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ELT043 – Fontes de Alimentação CC e CA
Prof. Dr. Thiago de OliveiraDepartamento de Eng. Eletrônica
Apresentação
• Prof. Thiago de Oliveira– Sala 2620– E-mail: [email protected]
• Bibliografia
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• Notas de aula;• N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins. Power Electronics: Converter, Applications and
Design. 3rd Edition, Wiley;• R. W. Erickson, D. Maksimovic. Fundamental Power Electronics. 2nd Edition, Springer;• Application Notes;• Artigos Técnicos e Científicos.
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Apresentação
• Distribuição de Pontos e Datas Importantes– Projeto I – 40pts– Projeto II – 40pts– Prova – 20pts (12/11)
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Apresentação
• Objetivo da Disciplina– Desenvolver habilidades de Projeto, Especificação, Modelagem e
Controle de conversores estáticos CC/CC e CC/CA
• Metodologia– Aprendizado baseado em projeto:
• Serão realizados dois projetos ao longo da disciplina:– Fontes Chaveadas;– Aplicação de inversor;
• As aulas servirão para fornecer a arcabouço teórico-prático necessário para o desenvolvimento dos projetos e com isso complementar as habilidades citadas acima;
• Os trabalhos serão desenvolvidos em ambiente de simulação (LTSpice, Simulink, PSIM), mas serão abordados detalhes construtivos de um projeto real.
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Apresentação
• Metodologia...– Os principais conteúdos abordados nas aulas serão:
• Discussão das especificações de projeto – Critérios normativos, conceitos básicos, possíveis soluções topológicas, carcaterísticas da topologia a ser desenvolvida;
• Projeto e Especificação do conversor estático:– Projeto Eletrônico (Potência e sinal);– Projeto Magnético;– Projeto Térmico;
• Técnicas de modelagem de conversores (linearização);• Técnicas de controle e projeto de controladores;
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Apresentação
• Conhecimentos prévios necessários:– Circuitos Elétricos;– Dispositivos e Circuitos Eletrônicos Básicos;– Sistemas Digitais;– Análise de Sistemas Dinâmicos Lineares;– Controle de Sistemas Lineares;– Conversão da energia (Circuitos magnéticos);– Eletrônica de Potência;
• Conhecimentos desejáveis– Processamento de Sinais;– Acionamentos Elétricos.
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Revisão Conversores CC/CC (Básico)
Prof. Dr. Thiago de OliveiraDepartamento de Eng. Eletrônica
Conversores CC/CC
• Conversores Clássicos
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2nd orderconverters
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Conversores CC/CC
• Conversor Não-isolados
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Comando do transistorOn
off
~15V
0V
TS
Ton Toff
vGS
Ciclo de Trabalho (Duty Cycle)
퐷 =푇푇
Conversores CC/CC
• Conversor Boost em CCM
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Comando
푉
푖
푣
퐸
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Conversores CC/CC
• Conversor Boost em CCM
11
Comando
푉
푖
푣
퐸
퐸 − 푉푖푇푖
Conversores CC/CC
• Conversor Boost em CCM
12
푉
푖
푣
퐸
퐸 − 푉
푖푇푖 ,
Δ퐼
퐸푇 = − 퐸 − 푉 푇퐸푇 = − 퐸 −푉 (푇 − 푇 )
÷ 푇 → 퐸퐷 = − 퐸 − 푉 (1−퐷)
푉 =퐸
1− 퐷푉 =퐸
1− 퐷
Para: 0 ≤ 푡 ≤ 푇
퐿푑푖푑푡 = 퐸 퐿
Δ퐼푇 = 퐸
퐿 =퐸퐷Δ퐼 푓퐿 =퐸퐷Δ퐼 푓
퐼
퐼퐼 = 퐷퐼퐼 = 퐷퐼
퐼 = 퐼 = 1−퐷 퐼퐼 = 퐼 = 1−퐷 퐼
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Conversores CC/CC
• Conversor Boost em CCM
13
푣
푖
푖
−퐼
퐼
Δ푉
퐼 푇 = 퐶Δ푉
퐶 =퐼 1−퐷 퐷푓 Δ푉퐶 =
퐼 1−퐷 퐷푓 Δ푉
푉 =퐸
1− 퐷푉 =퐸
1− 퐷
퐿 =퐸퐷Δ퐼 푓퐿 =퐸퐷Δ퐼 푓
퐼 = 퐷퐼퐼 = 퐷퐼 퐼 = 퐼 = 1−퐷 퐼퐼 = 퐼 = 1−퐷 퐼
푉 = 푉푉 = 푉 푉 = 푉푉 = 푉
Conversores CC/CC
• Conversor Boost em condição crítica
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Comando
푉
푖
퐸
퐸 − 푉 퐼
퐼 = Δ퐼 = 2퐼
퐿 =퐸퐷Δ퐼 푓
퐿 =퐸퐷
2퐼 푓퐿 =퐸퐷
2퐼 푓퐼 =
퐸퐷2퐿푓퐼 =퐸퐷2퐿푓
퐸퐷2퐿푓 =
퐼1 − 퐷 =
푉푅 1 − 퐷 =
퐸푅 1− 퐷
퐷 1− 퐷 =2퐿푓푅 = 퐾퐷 1− 퐷 =2퐿푓푅 = 퐾
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Conversores CC/CC
• Conversor Boost em condição crítica
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• Caso 퐾 > 0.1481, o boost não entra em DCM
Conversores CC/CC
• Conversor Boost em DCM
1616
Comando
푉
푖
퐸
퐸 − 푉 퐼
푡
퐸푇 = −(퐸 − 푉 ) 푇 − 푇 − 푡
푉 =퐸 1 − 푡
푇
1 − 퐷 − 푡푇
퐼 =푉푅 =
퐼2 1− 퐷 −
푡푇
퐼 = Δ퐼 =퐸퐷퐿푓
푡푇 = 1− 퐷 −
2퐿푓푅 퐸퐷 푉
푡푇 = 1− 퐷 −
2퐿푓푅 퐸퐷 푉
푡푇 = 1 − 퐷 −
푉퐸퐷 퐾
푡푇 = 1 − 퐷 −
푉퐸퐷 퐾
푉 =퐸2 1 + 1 + 4퐷 /퐾푉 =퐸2 1 + 1 + 4퐷 /퐾
퐷 =퐾푉퐸
푉퐸 − 1퐷 =
퐾푉퐸
푉퐸 − 1
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Conversores CC/CC
• Conversor Boost em DCM
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Conversores CC/CC
• Conversor Buck em CCM
18
Comando
푉
푖
퐸 − 푉푂
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10
Conversores CC/CC
• Conversor Buck em CCM
19
Comando
푉
푖
퐸 − V
−푉
Conversores CC/CC
• Conversor Buck em CCM
20
Δ퐼
퐸 − 푉 푇 = − −푉 푇
푉 = 퐸퐷푉 = 퐸퐷
Para: 0 ≤ 푡 ≤ 푇
퐿푑푖푑푡 = (퐸 − 푉 )
퐿 =퐸 1− 퐷 퐷
Δ퐼 푓퐿 =퐸 1− 퐷 퐷
Δ퐼 푓
퐼 = 퐷퐼퐼 = 퐷퐼
퐼 = 1− 퐷 퐼퐼 = 1− 퐷 퐼
Comando
푉
푖
퐸 − V
−푉
퐼 = 퐼퐼 = 퐼
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Conversores CC/CC
• Conversor Buck em CCM
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푣Δ푉
퐶Δ푉 =Δ퐼 푇
8
퐶 =Δ퐼
8푓 Δ푉퐶 =Δ퐼
8푓 Δ푉
푉 = 퐸퐷푉 = 퐸퐷
퐿 =퐸 1− 퐷 퐷
Δ퐼 푓퐿 =퐸 1− 퐷 퐷
Δ퐼 푓
퐼 = 퐷퐼퐼 = 퐷퐼 퐼 = 1− 퐷 퐼퐼 = 1− 퐷 퐼
푉 = 퐸푉 = 퐸 푉 = 퐸푉 = 퐸
푖
푖Δ퐼
Conversores CC/CC
• Conversor Buck em condição crítica
22
Comando
푉
푖
퐸 − 푉
−푉 퐼
퐼 = Δ퐼 = 2퐼
퐿 =퐸퐷 1−퐷Δ퐼 푓
퐿 =퐸퐷(1− 퐷)
2퐼 푓퐿 =퐸퐷(1− 퐷)
2퐼 푓퐼 =
퐸퐷(1− 퐷)2퐿푓퐼 =
퐸퐷(1− 퐷)2퐿푓
퐸퐷(1 − 퐷)2퐿푓 = 퐼 =
푉푅 =
퐸퐷푅
1 − 퐷 =2퐿푓푅 = 퐾1 − 퐷 =2퐿푓푅 = 퐾
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Conversores CC/CC
• Conversor Buck em DCM
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Comando
푉
푖
퐸 − 푉
−푉퐼
푡
(퐸 − 푉 )푇 = −(−푉 ) 푇 −푇 −푡
푉 =퐸퐷
1 − 푡푇
퐼 =푉푅 =
퐼2 1 −
푡푇
퐼 = Δ퐼 =(퐸 − 푉 )퐷
퐿푓
푡푇 =
퐾푉퐷(퐸 − 푉 )
푡푇 =
퐾푉퐷(퐸 − 푉 )
푉 =2퐸
1 + 1 + 4퐾/퐷푉 =
2퐸1 + 1 + 4퐾/퐷
퐷 =푉퐸
퐾1 − 푉 /퐸퐷 =
푉퐸
퐾1 − 푉 /퐸
Conversores CC/CC
• Conversor Buck em DCM
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Conversores CC/CC
• Conversor Buck-boost em CCM
25
Comando
푉
푖
퐸
Conversores CC/CC
• Conversor Buck-boost em CCM
26
Comando
푉
푖
퐸
−푉
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Conversores CC/CC
• Conversor Buck-boost em CCM
27
Δ퐼
퐸푇 = − −푉 푇
푉 =퐸퐷
1− 퐷푉 =퐸퐷
1− 퐷Para: 0 ≤ 푡 ≤ 푇
퐿푑푖푑푡 = 퐸
퐿 =퐸퐷Δ퐼 푓퐿 =퐸퐷Δ퐼 푓
퐼 = 퐷퐼퐼 = 퐷퐼
퐼 = 퐼 = 1−퐷 퐼퐼 = 퐼 = 1−퐷 퐼
Comando
푉
푖
퐸
−푉
Conversores CC/CC
• Conversor Buck-boost em CCM
28
푉 =퐸퐷
1− D푉 =퐸퐷
1− D
퐿 =퐸퐷Δ퐼 푓퐿 =퐸퐷Δ퐼 푓
퐼 = 퐷퐼퐼 = 퐷퐼 퐼 = 1− 퐷 퐼퐼 = 1− 퐷 퐼
푉 = 퐸 + 푉푉 = 퐸 + 푉 푉 = 퐸 + 푉푉 = 퐸 + 푉
푣
푖
푖
−퐼
퐼
Δ푉
퐼 푇 = 퐶Δ푉
퐶 =퐼 1−퐷 퐷푓 Δ푉퐶 =
퐼 1−퐷 퐷푓 Δ푉
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Conversores CC/CC
• Conversor Buck-boost em condição crítica
29
Comando
푉
푖
퐸
−푉 퐼
퐼 = Δ퐼 = 2퐼
퐿 =퐸퐷Δ퐼 푓
퐿 =퐸퐷
2퐼 푓퐿 =퐸퐷
2퐼 푓퐼 =
퐸퐷2퐿푓퐼 =퐸퐷2퐿푓
퐸퐷2퐿푓 = 퐼 =
푉푅 =
퐸퐷푅 (1− 퐷)
1 − 퐷 =2퐿푓푅 = 퐾1 − 퐷 =2퐿푓푅 = 퐾
Conversores CC/CC
• Conversor Buck-boost em DCM
30
Comando
푉
푖
퐸
−푉퐼
푡
퐸푇 = −(−푉 ) 푇 − 푇 − 푡
푉 =퐸퐷
1 − 퐷 − 푡푇
퐼 =푉푅 =
퐼2 1− 퐷 −
푡푇
퐼 = Δ퐼 =퐸퐷퐿푓
푉 =퐸퐷퐾
푉 =퐸퐷퐾
퐷 =푉 퐾퐸퐷 =
푉 퐾퐸
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Conversores CC/CC
• Conversor Buck-boost em DCM
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Conversores CC/CC
• Regime de condução descontínua - Kcritico
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Boost -> 퐷 1−퐷
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Conversores CC/CC
• Resumo dos Conversores Não-Isolados
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Parâmetros Buck Boost Buck-Boost
푉 /퐸 (CCM) 퐷 11 − 퐷 −
퐷1− 퐷
Δ퐼퐸 − 푉 퐷퐿푓
퐸퐷퐿푓
퐸퐷퐿푓
Δ푉Δ퐼
8푓 퐶퐼 퐷푓 퐶
퐼 퐷푓 퐶
퐾 (1 − 퐷) 퐷 1 − 퐷 1 − 퐷
퐿퐸 1 − 퐷 퐷
2퐼 푓
푉 /퐸 (DCM)2
1 + 1 + 4퐾/퐷1 + 1 + 4퐷 /퐾
2−퐷퐾
Voltage Stress 퐸 푉 퐸 + 푉
Corrente de entrada Pulsada Contínua Pulsada
Corrente de Saída Contínua Pulsada Pulsada
Conversores CC/CC – Isolados
• Baseados no Buck
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Forward
Half-bridge
Full-bridge
Push-pull
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Conversores CC/CC – Isolados
• Baseados no Buck
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Parâmetros Forward Push-Pull HB FB
Vo 퐸퐷푁 /푁 퐸퐷푁 /푁 퐸퐷푁 /2푁 퐸퐷푁 /푁Uso do núcleo 1Q 2Q 2Q 2Q
Voltage Stress 2퐸 2퐸 퐸2
퐸
Current Stress 1 1 2 1
Power Range ~200W 100W-500W 100W-500W >500W
Conversores CC/CC – Isolados
• Conversor Flyback
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• Conversor barato;• Uso de apenas uma quadrante
do núcleo;• Uso geralmente limitado a
100W;
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Conversores CC/CC – Isolados
• Conversor Flyback
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• Armazena energia na indutância de magnetização do “transformador”;
• O diodo se mantém bloqueado;• O capacitor alimenta a carga;
퐸푉
푖
푖
Conversores CC/CC – Isolados
• Conversor Flyback
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• Descarrega a energia armazenada no secundário;
• O diodo conduz e o transistor corta;• Carrega o capacitor;
퐸
−푉푁푁
푉
푖
푖
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Conversores CC/CC – Isolados
• Conversor Flyback - CCM
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푉 =퐸퐷
1− 퐷푁푁푉 =
퐸퐷1− 퐷
푁푁
퐿 =퐸퐷Δ퐼 푓퐿 =퐸퐷Δ퐼 푓
퐿 = 퐿푁푁퐿 = 퐿푁푁
퐸
−푉푁푁
푉
푖
푖퐶 =퐼 퐷푓 Δ푉퐶 =퐼 퐷푓 Δ푉
Conversores CC/CC – Isolados
• Conversor Flyback - DCM
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푉 =퐸퐷퐾푁푁푉 =
퐸퐷퐾푁푁
퐿 =퐸퐷Δ퐼 푓퐿 =퐸퐷Δ퐼 푓
퐿 = 퐿푁푁퐿 = 퐿푁푁
퐸
−푉푁푁
푉
푖
푖
퐾 =2퐿 푓푅퐾 =
2퐿 푓푅
퐶 =퐼 퐷푓 Δ푉퐶 =퐼 퐷푓 Δ푉