introducao conversores cc cc

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INSTITUTO DE ELETRNICA DE POTNCIADepartamento de Engenharia Eltrica Centro Tecnolgico

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

Introduo aos Conversores CC-CC

Responsvel pelo Estudo: Clvis Antnio Petry (INEP/EEL UFSC) Orientador: Prof. Ivo Barbi, Dr. Ing. (INEP/EEL UFSC)

Agosto/2001

Instituto de Eletrnica de Potncia Eletrnica de Potncia II

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Caixa Postal 5119, CEP: 88.040-970 - Florianpolis - SC Tel. : (048) 331.9204 - Fax: (048) 234.5422 Internet: www.inep.ufsc.br

ndiceNDICE.................................................................................................................................2 1 INTRODUO.................................................................................................................3 2 FUNDAMENTOS SOBRE CONVERSORES CC-CC..................................................3 3 CONVERSOR BUCK.......................................................................................................5 4 CONVERSOR BOOST.....................................................................................................7 5 CONVERSOR BUCK-BOOST........................................................................................9 6 CONVERSOR FLYBACK (BUCK-BOOST ISOLADO)...........................................11 7 CONVERSOR FORWARD (BUCK ISOLADO).........................................................14 8 OPERAO EM MALHA FECHADA........................................................................16 9 CONCLUSO.................................................................................................................17 10 BIBLIOGRAFIA...........................................................................................................17

Introduo aos conversores CC-CC.

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1 IntroduoNeste trabalho apresentam-se os principais conversores CC-CC, com o objetivo de introduzir o estudante da disciplina de Eletrnica de Potncia II no estudo dos conversores CC-CC, bem como dos principais fundamentos tericos envolvidos na concepo e anlise destes conversores.

2 Fundamentos sobre conversores CC-CCConversores CC-CC so sistemas formados por semicondutores de potncia operando como interruptores, e por elementos passivos, normalmente indutores e capacitores que tem por funo controlar o fluxo de potncia de uma fonte de entrada para uma fonte de sada. Na Figura 1 mostra-se o diagrama eltrico e a forma de onda da tenso de sada de um conversor CC-CC bsico.S + Vi Ro Vo Ton Ts Vo Vi

Figura 1 - Conversor CC-CC e forma de onda da tenso de sada. O intervalo de comutao definido como:Ts = 1 Fs

Fs a freqncia de comutao. Esta freqncia tende a ser a mais alta possvel, diminuindo assim o volume dos elementos magnticos e capacitivos do conversor. A razo entre o intervalo de comutao (T s) e o intervalo de conduo do interruptor S (Ton) definido por razo cclica e dada por:D= Ton Ts

A tenso mdia na sada deste conversor calculada por: 1 Vo = TsTon 0

Vidt = Vi

Ton Ts

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Usando Ton = D Ts tem-se: Vo = D Vi A relao entre a tenso de sada e a tenso de entrada definida por ganho esttico do conversor e dada ento por:D= Vo Vi

Pelo grfico mostrado na Figura 2 pode-se notar que a variao da tenso de sada com a razo cclica linear.1 0,75 Vo/Vi 0,5 0,25 0 0 0,25 0,5 D 0,75 1

Figura 2 - Ganho esttico em funo de D. Os sinais de comando do interruptor podem ser gerados com freqncia de comutao fixa ou varivel. Uma forma de gerar os sinais de comando com freqncia fixa atravs de modulao por largura de pulso (PWM). Na Figura 3 mostra-se uma forma simples de realizar PWM.Vr Vc Gerador de Rampa VCC Vc + Vg Ton Ts

Ton Ts

Figura 3 - Exemplo de um circuito PWM.

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3 Conversor BuckO conversor Buck um conversor abaixador de tenso, caracterizado por ter entrada em tenso e sada em corrente. Na Figura 4 mostra-se o diagrama eltrico do conversor Buck.S a Lo + D Co Ro Vo b

Vi

Figura 4 - Conversor Buck. As etapas de funcionamento do conversor Buck so descritas a seguir. 1a Etapa (0, DTs): S est conduzindo. A corrente circula por L o e pela sada. Nesta etapa Vi fornece energia para a sada e para a magnetizao do indutor Lo. 2a Etapa (DTs, (1-D)Ts): S est bloqueado. No instante de abertura de S o diodo D entra em conduo. A energia do indutor transferida para a carga, isto , o indutor desmagnetizado. A forma de onda da tenso Vab mostrada na Figura 5.Vab Vi

DTs

Ts

Figura 5 - Tenso Vab. Como a tenso mdia sobre o indutor deve ser nula, ento: Vo = Vab _ medVo =D Vi

1 = Ts

D Ts 0

Vi dt

Na Figura 6 mostra-se a variao da tenso de sada em funo da razo cclica para o conversor Buck.

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1 0,75 Vo/Vi 0,5 0,25 0 0 0,25 0,5 D 0,75 1

Figura 6 - Ganho esttico em funo de D. As principais formas de onda do conversor Buck so mostradas na Figura 7.Vi-Vo VLo -Vo ILo Io

VCo

VS

Vi

VD -Vi D Ts Ts

Figura 7 - Principais formas de onda do conversor Buck. O conversor Buck pode operar em trs modos de operao: 1 - Conduo Contnua: a corrente em Lo no se anula durante um perodo de comutao; 2 - Conduo Descontnua: a corrente em Lo se anula a cada perodo de comutao; 3 - Conduo Crtica: a corrente em Lo est no limiar de se anular a cada perodo de comutao. As principais caractersticas do conversor Buck so: Pode apenas diminuir a tenso na sada; A corrente de sada tem boa qualidade; A corrente na entrada descontnua.

Questo: O conversor Buck pode operar sem carga?? Introduo aos conversores CC-CC.

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4 Conversor BoostO conversor Boost um conversor elevador de tenso, caracterizado por ter entrada em corrente e sada em tenso. Na Figura 8 mostra-se o diagrama eltrico do conversor Boost.L S Vi Co Ro Vo D +

Figura 8 - Conversor Boost. As etapas de funcionamento do conversor Boost so descritas a seguir. 1a Etapa (0, DTs): S est conduzindo. O indutor L magnetizado. A fonte Vi fornece energia ao indutor. 2a Etapa (DTs, (1-D)Ts): S est bloqueado. O diodo D entra em conduo. A fonte Vi e o indutor L fornecem energia sada. A tenso na carga aumenta. A forma de onda da tenso sobre o indutor mostrada na Figura 9.VL Vi

DTs -(Vo-Vi)

Ts

Figura 9 - Tenso sobre o indutor. Como a tenso mdia sobre o indutor deve ser nula, ento: 1 TsD Ts

1 Vidt = Ts 0

(1 D ) Ts 0

( Vo Vi ) dt

Vo 1 = Vi 1 D

Na Figura 10 mostra-se a variao da tenso de sada em funo da razo cclica para o conversor Boost.

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100 75 Vo/Vi 50 25 0 0 0,25 0,5 D 0,75 1

Figura 10 - Ganho esttico em funo de D. As principais formas de onda do conversor Boost so mostradas na Figura 7.Vi-Vo VLo -Vo ILo Io

VCo

VS

Vi

VD -Vi D Ts Ts

Figura 11 - Principais formas de onda do conversor Boost. As principais caractersticas do conversor Boost so: Pode apenas aumentar a tenso na sada; A corrente de sada descontnua; A corrente na entrada tem boa qualidade.

Questo: O conversor Boost pode operar sem carga??

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5 Conversor Buck-BoostO conversor Buck-Boost um conversor que pode operar como abaixador ou elevador de tenso, caracterizado por ter entrada em tenso e sada em tenso. Na Figura 12 mostrase o diagrama eltrico do conversor Buck-Boost.S D + Vi L Co Ro Vo -

Figura 12 - Conversor Buck-Boost. As etapas de funcionamento do conversor Buck-Boost so descritas a seguir. 1a Etapa (0, DTs): S est conduzindo. A fonte Vi fornece energia para a magnetizao do indutor L. 2a Etapa (DTs, (1-D)Ts): S est bloqueado. A energia do indutor L transferida atravs do diodo D para a sada. O indutor L desmagnetizado. A forma de onda da tenso sobre o indutor mostrada na Figura 13.VL Vi

DTs -Vo

Ts

Figura 13 - Tenso no indutor. Como a tenso mdia sobre o indutor deve ser nula, ento: 1 TsD Ts 0

Vidt =

1 Ts

(1 D ) Ts 0

Vodt

Vo D = Vi 1 D

Na Figura 14 mostra-se a variao da tenso de sada em funo da razo cclica para o conversor Buck-Boost.

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10 7,5 Vo/Vi 5 2,5 0 0 0,25 0,5 D 0,75 1

Figura 14 - Ganho esttico em funo de D. As principais formas de onda do conversor Buck-Boost so mostradas na Figura 15.Vi VLo -Vo ILo Io

ICo VCo Vo Vi+Vo VS VD -(Vi+Vo) D Ts Ts

Figura 15 - Principais formas de onda do conversor Buck-Boost. As principais caractersticas do conversor Buck-Boost so: um conversor acumulao de energia; Pode operar como elevador ou abaixador; A corrente de sada descontnua; A corrente na entrada descontnua.

Questo: O conversor Buck-Boost pode operar sem carga??

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6 Conversor Flyback (Buck-Boost isolado)O conversor Flyback um conversor idntico ao conversor Buck-Boost, mas que apresenta isolao galvnica entre a tenso de entrada e de sada. Na Figura 16 mostra-se o diagrama eltrico do conversor Flyback, bem como a seqncia de passos para obter o conver

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