CENTRO UNIVERSITARIO DE BELO HORIZONTE

DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA

BRUNO LUIZ DE ARAÚJO COSTA

GLADER RAMALHO REIS

GLAUCIO MENDES MOTA

GLAUCO VINÍCIUS PRAES LOURES

GUILHERME FABRÍCIO BATISTA DOS SANTOS

HUDSON TADEU COELHO CALADO

MARCELO FERREIRA GODINHO

Conversor Buck

BELO HORIZONTE

Junho – 2014

1. CONVERSOR CC-CC

Um conversor CC-CC é um circuito eletrônico que converte uma tensão CC para diferentes níveis de tensão CC, fornecendo uma tensão regulada na saída.

Um Conversor chaveado é um circuito conversor de tensão em que um transistor funciona com uma chave eletrônica em dois estados: completamente ligada ou completamente desligada. O chaveamento periódico do transistor resulta em uma tensão pulsante, conforme mostrado na figura:

A componente média da tensão na saída é:

A componente da tensão na saída é controlada pelo ajuste da razão cíclica D, que é a fração do período de chaveamento em que a chave permanece fechada. Sendo f a frequência de chaveamento, temos:

2. O CONVERSOR BUCK

O conversor buck é um conversor abaixador de tensão, ou seja, a tensão de saída é menor de que a de entrada. Como o objetivo é fornecer uma saída que é puramente CC, inserimos um filtro passa-baixas LC após a chave e um diodo roda livre em paralelo com a fonte para proporcionar um caminho para a corrente do indutor quando a chave estiver aberta.

Considerando o filtro passa-baixas ideal, a tensão na saída é a média da tensão de entrada para o filtro. Quando a chave está fechada, a tensão de entrada do filtro é Vs e zero quando a chave está aberta. Como a chave é fechada periodicamente numa

razão cíclica D, temos que a tensão média de entrada para o filtro é VsD. Se a conrrente no indutor permanece positiva durante todo o período de chaveamento dizemos que o conversor está trabalhando no modo de condução contínua. O modo de condição descontínua é caracterizado pela corrente no indutor retornar a zero a cada período.

2.1 ETAPAS DE FUNCIONAMENTO DO CONVERSOR

O funcionamento do conversor Buck pode ser dividido em duas etapas.

A primeira etapa se dá com a chave S fechada (Figura 2). Nesta etapa o diodo encontra-se bloqueado e a corrente que sai da fonte (is) é a mesma corrente que percorre o indutor (iL), carregando a carga. Este intervalo tem duração de tC (tempo de condução da chave S) segundos.

Na segunda etapa, etapa de roda livre, a chave S se abre (Figura 3); com isso o diodo passa a conduzir entregando a energia armazenada no indutor a carga. Nessa etapa a corrente que circula no diodo (id) é igual a que circula pelo indutor (iL). Este intervalo tem duração de ta (tempo de abertura da chave S) segundos.

Define-se a razão cíclica D como a razão entre o tempo de condução da chave S (tc) eo período de chaveamento (T). As duas etapas descritas acima podem ser modeladas através das equações:

As equações acima tem como suluções, repectivamente:

onde DiL e D DiD representam a variação de corrente no indutor e no diodo, respectivamente.

2.2 PRINCIPAIS FORMA DE ONDA

As formas de onda teóricas do Conversor Buck são apresentadas na figura abaixo:

Durante o tempo de condução da chave (tc) , pode-se notar que:

a corrente no indutor é crescente (A) o diodo não conduz; a corrente no diodo é nula (B) a chave S está fechada; a corrente na chave tem a mesma forma de onda da

corrente no indutor (C) tensão no diodo é igual à tensão na fonte (D)

Durante o tempo de abertura da chave (ta) , pode-se notar que:

a corrente no indutor é decrescente (E) o diodo conduz; a corrente no diodo é igual à corrente no indutor (F) a chave S está aberta; a corrente na chave é nula (G) a tensão no diodo é nula (diodo em condução) (H)

Como há o capacitor de filtro na carga, considera-se que a tensão na saída é constante.

3. PROJETO DO CONVERSOR BUCK

O conversor foi projetado para operar no modo de condução contínua.

3.1 ESPECIFICAÇÕES

O conversor buck projetado tem as seguintes especificações:

Vi = 12V Vo = 6V Po= 100W fs = 150kHz Ondulação máxima de corrente na saída: 10% Ondulação máxima de tensão de carga: 1%

3.2 RAZÃO CÍCLICA

3.3 CORRENTE MÉDIA DE SAÍDA

3.4 RESISTOR DE CARGA

3.5 VARIAÇÃO MÁXIMA DA CORRENTE NO INDUTOR

3.6 INDUTOR

Considerando o pior caso (D= 0,5), temos:

3.7 ONDULAÇÃO DE TENSÃO DE SAÍDA

3.8 CAPACITOR DE FILTRO

3.9 FREQUÊNCIA DE CORTE DO FILTRO DE SAÍDA

3.10 CORRENTE MÉDIA NA ENTRADA

3.11 CORRENTE MÍNIMA NO INDUTOR

3.12 CORRENTE MÁXIMA NO INDUTOR

3.13 ESFORÇO NA CHAVE

3.14 ESFORÇO NO DIODO D

3.15 PROJETO FÍSICO DO INDUTOR

3.16 CÁLCULO DO NÚCLEO – CÁLCULO DA ÁREA “AEAW”

Núcleo escolhido: NEE-30/15/7

3.17 DADOS DO NÚCLEO

3.18 CÁLCULO DO NÚMERO DE ESPIRAS

3.19 CÁLCULO DO ENTREFERRO

3.20 CÁLCULO DA BITOLA DO CONDUTOR

3.20.1 ÁREA NECESSÁRIA DO COBRE

3.20.2 PROFUNDIDADE DE PENETRAÇÃO DA CORRENTE

3.20.3 Área efetiva de cobre

3.20.4 DENSIDADE PARCIAL EFETIVA DE CORRENTE

Diante disto escolheu-se a utilização de dois condutores paralelos:

O condutor escolhido foi o 34 AWG

3.21 ESPECIFICAÇÕES DO CONDUTOR

3.21.1 DENSIDADE EFETIVA DE CORRENTE

3.21.2 COMPRIMENTO DO CHICOTE

3.21.3 COMPRIMENTO TOTAL DE FIO

4. AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE EXECUÇÃO DO PROJETO

4.1 ÁREA TOTAL OCUPADA PELO ENROLAMENTO

4.2 COEFICIENTE DE EXECUÇÃO

A execução é viável pois o coeficiente de execução é menor que 1.5. CÁLCULOS TÉRMICOS

5.1 PARÂMETROS DOS NÚCLEOS IP-12, DA THORTON

5.2 CÁLCULO DA POTÊNCIA PERDIDA NO NÚCLEO DO INDUTOR

5.3 CÁLCULO DA POTÊNCIA PERDIDA NO ENROLAMENTO DO INDUTOR

5.4 POTÊNCIA TOTAL PERDIDA NO INDUTOR:

5.5 ELEVAÇÃO DA TEMPERATURA NO INDUTOR

6. CIRCUITO DE COMANDO

6.1 MODULAÇÃO PWM

PWM é a abreviação de Pulse Width Modulation ou Modulação de Largura de Pulso. Os controles de potência, fontes chaveadas e muitos outros circuitos utilizam a tecnologia do PWM.Existem varios componentes preparados para realizar essa modulação.

No projeto realizado o componente selecionado foi o CI UC3524. Ele gera uma tensão controlada, modulada em PWM com freqüência fixa. O regulador do CI opera com freqüência determinada pela constante RT e CT do circuito, que determina a rampa de carga e descarga do capacitor. Esta rampa, que se aproxima de uma reta forma uma onda dente de serra. O CI também gera uma onda constante que junto à onda triangular serve de entrada do comparador.

A modulação PWM é realizada através da comparação de um sinal dente-deserra com o sinal de erro. No inicio da varredura do dente-de-serra, o sinal de saída que controla a condução do transistor de chaveamento é disposto em nível baixo, mantendo-se neste nível enquanto o nível do sinal dente-de-serra estiver abaixo do sinal de erro. Quando o sinal dente-de-serra ultrapassar o sinal de erro, o sinal de saída é disposto em nível alto fazendo conduzir o transistor de chaveamento. A figura abaixo mostra o diagrama de blocos do circuito elétrico interno do UC3524.

É importante mencionar que esse CI possui dois transistores internos que servem de driver, principalmente para aplicações em conversores push-pull. Eles saturam alternadamente e amplificam a corrente do sinal liberado pelos comparadores.

6.2 CÁLCULO DOS COMPONENTES DO CIRCUITO DE COMANDO

Então para calcular as constantes RT e CT usa – se a fórmula abaixo concedida pelo datasheet do componente.

fo= 1,18RT∗CT

RC= 1,18200k

RC=5,9μ

RC=RT∗CT

RT=RCCT

RT= 5,9 μ0,001 μ

RT=5,9k Ω

Então:

RT=5,9k Ω

CT=0,001μ F

6.3 O DRIVER

O driver é utilizado pelo fato da corrente de gate do IRF540 ser maior que 50 mA, corrente essa máxima fornecida dos terminais do CI modulador. A corrente de saída do UC 3524 polariza as bases de Q1 (transistor NPN 2N2222) e Q2

(transistor PNP 2N2907), cujos emissores tem corrente igual a Ie = Ib(1+b), onde b é maior que zero, sendo assim, a corrente Ie é amplificada. A alimentação da carga é feita com a soma das correntes de emissor dos dois transistores. Dois resistores são

indispensáveis: o Rg, que limita a corrente de gate e o Rgs, que junto ao diodo zener limita a tensão gate-source. A figura abaixo representa o circuito do driver:

6.3.1 CÁLCULO DOS COMPONENTES DO CIRCUITO DRIVER

Primeiro é necessário o cálculo da corrente de gate (ig) baseada nos dados do mosfet encontrados no datasheet, Ciss = 1,7nF e t f = 43 ns. Através também do ∆V = 15 que é a variação da tensão de saída do UC3524.

Ig=Ciss∗∆Vtf

Ig=1,7 n∗1543n

Ig=0,197 A

Assim, pode – se calcular a resistência no gate Rg :

Rg= tf2,2∗Ciss

Rg= 43n2,2∗1,7 n

Rg=11,5Ω

Rg será um resistor variável pelo fato de não encontrar um resistor desse valor. Para Rgs indicado na figura 2 usa – se um resistor com valor de 10 KΩ tipicamente utilizado em paralelo com o diodo zener. A figura abaixo mostra o desenho do circuito de comando e driver.

7. SIMULAÇÃO DO CONVERSOR UTILIZANDO O PSIM

Na figura abaixo, pode-se observar o circuito do conversor projetado com seus componentes reais.

As figuras abaixo apresentam respectivamente as formas de onda da tensão na chave e na saída, corrente na chave e na saída, corrente no indutor, tensão e corrente no diodo, respectivamente.

8.9.