estágio de potência do conversor...
TRANSCRIPT
Florianópolis, outubro de 2008.
Prof. Clóvis Antônio Petry.
Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina
Departamento Acadêmico de Eletrônica
Conversores Estáticos
Conversores CC-CC Não-IsoladosEstágio de Potência do Conversor Buck
Bibliografia para esta aula
www.cefetsc.edu.br/~petry
Capítulo 9: Choppers DC
1. Introdução aos conversores CC-CC.
Nesta aula
Conversores CC-CC:
1. Introdução;
2. Princípio geral;
3. Conversor Buck;
4. Exercícios.
Exemplo: Como realizar esta conversão?
Introdução
Exemplo: Como realizar esta conversão?
Usando resistores.
Introdução
Exemplo: Como realizar esta conversão?
Usando reguladores lineares.
Introdução
Princípio geral
1s
s
TF
on
s
TD
T
S
+
-
iV
iI
oVoR
oV
iV
sD T sT
Princípio geral
0
1 onT
ono i i
s s
TV V dt V
T T
Tensão média na saída:
on sT D T
o iV D V o
i
VD
V
S
+
-
iV
iI
oVoR
oV
iV
sD T sT
Princípio geral
Ganho estático:
o iV D V
o
i
VD
V
0 0,25 0,5 0,75 10
0,25
0,5
0,75
1
D
Vo/Vi
S
+
-
iV
iI
oVoR
oV
iV
sD T sT
Princípio geral
0
1 onT
oni o o
s s
TI I dt I
T T
Corrente média na entrada:
on sT D T
i oI D I i
o
ID
I
S
+
-
iV
iI
oVoR
iI
oI
sD T sT
Princípio geral
S
+
-
iV
iI
oVoR
oV
iV
sD T sT
i i iP V I
Potência na entrada e na saída:
i oP P
i o
o i
V I
V I
o o oP V I
i i o oV I V I
oi
PP
Princípio geral
S
+
-
iV
iI
oVoR
oV
iV
sD T sT
Como variar a tensão de saída?
• Alterando o tempo de condução e bloqueio (PWM);
• Alterando a freqüência de comutação (PFM).
PWM:
• Modulação por largura de pulsos;
• Pulse WiDth Modulation.
PFM:
• Modulação por freqüência variável;
• Pulse Frequency Modulation.
Princípio geral
oV
iV
sD T sT
oV
iV
sD T sT
oV
iV
sD T sT
oV
iV
sD T sT
PWM PFM
Conversor Buck
D
S a
b
+
-
iV
oL
oVoC oR
Conversor Buck
Primeira etapa de funcionamento:
• Interruptor conduzindo;
• Diodo bloqueado;
• Energia sendo armazenada no indutor.
D
S a
b
+
-
iV
oL
oVoC oR
0 st D T
Conversor Buck
Segunda etapa de funcionamento:
• Interruptor bloqueado;
• Diodo conduzindo;
• Energia armazenada no indutor sendo transferida para saída.
s sD T t T
D
S a
b
+
-
iV
oL
oVoC oR
Conversor Buck
D
S a
b
+
-
iV
oL
oVoC oR
abV
iV
sD T sT
0
1 onT
onab i i
s s
TV V dt V
T T
ab iV D V
Tensão média sobre o indutor:
Conversor Buck
D
S a
b
+
-
iV
oL
oVoC oR
0
1 1on s
on
T T
Lo i o o
s s T
V V V dt V dtT T
1
Lo i o on o s on
s
V V V T V T TT
on s onLo i o o
s s s
T T TV V V V
T T T
1Lo i o oV V V D V D
Lo i o o oV V D V D V V D
LoV
i oV V
sD T sT
oV
0LoV
Conversor Buck
D
S a
b
+
-
iV
oL
oVoC oR
0
1 onT
onab i i
s s
TV V dt V
T T
ab iV D V
o abV Vo iV D V o
i
VD
V
oV
iV
sD T sT
Conversor Buck
0 0,25 0,5 0,75 10
0,25
0,5
0,75
1
D
Vo/Vi
Ganho estático em função da razão cíclica:
Conversor Buck
Principais formas de onda (circuito simulado):
Conversor Buck
Principais formas de onda (transitório de partida):
Conversor Buck
Principais formas de onda (regime permanente):
Conversor Buck
Exercício 1) Considerando o circuito abaixo determine:
• Tensão média na saída;
• Corrente média na carga;
• Corrente média no indutor;
• Corrente média no interruptor;
• Corrente média no diodo;
• Tensão máxima sobre o interruptor;
• Tensão máxima sobre o diodo;
• Potência média na entrada e na saída.
Conversor Buck
Ondulação de corrente em Lo:
D
S a
b
+
-
iV
oL
oVoC oR
Lo LoLo o o
di IV L L
dt T
LoLo
o
V TI
L
i o s
Lo
o
V V D TI
L
1
i i iLo
o s o s
V D V D VI D D
L F L F
Conversor Buck
Ondulação de corrente em Lo: 1LoI D D
0 0.2 0.4 0.6 0.80
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
I D( )
D
Conversor Buck
Ondulação de corrente em Lo:
_ max 0,5 1 0,5iLo
o s
VI
L F
_ max 1iLo
o s
VI D D
L F
_ max4
iLo
o s
VI
L F
Conversor Buck
Ondulação de tensão em Co:
D
S a
b
+
-
iV
oL
oVoC oR
Conversor Buck
Ondulação de tensão em Co:
Co Loi I
2
4cosLo
Co s
Ii t
Loiov
oiCoi
oRoC
Coi
t
Cov
t
2
sT
d 2
sT
Co Loi i
Cov
sT
CoFi
0
_ max _ max
2
4
2
Co LoI I
Fundamental da série de Fourier:
Valor de pico para D=0,5:
Conversor Buck
Ondulação de tensão em Co:Coi
t
Cov
t
2
sT
d 2
sT
Co Loi i
Cov
sT
CoFi
0
CoCo Co Co
s o
iv i X
C
3
4cos 90
2
oLoCo s
s o
Iv t
F C
3
2
2
Co Lo
s o
V I
F C
_ max _ max
3
2
2
Co Lo
s o
V I
F C
_ max 231
iCo
o o s
VV
L C F
2
_ max31
io
o Co s
VC
L V F
Tensão sobre o capacitor será:
Conversor Buck
Filtro de saída (freqüência de ressonância):
D
S a
b
+
-
iV
oL
oVoC oR
1
2o
o o
FL C
10
so
FF
Conversor Buck
Filtro de saída (freqüência de ressonância):
Fernando H. Gerent
Dissertação – UFSC/2005
Escolha incorreta do capacitor
Conversor Buck
Filtro de saída (resistência série equivalente do capacitor):
D
S a
b
+
-
iV
oL
oVoC oR
R
RSE
V
C I
VC+ - + -RV
VCV
_ maxRSE CoV I RSE
Conversor Buck
Filtro de saída (resistência série equivalente do capacitor):
Exemplo:1,25oC F
47oC F
Calculado em função da ondulação de tensão
Escolhido devido a RSE=2,47 Ω
www.epcos.com
Conversor Buck
Condução contínua (MCC) e descontínua (DCM):
MCC
1a etapa 2a etapa
Conversor Buck
Condução contínua (MCC) e descontínua (DCM):
DCM
1a etapa 2a etapa 3a etapa
Conversor Buck
Condução contínua (MCC) para descontínua (DCM):
• Diminuição da carga;
• Indutor do filtro de saída muito baixo;
• Alteração da freqüência de comutação;
• Alteração da tensão de entrada.
Conversor Buck
Filtro de entrada (corrente na fonte sem filtro):
Conversor Buck
Filtro de entrada (corrente na fonte com filtro):
Conversor Buck
Exercício 2) Considerando o circuito abaixo determine:
• Ondulação de corrente no indutor;
• Corrente máxima no indutor;
• Corrente máxima no interruptor e no diodo;
• Ondulação de tensão no capacitor;
• Freqüência de ressonância do filtro de saída.
Conversor Buck
Exercício 3) Considerando o circuito abaixo determine:
• Corrente eficaz no indutor;
• Corrente eficaz no diodo;
• Corrente eficaz no interruptor;
• Corrente eficaz no capacitor.
Conversor Buck
Exercício 4) Faça o projeto de um conversor Buck considerando:
• Tensão de entrada de 12 V;
• Tensão de saída de 5 V;
• Carga resistiva de 50 W;
• Ondulação de corrente de 10%;
• Ondulação de tensão de 1%;
• Freqüência de comutação de 50 kHz.
Determine:
• Indutância do filtro de saída;
• Capacitor do filtro de saída;
• Interruptor;
• Diodo;
• Dissipadores, se necessário.
Próxima aula
www.cefetsc.edu.br/~petry
Capítulo 9: Choppers DC
1. Conversores CC-CC não-isolados.