diógenes grave patrícia câmara simon delabie túlio dourado

Controle e Simulação de Conversores CC/CC

Diógenes GravePatrícia CâmaraSimon DelabieTúlio Dourado

Sumário

Descrição da AplicaçãoTeoriaCaracterísticas dos Conversores UtilizadosProjeto e EspecificaçõesExemplos de Aplicações ReaisReferências

Controle e Simulação de Conversores CC-CC

Descrição da Aplicação

Os Conversores DC-DC são largamente utilizados em dispositivos eletrônicos pois tais dispositivos frequentemente contém diversos subcircuitos que exigem diferentes níveis de tensão em relação ao fornecido pela bateria.

Descrição da Aplicação

ExemplosDispositivos Eletrônicos PortáteisCarregador de BateriaNo-Breaks

Descrição da Aplicação

Teoria

Controle e Simulação de Conversores CC-CC

Os conversores DC-DC são dispositivos usados para converter uma fonte de tensão contínua de um nível para outro.Utilizam comutação de sinal e armazenamento de energia (indutor, capacitor, transistores, diodos).Também conhecidos como reguladores chaveados ou fontes chaveadas.

Teoria

A Conversão é realizada pelo armazenamento temporário da energia de entrada e da liberação na saída com uma tensão diferente.

Vantagens:Alta EficiênciaDispositivos reduzidos (CI)

Teoria

Desvantagens: Maior Custo Complexidade Emissão de Ruídos

Teoria

A conversão pode ser feita para diminuir a tensão de saída em relação à de entrada ou o contrário.

Step-up / Step down

Além disso podem variar a polaridade entre entrada e saída.

Teoria

Topologias

Existem diversas topologias de conversores DC-DC, cabendo ao projetista determinar aquela que melhor se aplica.

Teoria

Topologias mais utilizadas

Teoria

Conversores que utilizam transformadores são chamados de isolados, ao contrário dos não isolados.A classificação em Forward e Flyback é feita pois no Forward a energia percorre o elemento magnético e a carga simultaneamente.Já no Flyback, a energia é transferida para o elemento magnético e num segundo estágio é liberado para a carga.Além disso os conversores podem ser classificados em Inversores e Não Inversores de Polaridade.

Teoria

PWM

Frequência mínima de duas vezes a máxima frequência da banda passante.

Filtrar a tensão de referência para evitar harmônicos em frequência maior ou igual à de chaveamento.

Teoria

Métodos de controle:Controle feito por PWM (modulação em largura de pulso), com os seguintes métodos:

Single-loop control (Controle de laço/malha simples)

Input voltage feedforward (Alimentação com a tensão de entrada)

Current-mode control (Controle pelo método da corrente)

Teoria

Métodos de controle: Single-loop control

Controlado pela comparação entre a tensão de saída e o ciclo de trabalho.

Teoria

Métodos de controle: Input Voltage Feedforward

Aumenta a imunidade da tensão de saída do conversor em relação a ruídos na tensão da entrada DC;

Faz o valor de pico da rampa do modulador PWM proporcional à tensão de entrada DC;

Um aumento da tensão DC de entrada aumentará a inclinação da rampa do PWM.

Teoria

Métodos de controle: Current-mode control

O PWM é substituído por um circuito de realimentação de corrente;

O método promove controle da corrente de saída e protege o circuito de potência;

Melhor performance na rejeição de ruídos da fonte e no aumento de carga.

Teoria

Métodos de controle: Current-mode control

Teoria

Projeto e Especificações

Conversores CC-CCAplicados em Fontes de Alimentação Chaveadas e Acionamento de motores de Corrente Contínua.Nas fontes chaveadas, sucedem os retificadores não controlados, reduzindo o Ripple e regulando a tensão de saída da fonte.

Topologia BásicaConversor Abaixador ou BuckConversor Elevador ou BoostConversor Elevador-Abaixador ou Buck-Boost

Projeto e Especificações

Diagrama de blocos da Conversão CC-CC

Nota-se então, que uma fonte chaveada é formada por um laço com realimentação negativa que visa manter constante tensão de saída Vs.

Projeto e Especificações

Diagrama de blocos da Conversão CC-CC

A tensão de controle (Vcontrole) é obtida por um circuito controlador (compensador), que atua a partir de dois sinais de entrada: o valor medido (tensão de saída, por exemplo), e um sinal de referência desejada.

Projeto e Especificações

A implementação de malha(s) de controle tem como objetivo garantir:

A precisão no ajuste da Variável de SaídaA correção de desvios provenientes de transitórios na alimentação ou mudança na carga.

Projeto e Especificações

A modulação PWM pode ser obtida utilizando CIs dedicados, como:

SG3524, SG3525, SG3526, SG3527, TL494. As características específicas de cada CI variam

Em função da aplicação, do grau de desempenho esperado, das proteções implementadas.

Circuitos de comando ou gate-driversFrequentemente utilizados para comandar as chaves semicondutoras a partir do sinal PWM,

Exemplos de Aplicações Reais

Controle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.

Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.

Composto por um circuito integrado controlador PWM com alguns componentes adicionais, como resistores e capacitores, responsáveis pela determinação da frequência de operação;Circuito integrado LM3524;Não possui circuito interno de acionamento do transistor;Possibilita limitação de corrente;Frequência máxima de PWM na ordem de 300kHZ;Possui Tensão de referência interna;

Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.

Esquemático do Conversor Buck com controle a PWM:

Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.

Circuito de acionamento do transistor:Composto por diodos, transistores, resistores e um transformador;Tem principal função de acionar o transistor comutador;Recebe o sinal PWM do controlador LM3524, transferindo o comendo de abrir ou fechar, para a chave semi-condutora;

Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.

Esquemático do Conversor Buck com circuito de acionamento do transistor:

Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.

Circuito de limitação de corrente:Conversores Buck podem apresentar picos de corrente;Atua em conjunto com o integrado LM3524 para limitar a corrente e evitar danos ao dispositivo;

Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.

Circuito de limitação de corrente:Funcionamento:Corrente de entrada acima do permitido;Sensor resistivo polariza o conjunto de transistores;Um sinal é enviado ao controlador;O sinal PWM é cortado até ocorrer a estabilização da corrente;

Esquemático do Conversor Buck com circuito de limitação de corrente:

Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.

Circuito de potência:

Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.

Controle de conversor CC-CC de topologia Flyback no modo descontinuo para aplicação em carregadores de bateria.

Exemplos de Aplicações Reais

Carregador de Baterias:Conversor CC-CC Flyback no modo descontinuo com transformador controlado pelo integrado 1M0380;Regulador de Tensão do carregador através do TL431;Circuito de controle de corrente;Tensão de saída do carregador em 28V;

Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Flyback no modo descontinuo para aplicação em carregadores de bateria.

Flyback:

Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Flyback no modo descontinuo para aplicação em carregadores de bateria.

Controlado pelo integrado 1M0380Pino 3 com tensão de 18V mantido pelo Zener;Liberação dos primeiros sinais PWM;Alimentação do integrado pelo terceiro enrolamento do flyback;Tensão de alimentação fixada em 30V pelo enrolamento;

Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Flyback no modo descontinuo para aplicação em carregadores de bateria.

A partir da figura do flyback do segundo exemplo da aplicação prática, projete o transformador do mesmo, considerando para os cálculos:

Tensão de entrada entre 130V e 350V;A razão cíclica, δ, de 0,5;Corrente saída máxima de 1A e mínima de 0,1A;Tensão de saída de 28V;Queda de tensão no diodo de 1,5V;Frequencia de trabalho do LM0380 de 67kHz

Exercícios

Projete os parâmetros do circuito de potência (L e C) do conversor Buck do primeiro exemplo prático. Dados:

Tensão de entrada (Vi): entre 22V e 36V;Tensão de saída de 5V;Ripple da tensão de saída: 10mVppCorrente de saída (Io): 200mA;Carga (R): 25Ω;Comutação do transistor: PWM;Frequencia de trabalho do PWM: 100kHzOperação: MCC

Exercícios

Referências

Rodrigues, Leandro Gaspari – Estudo e Desenvolvimento de um Conversor DC-DC de Topologia Buck para aplicação Aeroespacial. Escola de Engenharia de São Carlos – USPShiavon, Gilson Junior – No-Break 1,2KVA, Senoidal, Operando em Malha Fechada: Cirtuito de Potência, Circuito de Controle Analógico e Circuito de controle Digital com DSC – Centro de Tecnologia e Urbanismo – Universidade Estadual de LondrinaBrumatti, Márcio – Eletrônica de Potência. Automação Industrial. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo – CEFET/ESA. J. Forsyth, S. V. Mollov - Modelling and Control of DC-DC Converters. Power Engineering Journal. 1998.

DÚVIDAS