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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
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=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, no qual h a passagem do modo de conduo contnuo para o descontnuo, dado por:Dcrit = 1 1 8K e 235
CONVERSORES CC-CC
CONVERSOR SEPIC
- O conversor SEPIC (Single Ended Primary Inductance Converter) tambm possui uma caracterstica de transferncia do tipo abaixadoraelevadora de tenso; - Diferentemente do conversor Ck, a corrente de sada pulsada; - Os interruptores ficam sujeitos a uma tenso que a soma das tenses de entrada e de sada e a transferncia de energia da entrada para a sada ocorre atravs do capacitor.36
CONVERSORES CC-CC
CONVERSOR SEPIC
- Na primeira etapa, o interruptor conduz e o diodo permanece bloqueado. O indutor L1 armazena energia a partir da fonte de entrada. As correntes em L1 e L2 crescem linearmente. O capacitor Co descarrega sua energia alimentando o estgio de sada e o diodo permanece bloqueado.
- Na segunda etapa, o diodo passa a conduzir. Ambos os indutores fornecem energia para a carga. O capacitor C1 carregado.
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CONVERSORES CC-CC
CONVERSOR SEPIC
Projeto:G= Vo D = Vi 1 D Vi DTs Vo (1 D ) Ts = L1 L1
I1 = I 2 =
Vi DTs Vo (1 D ) Ts = L2 L2
Vi D 2Ts VC1 = Ro C1 (1 D ) VCo Vi D 2Ts = Ro Co (1 D )38
CONVERSORES CC-CC
CONVERSOR ZETA
- O conversor Zeta tambm possui uma caracterstica abaixadoraelevadora de tenso. Na verdade, a diferena entre este conversor, o Cuk e o SEPIC apenas a posio relativa dos componentes; - A corrente de entrada descontnua e a de sada continua; - A transferncia de energia ocorre atravs do capacitor.
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CONVERSORES CC-CC
CONVERSOR ZETA
- Na primeira etapa, o interruptor conduz e o diodo permanece bloqueado. A corrente em ambos os indutores cresce linearmente. As correntes em L1 e L2 crescem linearmente. O capacitor C1 descarregado e o capacitor Co descarregado.
- Na segunda etapa, o diodo passa a conduzir. O indutor L1 descarrega sua energia, carregando C1. Por sua vez, o indutor L2 alimenta o estgio de sada.
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CONVERSORES CC-CC
CONVERSOR ZETA
Projeto:G= Vo D = Vi 1 D Vi D f s L1 Vi D f s L2 Vo D f s Ro C1
I1 = I 2 =
VC1 = VCo =
Vo (1 D ) 8 f s 2 L2 Co41
CONVERSORES CC-CC- Trata-se da verso isolada do conversor buck-boost.
CONVERSOR FLYBACK
Funes do Transformador: - isolamento entre a fonte e a carga; - acumulao de energia quando o interruptor T est em conduo; - adaptar a tenso necessria no enrolamento secundrio.42
CONVERSORES CC-CC
CONVERSOR FLYBACK
Etapas de Funcionamento e Formas de Onda Bsicas para Conduo Descontnua:
Ls - indutncia magnetizante referida ao secundrio do transformador.
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CONVERSORES CC-CC
CONVERSOR FLYBACK
Projeto:
I oVo Io D Vo = = (Vo Vi ) f s C f s C
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CONVERSORES CC-CC
CONVERSOR FORWARD
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CONVERSORES CC-CC- Trata-se da verso isolada do conversor buck.
CONVERSOR FORWARD
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CONVERSORES CC-CC
CONVERSOR FORWARD
- Durante a 2 etapa de funcionamento, o transformador deve ser inteiramente desmagnetizado. Caso contrrio, ocorrer sua saturao magntica, provocando o mau funcionamento no conversor.
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CONVERSORES CC-CC
CONVERSOR FORWARD
a) Anlise das Grandezas Envolvidas - Para que a desmagnetizao seja assegurada, necessrio que quando a razo cclica for mxima, TD=T2. Assim, tem-se:
- Normalmente, Dmax=0,5. Ento, pode-se escrever:
b) Tenso Mdia na Carga (Vout):
c) Corrente no Indutor e Clculo da Indutncia
onde
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CONVERSORES CC-CC
CONVERSOR FORWARD
d) Corrente de Pico nos Enrolamentos Secundrio e Primrio
e) Clculo da Capacitncia
f) Transformador
Kp fator de utilizao do primrio (Kp=0,5); Kw fator de utilizao da rea do enrolamento (Kw=0,4); J densidade de corrente (250-400 A/cm2); 49 B variao de fluxo eletromagntico (0,2-0,3 T).
CONVERSORES CC-CCf) Transformador
CONVERSOR FORWARD
Np nmero de espiras do enrolamento primrio; Ae rea efetiva da perna central do ncleo [m]; B variao de fluxo eletromagntico [T].
Nsn nmero de espiras do secundrio de nmero n; VF queda de tenso no diodo [V].
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CONVERSORES CC-CC O ferrite, usado em ncleos de transformadores e indutores, formado por compostos base de nquel, zinco e/ou mangans. Possui baixa coercividade, o que permite a magnetizao reversa com pouca dissipao de energia (perdas por histerese). Por outro lado, a alta resistividade do material reduz a circulao de correntes parasitas. amplamente usado em fontes chaveadas devido s perdas reduzidas em altas freqncias. A densidade de fluxo de saturao para um ncleo de ferrite da ordem de 0,3 T. A densidade de trabalho, inferior ao valor de Bmax, depende da freqncia de trabalho.
CONVERSOR FORWARD
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CONVERSORES CC-CC
CONVERSOR FORWARD
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CONVERSORES CC-CC
CONVERSOR FORWARD
- Escolha da Seo Transversal dos Condutores dos Enrolamentos:
Scm rea de seco reta do condutor [cm2]; Ief valor eficaz da corrente.
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CONVERSORES CC-CC1) Especificar: Vin, Vout, Pout, fs, Vo, iL, .
CONVERSOR FORWARD
2) Definir a razo cclica nominal, lembrando que Dmax=0,5 3) Calcular a(s) corrente(s) de carga, a(s) corrente(s) de pico no(s) enrolamentos secundrio(s) e a(s) resistncia(s) de carga.
4) Calcular a(s) capacitncia(s).
5) Calcular o produto AeAw e definir o ncleo do transformador.
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CONVERSORES CC-CC
CONVERSOR FORWARD
6) Calcular o nmero de espiras dos enrolamentos primrio e secundrio(s),
7) Calcular a(s) rela(o)(es) de transformao.
8) Calcular a(s) indutncia(s).
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CONVERSORES CC-CC
CONVERSOR HALF-BRIDGE
T=perodo da tenso de entrada do filtro de sada; TS=2T=perodo de funcionamento do conversor.
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CONVERSORES CC-CC1 Etapa:
CONVERSOR HALF-BRIDGE
2 Etapa:
3 Etapa:
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CONVERSORES CC-CC
CONVERSOR FULL-BRIDGE
- A topologia do tipo Half-Bridge normalmente e recomendada para potncias inferiores a 500 W. - Para potncias maiores, empregado o conversor do tipo Full-Bridge.
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CONVERSORES CC-CC
CONVERSOR PUSH-PULL
- Pode ser considerado como um caso particular do conversor Full-Bridge ou Half-Bridge. - Destinado a pequenas potncias, por propiciar um mau aproveitamento do transformador e dificultar o emprego de tcnica para evitar a saturao no ncleo devido desigualdade entre os tempos de comutao dos interruptores. - mais recomendado para baixas tenses por submeter os interruptores a tenses muito elevadas.
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