conversores dc-dc conversor buck projeto itasat claudinei de jesus donato

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Conversores DC-DC Conversor Buck Projeto ITASAT Claudinei de Jesus Donato

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Page 1: Conversores DC-DC Conversor Buck Projeto ITASAT Claudinei de Jesus Donato

Conversores DC-DC

Conversor Buck

Projeto ITASATClaudinei de Jesus Donato

Page 2: Conversores DC-DC Conversor Buck Projeto ITASAT Claudinei de Jesus Donato

28/08/2006 Claudinei J. Donato 2

Fontes Lineares

ReguladorCA Carga

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28/08/2006 Claudinei J. Donato 3

Fontes Lineares Características:

Elevada robustez e confiabilidade; Baixo custo; Simplicidade no projeto e operação; Baixo rendimento; Elevado peso e volume; Baixo fator de potência.

Atualmente sua utilização limita-se à fontes de baixa potência.

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28/08/2006 Claudinei J. Donato 4

Fontes Chaveadas

ConversorCA CargaFiltroEMI

Controlador

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28/08/2006 Claudinei J. Donato 5

Fontes Chaveadas Características:

Maior rendimento; Menor volume e peso; Possibilidade de operar com alto fator de

potência; Menos robusta e resposta transitória mais lenta; Interferência radioelétrica e eletromagnética; Maior número de componentes.

Existem diversas topologias, a escolha depende da especificação do projeto.

Page 6: Conversores DC-DC Conversor Buck Projeto ITASAT Claudinei de Jesus Donato

28/08/2006 Claudinei J. Donato 6

Conversor Abaixador de Tensão (Step-Down ou Buck)

Diagrama básico:

Vi

L

C RDT

Vo

-

+Ii

Vs2

ID

Vs1

IL IoIC

VC

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28/08/2006 Claudinei J. Donato 7

Modos de Operação Se a corrente no indutor nunca chegar a

zero, durante a condução do diodo, dizemos que o conversor está operando em modo de condução contínua;

Caso chegue a zero, opera em modo de condução descontínua;

A condução crítica ocorre quando a corrente chega a zero exatamente no final do período de condução do diodo.

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28/08/2006 Claudinei J. Donato 8

Condução Contínua

(1) .

.

1

1

VoTD

IILVVi

TD

II

t

I

dt

dI

T

tD

Vodt

dILVVi

LminLmáxS

LminLmáx

c

LLc

LS

Vi

L

C RT

Vo

-

+Ii

Vs1

IL IoIC

VC

+ -

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28/08/2006 Claudinei J. Donato 9

Condução Contínua

(2) ).1).((

).1( 1

0

2

2

LminLmáxS

LminLmáx

o

LLo

LS

IIL

TDVVo

TD

II

t

I

dt

dI

T

tD

Vodt

dILV

Vi

L

C RD Vo

-

+

Vs2

ID IL IoIC

VC

+-

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28/08/2006 Claudinei J. Donato 10

Condução Contínua

tcT

TimeV(D1:2) V(S)

0V

10V

20VI(D1) - I(R)

0A

0.5A

1.0A

1.5AI(S1:3) -I(R)

0A

0.5A

1.0A

1.5AI(L1) -I(R)

0.8A

1.0A

1.2A

SEL>>

to

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28/08/2006 Claudinei J. Donato 11

Condução Contínua Ciclo de trabalho (D):

Vi

VoDVV

VVVi

VVoD

D

DVVoDVVi

VoLTD

TDVVoLVVi

SS

SS

S

SS

SS

0

(3)

)1.(...

).1).((.

12

12

2

21

21

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28/08/2006 Claudinei J. Donato 12

Condução Contínua Para indutância crítica, analisamos

circuito em modo de condução crítica, isto é, ILmin = 0:

(5) ..2

)1).((22

Io

(4) ).1).((

:2 equação Da

2

2

fIo

DVVoL

IIIL

TDVVoI

min

minSCR

LmáxLminLmáx

SLmáx

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28/08/2006 Claudinei J. Donato 13

Condução Contínua Cálculo da Indutância:

L é definido a partir da ondulação de corrente devido limitação de corrente das chaves.

(6) .

)1).((

).1).((

:2 equação Da

2

2

fI

DVVoL

L

TDVVoI

Lmáx

S

SL

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28/08/2006 Claudinei J. Donato 14

Condução Contínua Corrente no capacitor:

Time-I(C1)

-100mA

-50mA

0A

50mA

100mA

ILmáx

ILmin

T/2

T

ΔQ

IC

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Condução Contínua

Cálculo da capacitância de saída:

(8) ...8

)1).((

.).1).((

.8

:7 e 2 equação Da

(7) 8

.

2.

2.

2

1Q

22

2

fVL

DVVoC

CVL

TDVVoTQ

ITIT

C

S

CS

LL

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28/08/2006 Claudinei J. Donato 16

Condução Contínua A ondulação da tensão de saída é

devido duas componentes: Freqüência de chaveamento e

capacitância de saída; Resistência série equivalente (RSE) do

capacitor de saída. Geralmente a componente devido o

RSE é significativamente maior. Assim, é ela que normalmente define a capacitância.

Page 17: Conversores DC-DC Conversor Buck Projeto ITASAT Claudinei de Jesus Donato

28/08/2006 Claudinei J. Donato 17

Condução Contínua

Cálculo simplificado da RSE:

Após cálculo da RSE, procura-se capacitor que atenda as duas especificações, C e RSE.

(9)

.

.

L

CSE

LSEC

CSERSE

I

VR

IRV

IRV

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Condução Contínua A freqüência de corte do filtro de saída deve

ser muito menor que a freqüência de chaveamento do conversor:

Corrente de entrada (Ii):

(10) ...2

1

LCfFS

conversor. do Rendimento

(11) .

.

Vi

IoVoIi

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Condução Contínua Valores mínimos de tensão e corrente

para as chaves, sem considerar picos gerados pelas capacitâncias e indutâncias do circuito:

(14) 2

(13)

(12)

2,1

12

21

LSS

SS

SS

IIoI

VViV

VViV

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28/08/2006 Claudinei J. Donato 20

Condução Descontínua

TimeV(S) V(D1:2)

0V

10V

20VI(D1) -I(R)

0A

1.0A

2.0AI(S1:3) - I(R)

0A

1.0A

2.0AI(L1) - I(R)

0A

1.0A

2.0A

SEL>>

tcta

to

T

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28/08/2006 Claudinei J. Donato 21

Condução Descontínua

(15)

: temos1, equação Da

11

1

L

.TVo).DV(ViI

T

tD

SLmáx

c

Vi

L

C RT

Vo

-

+Ii

Vs1

IL IoIC

VC

+ -

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28/08/2006 Claudinei J. Donato 22

Condução Descontínua

(16) .).(

: temos2, equação Da

22

2

L

TDVVoI

T

tD

SLmáx

o

Vi

L

C RD Vo

-

+

Vs2

ID IL IoIC

VC

+-

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28/08/2006 Claudinei J. Donato 23

Condução Descontínua Ciclo de trabalho:

(19) )).((

).(...2

:18 e 17 15, equações Das

(18) 2

.

2

.

(17) .

:16 e 15 De

211

21

21

2

112

2211

SSS

S

LmáxLmáx

S

S

SS

VVViVoVVi

VVofIoLD

DIDIIo

)V(Vo

DVo)V(ViD

L

.T).DV(Vo

L

.TVo).DV(Vi

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28/08/2006 Claudinei J. Donato 24

Condução Descontínua A indutância crítica é calculada

conforme equação 5, porém, agora utilizamos a corrente máxima de saída para sua definição:

(19) ..2

)1).((

:5 equação Da

12

fIo

DVVoL

máx

máxSCR

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28/08/2006 Claudinei J. Donato 25

Condução Descontínua A partir da indutância critica, podemos

escolher um valor para nosso indutor e calcular a corrente máxima que circulará pelo indutor e chaves;

A corrente máxima é calculada pelas equações 15 ou 16;

(20) .

).( 22

fL

DVVoI máxS

Lmáx

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Condução Descontínua

Cálculo da capacitância de saída:

(22)

:9 equação dapartir A

(21) ...8

).(

:20 e 7 equações daspartir A

222

Lmáx

CSE

C

máxS

I

ΔVR

fVL

DVVoC

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28/08/2006 Claudinei J. Donato 27

Condução Descontínua

As equações 10, 11, 12 e 13 continuam valendo para conversores em modo de condução descontínua;

Agora a corrente das chaves é especificada a partir da corrente máxima no indutor, ILmáx.

Page 28: Conversores DC-DC Conversor Buck Projeto ITASAT Claudinei de Jesus Donato

28/08/2006 Claudinei J. Donato 28

Referências BARBI, Ivo; MARTINS, Denizar Cruz. Eletrônica de

Potência: Conversores CC-CC Básicos não Isolados. Florianópolis: UFSC, 2000. 377 p.

MELLO, Luiz F. P.. Análise e Projetos de Fontes Chaveadas. São Paulo, Ed. Érica, 1996. 487 p.

SEVERNS, Rudolf P.; BLOOM, Gordon (Ed). Modern DC-TO-DC Switchmode Power Converter Circuits. New York: Van Nostrand Reinhold, 1985. 342 p. (Van Nostrand Reinhold Electrical/Computer Science and Engineering Series).

ERICKSON, R. W.; MAKSIMOVIC, D.. Fundamentals of Power Electronics. 2th ed. Boulder, Usa: Springer, 2001. 912 p.

POMILIO, José Antenor. Fontes Chaveadas. Apostila. Disponível em http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/ . Acesso em 28 ago. 2006.