02 conversores cc-cc

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PARTE 4: CONVERSORES CC-CC

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CONVERSORES CC-CC

CONCEITOS BSICOS

- Um chopper ou conversor cc-cc pode ser considerado como a verso CC de um transformador CA com uma relao de espiras continuamente varivel. - Aplicaes tpicas: controle de trao e velocidade; carregamento de baterias; fontes chaveadas; aplicaes gerais para adaptao de nveis de tenses cc entre fonte e carga.

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CONVERSORES CC-CC

PRINCPIO DO CONVERSOR ABAIXADOR

Captulo 9: Choppers pg. 371 a 404 Muhammad H. Rashid, Eletrnica de Potncia: Circuitos, Dispositivos e Aplicaes, Prentice Hall, 2 edio, 1993.

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CONVERSORES CC-CC

PRINCPIO DO CONVERSOR ABAIXADOR

Ateno: Esta ser a nomenclatura unificada empregada para este tpico, que diferente daquela adotada no livro texto. S interruptor ou chave (BJT, MOSFET, IGBT ou SCR com comutao forada);ton tempo de conduo do interruptor (t1); toff tempo de bloqueio do interruptor (t2); Vi tenso de entrada (fonte de alimentao) (Vs); Vo tenso de sada (carga) (Vo); fs freqncia de comutao ou chaveamento (f); Ts perodo de comutao ou chaveamento (T).4

CONVERSORES CC-CC

PRINCPIO DO CONVERSOR ABAIXADORton

ton 1 Vo( med ) = vo ( t ) dt = Vi = f s ton Vi = D Vi Ts 0 Ts 1 fs = Ts ton ton D= = 0 D 1 Ts ton + tofffs freqncia de comutao ou chaveamento (f); D razo cclica ou ciclo de trabalho (k).

I o( med ) = Vo( ef )

Vo( med ) RDTs

=

D Vi = f s ton I i = D I i R5

1 = Ts

0

vo 2 ( t ) dt = D Vi

CONVERSORES CC-CC

PRINCPIO DO CONVERSOR ABAIXADORD Ts

Supondo um conversor sem perdas, tem-se:

Pi = Po =

A impedncia (ou resistncia de entrada) vista pela fonte :

1 Ts

DTs

0

vo ( t ) io ( t ) dt =

1 Ts

0

vo ( t ) Vi 2 dt = D R R2

- A razo cclica pode ser variada por meio da variao de Ton ou fs (Ts). Portanto, a tenso de sada Vo pode ser variada de 0 a Vi e o fluxo de potncia pode ser controlado. Operao em freqncia constante: A freqncia de comutao mantida constante e o tempo de conduo variado (PWM: pulse width modulation modulao por largura de pulso). Operao em freqncia varivel: A freqncia de comutao

Vi Vi R Ri = = = I o D Vi R D

variada. Tanto o tempo de conduo como o tempo de bloqueio: podem 6 ser mantidos constantes (modulao em freqncia).

CONVERSORES CC-CC

PRINCPIO DO CONTROLE PWM

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CONVERSORES CC-CC

CONVERSOR ABAIXADOR COM CARGA RLE

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CONVERSORES CC-CC Modo 1 (0tton):Vi = Ri1 + L di1 +E dt

CONVERSOR ABAIXADOR COM CARGA RLE

Ao final deste modo, tem-se: Modo 2 (tontTs): Ao final deste modo, tem-se: Em regime permanente, tem-se I3=I1.

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CONVERSORES CC-CC

CONVERSOR ABAIXADOR COM CARGA RLE

Ondulao da corrente de pico a pico: - Pode-se provar que a ondulao mxima dada por:

- As equaes previamente apresentadas so vlidas apenas para fluxo contnuo de corrente. - Para um tempo de bloqueio grande, particularmente em baixa freqncia e baixa tenso de sada, a corrente de carga pode ser descontnua. - A corrente de carga ser contnua se L/R>Ts ou Lfs>>R. - No caso de corrente de carga descontnua, tem-se I1=0.

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CONVERSORES CC-CC

PRINCPIO DO CONVERSOR ELEVADOR

Na conduo do interruptor:

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CONVERSORES CC-CC

CLASSIFICAO DOS CHOPPERS

Chopper Classe A: permite fluxo de potncia apenas da fonte para a carga corrente na carga e tenso na carga positivas (retificador) chopper de um quadrante.

Chopper Classe B: permite fluxo de potncia apenas da carga para a fonte corrente na carga negativa e tenso positiva (inversor).

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CONVERSORES CC-CC Chopper Classe B:

CLASSIFICAO DOS CHOPPERS

mas a tenso na carga sempre positiva chopper de dois quadrantes (bidirecionalidade de corrente) operao como retificador ou inversor.

Chopper Classe C: a corrente na carga tanto positiva quanto negativa,

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CONVERSORES CC-CC Chopper Classe C:

CLASSIFICAO DOS CHOPPERS

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CONVERSORES CC-CC

CLASSIFICAO DOS CHOPPERS

carga tanto positiva quanto negativa chopper de dois quadrantes (bidirecionalidade de tenso) operao como retificador ou inversor.

Chopper Classe D: a corrente na carga sempre positiva, mas a tenso na

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CONVERSORES CC-CC

CLASSIFICAO DOS CHOPPERS

e negativas chopper de quatro quadrantes (bidirecionalidade de tenso e de corrente) operao como retificador ou inversor.

Chopper Classe E: tanto a tenso quanto a corrente na carga so positivas

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CONVERSORES CC-CC

TOPOLOGIAS DE CONVERSORES CC-CC NO ISOLADOS

- Conversor buck; - Conversor boost; -Conversor buck-boost; - Conversor Ck; - Conversor SEPIC; - Conversor Zeta.

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CONVERSORES CC-CC

CONVERSOR BUCK EM MCC

Conversor buck: a tenso de sada menor que a tenso de sada.

- Durante a conduo do interruptor, tem-se:

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CONVERSORES CC-CC

CONVERSOR BUCK EM MCC

- Durante o bloqueio do interruptor, tem-se: - A ondulao da corrente dada por: - Sendo e , tem-se: G=Vo/Vi ganho esttico do conversor em MCC. Considerando um circuito sem perdas, tem-se: - A ondulao da corrente no indutor e da tenso no capacitor so dadas por:19

CONVERSORES CC-CC

CONVERSOR BUCK EM MCD

- Dependendo da freqncia de comutao, da indutncia e da capacitncia de filtro, a corrente no indutor pode ser descontnua.ton + to Dcd = = razo cclica de conduo descontnua Ts Vo D2 = = ganho esttico em conduo descontnua G= 2 LI o Vi D2 + ViTs

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CONVERSORES CC-CC

CONVERSOR BUCK EM MCD

Lcrit =

Vi (1 D ) D 2 fs Io

= indutncia crtica

Para uma ampla faixa de variao de razo cclica, o pior caso ocorre quando D = 0,5: Vi Lcrit = 8 f s Io21

CONVERSORES CC-CC

CONVERSOR BOOST EM MCC

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CONVERSORES CC-CC

CONVERSOR BOOST EM MCC

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CONVERSORES CC-CC

CONVERSOR BOOST EM MCC

Considerando um circuito sem perdas, tem-se:Io Vi I i = Vo I o = Vi I o (1 D ) I i = 1 D

A ondulao de corrente pico a pico dada por: Vi (Vo Vi ) Vi D I = = f s LVo fs L A ondulao da tenso dada por:Vo = I o (Vo Vi ) Vo f s C Io D = fsC24

CONVERSORES CC-CC

CONVERSOR BOOST EM MCD

- Em regime permanente, o valor mdio da tenso no indutor nulo:Vo DTs + td Vi DTs + (Vi Vo ) td = 0 = Vi td

- Alm disso, em MCD, a corrente mdia no indutor :I L ( md ) = I i = I L ( mx ) ( ton + td ) 2Ts Ii = Vi D ( DTs + td ) 2L

- Manipulando as expresses anteriores, tem-se:2 LI i 2 LI o Vo Vi D 2 td = = = 1+ DVo DVi Vi 2 f s LI o

- Para garantir a operao em conduo contnua, o mnimo valor da corrente no indutor deve ser maior do que zero.Lcrit = Vi (1 D ) D 2 fs Io Vi 2 D = =indutncia crtica 2 f s Po25

CONVERSORES CC-CC

CONVERSOR BOOST EM MCD

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CONVERSORES CC-CC

CONVERSOR BUCK-BOOST EM MCC

- O conversor buck-boost combina as caractersticas de entrada de um conversor buck e as caractersticas de sada de um conversor boost; - A tenso mdia de sada pode ser maior, igual ou menor que a tenso de entrada, porm com a polaridade invertida.

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CONVERSORES CC-CC

CONVERSOR BUCK-BOOST EM MCC

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CONVERSORES CC-CCVo D = Vi 1 D D < 0,5 Vo < Vi D = 0,5 Vo = Vi D > 0,5 Vo > Vi

CONVERSOR BUCK-BOOST EM MCC

Considerando um circuito sem perdas, tem-se:Io D Vi I i = Vo I o = Vi I o D (1 D ) I i = 1 D

A ondulao de corrente pico a pico dada por:ViVo Vi D I = = f s L (Vo Vi ) f s L

A ondulao da tenso dada por:I oVo Io D Vo = = (Vo Vi ) f s C f s C29

CONVERSORES CC-CC

CONVERSOR BUCK-BOOST EM MCD

- Em regime permanente, o valor mdio da tenso no indutor nulo:Vi DTs + Vo td = 0 Vo DTs = Vi td2 LTs R

- Alm disso, em MCD, a corrente de sada mdia :Io = I L ( mx ) td 2Ts Vo td 2 = td = 2 LTs

- Manipulando as expresses anteriores, tem-se:Vo Ro =D Vi 2 fs L

- Para garantir a operao em conduo contnua, o mnimo valor da corrente no indutor deve ser maior do que zero.Lcrit = Vi (1 D ) D 2 fs Io =

( DVi )2 f s Po

2

=indutncia crtica

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CONVERSORES CC-CC

CONVERSOR BUCK-BOOST EM MCD

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CONVERSORES CC-CC

CONVERSOR CK

- A transferncia de energia da fonte para a carga feita por meio de um capacitor; - Tanto a corrente de entrada quanto a de sada podem ser contnuas, devido presena dos indutores; - A tenso de sada apresenta-se com polaridade invertida em relao tenso de entrada.

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CONVERSORES CC-CC

CONVERSOR CK

- Na primeira etapa, o interruptor conduz, de modo que a corrente no indutor L1 cresce linearmente. O capacitor descarrega sua energia alimentando o estgio de sada e o diodo permanece bloqueado.

- Na segunda etapa, o interruptor bloqueado. A fonte de alimentao carrega o capacitor C1. A energia armazenada no indutor transferida carga atravs do diodo.

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CONVERSORES CC-CC

CONVERSOR CK em MCC

Projeto:

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CONVERSORES CC-CC

CONVERSOR CK em MCC

- Uma vez que a caracterstica esttica do conversor Cuk idntica do conversor abaixador-elevador de tenso (buck-boost), as mesmas curvas caractersticas apresentadas anteriormente so vlidas tambm para esta topologia. - Definindo o ganho esttico e o parmetro Ke, que por sua vez se relaciona com a descontinuidade, tem-se:Vo LI LL D2 = K e = e o e Le = 1 2 Vi 2 K e ViTs L1 + L2

- O ciclo de trabalho crtico,

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