Etapa:
2ª
Etapa:
3ª
Etapa:
CONVERSOR HALF-BRIDGECONVERSORES CC-CC
58
-
A topologia do tipo Half-Bridge normalmente e é
recomendada para potências inferiores a 500 W.
- Para potências maiores, é
empregado o conversor do tipo Full-Bridge.
CONVERSOR FULL-BRIDGECONVERSORES CC-CC
59
- Pode ser considerado como um caso particular do conversor Full-Bridge ou Half-Bridge.
-
Destinado a pequenas potências, por propiciar um mau aproveitamento do transformador e dificultar o emprego de técnica para evitar a saturação no núcleo devido à
desigualdade entre os
tempos de comutação dos interruptores.
-
É
mais recomendado para baixas tensões por submeter os interruptores a tensões muito elevadas.
CONVERSOR PUSH-PULLCONVERSORES CC-CC
top related