choppers (conversores cc-cc)

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Choppers Conversores CC-CC

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!!bMAKRONBooksCaptulo 9Choppers1Em muitas necessrio converter uma fonte de tenso CC fixa emumafontedetensoCCvarivel. Um chopper converte diretamente de CCpara CCe comoumconversor CC-Cc. Um chopper ser consideradooCCde umtransformadorCAcom uma de continuamente varivel. Damesma maneira que um transformador,elepode ser utilizado para abaixar ou elevar atenso de uma fonte CC.Oschoppers souc !-",{,.'';'"''v, 220 V, RO,7165lI +12,473378 Eletrnica de Potncia- Circuitos, Dispositivos e Aplicaes Capo 9(b) 12 = 25,63 A.(c) M= h um MOSFETde mostradodois modos. Omodo inicia-se '-i..... LU L'U.'V392lotr,r1Y11,(1 de Potncia- Circuitos,9corrente no indutor cresa linearmente de h 12=Lh-h=L1tI houMLe a corrente no indutor caia linearmente de 12 a 11 no=-L1t2(9.44)ouMLf2 = -------------onde M= 12 - h a(9.42) e (9.44),da corrente no indutor L de pico a pico. A partir dasM=hL LSubstituindo t1= kT ei: = (1- k) T obtm-se a tenso mdia desada,TVa= V ~ -c t21- k(9.46)Supondoumcircuitosemperdas,entrada k) e a correntemdia deIs=l-k(9.47)o perodo de T ser encontrado a de1T- ---- f -Capo9 Choppers 393+Figura 9.13Regulador boostcomiLcontnua.(a) Diagramado circuitoModo 2(b) CircuitosequivalenteskTIkTII(c) Formas de onda01-------'------'------'-----121101---------'-------121101-------1.-----1.----_01----------=------Ol------+----t------f--o-la1-----'la1-------------01-------------Modo1is'iL+ Li1Vsv;e isso d a ondulao de corrente de pico a pico.(9.49)oukAI =f L(9.50)o transistor est o fornece a corrente decarga por t = ti-A corrente mdia nocapacitor duranteo tempo h (. = Iaea de tensodo'- ....If-" .... ' - ~ L ' V . L ' de a pico, 394 Eletrnicade Potncia- Circuitos, Dispositivos e Aplicaes Capo 9Vc1 ftI 1 ftt Ia t1Vc(t =O) = Ic dt = Ia - CC O C OA (9.46) d tI e, substituindo tI na (9.51), obtm-seouboost elevar a tenso de sada semumtransformador.Devido ele temuma eficinciaelevada. Acorrente de entradacontnua. umalto decorrentetemdefluir atravs dotransistor deA tenso desada muito sensvel a no ciclode k e serdifcil estabilizar o A corrente mdia de sada menor que a corrente mdia doindutor por um fator de (l - k) e uma corrente eficaz muito mais elevada flui atravs do" " ' ~ " " " ' f ' , -r-r,"t" de resultandona de um eumindutor defiltromaiores que de um9.5o boostda 9.13a tem uma tenso de entrada de Vs5 V. A tenso mdia de sadaVa15 Veacorrentemdiada carga Ia 0,5 A. A de chaveamento25kHz. SeL 150 eC= 220 determinar(a) ociclo de k,(b) aondulaode correntedoindutor tlI, a corrente mxima do indutor he atenso de do defiltrotlVc.Vs5 V, v, 15 = 25 kHz, L = 150 e C= 220A da 15= 5/(1 k) ouk 2/3=0,6667A da5x0,89 AA da Is= = 1,5 Ae a corrente mxima noindutor MI2=Is+21,5+21,945 ACapo 9 Choppers 395(d) A partir da Eq, (9.53),,1Vc = 6 = 60,61mV25000 x220 x10-Um regulador buck-boost fornece uma tenso desada que ser menor ou maior quea tenso de entrada - da o nome buck-boosi; a polaridade da tenso de sada oposta datensode entrada. Essereguladortambmconhecidocomoregulador inversor. OLu........... LII'-'do circuito de um regulador buck-boosi mostrado na Figura 9.14a.A operao do circuito pode ser dividida em dois modos. Durante o modo 1, otransistor Ql conduz e o diodoDm est reversamente polarizado. A corrente dequecresce, flui atravsdoindutor L e dotransistorQl. Durante o modo2, o transistorQl e a corrente, que estava fluindo atravs do indutor L, flui agora atravs deL, Dmecarga. A armazenadano indutor Ltransferidaparaacargaeacorrente no indutor cai at que o transistor Ql conduza novamente, no ciclo. Oscircuitos para os modos so mostrados na 9.14b. Asformas de ondapara as tenses e correntes em do buck-boosi so mostradasna 9.14c para uma corrente decarga contnua.LJULJUJ.aA...,que a corrente no indutor cresa linearmente de11 a12 noLh-h=Li1ItI tIoui11L(9.54)(9.55)e a corrente noindutor caia linearmente de ha 11 no=-Li11i:ou(9.56)396 Eletrnicade Potncia- Circuitos, Dispositivos e Aplicaes Capo9onde/),1 = 12- 11 a ondulao, depicoapico, dacorrente noindutor L. A partir dasEqs. (9.54) e (9.56),M=YstI i:L LSubstituindo fI = kT e i: =(1- k) T, a tenso mdia de sada v.iVa= - (9.58)1- kSupondo um circuito sem perdas, VsIs = -Vala=Vsl ak/(lk)ea corrente mdiadeentrada Is relacionada com a corrente mdia de sadaIa porIs= Iak (9.59)1- ko perodo dechaveamento T pode ser encontrado a partir de1 MLT= - =tI +t: =f Vs/),1 LVa/),1 L (Va- Vs)~ - - - -v, Va(9.60)e isso d a ondulao de corrente de pico a pico,M= Vs VafL (Va- Vs)ou(9.61)(9.62)Quando o transistor Q1est conduzindo, o capacitor de filtro fornece a corrente decargaport t1. Acorrente mdia de descarga docapacitor Ic = Ia ea tensodeondulaodo capacitor, de pico a pico, 1fh 1fh IahC OIedt=C odt=C(9.63)A (9.58) d t1 ea (9.63) torna-se397ouIa kfeUm regulador buck-boost fornece polaridade inversa da tenso desada sem umtransformador. Ele tem eficincia elevada. Sobcondio defalta do transistor, o di/di dacorrentedefaltalimitadopelo indutorL eserVs/L. A proteodecurto-circuitodesada fcil deser a corrente de entrada descontnua e umdecorrente elevada flui atravs do transistor Q1.+9.14Reguladorbuck-boost comcorrente it.contnua.T kT(c) FormasdeondakT T01------+-=------+,,,-----+o_11----01-------'-----'------+11o l - - - - - - - ' - - - ~ - - - - -01--------------+iala1--------------01--------------+Modo1Modo2(b) Circuitos equivalentes398 Eletrnica de Potncia Circuitos, Dispositivos e Aplicaes Capo 99.6oregulador buck-boost da Figura9.14atemuma tensodeentradade Vs= 12 V. Ociclo detrabalho k= 0,25 e a freqncia de chaveamento 25 kHz. A indutncia L= 150 ulI e a capaci-tnciaC 220!-iF. Acorrentemdianacarga Ia =1,25A. Determinar (a) atensomdiadesadaVa; (b)aondulao datensode sada de picoa picoL1Vc; (c) a ondulao da corrente noindutor, depico a pico, M; e (d)a corrente mxima dotransistor Ip.Vs = 12 V, k= 0,25, Ia = 1,25 A, f = 25 kl-lz, L = 150 !-iH eC= 220 !-iF.(a) A partir da Eq.(9.58), Va=-12x 0,25/(1 - 0,25) = - 4 V.(b) A partir da Eq. (9.65), a ondulao da tenso desada, depico a pico, - - ~ ' - - - - - ' - - - - - - = 56,8 mV(c) A da (9.62), a ondulao da corrente no indutor, depico a pico, ---------'------= 0,8 mV(d) A da (9.59), Is= 1,25x0,25/(1- 0,25) = 0,4167 A. Como Is amdia dadurao kT, a corrente mxima do transistor Ip =. ~ +M=0,4167+0,8= 2067 Ak 2 0,25 2 'o mostradona1""",,,,,,,,,,,0. umatensode1-''-'.,'-'.. r r ' - - " - ' - " " - - Modo 4 Modo5o modo 2 inicia-se quando o tiristor de comutao T2 disparado. Uma tensoreversa de Vc aplicada sobre o tiristor principal T1, desligando-o. Ocapacitar C descar-rega sobre a carga de - a zero e esse tempo de descarga, que tambm chamadotempode desligamento (ou disponvel) do circuito, dado porVcCtoff =Im(9.94)onde Imacorrente mxima da carga. Otempo de desligamento do circuitotoff temdeser maior queo de dotiristor tq;toff varia comacorrente decarga edeveser paraa condiodopior caso, oque ocorrenovalor mximodacorrente de carga e no valor mnimo da tenso do capacrtorO necessario para o carregar de volta para a tenso da fonte detempode recargae dado porImtotal necessrioparao .... U.'-'U.'.A ....'A .... '-'-"_U...L..L'-f"U-.L erecarregar .........'UA."......... '"que te= i.+tdCap. 9 Choppers 407(9.96)Esse modo termina emt = te quando ocapacitor decomutao C recarrega para Vse odiodo de comutao Dm inicia sua conduo.omodo3 inicia-sequandoodiododecomutaoDm comeaaconduzir eacorrente de carga decai. A energia armazenada na indutncia da fonte Ls (mais qualquerindutncia parasita do circuito) transferida para o capacitor. A corrente is(t) lmcosffiste a tenso instantnea do capacitor ve(t) = Vs +Im-'" Csenffist(9.97)(9.98)onde ffis= l/'l/LsC. Aps o tempo t = ts= 0,5 n 'l/LsC, essa corrente de sobrecarga toma-se zero e o capacitor para= V,+L).V (9.99)ondeL).V e Vx so a sobretenso e a tenso de pico do capacitor de comutao, respectiva-mente. A Eq. (9.98) d a tenso desobrecarga como(9.100)omodo4inicia-sequandoasobrecargaestcompletaeacorrentedecargacontinua a decair. importante notar que esse modo existe devido aodiodo Dl, porqueele que aoscilao ressonante no modo 3 continue atravs do circuito formadopor Dm, Dl, C eafonte de Isso determinarumacarganocapacitor deC abaixo da mxima (subcarga), e a corrente da subcarga atravs do capacitor dada porA tenso do canacrtor de\..V.L.LHALUl .... U.V dada porsen ffiut (9.101)408 Eletrnica de Potncia Circuitos, 9onde0011= +gatorna-sezeroeodiodopara o como- 2 ~ Vcos t)+ , a corrente desubcar-(9.102) datenso....."JVVJLU- ~ Vqualquer subcarga.o modo 5 inicia-se quando o processo de comutao est completo e a correntedecargacontinuaadecairatravsdodiodoDm. Essemodotermina quandootiristorprincipal disparadonovamente, noinciodoprximociclo. Asdiferentesformasdeonda para ascorrentes e tenses so mostradas na Figura 9.18.A tenso mdia de sada do chopper (9.104)Pode-se notar, a partir da Eq. (9.104), que, mesmo em k = O,a tenso de sada torna-seVo(k = O)= O,5ftc(Vc +Vs)(9.105)Isso limita a mnima tenso de sada~ o chopper. Entretanto, o tiristor TI tem deser ligadopor umtempomnimo de tr= n Lm Cparapermitir a carga inversa docapacitor[; fixado para um projeto especfico de circuito. Portanto, ociclo de trabalhomnimo e a tenso mnima de sada tambm so estabelecidos.o ciclo detrabalho mnimo tr = kmnT= n -VLmC (9.106)A tenso de sada mnima kmn = =n (9.107)+ ++Cap.9 Choppers 409Figura 9.18Formas deondapara o choppercomutado porimpulso.Correnteno capacitarImCorrenteatravsde T1

Ol------r-------!---H----r-----------o VT1VXv,A tensodesada mnima, Vo(mn),pode ser variada controlando-se a freqn-cia de operao do chopper. Normalmente, Vo(mn) fixado pelas exigncias do projeto emum valorovalormximodociclode trabalhotambmlimitadoparapermitir queocapacnordecomutaose ecarreguenovamente. Ovalormximodesseciclo de trabalho dado porT - te - tstueTte +ts +tu1- .__ 410 Eletrnicade Potncia- Circuitos, Dispositivos e Aplicaes Capo 9A tenso de sada mxima Vo(mx) = kmx V s +O,5t e(Ve+Vs)f (9.110)Um chopper com tiristores ideal no deve ter limites em (1) tempo de conduomnimo, (2) tempo deconduo mximo,(3) ten

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