FONTES CHAVEADAS Contedo Captulo 11. COMPONENTES SEMICONDUTORES RPIDOS DE POTNCIA1.1 Diodos de Potncia1.2 Diodos Schottky1.3 Transistor Bipolar de Potncia (TBP)1.4 MOSFET1.5 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)1.6 Alguns Critrios de Seleo Captulo 22. TCNICAS DE MODULAO EM FONTES CHAVEADAS2.1 Modulao por Largura de Pulso - MLP (PWM)2.2 Modulao em freqncia - MF2.3 Modulao MLP com freqncia de portadora varivel2.4 Modulao por limites de corrente - MLC (Histerese)2.5 Outras tcnicas de modulao Captulo 33. TOPOLOGIAS BSICAS DE FONTES CHAVEADAS3.1 Conversor abaixador de tenso (step-down ou buck)3.2 Conversor elevador de tenso (step-up ou boost)3.3 Conversor abaixador-elevador (buck-boost)3.4 Conversor Cuk3.5 Conversor SEPIC3.6 Conversor Zeta3.7 Conversores com isolao3.8 Considerao sobre a mxima tenso de sada no conversor elevador de tenso Captulo 44. CONVERSORES RESSONANTES4.1 Conversor ressonante com carga em srie (SLR)4.2 Conversor ressonante com carga em paralelo (PLR)4.3 Conversor ressonante com carga em paralelo, com sada capacitiva4.4 Alteraes nas topologias dos conversores ressonantes4.5 Fonte Ressonante de Tenso em Regime Pulsado Captulo 55. CONVERSORES QUASE-RESSONANTES5.1 Conversores operando com ZCS5.2 Conversor operando com ZVS5.3 Comparao entre ZCS e ZVS5.4 Introduo de controle por MLP Captulo 66. OUTRAS TOPOLOGIAS COM COMUTAO NO-DISSIPATIVA6.1 Inversor pseudo-ressonante6.2 Conversor ressonante "single-ended"6.3 Conversor semi-ressonante6.4 Caractersticas desejveis de topologias com comutao suave6.5 Conversor ZVS Quase-onda-quadrada, MLP (ZVS-QSC-MLP)6.6 Conversores MLP com transio sob tenso nula (ZVT)6.7 Conversores MLP com transio sob corrente nula (ZCT)6.8 Exemplos de outros circuitos de auxlio comutao Captulo 77. COMPONENTES PASSIVOS PARA FONTES CHAVEADAS7.1 Capacitores7.2 Componentes magnticos Captulo 88. CONTROLE DE FONTES CHAVEADAS8.1 Conversor tipo "fly-back" no modo tenso (conduo descontnua)8.2 "Fly-back" no modo contnuo8.3 Conversor tipo seguidor de tenso (forward)8.4 Conversor Boost8.5 Controle feed-forward8.6 Controle no modo corrente Captulo 99. MODELAMENTO DE FONTES CHAVEADAS NO ESPAO DE ESTADO E SNTESE DE COMPENSADORES9.1 Linearizao do estgio de potncia, incluindo o filtro de sada, usando valores mdios das variveis de estado para obter vo(s)/d(s)9.2 Exemplo 19.3 Funo de transferncia d(S)/vc(S) de um modulador MLP a partir de onda dente de serra9.4 Projeto de compensador usando o fator K Captulo 1010.ESTUDO DE CONVERSORES UTILIZANDO MODELO DA CHAVE PWM10.1 Propriedades invariantes das chaves PWM10.2 Modelo CC da chave PWM10.3 Modelo CA da.chave PWM10.4 Efeito das perdas em conduo e do tempo de armazenamento sobre o modelo da chave PWM10.5 Anlise do conversor abaixador de tenso Captulo 1111. CIRCUITOS INTEGRADOS DEDICADOS AO ACIONAMENTO E CONTROLE DE FONTES CHAVEADAS11.1 Tcnicas de isolao de sistemas com reguladores chaveados11.2 TL49411.3 UC184011.4 UC1524A11.5 UC184611.6 GP60511.7 MC34262 Captulo 1212. CARACTERIZAO DE FONTES CHAVEADAS12.1 Requisitos de qualidade na alimentao de equipamentos sensveis12.2 Tempo de sustentao da tenso de sada (Hold-up)12.3 Regulao de linha12.4 Regulao de carga12.5 Resposta dinmica variao de carga12.6 Teste de isolao12.7 Interferncia Eletromagntica (IEM)12.7.1 IEM irradiada12.7.2 IEM conduzida pela rede Fontes Chaveadas - Cap. 1COMPONENTES SEMICONDUTORES RPIDOS DE POTNCIA J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor1-11. COMPONENTES SEMICONDUTORES RPIDOS DE POTNCIA1.1Diodos de PotnciaUm diodo semicondutor uma estrutura P-N que, dentro de seus limites de tenso edecorrente,permiteapassagemdecorrenteemumnicosentido.Detalhesdefuncionamento,emgeraldesprezadosparadiodosdesinal,podemsersignificativosparacomponentesdemaiorpotncia,caracterizadosporumamaiorrea(parapermitirmaiorescorrentes)emaiorcomprimento(afimdesuportartensesmaiselevadas).Afigura1.1mostra, simplificadamente, a estrutura interna de um diodo.P N+ + + + + + + ++ + + + + + ++ + + + + + ++ + + + + + ++ + + + + + +++ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _+_ __ __ __ __ _+ ++ ++ ++ ++ +1 uPotencial0+_DifusoJuno metalrgicaAnodo CatodoFigura 1.1. Estrutura bsica de um diodo semicondutorAplicando-se uma tenso entre as regies P e N, a diferena de potencial aparecer naregio de transio, uma vez que a resistncia desta parte do semicondutor muito maior quea do restante do componente (devido concentrao de portadores).Quando se polariza reversamente um diodo, ou seja, se aplica uma tenso negativa noanodo (regio P) e positiva no catodo (regio N), mais portadores positivos (lacunas) migrampara o lado N, e vice-versa, de modo que a largura da regio de transio aumenta, elevando abarreira de potencial.Pordifusoouefeitotrmico,umacertaquantidadedeportadoresminoritriospenetra na regiodetransio.So,ento, aceleradospelocampoeltrico,indoataoutraregioneutradodispositivo.Estacorrentereversaindependedatensoreversaaplicada,variando, basicamente, com a temperatura.Fontes Chaveadas - Cap. 1COMPONENTES SEMICONDUTORES RPIDOS DE POTNCIA J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor1-2Seocampoeltriconaregiodetransioformuitointenso,osportadoresemtrnsitoobterograndevelocidadee,aosechocaremcomtomosdaestrutura,produzironovos portadores, os quais, tambm acelerados,produziroumefeitodeavalanche.Dadooaumentonacorrente,semreduosignificativanatensonajuno,produz-seumpicodepotncia que destri o componente.Umapolarizaodiretalevaaoestreitamentodaregiodetransioereduodabarreira de potencial.Quando a tenso aplicada superar ovalor natural da barreira, cerca de0,7VparadiodosdeSi,osportadoresnegativosdoladoNseroatradospelopotencialpositivo do anodo e vice-versa, levando o componente conduo.Na verdade, a estrutura interna de umdiodo de potncia umpoucodiferentedestaapresentada. Existe uma regio N intermediria, com baixa dopagem. O papeldesta regio permitir ao componente suportar tenses mais elevadas, pois tornar menor o campo eltricona regio de transio (que ser mais larga, para manter o equilbrio de carga).Estaregiodepequenadensidadededopantedaraodiodoumasignificativacaracterstica resistivaquandoemconduo,aqualsetornamaissignificativaquantomaiorforatensosuportvelpelocomponente.Ascamadasquefazemoscontatosexternossoaltamente dopadas, a fim de fazer com que se obtenha um contato com caracterstica hmica eno semi-condutor (como se ver adiante nos diodos Schottky).Ocontornoarredondadoentreasregiesdeanodoecatodotemcomofunocriarcampos eltricos mais suaves (evitando o efeito de pontas).No estado bloqueado, pode-se analisar a regio de transio como um capacitor, cujacarga aquela presente na prpria regio de transio.Na conduo no existe tal carga, no entanto,devido alta dopagem da camada P+,por difuso, existe uma penetrao de lacunas na regio N-. Alm disso, medida que cresceacorrente,maislacunassoinjetadasnaregioN-,fazendocomqueeltronsvenhamdaregioN+paramanteraneutralidadedecarga.Destaforma,cria-seumacargaespacialnocatodo,aqualterqueserremovida(ouserecombinar)parapermitirapassagemparaoestado bloqueado do diodo.Ocomportamentodinmicodeumdiododepotncia,naverdade,muitodiferentedo de uma chave ideal, como se pode observar nafigura 1.2. Suponha-se que se aplica umatenso vi ao diodo, alimentando uma carga resistiva (cargas diferentes podero alterar algunsaspectos da forma de onda).Durantet1,remove-seacargaacumuladanaregiodetransio.Comoaindanohouve significativa injeo de portadores, a resistncia da regio N- elevada, produzindo umpico de tenso. Indutncias parasitas do componente e das conexes tambm colaboram coma sobre-tenso. Durante t2 tem-se a chegada dos portadores e a reduo da tenso para cercade 1V. Estes tempos so, tipicamente, da ordem de centenas de ns.No desligamento, a carga espacial presente na regio N- deve ser removida antes quese possa reiniciar a formao da barreira de potencial na juno. Enquanto houver portadorestransitando,odiodosemantmemconduo.AreduoemVonsedevediminuiodaquedahmica.Quandoacorrenteatingeseupiconegativoquefoiretiradooexcessodeportadores,iniciando-se,ento,obloqueiododiodo.Ataxadevariaodacorrente,associada s indutncias do circuito, provoca uma sobre-tenso negativa.Diodosrpidospossuemtrrdaordemde,nomximo,poucosmicro-segundos,enquanto nos diodos normais de dezenas ou centenas de micro-segundos.Fontes Chaveadas - Cap. 1COMPONENTES SEMICONDUTORES RPIDOS DE POTNCIA J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor1-3O retorno da corrente a zero, aps o bloqueio, devido sua elevada derivada e ao fatode,nestemomento,odiodojestardesligado,umafonteimportantedesobretensesproduzidasporindutnciasparasitasassociadasaoscomponentesporondecirculatalcorrente. A fim de minimizar este fenmeno foram desenvolvidos os diodossoft-recovery,nos quais esta variao de corrente suavizada, reduzindo os picos de tenso gerados.AnodoCatodoN+N_P+ 10e19 cm-310e14 cm-310e19cm-310 uDepende250 usubstratoda tenso

iDvDvi+Vr-VrQrrt1t2t3t4 t5-Vri=Vr/RVontrrdir/dtVfpVrpdif/dtvivDiDRFigura 1.2. Estrutura tpica de diodo de potncia.eFormas de onda tpicas de comutao de diodo de potncia.1.2Diodos SchottkyQuando feita uma juno entre um terminal metlico e um material semicondutor, ocontatotem,tipicamente,umcomportamentohmico,ouseja,aresistnciadocontatogovernaofluxodacorrente.Quandoestecontatofeitoentreummetaleumaregiosemicondutora com densidade de dopante relativamente baixa, o efeito dominante deixa de sero resistivo, passando a haver tambm um efeito retificador.Um diodo Schottky formado colocando-se um filme metlico em contato direto comumsemicondutor,comoindicadonafigura1.3.Ometalusualmentedepositadosobreummaterial tipo N, por causa da maior mobilidade dos portadores neste tipo de material. A partemetlica ser o anodo eo semicondutor, o catodo.NumadeposiodeAl(3eltronsnaltimacamada),oseltronsdosemicondutortipo N migraro para o metal, criando uma regio de transio na juno.Note-sequeapenaseltrons(portadoresmajoritriosemambosmateriais)estoemtrnsito. O seu chaveamento muitomais rpido do que o dos diodos biplares, uma vez quenoexistecargaespacialarmazenadanomaterialtipoN,sendonecessrioapenasrefazeraFontes Chaveadas - Cap. 1COMPONENTES SEMICONDUTORES RPIDOS DE POTNCIA J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor1-4barreira de potencial (tipicamente de 0,3V). A regio N tem uma dopagem relativamente alta,a fim de reduzir as perda de conduo, com isso, a mxima tenso suportvel por estes diodos de cerca de 100V.A aplicao deste tipo de diodos ocorre principalmente em fontes de baixa tenso, nasquais as quedas sobre os retificadores so significativas.Substrato tipo PTipo NN+AlSiO2AlcontatohmicocontatoretificadorFigura 1.3 Diodo Schottky construdo atravs de tcnica de CIs.1.3Transistor Bipolar de Potncia (TBP)1.3.1Princpio de funcionamentoA figura 1.4 mostra a estrutura bsica de um transistor bipolar.N+ N- P N+VccRcRbVbCBE----J1 J2Figura 1.4. Estrutura bsica de transistor bipolarAoperaonormaldeumtransistorfeitacomajunoJ1(B-E)diretamentepolarizada, e com J2 (B-C) reversamente polarizada.Fontes Chaveadas - Cap. 1COMPONENTES SEMICONDUTORES RPIDOS DE POTNCIA J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor1-5NocasoNPN,oseltronssoatradosdoemissorpelopotencialpositivodabase.Estacamadacentralsuficientementefinaparaqueamaiorpartedosportadorestenhaenergiacinticasuficienteparaatravess-la,chegandoregiodetransiodeJ2,sendo,ento, atrados pelo potencial positivo do coletor.O controle de Vbe determina a corrente de base, Ib, que, por sua vez, se relaciona comIc pelo ganho de corrente do dispositivo.Na realidade, a estrutura interna dos TBPs diferente. Para suportar tenses elevadas,existeumacamadaintermediriadocoletor,combaixadopagem,aqualdefineatensodebloqueio do componente.Afigura1.5.mostraumaestruturatpicadeumtransistorbipolardepotncia.Asbordas arredondadas da regio de emissor permitem uma homogenizao do campoeltrico,necessriamanutenodeligeiraspolarizaesreversasentrebaseeemissor.OTBPnosustenta tenso no sentido oposto porque a alta dopagem do emissor provoca a ruptura de J1em baixas tenses (5 a 20V).BCEN+N-PN+ 10e19 cm-310e16 cm-310e14 cm-310e19 cm-310 u5 a 20 u50 a 200 u250 u (substrato)CB EFigura 1.5. Estrutura interna de TPB e seu smboloO uso preferencial de TBP tipo NPN se deve s menores perdas em relao aos PNP,oqueocorreporcausadamaiormobilidadedoseltronsemrelaoslacunas,reduzindo,principalmente, os tempos de comutao do componente.1.3.2Limites de tensoA tenso aplicada ao transistor encontra-se praticamente toda sobre a juno J2 a qual,tipicamente,estreversamentepolarizada.Existemlimitessuportveisporestajuno,osquais dependem principalmente da forma como o comando de baseest operando, conformese v nas figuras 1.6 e 1.7.Com o transistor conduzindo (Ib>0) e operando na regio ativa, o limite de tenso Vce Vces o qual, se atingido, leva o dispositivo a um fenmeno chamado de primeira ruptura.Fontes Chaveadas - Cap. 1COMPONENTES SEMICONDUTORES RPIDOS DE POTNCIA J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor1-6O processo de primeira ruptura ocorre quando, ao se elevar a tenso Vce, provoca-seumfenmenodeavalancheemJ2.Esteacontecimentonodanifica,necessariamente,odispositivo.Se,noentanto,acorrenteIcseconcentrarempequenasreas,osobre-aquecimento produzir ainda mais portadores e destruir o componente (segunda ruptura).Comotransistordesligado(Ib=0)atensoqueprovocaarupturadajunoJ2maior, elevando-se aindamais quando a corrente debasefornegativa.Istoumaindicaointeressanteque,paratransistoressubmetidosavaloreselevadosdetenso,oestadodesligado deve ser acompanhado de uma polarizao negativa da base.Ib>0VcesIb=0VceoIc IcIcVcboIbIb2>Ib1>0VceFigura 1.7 Caracterstica esttica de transistor bipolar.1.3.3rea de Operao Segura (AOS)A AOS representa a regio do plano Vce x Ic dentro da qual o TBP pode operar semse danificar. A figura 1.8 mostra uma forma tpica de AOS.Fontes Chaveadas - Cap. 1COMPONENTES SEMICONDUTORES RPIDOS DE POTNCIA J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor1-7log Vcelog IcIc DCIc maxABCD1 us10 us100 usFigura 1.8. Aspecto tpico de AOS de TBPA: Mxima corrente contnua de coletorB: Mxima potncia dissipvel (relacionada temperatura na juno)C: Limite de segunda rupturaD: Mxima tenso Vce medida que a corrente se apresenta em pulsos (no-repetitivos) a rea se expande.Para pulsos repetitivos deve-se analisar o comportamento trmico do componente parasesabersepossvelutiliz-lonumadadaaplicao,umavezqueaAOS,porserdefinidaparaumnicopulso,umarestriomaisbranda.Estaanlisetrmicafeitacombasenociclodetrabalhoaqueodispositivoestsujeito,aosvaloresdetensoecorrenteeimpedncia trmica do transistor, a qual fornecida pelo fabricante.1.3.4Regio de quase-saturaoConsideremosocircuitomostradonafigura1.9,eascurvasestticasdoTBPalindicadas.Quando Ic cresce, Vce diminui, dada a maior queda de tenso sobre R. medida queVce se reduz, caminha-se no sentido da saturao.Os TBP apresentam uma regio chamada dequase-saturaogerada,principalmente,pela presena da camadaN- do coletor.semelhanadacargaespacialarmazenadanosdiodos,nostransistoresbipolarestambm ocorre estocagem de carga. A figura 1.10 mostra a distribuio de carga esttica nointerior do transistor para as diferentes regies de operao.Na regio ativa, J2 est reversamente polarizada e ocorre uma acumulao de eltronsna regio da base. Quando se aproxima da saturao, J2 fica diretamente polarizada, atraindolacunas da base para o coletor. Tais lacunas associam-se aeltrons vindosdoemissorequeestomigrandopelocomponente,criandoumacargaespacialquepenetraaregioN-.Istorepresentaum"alargamento"daregiodabase,implicandonareduodoganhodotransistor.Talsituaocaracterizaachamadaquase-saturao.Quandoestadistribuiodecarga espacial ocupa toda a regio N- chega-se, efetivamente, saturao.Fontes Chaveadas - Cap. 1COMPONENTES SEMICONDUTORES RPIDOS DE POTNCIA J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor1-8VceIcVccVcc/Rcorteregio ativasaturaoquase-saturaoIbRVccVceFigura 1.9 Regio de quase-saturao do TBP.claroquenodesligamentotodaestacargaterqueserremovidaantesdoefetivobloqueio do TBP, o que sinaliza a importncia do timo circuito de acionamento de base paraque o TBP possa operar numa situao que minimize a tempo de desligamento e a dissipaode potncia (associada ao valor de Vce).N+ N- P N+Coletor Base Emissore-base virtualsaturaoquase-saturaoregio ativaFigura 1.10 Distribuio da carga esttica acumulada no TBP1.3.5Ganho de correnteO ganho de corrente dos TBP varia com diversos parmetros (Vce, Ic, temperatura),sendo necessrio, no projeto, definir adequadamente o ponto de operao.Em baixas correntes, a recombinao dosportadores em trnsito leva a uma reduono ganho, enquanto para altas correntes tem-se o fenmeno da quase-saturao reduzindooganho, como explicado anteriormente.Fontes Chaveadas - Cap. 1COMPONENTES SEMICONDUTORES RPIDOS DE POTNCIA J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor1-9Para umatensoVceelevada,alarguradaregiodetransiodeJ2quepenetranacamadadebasemaior,demodoareduziraespessuraefetivadabase,oquelevaaumaumento do ganho.ganho de correntelog IcVce = 400 V (25 C)Vce = 2 V (25 C)Vce = 2V (125 C)Figura 1.11 Comportamento tpico do ganho de corrente em funo da tenso Vce, datemperatura e da corrente de coletor.1.3.6Caractersticas de chaveamentoAscaractersticasdechaveamentosoimportantespoisdefinemavelocidadedemudana de estado e ainda determinam as perdas no dispositivo relativas s comutaes, quesodominantesnosconversoresdealtafreqncia.Definem-sediversosintervalosconsiderando operao com carga resistiva ou indutiva. O sinal de base, para o desligamento, geralmente, negativo, a fim de acelerar o bloqueio do TBP.a) Carga resistivaAfigura1.12mostraformasdeondatpicasparaestetipodecarga.Ondice"r'serefereatemposdesubida(de10%a90%dosvaloresmximos),enquanto"f"relaciona-seaos tempos de descida. O ndice "s" refere-se ao tempo de armazenamento e "d"ao tempo deatraso.td: tempo de atrasoCorrespondeatempodedescarregamentodacapacitnciadajunob-e.Podeserreduzido pelo uso de uma maior corrente de base com elevado dib/dt.tri: tempo de crescimento da corrente de coletorEste intervalo se relaciona com a velocidade de aumento da carga estocada e dependeda corrente de base.Como a carga resistiva, uma variao de Ic provoca uma mudana em Vce.Fontes Chaveadas - Cap. 1COMPONENTES SEMICONDUTORES RPIDOS DE POTNCIA J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor1-10100%90%10%90%10%+VccVce(sat)Tenso VceCorrente de coletorSinal de baseCARGA RESISTIVAtd=tditon=ton(i)tritoff=toffits=tsitfiton(v)tdvtfvtoff(v)trvtsv90%10%Figura 1.12 Caracterstica tpica de chaveamento de carga resistivats: tempo de armazenamentoIntervalonecessriopararetirar(Ib0econstanteduranteacomutao.Afigura1.13mostraformasdeondatpicas com este tipo de carga.b.1) Entrada em conduoComoTBPcortado,Iocirculapelodiodo(=>Vce=Vcc).Apstd,Iccomeaacrescer, reduzindo Id (poisIoconstante).QuandoIc=Io,odiododesligaeVcecomeaadiminuir. Alm disso, pelo transistor circula a corrente reversa do diodo.Fontes Chaveadas - Cap. 1COMPONENTES SEMICONDUTORES RPIDOS DE POTNCIA J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor1-11b.2) BloqueioCom a inverso da tenso Vbe (e de Ib), inicia-se o processo de desligamento do TBP.Aps tsv comea a crescer Vce. Para que o diodo conduza preciso que Vce>Vcc. Enquantoistonoocorre,Ic=Io.Comaentradaemconduododiodo,Icdiminui,medidaqueIdcresce (tfi).Alm destes tempos definem-se outros para carga indutiva:tti: (tail time): Queda de Ic de 10% a 2%tc ou txo: intervalo entre 10% de Vce e 10% de IcLcarga DfIoVccIcVceVbIcVcetdtsvttiIoVccRcargaFigura 1.13. Formas de onda com carga indutiva1.3.7 Circuitos amaciadores (ou de ajuda comutao) - "snubber"OpapeldoscircuitosamaciadoresgarantiraoperaodoTBPdentrodaAOS,especialmente durante o chaveamento de cargas indutivas.a) Desligamento - Objetivo: atrasar o crescimento de Vce (figura 1.14)QuandoVcecomeaacrescer,ocapacitorCscomeaasecarregar(viaDs),desviando parcialmente a corrente, reduzindo Ic. Df s conduzir quando Vce>Vcc.Quando o transistor ligar o capacitor se descarregar por ele, com a corrente limitadapor Rs. A energia acumulada em Cs ser, ento, dissipada sobre Rs.Sejamasformasdeondamostradasnafigura1.15.ConsiderandoqueIccaialinearmente e que IL constante, a corrente por Cs cresce linearmente.Fazendo-se com queCscompletesuacargaquandoIc=0,opicodepotnciasereduziramenosde1/4doseuvalor sem circuito amaciador (supondo trv=0)Fontes Chaveadas - Cap. 1COMPONENTES SEMICONDUTORES RPIDOS DE POTNCIA J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor1-12VccLcarga DfIcVcs CsDs RsVcelog Iclog Vce VccIoIoCssem amaciadorRcargaFigura 1.14. Circuito amaciador de desligamento e trajetrias na AOSVceIcPtrvIo.VccIc VccVccVcePIoFigura 1.15. Formas de onda no desligamente sem e com o circuito amaciador.O valor de Rs deve ser tal que permita toda a descarga de Cs durante o mnimo tempoligadodoTBPe,poroutrolado,limiteopicodecorrenteemumvalorinferiormximacorrente de pico repetitiva do componente. Deve-se usar o maior Rs possvel.b) Entrada em conduo: Objetivo: reduzir Vce e atrasar o aumento de Ic (figura 1.16)No circuito sem amaciador,apsodisparodoTBP,Iccresce,masVcessereduzquandoDfdeixardeconduzir.AcolocaodeLsprovocaumareduodeVce,almdereduzir a taxa de crescimento de Ic.Fontes Chaveadas - Cap. 1COMPONENTES SEMICONDUTORES RPIDOS DE POTNCIA J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor1-13Normalmentenoseutilizaestetipodecircuito,considerandoqueostemposassociadosentradaemconduosobemmenoresdoqueaquelesdedesligamento.Aprpria indutncia parasita do circuito realiza, parcialmente, o papel de retardar o crescimentodacorrenteediminuiratensoVce.Inevitavelmente,talindutnciairproduziralgumasobretenso no momento do desligamento, alm de ressoar com as capacitncias do circuito.carga DfVccLsRsDsFigura 1.16. Circuito amaciador para entrada em conduo.1.3.8 Conexo DarlingtonComooganhodosTBPrelativamentebaixo,usulmentesoutilizadasconexesDarlington (figura 1.17), que apresentam como principais caractersticas:- ganho de corrente = 1(2+1)+2- T2 no satura, pois sua juno B-C est sempre reversamente polarizada-tantoodisparoquantoodesligamentososequenciais.Nodisparo,T1ligaprimeiro,fornecendocorrentedebaseparaT2.Nodesligamento,T1devecomutarantes,interrompendo a corrente de base de T2.T1T2Figura 1.17. Conexo Darlington.Os tempos totais dependem, assim, de ambos transistores, elevando, emprincpio,asperdas de chaveamento.Fontes Chaveadas - Cap. 1COMPONENTES SEMICONDUTORES RPIDOS DE POTNCIA J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor1-14Considerando o caso de uma topologia em ponte (ou meia ponte), como mostrado nafigura1.18,quandooconjuntosuperiorconduz,oinferiordeveestardesligado.Deve-selembrar aqui que existem capacitncias associadas s junes dos transistores.QuandoopotencialdopontoAseeleva(pelaconduodeT2)ajunoB-Cteraumentadasualargura,produzindoumacorrenteaqual,seabasedeT3estiveraberta,circular pelo emissor, transformando-se em corrente de base de T4, o qual poder conduzir,provocando um curto-circuito (momentneo) na fonte.Asoluoadotadacriarcaminhosalternativosparaestacorrente,pormeioderesistores, de modo que T4 no conduza.Almdestesresistores,usualainclusodeumdiodoreverso,deemissorparacoletor, para facilitar o escoamento das cargas no processo de desligamento. Alm disso, taldiodotemfundamentalimporncianoacionamentodecargasindutivas,umavezquefazafuno do diodo de circulao.cargaT1 T2T3T4capacitncias parasitasi iAFigura 1.18 Conexo Darlington num circuito em ponte.Usualmente associam-se aos transistores em conexo Darlington, outros componentes,cujo papel garantir seu bom desempenho em condies adversas, como se v na figura 1.18.Figura 1.19. Conexo Darlington com componentes auxiliares.Fontes Chaveadas - Cap. 1COMPONENTES SEMICONDUTORES RPIDOS DE POTNCIA J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor1-151.3.9Mtodos de reduo dos tempos de chaveamentoUm ponto bsico utilizar uma corrente de base adequada:dib/dtIb1Ib2dib/dtIbrFigura 1.20 Forma de onda de corrente de base recomendada para acionamento de TBP.As transies devem serrpidas, para reduzirostempodeatraso.UmvalorelevadoIb1 permite uma reduo de tri. Quando em conduo, Ib2 deve ter tal valor que faa o TBPoperar na regio de quase-saturao. No desligamento, deve-se prover uma corrente negativa,acelerando assim a retirada dos portadores armazenados.Para o acionamento de um transistor nico, pode-se utilizar um arranjo de diodos paraevitar a saturao, como mostrado na figura 1.21.Nestearranjo,atensomnimanajunoB-Czero.ExcessonacorrenteIbdesviado por D1. D3 permite a circulao de corrente negativa na base.D1D2D3Figura 1.21. Arranjo de diodos para evitar saturao.1.4MOSFET1.4.1 Princpio de funcionamento (canal N)OterminaldegateisoladodosemicondutorporSiO2.AjunoPN-defineumdiodo entre Source e Drain, o qual conduz quando Vds0. A figura 1.22 mostra a estrutura bsica do transistor.Quando uma tenso Vgs>0 aplicada, o potencial positivo no gaterepele as lacunasnaregioP,deixandoumacarganegativa,massemportadoreslivres.Quandoestatensoatingeumcertolimiar(Vth),eltronslivres(geradosprincipalmenteporefeitotrmico)presentes na regio P so atrados e formam um canal N dentro da regio P, pelo qual torna-sepossvelapassagemdecorrenteentreDeS.ElevandoVgs,maisportadoressoatrados,Fontes Chaveadas - Cap. 1COMPONENTES SEMICONDUTORES RPIDOS DE POTNCIA J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor1-16ampliandoocanal,reduzindosuaresistncia(Rds),permitindooaumentodeId.Estecomportamento caracteriza a chamada "regio resistiva".N+N-PN+SiO2metalSDG+ + + + + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - -- - - ---Id -IdVgsVddDGSSmboloFigura 1.22. Estrutura bsica de transistor MOSFET.ApassagemdeIdpelocanalproduzumaquedadetensoquelevaaoseuafunilamento, ou seja, o canal mais largo na fronteira com a regio N+ do que quando se ligaregioN-.UmaumentodeIdlevaaumamaiorquedadetensonocanaleaummaiorafunilamento,oqueconduziriaaoseucolapsoeextinodacorrente!Obviamenteofenmenotendeaumpontodeequilbrio,noqualacorrenteIdsemantmconstanteparaqualquerVds,caracterizandoaregioativadoMOSFET.Afigura1.23mostraacaracterstica esttica do MOSFET,Umapequenacorrentedegatenecessriaapenasparacarregaredescarregarascapacitncias de entrada do transistor. A resistncia de entrada da ordem de 1012 ohms.Estes transistores, em geral, so de canal N por apresentarem menores perdas e maiorvelocidade de comutao, devido maior mobilidade dos eltrons em relao s lacunas.A mxima tenso Vds determinada pela ruptura do diodo reverso. Os MOSFETs noapresentam segunda ruptura uma vez que a resistncia docanal aumenta comocrescimentode Id. Este fato facilita a associao em paralelo destes componentes.AtensoVgslimitadaaalgumasdezenasdevolts,porcausadacapacidadedeisolao da camada de SiO2.Fontes Chaveadas - Cap. 1COMPONENTES SEMICONDUTORES RPIDOS DE POTNCIA J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor1-17IdVdsVdsoregioresistivaregio ativaVgs1Vgs2Vgs3vgs3>Vgs2>Vgs1Figura 1.23. Caracterstica esttica do MOSFET.1.4.2rea de Operao SeguraAfigura1.24mostraaAOSdosMOSFET.Paratenseselevadaselamaisamplaque para um TBP equivalente, uma vez que no existe o fenmeno de segunda ruptura. Parabaixas tenses, entretanto, tem-se a limitao da resistncia de conduo.A: Mxima corrente de dreno contnuaB: Limite da regio de resistncia constanteC: Mxima potncia (relacionada mxima temperatura de juno)D: Mxima tenso Vdslog Vdslog IdABCDId picoId contVdsoFigura 1.24. AOS para MOSFET.1.4.3 Caracterstica de chaveamento - carga indutivaa) Entrada em conduo (figura 1.25)Ao ser aplicada a tenso de acionamento (Vgg), a capacitncia de entrada comea a secarregar,comacorrentelimitadaporRg.Quandoseatingeatensolimiardeconduo(Vth),apstd,comeaacresceracorrentededreno.EnquantoIdEQuandoTligado,atensoEaplicadaaoindutor.Odiodoficareversamentepolarizado(poisVo>E).Acumula-seenergiaemL,aqualserenviadaaocapacitorecargaquandoTdesligar.Afigura3.6mostraestatopologia.Acorrentedesada,Io,sempredescontnua,enquantoIi(correntedeentrada)podesercontnuaoudescontnua.Tanto o diodo como o transistor devem suportar uma tenso igula tenso de sada, Vo.Tambmnestecasotem-seaoperaonomodocontnuoounodescontnuo,considerando a corrente pelo indutor. As formas de onda so mostradas na figura 3.7.EVo+LTDCoRoiivTiToiFigura 3.6 Conversor elevador de tenso3.2.1Modo contnuoQuando T conduz: vL=E (durante tT)Quando D conduz: vL=-(Vo-E)(durante -tT)IiE tLVo E tLT T== ( ) ( ) (3.20)VoE= 1 (3.21)Fontes Chaveadas - Cap. 3TOPOLOGIAS BSICAS DE FONTES CHAVEADAS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor3-6Embora, teoricamente, quando o ciclo de trabalho tende unidade a tenso de sadatendaparainfinito,naprtica,oselementosparasitasenoideaisdocircuito(comoasresistnciasdoindutoredafonte)impedemocrescimentodatensoacimadeumcertolimite,noqualasperdasnesteselementosresistivossetornammaioresdoqueaenergiatransferida pelo indutor para a sada.iiv0 Conduo contnua Conduo desconttnua IEVo VoE0 tx t2tT tTiTTiDIiIiIoIoFigura 3.7 Formas de onda tpicas de conversor boost com entrada CC3.2.2 Modo descontnuoQuando T conduz: vL = E, (durante tT)Quando D conduz: vL = -(Vo-E),durante (-tT-tx)Vo Etxtx= 11(3.22)Escrevendo em termos de variveis conhecidas, tem-se:Vo EEL Io= + 2 22 (3.23)A relao sada/entrada pode ser reescrita como:VoE K= +122(3.24)Fontes Chaveadas - Cap. 3TOPOLOGIAS BSICAS DE FONTES CHAVEADAS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor3-7O ciclo de trabalho crtico, no qual h a passagem do modo de conduo contnuopara o descontnuo dado por:cri tK= 1 1 82(3.25)A figura 3.8 mostra a caracterstica esttica do conversor para diferentes valores deK. Na figura 3.9 tem-se a variao da tenso de sada com a corrente de carga. Note-se quea conduo descontnua tende aocorrer para pequenos valores de Io, levando exignciada garantia de um consumo mnimo. Existe um limite para Io acima do qual a conduo sempre contnua e a tenso de sada no alterada pela corrente.010203040500 0.2 0.4 0.6 0.8Vo/EK=.01K=.02K=.05cond. descontnuaFigura 3.8 Caracterstica esttica do conversor elevador de tenso nos modos de conduocontnua e descontnua, para diferentes valores de K.02468100 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2IoVo/EE.8.L=.8=.6=.4=.2cond. contnuacond.descontnuaFigura 3.9 Caracterstica de sada do conversor elevador de tenso,normalizada em relao a (E/L)3.2.3Dimensionamento de L e de CO limiar para a conduo descontnua dado por:IiIi E tLVoLT= == 2 212( ) (3.26)Fontes Chaveadas - Cap. 3TOPOLOGIAS BSICAS DE FONTES CHAVEADAS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor3-8IoIi t ELT= = ( ) ( ) 212(3.27)LEIomin( )(min)= 12(3.28)Paraoclculodocapacitordeve-seconsideraraformadeondadacorrentedesada. Admitindo-se a hiptese que o valor mnimo instantneo atingido por esta corrente maiorqueacorrentemdiadesada,Io,ocapacitorsecarregaduranteaconduododiodo e fornece toda a corrente de sada durante a conduo do transistor.CoIoVo= (max) (3.29)3.3Conversor abaixador-elevador (buck-boost)Neste conversor, a tenso de sada tem polaridade oposta da tenso de entrada. Afigura 3.10 mostra o circuito.QuandoTligado,transfere-seenergiadafonteparaoindutor.Odiodonoconduz e o capacitor alimenta a carga.Quando T desliga, a continuidade dacorrentedoindutorsefazpelaconduododiodo. A energia armazenada em L entregue ao capacitor e carga.Tantoacorrentedeentradaquantoadesadasodescontnuas.Atensoasersuportada pelo diodo e pelo transistor a soma das tenses de entrada e de sada, Vo+E.Afigura3.11.mostraasformasdeondanosmodosdeconduocontnuaedescontnua (no indutor).+VoETDL CoRoiLiDiTvTFigura 3.10 Conversor abaixador-elevador de tenso3.3.1Modo contnuo (no indutor)Quando T conduz: vL=E, (durante tT)Quando D conduz: vL=-Vo,(durante -tT)E tLVo tLT T= ( ) (3.30)VoE= 1(3.31)Fontes Chaveadas - Cap. 3TOPOLOGIAS BSICAS DE FONTES CHAVEADAS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor3-9iDTT0Conduo contnua Conduo descontnua IEE+Vo E+VoE0 tx t2LiivtT tTIoIo(a) (b)Figura 3.11 Formas de onda do conversor abaixador-elevador de tenso operando emconduo contnua (a) e descontnua (b).3.3.2Modo descontnuoQuando T conduz: vL = E, (durante tT)Quando D conduz: vL = -Vo,durante (-tT-tx)VoEtx= 1(3.32)Escrevendo em termos de variveis conhecidas, tem-se:A corrente mxima de entrada ocorre ao final do intervalo de conduo do transistor:IiE tLTmax=(3.33) Seu valor mdio :IiIi tT=max2(3.34)Do balano de potncia tem-se:IiIo VoE=(3.35)O que permite escrever:Fontes Chaveadas - Cap. 3TOPOLOGIAS BSICAS DE FONTES CHAVEADAS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor3-10VoEL Io= 2 22 (3.36)Uma interessante caracterstica do conversor abaixador-elevador quando operandono modo descontnuo que ele funciona como uma fonte de potncia constante.PoEL= 2 22 (3.37)A relao sada/entrada pode ser reescrita como:VoE K=22(3.38)O ciclo de trabalho crtico, no qual h a passagem do modo de conduo contnuopara o descontnuo dado por:cri tK= 1 1 82(3.39)Afigura3.12mostraacaractersticaestticadoconversorparadiferentesvaloresde K.010203040500 0.2 0.4 0.6 0.8Vo/EK=.01K=.02K=.05cond. descontnuaFigura 3.12 Caracterstica esttica do conversor abaixador-elevador de tenso nos modosde conduo contnua e descontnua, para diferentes valores de K.Na figura 3.13 tem-se a variao da tenso de sada com a corrente de carga. Note-sequeaconduodescontnuatendeaocorrerparapequenosvaloresdeIo,levandoexignciadagarantiadeumconsumomnimo.ExisteumlimiteparaIoacimadoqualaconduo sempre contnua e a tenso de sada no alterada pela corrente.Fontes Chaveadas - Cap. 3TOPOLOGIAS BSICAS DE FONTES CHAVEADAS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor3-1102468100 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2IoVo/E E.8.L=.8=.6=.4=.2cond. contnuadescontnuacond.Figura 3.13 Caracterstica de sada do conversor abaixador-elevador de tenso,normalizada em relao a (E./L).3.3.3Clculo de L e de CO limiar entre as situaes de conduo contnua e descontnua dado por:IoI t Vo tLVoLL T T= = = ( ) ( ) ( ) ( ) 212122(3.40)LEIomin( )(min)= 12(3.41)Quantoaocapacitor,comoaformadeondadacorrentedesadaamesmadoconversor elevador de tenso, o clculo segue a mesma expresso.CoIoVo= (max) (3.42)3.4Conversor CukDiferentementedosconversoresanteriores,noconversorCuk,cujatopologiamostrada na figura 3.14,a transferncia de energia da fonte para a carga feita por meiodeumcapacitor,oquetornanecessrioousodeumcomponentequesuportecorrentesrelativamente elevadas.Como vantagem, existe o fato de que tanto a corrente de entrada quanto a de sadapodem ser contnuas, devido presena dos indutores. Almdisso, ambos indutores estosujeitosaomesmovalorinstantneodetenso,demodoquepossvelconstru-losnummesmoncleo.Esteeventualacoplamentomagnticopermite,comprojetoadequado,eliminaraondulaodecorrenteemumdosenrolamentos.Osinterruptoresdevemsuportar a soma das tenses de entrada e sada.Atensodesadaapresenta-secompolaridadeinvertidaemrelaotensodeentrada.Fontes Chaveadas - Cap. 3TOPOLOGIAS BSICAS DE FONTES CHAVEADAS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor3-12EL1 L2S DC1CoRoVo+I IVC1L1 L2+-Figura 3.14 Conversor CukEmregime,comoastensesmdiassobreosindutoressonulas,tem-se:VC1=E+Vo. Esta a tenso a ser suportada pelo diodo e pelo transistor.Comotransistordesligado,iL1eiL2fluempelodiodo.C1secarrega,recebendoenergia de L1. A energia armazenada em L2 alimenta a carga.Quando o transistor ligado, D desliga e iL1 e iL2 fluem por T. Como VC1>Vo, C1se descarrega, transferindo energia para L2 e para a sada. L1 acumula energia retirada dafonte.Afigura3.15mostraasformasdeondadecorrentenosmodosdeconduocontnua e descontnua. Note-se que no modo descontnuo acorrente pelos indutores nose anula, mas sim ocorre uma inverso em uma das correntes, que ir se igualar outra. Naverdade,adescontinuidadecaracterizadapeloanulamentodacorrentepelodiodo,fatoque ocorre tambm nas outras topologias j estudadas.I1I2 V1t2 txiL1iL2vC1iL1iL2Conduo contnuaConduo descontnuaIx-IxtTtTFigura 3.15. Formas de onda do conversor Cuk em conduo contnua e descontnuaAssumindo que iL1 e iL2 so constantes, e como a corrente mdia por um capacitor nula (em regime), tem-se:Fontes Chaveadas - Cap. 3TOPOLOGIAS BSICAS DE FONTES CHAVEADAS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor3-13I t I tL T L T 2 1 = ( ) (3.43)I E I VoL L 1 2 = (3.44)VoE= 1(3.45)UmavezqueacaractersticaestticadoconversorCukidnticadoconversorabaixador-elevador de tenso, as mesmas curvas caractersticas apresentadas anteriormenteso vlidas tambm para esta topologia. A nicaalteraoqueaindutnciapresentenaexpressodoparmetrodedescontinuidadeKdadapelaassociaoemparalelodosindutores L1 e L2.3.4.1Dimensionamento de C1C1devesertalquenosedescarreguetotalmenteduranteaconduodeT.ConsiderandoiL1eiL2constantes,avariaodatensolinear.Afigura3.16mostraatenso no capacitor numa situao crtica.vC1t tTVC12VC1Figura 3.16. Tenso no capacitor intermedirio numa situao crtica.V E VoC1 = + (3.46)No condio limite:Io I CE VotLT= = +2 12 ( )(3.47)CIoE112min(max) ( )= (3.48)3.4.2Dimensionamento de L1ConsiderandoC1grandeosuficienteparaquesuavariaodetensosejadesprezvel,L1devesertalquenopermitaqueiL1seanule.Afigura3.17mostraacorrente por L1 numa situao crtica.EL ItLT= 11max(3.49)Ii IILL= =112max(3.50)Fontes Chaveadas - Cap. 3TOPOLOGIAS BSICAS DE FONTES CHAVEADAS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor3-14EE+Vo+L1tTiL1IL1maxFigura 3.17 Corrente por L1 em situao crtica.Quando T conduz:LE tIiT12=(3.51)LEIo112min( )(min)= (3.52)3.4.3Clculo de L2Analogamente anlise anterior, obtm-se para L2:LEIo22min(min)= (3.53)3.4.4Clculo de C (capacitor de sada)Paraumacorrentedesadacontnua,odimensionamentodeCidnticoaorealizado para o conversor abaixador de tensoCoEL Vo= 28 2(3.54)3.5Conversor SEPICOconversorSEPIC(SingleEndedPrimaryInductanceConverter)mostradonafigura 3.18.Possuiumacaractersticadetransfernciatipoabaixadora-elevadoradetenso.DiferentementedoconversorCuk,acorrentedesadapulsada.Osinterruptoresficamsujeitos a uma tenso que a soma das tenses de entrada e de sada eatransfernciadeenergia da entrada para a sada se faz via capacitor. Sua principal vantagemnocircuitoisolado, quando a indutncia L2 pode ser a prpria indutncia de magnetizao do trafo.OfuncionamentonomododescontnuotambmigualaodoconversorCuk,ouseja, a corrente pelo diodo de sada se anula, de modo que as correntes pelas indutncias setornam iguais. A tenso a ser suportada pelo transistor e pelo diodo igual a Vo+E.Fontes Chaveadas - Cap. 3TOPOLOGIAS BSICAS DE FONTES CHAVEADAS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor3-15EL1L2TDC1CoRoVo+EL1TC1L2DCoRoVo+(a)(b)+E-+E-ii L1 L2Figura 3.18 Topologia do conversor SEPIC no-isolado (a) e isolado (b).3.6Conversor ZetaO conversor Zeta, cuja topologia est mostrada na figura 3.19, tambm possui umacaractersticaabaixadora-elevadoradetenso.Naverdade,adiferenaentreesteconversor, o Cuk e o SEPIC apenas a posio relativa dos componentes.Aquiacorrentedeentradadescontnuaeadesadacontinua.Atransfernciadeenergiasefazviacapacitor.AindutnciaL1podeseraprpriaindutnciademagnetizaodotransformador,naversoisolada.Aoperaonomododescontnuotambmsecaracterizapelainversodosentidodacorrenteporumadasindutncias.Aposio do interruptor permite uma natural proteo contra sobrecorrentes. A tenso a sersuportada pelo transistor e pelo diodo igual a Vo+E.EL1L2 TDC1CoRoVoL2EL1TDC1CoRoVo+(a) (b)-Vo+ -Vo+ iL2iL1Figura 3.19 Topologia do conversor Zeta no-isolado (a) e isolado (b).3.7Conversores com isolaoEmmuitasaplicaesnecessrioqueasadaestejaeletricamenteisoladadaentrada, fazendo-se uso de transformadores. Em alguns casos o uso desta isolao implicanaalteraodocircuitoparapermitirumadequadofuncionamentodotransformador,ouseja,paraevitarasaturaodoncleomagntico.Relembre-sequenopossvelinterromperofluxomagnticoproduzidopelaforamagnetomotrizaplicadaaosenrolamentos.3.7.1Conversor CukNestecircuitoaisolaosefazpelaintroduodeumtransformadornocircuito.Utilizam-se 2 capacitores para a transferncia da energia da entrada para a sada. A figura3.20mostraocircuito.AtensosobreocapacitorC1aprpriatensodeentrada,enquanto sobre C2 tem-se a tenso de sada.Fontes Chaveadas - Cap. 3TOPOLOGIAS BSICAS DE FONTES CHAVEADAS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor3-16EL1L2C1TCoVo V1 V2C2N1 N2DFigura 3.20. Conversor Cuk com isolaoA tenso de sada, no modo contnuo de conduo, dada por:VoNNE= 21 1 ( )(3.55)O balano de carga deve se verificar para C1 e C2. Com N1=N2, C1=C2, tendo odobrodovalorobtidopelomtododeclculoindicadoanteriormentenocircuitosemisolao.Paraoutrasrelaesdetransformaodeve-seobedeceraN1.C1=N2.C2,ouV1.C1=V2.C2.Note que quando T conduz atenso em N1 VC1=E (em N2 tem-se VC1.N2/N1).QuandoDconduz,atensoemN2VC2=Vo(emN1tem-seVC2.N1/N2).Acorrentepelosenrolamentosnopossuinvelcontnuoeodispositivocomporta-se,efetivamente,como um transformador.3.7.2 Conversor fly-back (derivado do abaixador-elevador)Oelementomagnticocomporta-secomoumindutorbifilarenocomoumtransformador.QuandoTconduz,armazena-seenergianaindutnciado"primrio"(nocampo magntico) e o diodo fica reversamente polarizado. Quando T desliga, para menter acontinuidadedofluxo,odiodoentraemconduo,eaenergiaacumuladanocampomagntico enviada sada. A figura 3.21 mostra o circuito.Note-sequeascorrentesmdiasnosenrolamentosnosonulas,levandonecessidade de colocao de entreferro no "transformador".ETDCo VoN1 N2L1Figura 3.21 Conversor fly-backA tenso de sada, no modo contnuo de conduo, dada por:VoNNE= 21 1 ( )(3.56)Fontes Chaveadas - Cap. 3TOPOLOGIAS BSICAS DE FONTES CHAVEADAS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor3-173.7.3Conversor forward (derivado do abaixador de tenso)QuandoTconduz,aplica-seEemN1.D1ficadiretamentepolarizadoecresceacorrente por L. Quando T desliga, a corrente do indutor de sada tem continuidade via D3.Quantoaotransformador,necessrioumcaminhoquepermitaacirculaodeumacorrente que d continuidade ao fluxo magntico, de modo a absorver a energia acumuladano campo, relativa indutncia de magnetizao. Isto se d pela conduo de D2. Duranteeste intervalo (conduo de D2) aplica-se uma tenso negativa em N2 e ocorre um retornode energia para a fonte. A figura 3.22 mostra o circuito.ED2TN1 N2 N3D1D3 Co+VoL...Figura 3.22 Conversor forwardPara garantir a desmagnetizao do ncleo a cada ciclo, o conversor opera sempreno modo descontnuo.Existeummximociclodetrabalhoquegaranteadesmagnetizaodotransformador (tenso mdia nula), o qual depende da relao de espiras existente. A figura3.23 mostra o circuito equivalente no intervalo de desmagnetizao.As tenses no enrolamento N1, respectivamente quando otransistor e o diodo D2conduzem, so:V E 0 tE NNN T T 121= = t eVt t t2N1(3.57)ETD2N1N2V..A1A2tTEE.N2/N1 A1=A2N1tt2Figura 3.23. Forma de onda no enrolamento de N1.Outrapossibilidade,queprescindedoenrolamentodedesmagnetizao,aintruduo de um diodo zener no secundrio, pelo qual circula a corrente no momento dodesligamento de T. Esta soluo, mostrada na figura 3.24, no entanto, provoca uma perdade energia sobre o zener, alm de limitar o ciclo de trabalho em funo da tenso.Fontes Chaveadas - Cap. 3TOPOLOGIAS BSICAS DE FONTES CHAVEADAS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor3-18E. .Figura 3.24 Conversor forward com desmagnetizao por diodo zener.3.7.4Conversor push-pullOconversorpush-pull,naverdade,umarranjode2conversoresforward,trabalhando em contra-fase, conforme mostrado na figura 3.25.QuandoT1conduz(considerandoaspolaridadesdosenrolamentos),nossecundriosaparecemtensescomoasindicadasnafigura3.26.D2conduzsimultaneamente,mantendonuloofluxonotransformador(desconsiderandoamagnetizao).Notequenointervaloentreasconduesdostransistores,osdiodosD1eD2conduzemsimultaneamente(noinstanteemqueT1desligado,ofluxonulogarantidopela conduo de ambos diodos, cada um conduzindo metade da corrente), atuando comodiodos de livre-circulao e curto-circuitando o secundrio do transformador.A tenso de sada dada por:VoEn= 2(3.58)T1D1D2T2I c2 I D2EV1=EI c1 I D1E/nE/nLCo+Ro.. .. .. ... .Vce1Figura 3.25. Conversor push-pull.O ciclo de trabalho deve ser menor que 0,5 de modo a evitar a conduo simultneados transistores. n a relao de espiras do transformador.Ostransistoresdevemsuportarumatensocomodobrodovalordatensodeentrada.Outroproblemadestecircuitorefere-sepossibilidadedesaturaodotransformadorcasoaconduodostransistoresnosejaidntica(oquegaranteumatenso mdia nula aplicada ao primrio). A figura 3.26 mostra algumas formas de onda doconversor.Fontes Chaveadas - Cap. 3TOPOLOGIAS BSICAS DE FONTES CHAVEADAS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor3-19V1Ic1Vce1ioIo2EET1/D2 D1D2T2/D1 D1D21Figura 3.26 Formas de onda do conversor push-pull.3.7.4.1Conversor em meia-ponteUmaalteraonocircuitoquepermitecontornarambosinconvenientesdoconversorpush-pulllevaaoconversorcomtopologiaemmeiaponte,mostradonafigura3.27.Nestecasocria-seumpontomdionaalimentao,pormeiodeumdivisorcapacitivo, o que faz com que os transistores tenham que suportar 50% da tenso do casoanterior,emboraacorrentesejaodobro.Ousodeumcapacitordedesacoplamentogaranteumatensomdianulanoprimriodotransformador.Estecapacitordeveserescolhido de modo a evitar ressonncia com o indutor de sada e, ainda, para que sobre elenorecaiaumatensomaiorquealgunsporcentodatensodealimentao(duranteaconduo de cada transistor)....LT1Vo+Co....T2......E/2E/2Figura 3.27 Conversor em meia-ponte3.7.4.2 Conversor em ponte completaPode-se obter o mesmo desempenho do conversor em meia ponte, sem o problemada maior corrente pelo transistor, com o conversor em ponte completa. O preo o uso de4 transistores, como mostrado na figura 3.28.Fontes Chaveadas - Cap. 3TOPOLOGIAS BSICAS DE FONTES CHAVEADAS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor3-20...LT2Vo+Co....T4.....T1T3. ......EFigura 3.28 Conversor em ponte completa.3.8 Considerao sobre a mxima tenso de sada no conversor elevador de tensoPelasfunesindicadasanteriormente,tantoparaoconversorelevadordetensoquantoparaoabaixador-elevador(eparaoCuk,SEPICeZeta),quandoociclodetrabalho tende unidade, a tenso de sada tende a infinito. Nos circuitos reais, no entanto,istonoocorre,umavezqueascomponentesresistivaspresentesnoscomponentes,especialmentenaschaves,nafontedeentradaenosindutores,produzemperdas.Taisperdas, medida que aumenta a tenso de sada e, consequentemente, a corrente, tornam-semaiselevadas,reduzindoaeficinciadoconversor.AscurvasdeVoxsealteramepassam a apresentar um ponto de mximo, o qual depende das perdas do circuito.A figura 3.29 mostra a curva da tenso de sada normalizada em funo da largurado pulso para o conversor elevador de tenso.Seconsiderarmosasperdasrelativasaoindutorefontedeentrada,podemosredesenhar o circuito como mostrado na figura 3.30.Paratalcircuito,atensodisponvelparaalimentaodoconversorsetorna(E-Vr),podendo-seprosseguiraanliseapartirdestanovatensodeentrada.Ahiptesequeaondulaodacorrentepeloindutordesprezvel,demodoasepodersuporVrconstante.OobjetivoobterumanovaexpressoparaVo,emfunoapenasdociclodetrabalho e das resistncias de carga e de entrada. O resultado est mostrado na figura 3.31.VoE Vr= 1 (3.59)Vr R IiVo Ro IoL= = (3.60)Io Ii = ( ) 1 (3.61)Fontes Chaveadas - Cap. 3TOPOLOGIAS BSICAS DE FONTES CHAVEADAS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor3-21VrR Io R VoRoL L== 1 1 ( )(3.62)VoER VoRo E R VoRoLL= = ( )( )11 1 12 (3.63)VoERRoL= +112 ( )(3.64)20400 0.2 0.4 0.6 0.8Vo( ) ddFigura 3.29 Caracterstica esttica de conversor elevador de tenso no modo contnuo.E E-VrVrVoCoIiIo+RLRoLFigura 3.30. Conversor elevador de tenso considerando a resistncia do indutor.0240 0.2 0.4 0.6 0.8 1Vo( ) ddFigura 3.31. Caracterstica esttica de conversor elevador de tenso, no modo contnuo,considerando as perdas devido ao indutor.Fontes Chaveadas - Cap. 4CONVERSORES RESSONANTES J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 4-14.CONVERSORES RESSONANTESNastopologiasemqueaschavessemicondutorascomutamacorrentetotaldacarga a cada ciclo, elas ficam sujeitas a picos de potncia que colaboram para o "stress" docomponente,reduzindosuavidatil.Almdisso,elevadosvaloresdedi/dtedv/dtsopotenciais causadores de interferncia eletromagntica (IEM).Quando se aumenta a freqncia de chaveamento, buscando reduzir o tamanho doselementosdefiltragemedostransformadores,asperdasdecomutaosetornammaissignificativassendo,emltimaanlise,asresponsveispelafreqnciamximadeoperaodosconversores.Dificilmenteestafreqnciaultrapassa50kHzparaumapotncia superior a 100W.Por outro lado, caso a mudana de estado das chaves ocorra quando tenso e/oucorrente por elas for nula, o chaveamento se faz sem dissipao de potncia.Analisaremos a seguiralgumastopologiasbsicasquepossibilitamtalcomutaono-dissipativa.Acargavistapeloconversorformadaporumcircuitoressonanteeuma fonte (de tenso ou de corrente). O dimensionamento adequado do par L/C faz comque a corrente e/ou a tenso se invertam, permitindo o chaveamento dos interruptores emsituao de corrente e/ou tenso nulas, eliminando as perdas de comutao.4.1Conversor ressonante com carga em srie (SLR)A topologia bsica deste conversor mostrada na figura 4.1.E/2E/2S1 D1S2D2LrCr+ vc -iL+VoRoIoCoBB'ABFigura 4.1. Conversor ressonante com carga em srieLr e Cr formam o circuito ressonante. A correnteiL retificada e alimenta a carga,a qual conecta-se em srie com o circuito ressonante.Co usualmente grande o suficiente para se poder considerar Vo sem ondulao.As perdas resistivas no circuito podem ser desprezadas, simplificando a anlise.Vo se reflete na entrada do retificador entre B e B', de modo que: vB B = VoseiL>0 vB B = -VoseiL0, conduz S1 ou D2. Quando S1 conduz, tem-se:vAB = E/2vAB' = (E/2-Vo)(4.2)Fontes Chaveadas - Cap. 4CONVERSORES RESSONANTES J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 4-2Se D2 conduzir:vAB = -E/2vAB' = -(E/2+Vo) (4.3)Quando iL0Rse=000Figura 8.5 Diagramas de Bode do conversor fly-back, no modo descontnuo, para Rse=0 eRse>0.8.1.1O compensadorConsiderandoosdiagramasdeBodeapresentadosanteriormente,pode-seafirmarquedevehaverpreocupaoquantomargemdefase,umavezque,comrealimentaonegativaecomousodealgumelementointegrador,amximadefasagempoderatingir360,podendolevarosistemainstabilidade.Quantoaoganho,deve-sebuscarelevaroganhoCCafimdereduziroerroesttico,almdisso,parafreqnciaselevadas,deve-segarantir um ganho decrescente.A freqncia de cross-over (ganho 0dB), em malha fechada, deve ser ajustadaparacerca de 1/5 da freqncia de chaveamento.Um possvel compensador mostrado na figura 8.6, o qual tem uma caracterstica defiltro passa-baixas, tendo o ganho CC ajustado pelas resistncias. Sua freqncia de corte dadapor: pa=1/RfCi.Paraevitarqueamargemdefaseseestreitemuito,afreqnciadecortedocompensador devesercolocadaprximafreqnciadeterminadapelozerodafunodetransferncia.Mostram-se a seguir os diagramas relativos a 2 compensadores diferentes. Na figura8.7tem-seafreqnciadecortedofiltroalocadaemumvalorbemabaixodafreqnciadeterminadaporRseepelacapacitncia.Note-seaestreitamargemdefase(menorque12).Nosegundocaso(figura8.8)afreqnciadofiltrofoialocadaparaafreqnciarelativa ao zero da funo de transferncia. Observa-se claramente a melhoria na margem defase(70),aexpansodafaixadepassagempara266Hz(contra16Hzdocasoanterior),mantendo-se o ganho CC (50dB) e a atenuao para freqncias crescentes.Fontes Chaveadas - Cap. 8 CONTROLE DE FONTES CHAVEADAS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 8-5O deslocamento da freqncia de corte do filtro para valores mais elevados faz comqueamudananafaseocorranumaregioemqueozerotambmestejaatuando,oqueprovoca a melhoria na margem de fase.-+RiRfCiVeVcGanho CC = Rf/RiTenso de erro Ve=Vr-VoFigura 8.6 Compensador para fly-back no modo descontnuo.100mHz 1.0Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 0-100-18050Ganho (dB)Fase (graus)Figura 8.7 Resposta de fly-back realimentado com freqncia de corte do compensadormuito baixa.100mHz 1.0Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz0-100-18050Ganho (dB)Fase (graus)Figura 8.8 Resposta de fly-backrealimentado com freqncia de corte do compensadorigual freqncia do zero (Rse.C).8.2 Fly-back no modo contnuoAoperaodeumconversortipoabaixador-elevador,operandonomododeconduo contnuo, apresenta uma importante dificuldade do ponto de vista do controle emFontes Chaveadas - Cap. 8 CONTROLE DE FONTES CHAVEADAS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 8-6malhafechada,emvirtudedaexistnciadeumzerodafunodetransferncianosemi-plano direito (RHP). Os diagramas de Bode da funo de transferncia (8.13) so mostradosna figura 8.9.Afunodetransfernciaparapequenasperturbaesemtornodopontodeoperao :( )( ) Vo sVc sViVsDDDs LRos LRo Ds L CD( )( ) = ++ 1 111111122222(8.13)10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz-0-100-200ganho (db)fase (graus)Valores utilizados:Vi=100VVo=100VVs=10VRo=100 ohmsL=10mHC=100uFFly-back operando no modo contnuo, sem isolaoFigura 8.9 Diagramas de Bode da funo de transferncia do conversor fly-back no modocontnuo.UmzeronoRHPprovoca,sobreoganho,umavariaode+20dB/dec(comoumpolo no semi-plano esquerdo). No entando, produz um defasagem de-90, como se v nafigura 8.10.100500Ganho Fasefreq freqFigura 8.10 Resposta em frequncia de um zero no semi-plano direito.Istootornamuitodifcildecompensar,umavezquesetentamoscompensaroganhocrescente(pelousodeumfiltropassabaixas,porexemplo),adefasagemtendea360, reduzindo drasticamente a margem de fase. Se se tenta compensar a fase, o ganho setornacrescentemedidaqueseelevaafreqncia,impedindoaatenuaodosinaldeterminado pelo chaveamento do conversor. A nica alternativa simples reduzir o ganho,oquetrazafreqnciadecruzamento(cross-over,0dB)paravaloresmuitobaixos,tornando extremamente pobre a resposta do sistema s perturbaes.Almdasdificuldadesdecompensaojcomentadas,outroproblemaqueafreqnciadozeronoRHPvariacomopontodeoperao(RoouVo),tornandoaindaFontes Chaveadas - Cap. 8 CONTROLE DE FONTES CHAVEADAS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 8-7maisdifciladeterminaodeumcompensador.Estafreqnciadadapelaexpressoaseguir:( )zRHPRo DL D( ) = 12(8.14)Amanifestaodestacaractersticadoconversorfly-backnomodocontnuopodeser visualizada considerando o comportamento dosistema (supondo malha fechada), comomostrado na figura 8.11.iLIoTT DDFigura 8.11 Efeito de variaode carga sobre o ciclo de trabalho em malha fechada.Na ocorrncia de um aumento em degrau na carga (oque provoca uma reduo natensodesada,devidosperdasdocircuitoeregulaodotransformador),oamplificador de erro produz um aumento no ciclo de trabalho do conversor, buscando elevara tenso de sada. No entanto, ummaior ciclo de trabalho implica num menor intervalodetemponoqualocorreaconduododiododesada,intervaloestenoqualocorreatransferncia de energia para a sada. Ora, se o crescimento da corrente mdia pelo indutordemoraalgunsciclosparaseestabilizar,areduodointervalodeconduododiodoinstantneaapartirdaamudananociclodetrabalho.Assim,oprimeiroefeitoqueseobserva sobre a carga , na verdade, o de uma reduo ainda maior na tenso, causada peladiminuio na corrente de sada. Isto continua at que a corrente pelo indutor cresa para onovo e adequado valor.8.3 Conversor tipo seguidor de tenso (forward)Estesconversoressoaquelesquepossuemumfiltrodesegundaordemnasada,como o abaixador de tenso ou o push-pull. A figura 8.12 mostra uma topologia tpica comcontrole de tenso.O filtro LC produz a mais baixa freqncia de corte do sistema e significa um poloduplo (-40dB/dec e defasagem de -180). O capacitor e sua resistncia srie representam umzero (+20dB/dec e defasagem de +90).fL C L CLC = =121 o(8.15)fC Rsez = 12(8.16)Fontes Chaveadas - Cap. 8 CONTROLE DE FONTES CHAVEADAS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 8-8VsViVo +Vr-+N1 N2V2LRseCRoCompensadorVc.. .N3+-Figura 8.12. Conversor forward com controle de tenso.A tenso no secundrio dada por:V ViNNVi N VcN Vs22121= = (8.17)VVcVi NVs N2 21=(8.18)A relao entre a tenso no secundrio e a tenso de sada dada pela resposta dofiltro de segunda ordem da sada. Desconsiderando o efeito da resistncia da carga e de Rsetem-se um fator de qualidade infinito.VoV s L C2211=+ (8.19)A funo de transferncia :G sVo sVc sVi NVs N so( )( )( ) ( / )= = +212 21 (8.20)Quando se considera Rse, adiciona-se um zero funo:G sVo sVc sVi N sVs N szo( )( )( )( / )( / )= = + +212 211(8.21)zRse C=1(8.22)Fontes Chaveadas - Cap. 8 CONTROLE DE FONTES CHAVEADAS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 8-9Osdiagramasmostradosnafigura8.13ilustramarespostadofiltrodesegundaordem para diferentes resistncias de carga. medida que aumenta a resistncia, o ganho nafreqncia de ressonncia se eleva e a mudana de fase se torna mais abrupta.Nosdiagramasdafigura8.14tem-seoefeitodapresenadeRseassociadoaocapacitor,introduzindoozeronafuno,oquefazcomqueaatenuaopasseaserde20dB/dec, e a defasagem se reduz para 90 graus em altas freqncias.Note-se em ambos os casos que a defasagem produzida apenas pelo filtro de sada j de 180. Adicionando-se a defasagem proveniente da realimentao negativa, chega-se aos360, o que significa que se deve ter muito cuidado na escolha do compensador, o qual devegarantir uma melhora na margem de fase.1.0Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz0d-200d-20050Ganho (dB)Fase (graus)Figura 8.13 Resposta de filtro de segunda ordem, para diferentes resistncias de carga.1.0Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz0d-200d-20050Ganho (dB)Fase (graus)Figura 8.14 Resposta de filtro de segunda ordem, considerando Rse, para diferentesresistncias de carga.8.3.1 O compensadorO compensadormostrado na figura 8.15temcomoprincipalcaractersticaofereceruma defasagem positiva, o que vem a permitir uma melhoria na margem de fase.Sua funo de transferncia dada por:Vc sVe sR C s C R ss C R R s CR RR Riz i f fzf ip iz iip iziz ip( )( )( ) ( )( )=+ + + + +1 11(8.23)Fontes Chaveadas - Cap. 8 CONTROLE DE FONTES CHAVEADAS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 8-10VeRipRizCiRfzCfVc-+Figura 8.15 Compensador com 2 polos e 2 zeros.Pela funo de transferncia do circuito indicado, observa-se a presena de 2 plos e2 zeros, nas seguintes freqncias:ppip izi ip izzi izzf fzR RC R RC RC R1212011==+ ==(8.24)Usualmente z1=z2=o e p2=5o>Rse,etantoRLquanto Rse so pequenos, o que simplifica as matrizes e vetores para:A A A1 2 +

1]111R RL LC C Rose L11 1(9.26)C C C1 2 Rse1 (9.27)B B1

1]11 DLD10(9.28)A inversa da matriz A :A + + +

1]11111 11L C RoRo R RC Ro LCR RLse Lse L(9.29)Usando estes ltimos resultados, a funo de transferncia esttica :VVDRo RRo R RDoisese L ++ + (9.30)A funo de transferncia vo(s)/d(s) :Fontes Chaveadas - Cap. 9 MODELAMENTO DE FONTES CHAVEADAS NO ESPAO DE ESTADO E SNTESE DE COMPENSADORES J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor9-6T sssVs R CL C s sRo CR RL L Cp isese L( )( )( ) + + ++

_,

+

1]1vdo11 12(9.31)Os diagramas de Bode so mostrados na figura 9.4.5005010 100 1000 1 1041 1051 106200100010 100 1000 1 1041 1051 106Ganho (dB)Fase (graus) (rd/s)Figura 9.4 Diagramas de Bode do conversor abaixador de tenso para pequenas perturbaes.9.3 Funo de transferncia (S)/vc(S) de um modulador MLP a partir de onda dente deserraAtensodecontrole,vc(t),queatensodeerromodificadapelocompensador,comparada com uma onda peridica, vs(t), a qual determina a freqncia do sinal MLP. Estaonda tem um valor mximo Vs.Atensodecontrole,quevariaentre0eVs,formadaporumnvelCCeumacomponente alternada (por hiptese, senoidal):v t V tc c( ) ( ) + vc(9.32)vc( ) sin( ) t a t + (9.33)A figura 9.5 mostra as ondas estudadas:O sinal (t) pode ser expresso como:( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )t t v tt t v tss > seC1(9.44)c) Tipo 3Este circuito, mostrado na figura 9.9, apresenta 2 zeros e 3 plos (sendo um deles naorigem).Istocriaumaregioemqueoganhoaumenta(oquepodemelhorararespostadinmica) , havendo ainda um avano de fase.AVRR121 (9.45)AVR R RR RRRR22 1 31 3233 + >>( )se R1(9.46)R1+-VcC2R2C1C3 R3veTenso de errove=Vref-voFigura 9.9 Compensador Tipo 3.Fontes Chaveadas - Cap. 9 MODELAMENTO DE FONTES CHAVEADAS NO ESPAO DE ESTADO E SNTESE DE COMPENSADORES J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor9-10fR C12 112 (9.47)fC R R C R23 1 3 3 11212 + ( )(9.48)fC R33 312 (9.49)fC CC C R C RC41 21 2 2 2 22212+ >> seC1(9.50)Paraummelhordesempenhodestecontrolador,emmalhafechada,afreqnciadecorte deve ocorrer entre f2 e f3.1.0mHz 100mHz 10Hz 1.0kHz 100kHz 1.0MHz100-100Fase (graus)Ganho (dB)-20 dB/dec-20 dB/dec+20 dB/decAV1AV2f1 f2 f3 f4Figura 9.10 Diagramas de Bode do compensador Tipo 3.d) O fator kOfatorkumaferramentamatemticaparadefiniraformaeacaractersticadafunodetransferncia.Independentedotipodecontroladorescolhido,ofatorkumamedidadareduodoganhoembaixasfreqnciasedoaumentodeganhoemaltasfreqncias, o que se faz controlando a alocao dos plos e zeros do controlador, em relao freqncia de cruzamentodo sistema (fc).Para um circuito do tipo 1, k vale sempre 1. Para o tipo 2, o zero colocado um fatorkabaixodefc,enquantooploficaumfatorkacimadefc.Notipo3,umzeroduploestalocado um fatorkabaixo de fc, e o plo (duplo),kacima de fc.Sendo fc a mdia geomtrica entre as alocaes dos zeros e plos, o pico do avano defase ocorrer na freqncia de corte, o que melhora a margem de fase.Seja o avano de fase desejado. Para um circuito do tipo 2, o fator k dado por:k tg +

1]1 2 4(9.51)Fontes Chaveadas - Cap. 9 MODELAMENTO DE FONTES CHAVEADAS NO ESPAO DE ESTADO E SNTESE DE COMPENSADORES J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor9-11Para um circuito tipo 3, tem-se:k tg +

1]1'; 4 42(9.52)A figura 9.11 mostra o avano de fase em funo do fator k.0501001502001 10 100 1000 1 104Fator kAvanode fase(graus)Tipo 3Tipo 2Figura 9.11 Avano de fase para diferentes compensadores.9.4.2Sntese de controladorPasso 1: Diagrama de Bode do conversor: vo(s)/vc(s)Passo 2: Escolha da freqncia de corte (em malha fechada) desejada.Quantomaiorestafreqncia,melhorarespostadinmicadosistema.Noentanto,para evitar os efeitos do chaveamento sobre o sinal de controle, tal freqncia deve ser inferiora 1/5 da freqncia de operao da fonte.Passo 3: Escolha da margem de fase desejada.Entre 30e 90. 60 um bom compromissoPasso 4: Determinao do ganho do controlador.Conhecida a freqncia de corte e o ganho do sistema (em malha aberta), o ganho docontrolador deve ser tal que leve, nesta freqncia, a um ganho unitrio em malha fechada.Passo 5: Clculo do avano de fase requerido. = M - P - 90M: margem de fase desejada,P: defasagem provocada pelo sistemaPasso 6: Escolha do tipo de compensador.Passo 7: Clculo do fator k.Ofatorkpodeserobtidodasequaesjindicadasoudascurvasdecorrentes.Aalocaodoszeroseplosdeterminarooscomponentes,deacordocomasequaesmostradas a seguir.Fontes Chaveadas - Cap. 9 MODELAMENTO DE FONTES CHAVEADAS NO ESPAO DE ESTADO E SNTESE DE COMPENSADORES J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor9-12O plo na origem causa uma variao inicial no ganho de -20dB/dec. A freqncia naqualestalinhacruza(oudeveriacruzar)oganhounitriodefinidacomoa"freqnciadeganhounitrio"-UGF. Goganhonecessriodaraocompensadorparaqueseobtenhaafreqncia de corte desejada.Tipo 1:UGFC R Gf i 12(9.53)Tipo 2:UGFR C C +121 1 2 ( )(9.54)Cf G k R2112 (9.55)C C k1 221 ( ) (9.56)Rkf C212 (9.57)Tipo 3:UGFR C C +121 1 2 ( )(9.58)Cf G R2112 (9.59)C C k1 21 ( ) (9.60)Rkf C212 (9.61)RRk311(9.62)Cf R k3312 (9.63)9.4.3Exemplo 1Considereumconversoremmeiaponte,operandoa20kHz,cujafunodetransfernciaapresentaosdiagramasdeBode(vo(s)/vc(s))mostradosnafigura9.12.Determinar um compensador para que se tenha uma margem de fase de 60.Fontes Chaveadas - Cap. 9 MODELAMENTO DE FONTES CHAVEADAS NO ESPAO DE ESTADO E SNTESE DE COMPENSADORES J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor9-13GanhoFaseGanho(dB)Freq. (kHz)Fase (graus)0+20+ 40-20-40+12-120.1 1 4 10 1000+90-90-180-155-40dB/decFigura 9.12 Diagramas de Bode de conversor meia-ponte.Soluo:A freqncia de corte em malha fechada ser de 4kHz.Nesta freqncia, o sistema apresenta uma atenuao de 12dB.Assim,ocontroladordeve ter um ganho de 12dB (4 vezes).Aindaem4kHz,adefasagemprovocadapelosistemade155.Oavanodefasenecessrio :Avano = 60- (-155) - 90= 125Isto significa que devemos usar um controlador do tipo 3.Usando as curvas mostradas anteriormente, determinamos um fator k = 16.Os componentes so agora calculados, arbitrando um valor para R1 de 10k.C2 = 1nFC1 = 15nFR2 = 10,6kR3 = 667C3 = 15nFO zero duplo estar alocado em 1kHz, enquanto o plo duplo estar em 16kHz.O diagrama de Bode do controlador est mostrado na figura 9.13.10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz50d0d-50d-100d 403020100Ganho (dB)Fase (graus)Figura 9.13 Diagrama de Bode do compensador tipo 3.Fontes Chaveadas - Cap. 9 MODELAMENTO DE FONTES CHAVEADAS NO ESPAO DE ESTADO E SNTESE DE COMPENSADORES J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor9-149.4.4Exemplo 2Consideremos umconversor elevador de tenso, operando no modo contnuo.Comoj foi visto no captulo anterior, neste caso tem-se um sistema que apresenta um zero no semi-plano direito, sendo de difcil controle.Utilizando um compensador doTipo 3,projetadodeacordocomoroteirovisto,foisimulado um sistema apresentando margem de fase de 10 graus e margem de ganho de 1,5 dB.Tais valores estreitos indicamque a resposta do sistema a uma variao rpida na referncia(ou na carga) deve ter um comportamento pouco amortecido, mas deve ser estvel.A figura 9.14 mostra a resposta do sistema, emmalha aberta (sem o compensador) eem malha fechada, obtida a partir do circuito cujos parmetros esto mostrados na figura 9.15.Na figura 9.16 tem-se a resposta no tempo a uma mudana de 5% na referncia, podendo-senotaravariaodasadainicialmentenosentidoopostoaodesejado(sistemadefasenomnima) e o comportamento estvel mas subamortecido.10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KH-360100-360100Conversor boost, em malha aberta, no modo contnuo Ganho (dB)Fase (graus)Fase (graus)Ganho (dB)Conversor boost em malha fechada com compensador Tipo 3-180o-180o00Figura 9.14 Resposta em freqncia de conversor boost operando no modo contnuo,incluindo compensador do Tipo 3.Figura 9.15 Diagrama do conversor boost simulado, incluindo o compensador.Fontes Chaveadas - Cap. 9 MODELAMENTO DE FONTES CHAVEADAS NO ESPAO DE ESTADO E SNTESE DE COMPENSADORES J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor9-150s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms400V300V200V100VTenso de sadaTenso de refernciaFigura 9.16 Resposta no tempo a uma variao em degrau na referncia para um conversorboost operando no modo contnuo, com compensador Tipo 3.9.5Referncias Bibliogrficas[9.1] Middlebrook, R.D. and Cuk, S.: "A General Unified Approach to Modelling SwitchingConverterPowerStage".1976IEEEPowerElectronicsSpecialistsConferenceRecord, pp. 18-34[9.2] Cuk,S.andMiddlebrook,R.D.:"AGeneralUnifiedApproachtoModellingSwitchingDC-to-DCConverterinDiscontinuousConductionMode".1977IEEEPower Electronics Specialists Conference Record, pp 36-57[9.3] Venable,H.D.:"Thek-factor:ANewMathematicalToolforStabilityAnalysisandSynthesis" Proc. of Powercon 10, March 22-24, 1983, San Diego, USAFontes Chaveadas - Cap. 10 MODELAGEM DE CONVERSORES UTILIZANDO MODELO DA CHAVE PWMJ. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 10-110.MODELAGEM DE CONVERSORES UTILIZANDO MODELO DACHAVE PWMAs topologias bsicas de conversores cc-cc possuemumachavecontroladaeoutrano-controladaassociadasaelementoslinearesinvariantesnotempo.Oconjuntodestasduas chaves recebe o nome de chave PWM [10.1].O objetivo neste captulo desenvolver um modelo linear paraestaschaves,vlidoemtornodopontodeoperao.Oprojetoadequadodocompensadornecessitaumconhecimentodomodelomatemticodocomportamentodoconversorfrenteapequenasperturbaes.10.1 Propriedades invariantes das chaves PWMA figura 10.1 mostra os conversores bsicos, indicando terminais chamados a, p e c,denominados ativo, passivo e comum.ViacpLCi ia cViLCicapciaViL1aicCL2C1cpiaViaiap cicLCFigura 10.1 Conversores bsicos indicando terminais ativo (a), passivo (p) e comum (c).A chave pode ser modelada da seguinte forma:acp*i i a cFigura 10.2 Modelo da chave PWM.onde o ciclo de trabalho e *=(1-), o seu complemento.Nomodocontnuo,icsersemprediferentedezero.Nointervalo(.)(chavecontrolada fechada), independentemente da topologia, tem-se:i t i ta c( ) ( ) (10.1)Fontes Chaveadas - Cap. 10 MODELAGEM DE CONVERSORES UTILIZANDO MODELO DA CHAVE PWMJ. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 10-2v t v tap cp( ) ( ) (10.2)No intervalo complementar:i ta( ) 0 (10.3)v tcp( ) 0 (10.4)Novamente, tambm neste tipo de anlise, interessam os valores mdios das variveis(uma vez que se pretende utilizar ferramentas de anliselineardesistemas).Noestudodocomportamentodinmico,asperturbaesestudadassero,porhiptese,emfrequnciamuito menor do que a frequncia de chaveamento e de pequena amplitude.Asgrandezasmdiasseroexpressasportiposmaisculos,enquantoostermosrelativos s perturbaes sero indicados com uma letra em estilo script: d, v, etc.Pode-se demonstrar que a seguinte relao verdadeira:I Ia c (10.5)Considerando as formas de corrente ia(t) e ic(t) mostradas na figura 10.3, e ainda apresenadaresistnciasriedocapacitordofiltrodesada,tem-seasondasdevap(t)evcp(t) indicadas na figura 10.4, considerando e desprezando a ondulao na corrente.i(t)i(t)actttTIa=Ic. IcFigura 10.3 Corrente nos terminais ativo e comum.Aformaretangulardevap(t)(excetonoconversorabaixador,quandovap(t)sempre igual tenso de entrada), decorre, assim, da presenade resistncia no caminho dacorrente ic(t). Desprezando a ondulao desta corrente, a ondulao na tenso vap(t) podeser dada por:V I Rr c e (10.6)onde Re funo da resistncia srie equivalente do capacitor e da carga, Ro. Fontes Chaveadas - Cap. 10 MODELAGEM DE CONVERSORES UTILIZANDO MODELO DA CHAVE PWMJ. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 10-3v (t)v (t)tT ttapcpVapVrv (t)v (t)tT ttapcp Vcp(a) (b)Figura 10.4 Tenses nos terminais da chave PWM sem (a) e com (b) a ondulao nacorrente considerada.Nosconversoreselevadoreabaixador-elevador,ocapacitordesadaestemparalelo com a carga, de modo que o valor de Re a associao em paralelo de Rse e R. Noconversor Cuk Re = Rse.Da figura anterior, pode-se obter:V V I Rcp ap c e ( * ) (10.7)10.2 Modelo CC da chave PWMSejaociclodetrabalhocompostoporumacomponentedevalorconstanteeumaperturbao: + D d (10.8)Paraumciclodetrabalhoconstante(=D),esupondoqueasvariveissoframalguma perturbaodevido a mudana na tenso de entrada ou na carga, tem-se:( ) ( ) I D Ia a c c+ + i i (10.9)i ia cD (10.10)v v icp ap e cD D D R * (10.11)Dasequaesanteriores,obtm-seocircuitoequivalentedadonafigura10.5,noqual o "transformador" um elemento fictcio e que permite a transformao de tenses caou cc.Fontes Chaveadas - Cap. 10 MODELAGEM DE CONVERSORES UTILIZANDO MODELO DA CHAVE PWMJ. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 10-4apcvv1: D. . i iD.D*.ReaapcpcFigura 10.5 Circuito equivalente (fictcio) para chave PWM com transformador CC.10.3 Modelo CA da chave PWMPara uma pequena perturbao no ciclo de trabalho, tem-se:i i da c cD I + (10.12)v v d i dcp ap c e c e ap c eD I R R D V I R D + + ( * ) ( * ) (10.13)[ ]vvidapcpc e ap c eDR D V I D D RD + + * ( * ) (10.14)V V I R D DD ap c e + ( * ) (10.15)Destas equaes pode-se representar a chave como mostrado na figura 10.6:Naverdade,estemodelogeral,podendoserusadoparaaanliseCCfazendo-sed=0 e ic = Ic.apcv1: D. . i*.Re iacpcIc+-dd.VDDD.DFigura 10.6 Modelo da chave CA10.4Efeito das perdas em conduo e do tempo de armazenamento sobre o modelo dachave PWMEspecialmenteparaostransistoresbipolares,aatrasodecorrentedotempodearmazenamento provoca uma alterao no ciclo de trabalho efetivo do conversor, demodoque a perturbao no ciclo de trabalho pode ser representada por:Fontes Chaveadas - Cap. 10 MODELAGEM DE CONVERSORES UTILIZANDO MODELO DA CHAVE PWMJ. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 10-5 ef= icmeI(10.16)ondeImeumparmetroquedependedotipodecircuitodeacionamentodebasedotransistor.Substituindo (16) em (12) e (14) chega-se a:i i dacmec cDIII

1]1 + (10.17)vvi dcappc em DDR DrDVD + +

_, * (10.18)rVImDme (resistncia modulada)Como geralmente D>> Ic/Ime, pode-se reescrever (10.17):i i da c cD I + (10.19)Istosignificaque,nomodelo,ainclusodotempodearmazenamentonoafetaocomportamento da corrente, mas apenas o da tenso, como se pode observar na figura 10.7,na qual so includas as resistncias de conduo do diodo (rd) e do transistor (rt).pai aci crrtdrmD.D*.ReFigura 10.7 Modelo da chave incluindo resistncias do diodo, do transistor e modulada.V D V I D R I r D I rcp ap c e c t c d ( * ) * (10.20)Admitindo uma perturbao no ciclo de trabalho, = D + d, de (10.20) chega-se a:vvi dapcpc cDDrVD + (10.21)r r D r D r D D Rc m t d e + + + * * (10.22)V V D D I R I r rD ap c e c d t + + ( * ) ( ) (10.23)Fontes Chaveadas - Cap. 10 MODELAGEM DE CONVERSORES UTILIZANDO MODELO DA CHAVE PWMJ. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 10-6O que leva ao modelo mostrado na figura 10.8:ap1: D. .D.D*.ReiacicIc+-dd.VDDrmr Dt+D*rdFigura 10.8 Modelo completo da chave PWM.10.5 Anlise do conversor abaixador de tensoAs seguintes relaes sero obtidas:vo(s)/vi(s) : variao da sada frente a perturbao na entradaM = Vo/Vi : taxa de conversoZin : impedncia de entradaZout : impedncia de sadavo(s)/(s) : variao da sada frente a perturbao no ciclo de trabalhoO circuito (figura 10.9) e o modelo (figura 10.10) esto indicados a seguir.ViacpLCi ia cFigura 10.9 Conversor abaixador de tenso.p1: D. .D.D*'.Reiacic+-Ic d.dVDDrmr Dt+D*rda1 a c1L RLRseCRovvvvvcpc1povia1papioi1+Figura 10.10 Modelo para o conversor abaixador de tenso.Fontes Chaveadas - Cap. 10 MODELAGEM DE CONVERSORES UTILIZANDO MODELO DA CHAVE PWMJ. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 10-710.5.1Anlise CCAnalisando o modelo, e considerando que: o ciclo de trabalho constante (d = 0); osindutoressorepresentadosapenasporsuasresistncias;oscapacitoresestoabertos;atenso de entrada; Vi constante; Re = 0, obtm-se:V Vap i (10.24)V D Vc p ap 1 (10.25)V Vo R r D r D r Ic p L m t d c 1 + + + ( * ) (10.26)IoVoRo (10.27)de cujas equaes se obtm:MVoVD RoRo R r r D r Di L m t d + + + + *(10.28)Desprezando rm, RL, rt e rd, ento:MVoVDi (10.29)10.5.2Determinao de vo(s)/vi(s)Admitindociclodetrabalhoconstante(d=0)equeatensoseentradasofrapequenas perturbaes (vi = Vi + vi), da inspeo do modelo tem-se:( ) D r D r D r R Lddti o m t d L cc + + + + v v ii* (10.30)v io oRo (10.31)R r D r D r Rm t d L 1 + + + * (10.32)v i io seRCdt + 1 11(10.33)i i ic o +1(10.34)Aplicando a transformada de Laplace s equaes anteriores e resolvendo-se, chega-se ao diagrama de blocos mostrado na figura 10.11:Pelo diagrama, obtm-se:Fontes Chaveadas - Cap. 10 MODELAGEM DE CONVERSORES UTILIZANDO MODELO DA CHAVE PWMJ. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 10-8vvoisesese sese sessD Ro s C RRo C L R C Ls sC Ro R Ro R R R LL C Ro RRo RL C Ro R( )( )( )( )( )( ) ( ) + + + + + + +

1]1 ++ +12 1 1 1(10.35)sL+R111Ro+-+-Rse+1sCi ovviiico1Figura 10.11 Diagrama de blocos do sistema.Desprezando os elementos parasitas do modelo, recai-se na expresso clssica para oconversor:vvoissDL Cs sRo C L C( )( ) + +11 12(10.36)Nota-se de (10.35) e (10.36) que o comportamento depende do ponto de operao,ou seja, do ciclo de trabalho.10.5.3Clculo de v vo(s)/d d(s)Sabendo queVap=Vi,eadmitindoviconstante(vi=0)equeociclodetrabalhosofra pequena perturbao, da anlise do modelo tem-se:v vdap a p DVD 10 (10.37)v vc p a pD1 1 (10.38)o que resulta em:v dc p DV1 (10.39)Comonoexisteondulaodetensoemvap (jqueparaesteconversorRe=0),pode-se escrever, de (10.23):V V I r rD i c d t + ( ) (10.40)Definindo R2 = rd - rt +RL(10.41)Fontes Chaveadas - Cap. 10 MODELAGEM DE CONVERSORES UTILIZANDO MODELO DA CHAVE PWMJ. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 10-9chega-se ao seguinte sistema de equaes, oqual leva ao diagrama de blocosmostradonafigura 10.12:V R LddtD o cc + d v ii2(10.42)v io oRo (10.43)v i io seRCdt + 1 11(10.44)i i ic o +1(10.45)sL+R211Ro+-+-Rse+1sCov dVDicioi1Figura 10.12 Diagrama de blocos do sistema.Do circuito equivalente (figura 10.10) obtm-se:vdoDssV F s( )( )( ) (10.46)F sRo s C RL C Ro Rs sC Ro R Ro R R R LL C Ro RRo RL C Ro Rsesese sese se( )( )( )( )( ) ( ) + ++ + + + +

1]1 ++ +12 2 2 2(10.47)V V I r rD i c d t + ( ) (10.48)Nota-se quea resposta independe do valor mdio do ciclo de trabalho, ou seja, doponto de operao.Afigura10.13mostraosdiagramasdeBodedafunodetransfernciaentreatenso de sada e o ciclo de trabalho, considerando e desprezando as resistncias parasitasdo modelo.Fontes Chaveadas - Cap. 10 MODELAGEM DE CONVERSORES UTILIZANDO MODELO DA CHAVE PWMJ. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 10-10500501 10 100 100020010001 10 100 100011041105Ganho (db)Fase (graus)f (Hz)Sem Rse e R2Com Rse e R2Valores usados:11051104Vi=100Ro=10Rse=0,3 C=100uFL=10mHPo=250Wrd=0,3 rt=0,10,5rm=1Figura 10.13 Diagramas de Bode relativos figura 10.12.10.5.4Clculo de Zin (impedncia dinmica de entrada)Por definio:Zin = Vin(s)/Iin(s) (10.49)Do modelo, Vin(s) = vi(s) e Iin(s) = ia(s). Admitindo um ciclo de trabalho constante (d = 0),tem-se:i ia cD (10.50)Do diagrama de blocos tem-se:( )( )ivcisesese sese sesD ss C RoL C Ro RRRo s C Ros sL C Ro R R R RL C Ro RR RoL C Ro R( )( ) ( )( ) ( ) + + +

1]1+ + + + +

1]1 ++ +112 1 1 1(10.51)( )E s sL C Ro R R R RL C Ro RR RoL C Ro Rse sese se + + + + +

1]1 ++ +2 1 1 1( )( ) ( )(10.52)Zss DE C L Ro Rs C Ro Riniasese ++ +vi( )( )( )( )112(10.53)10.5.5Clculo de Zout (impedncia dinmica de sada)Por definio, curto-circuitando as fontes de tenso, e abrindo as fontes de corrente,tem-se:ZSSRo RS Coutocse

1]1+

1]1vi( )( )/ / / /1(10.54)Fontes Chaveadas - Cap. 10 MODELAGEM DE CONVERSORES UTILIZANDO MODELO DA CHAVE PWMJ. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 10-1146810 100 1000 1 10405010010 100 1000 1 1041 105Mdulo[]Fase(graus)f (Hz)1 105Figura 10.14 Comportamento da impedncia de entrada.Do diagrama de blocos,viocsss L R( )( ) +1(10.55)Trabalhando as equaes precedentes, tem-se:[ ]ZRo RL C Ro RS LRs C REoutsese + +

1]1 + 111 1( )(10.56)00.511.510 100 1000 1 1041 1054020010 100 1000 1 1041 105Mdulo[]Fase(graus)f (Hz)Figura 10.15 Comportamento da impedncia de sada.10.6Referncias Bibliogrficas[10.1] Vorprian,V.:SimplifyPWMConverterAnalysisUsingaPWMSwitchModel.PCIM, March 1990, pp. 10-15.Fontes Chaveadas - Cap. 11 CIRCUITOS INTEGRADOS DEDICADOS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 11-111.CIRCUITOS INTEGRADOS DEDICADOS AO ACIONAMENTOE CONTROLE DE FONTES CHAVEADASNos ltimos 15 anos, uma variedade de circuitos integrados dedicados ao controledefonteschaveadasfoidesenvolvida.Oscontroladoresqueoperamnomodotenso(controlandoovalormdiodatensodesada)aindadominamomercado,emboradiversos permitamoperao no modocorrente(controlandoacorrentesobreoelementoindutivo do circuito). O mtodo de controle mais utilizado o de Modulao por Largurade Pulso, embora existam circuitos que operam com Modulao em Freqncia.Alguns CIs possuem apenas 1 sada, enquanto outros fornecem 2 sadas deslocadasde180eltricosentresi.Almdisso,amaioriapossuiumamplificadordeerroeumareferncia interna, permitindo a implementao da malha de controle.A tabela 11.I indica algumas caractersticas de diferentes circuitos.TABELA 11.I Classificao e exemplos de circuitos integrados para fontes chaveadasModo Tenso Modo Tenso comLatchModo CorrenteTcnica de controle(esquemtico)Osc.Ref.MLPOsc.SRQRef.MLPOsc. SRRef.ISada nica MC34060 MPC1600 UC1842Sada dupla TL494/594 SG3525/26/27 UC1846CaractersticaBaixo custo Limite digital decorrente.Boa imunidade a rudoEspecial para Fly-back.Inerente compensaoda tenso de entradaFormas de ondaAs caractersticas especficas de cada CI variam em funo da aplicao, do grau dedesempenhoesperado,dasproteesimplementadas,etc.Emlinhasgeraispode-sedizerque os atuais CIs possuem as seguintes caractersticas:. oscilador programvel (freqncia fixa at 500kHz). sinal MLP linear, com ciclo de trabalho de 0 a 100%. amplificador de erro integrado. referncia de tenso integrada. tempo morto ajustvel. inibio por sub-tenso. elevada corrente de sada no acionador (100 a 200mA). opo por sada simples ou duplaFontes Chaveadas - Cap. 11 CIRCUITOS INTEGRADOS DEDICADOS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 11-2. "soft start". limitao digital de corrente. capacidade de sincronizao com outros osciladores11.1 Tcnicas de isolao de sistemas com reguladores chaveadosAimplementaodeumafontedetensodesacopladadarededevepreveracapacidadedeoferecernasadaumatensocomboaregulaoe,emgeraldevalorreduzido(emcomparaocomatensodarede).Umaoutracaractersticadeveseraisolao entre entrada e sada, de modo a proteger o usurio de choques devido fuga decorrente e ao elevado potencial da entrada.Afigura11.1indica2possibilidadesdeimplementaodefontesdealimentaoisoladas, podendo-se notar os diferentes "terras".Retificador deentrada e filtrosElementos deChaveamentoAmplif. de erro eControlador MLPFiltro deRetificador eSadaVoVi (ac)T2T1Retificador deentrada e filtrosElementos deChaveamentoFiltro deRetificador eSadaVoT1Vi (ac)ControladorMLPRefAmpl.erroIsolador ticoFigura 11.1 Algumas alternativas para isolao do circuito de controle e acionamentoNa1figura,ocircuitodecontroleestnomesmopotencialdasada,ficandoaisolaoporcontadostransformadoresT1(depotncia)eT2(deacionamento).Jnafigura(b)ocircuitodecontroleestnopotencialdaentradaeaisolaofeitapelotransformador T1 (potncia) e por um isolador tico, o qual realimenta o sinal de erro dasada.Fontes Chaveadas - Cap. 11 CIRCUITOS INTEGRADOS DEDICADOS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 11-311.2 TL494A figura 11.2 mostra o diagrama interno do CI TL494.RefernciaVrefVccOsciladorRC-+-++-+-GND.......1 2 3 15 167145V12136540,12V0,7V0,7mA1 2Amplif. de erroFFCKQQQ1Q2Comparadorcom tempo mortoModo de controle da sada..Vcc.MLPFigura 11.2 Diagrama interno do CI TL494OTL494possui2sadas,comdeslocamentode180 eltricos,demodoaserpossveloacionamentodeumatopologiatipopush-pull.Casoambassadassejamconectadas em paralelo, tem-se um acionamento para um conversor de uma nica chave.AondadentedeserrautilizadaparagerarosinalMLPvemdeumosciladorinterno cuja freqncia determinada por um par RC conectado externamente.O sinal MLP obtido pela comparao da tenso sobre o capacitor (dente de serra)com o sinal proveniente de um dos sinais de controle. A cada subida do sinal MLP altera-se o estado do flip-flop, de modo a selecionar uma das sadas a cada perodo do oscilador.Uma operao lgica entre o sinal MLP e as sadas do FF, enviada s sadas. Alm disso,umsinaldecontroledemododesada(pino13)fazcomque,quandoemnvelalto,assadas sejam adequadas a um conversor push-pull. Quando em nvel baixo, ambas as sadasvariam simultaneamente, uma vez que os sinais do FF ficam inibidos.O sinal MLP depende ainda de um comparador que determina o tempo morto, ouseja, uma largura de pulso mxima em cada perodo, o que garante um intervalo de tempoemqueambasassadasestodesligadas.Emumatopologiapush-pullouemponteistoimpedeaconduosimultneadeambasaschaves,oquecolocariaemcurto-circuitoafonte. Uma tenso interna de 120mV associada entrada de tempo morto garante um valormnimo de cerca de 4%, limitando assim o ciclo de trabalho mximo a 96%. Um potencialmais elevado conectado a este pino (4), aumenta o tempo morto, numa faixa de variaode 0 a 3,3V (tempo morto de 100%).A regulao da tenso de sada usualmente feita por meio dos amplificadores deerro,comosinalderealimentaodisponvelnopino3.Os2amplificadoresdeerropodem ser usados para fazer a realimentao de tenso elimitaracorrentepelocircuito.AssadasdosamplificadoresestoconectadasdemodoaqueosinalnaentradadocomparadorMLP(pino3)sejadeterminadopeloamplificadorqueapresentaratensoFontes Chaveadas - Cap. 11 CIRCUITOS INTEGRADOS DEDICADOS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 11-4maiselevada,oquelevamenorlarguradepulsonassadas.Atensonestepinoencontra-se entre 0,5 e 3,5V.O CI dispe de uma fonte de referncia interna de 5V11.3 UC1840AfamliadoscircuitosintegradosUC1840(Unitrode)foidesenvolvidaespecialmente para uso nolado da entrada em conversores fly-back ou forward. Afigura11.3mostra o diagrama de blocos do circuito.Osc.Ger.RampaComp.MLPLatchMLPAmpComp.Comp.Comp.Comp.ResetLatchStartlatchErroLatchComp.Comp.40VFonteInterna5V3V (int.)3V(int.)ClockDriveLatchSRSRSRSR400mV200uAHisterese11: Vin (sensor)10: Rampa15: Vin (fonte)14: Polarizaodo driver12: sada MLP16: Ref. de 5V13: GND8: Partida suave oulimitador de largur6: Limiar delimite de corrente7: sensor de correnteRt/Ct : 9Compensao: 1Ent. inv: 17Ent. NI: 18Start/sub-tenso: 2Reset: 5Parada ext.: 4sobre-tenso: 3 +++++-+++++Figura 11.3 Diagrama de blocos interno do UC1840O integrado oferece as seguintes caractersticas:. operao em freqncia fixa, ajustvel por um par RC externo. gerador de rampa com inclinao varivel de modo a manter um produto (volt x segundo)constante, possibilitando regulao de tenso mesmo em malha aberta, minimizando ou ateliminando a necessidade de controle por realimentao. auto-inicializao de funcionamento. referncia de tenso interna, com proteo de sobre-tenso. proteo contra sobre e sub-tenso, incluindo desligamento e religamento programvel.acionadordesadanico,paraaltacorrente,otimizadopararpidodesligamentodachave de potnciaUm circuito tpico de aplicao mostrado na figura 8.4.Fontes Chaveadas - Cap. 11 CIRCUITOS INTEGRADOS DEDICADOS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 11-5StopResetsobre-tensoR3R2R1R5 VrefRfCfAmpl.Errosub-tensoPWMPartidaSuaveRemotoLimitecorrenteR6R7VrefRbRdCdR8RsCsRdcRcs+VinDriveOsc.CtRtVrefGer.RampaCr N2RrRinCinN1N3N4N5Entrada caEntrada cc+VinVrefR42845311718915 16101112146713UC1804Figura 11.4 UC1840 acionando conversor forward.No incio da operao, e antes que a tenso no pino 2 atinja 3V, o comparador departida/sub-tenso(UV)puxaumacorrentede200uA,causandoumaquedadetensoadicional em R1. Ao mesmo tempo o transistor de sada est inibido,fazendocomqueanicacorrenteporRinsejadevidoao"start-up".Otransistordepartidalentaestconduzindo, mantendo o capacitor Cs descarregado.Enquantoatensodecontrolepermanecerabaixodolimitedepartida(determinadopelosresistoresR4eR5),olatchdepartidanomonitorasub-tenso.Atingido o limite, o comparador de partida/UV elimina os 200uA, setando o FF de partidapara monitorar a sub-tenso. Alm disso, ativa o transistor de sada para alimentar a chavedepotncia,desligaotransistordepartidalenta,permitindoacargadeCs(viaRs)eoaumento gradativo da largura de pulso.Opino8podeserusadotantoparapartidalentaquantoparalimitaromximociclodetrabalho,bemcomoumaentradadeinibiodosinalMLP.Alarguradepulsopode variar de 0a90%,podendoovalormximoserlimitadoporumdivisordetensocolocado no pino 8 (Rdc).Quando se deseja uma rampa constante, Rr deve ser conectado referncia internade 5V. Quando se quiser uma operao com o produto (volt x segundo) fixo, Rr deve serligado linha de alimentao CC.A inclinao da rampa ser dada por:dvdtV linhaR CR R=( )(8.1)Seu valor mximo de 4,2V e o mnimo de 0,7V. A freqncia determinada porRT (entre 1k e 100k) e CT (entre 300pF e 100nF).Fontes Chaveadas - Cap. 11 CIRCUITOS INTEGRADOS DEDICADOS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 11-6A parte MLP do integrado formada pelo oscilador, pelogerador de rampa, peloamplificador de erro, pelo comparador MLP, pelo FF de latch e pelo transistor de sada.O amplificador de erro um operacional convencional, com uma tensodemodocomum entre 1 e (Vin-2)V. Assim, qualquer das entradas pode ser conectada refernciade 5V. A outra entrada deve monitorar a tenso de sada (ou a de entrada).OcomparadorMLPpossuientradasparaogeradorderampa,oamplificadordeerro, o circuito de partida lenta e o limitador de corrente. sada deste comparador tem-seum pulso que se inicia ao final do pulso de clock do oscilador e termina quando a rampacruzaomenordostrssinaisdeentradacitados.AduraodosinaldoosciladordeterminaamximaduraopossvelparaopulsoMLP.OFFasseguraaexistnciadeapenas 1 pulso por perodo.Otransistordesadacapazdefornecer200mA,podendoacionardiretamentetransistores MOSFET ou bipolares.Circuitos auxiliares para permitir deteco desobre-tenso,paradaeacionamentocomandados externamente tambm esto presentes.Limitaodecorrenteedesligamentoemcasodesobre-correntesoimplementadoscomcomparadoresdediferenteslimiares.Naocorrnciadeumasobrecarga, estes comparadores estreitam o sinal MLP, ao mesmo tempo em que ligam otransistordepartidalenta,descarregandoCs,assegurandoumreinciodeoperaoadequado, quando cessar a falha.11.4 UC1524AOcircuitointegradoUC1524Aumaversomelhoradadosprimeiroscontroladores MLP, o SG1524. O diagrama de blocos est mostrado na figura 11.5.Um gerador de onda dente de serra tem sua freqncia determinada por um par RCconectado externamente. O limite usual de 500kHz. A rampa gerada tem uma excursodeaproximadamente2,5V.OcomparadorMLPtemumaentrada(positiva)provenientedeste gerador de rampa e a outra pode ser fornecida pelo amplificador de erro da tenso desada ou pelo limitador de corrente da sada..Ointegradopossuiumfonteinternaderefernciade5V,+1%.Destaforma,taltenso podeser usada no amplificador de errocomorefernciadiretaparasadasde5V.Caso a sada seja de maior valor, usa-se um divisor de tenso. O amplificador de erro dotipo transcondutncia, ou seja, apresenta uma elevada impedncia de sada, comportando-secomoumafontedecorrente.Ocompensadorpodeserutilizadotantoentreasada(pino9)eaentradainversoraouentreasadaeoterra.Oamplificadorlimitadordecorrentepodeserusadonomodolinearoucomlimitaopulsoapulso.Suatensodelimiar de 200mV.Umsensordesubtensoinibeofuncionamentodoscircuitosinternos,excetoareferncia, at que a tenso de entrada (Vin, pino 15) seja superior a 8V.O sinal do oscilador aciona um flip-flop de modo a selecionar a qual das sadas serenviado o sinal MLP. Este sinal passa por um latch, de modo a garantir um nico pulso porciclo, podendo ainda ser inibido pela entrada de shutdown (pino 10), o qual atua em 200ns.A sada dupla permite o acionamento de uma topologia push-pull.Ostransistorespodemfornecer 200mA, suportando 60V, podendo ser paralelados.A figura 11.6 mostra um conversor implementado com este CI.Fontes Chaveadas - Cap. 11 CIRCUITOS INTEGRADOS DEDICADOS J. A. Pomiliohttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 11-7+ 5VRefernciaSub-tensoPara circuitos internosOsc.Clock+-+-+-1k10kFlip-FlopLimite de correnteAmpl. Erro200mV15367912458101413111216CaEaCbEbGNDShutdownVref VinOsc.RtCtCompensaoInv.N. Inv.PWMLatchSR......... ...Figura 11.5 Diagrama de blocos in