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Conversores DC-DC
Conversor Buck
Projeto ITASATClaudinei de Jesus Donato
28/08/2006 Claudinei J. Donato 2
Fontes Lineares
ReguladorCA Carga
28/08/2006 Claudinei J. Donato 3
Fontes Lineares Características:
Elevada robustez e confiabilidade; Baixo custo; Simplicidade no projeto e operação; Baixo rendimento; Elevado peso e volume; Baixo fator de potência.
Atualmente sua utilização limita-se à fontes de baixa potência.
28/08/2006 Claudinei J. Donato 4
Fontes Chaveadas
ConversorCA CargaFiltroEMI
Controlador
28/08/2006 Claudinei J. Donato 5
Fontes Chaveadas Características:
Maior rendimento; Menor volume e peso; Possibilidade de operar com alto fator de
potência; Menos robusta e resposta transitória mais lenta; Interferência radioelétrica e eletromagnética; Maior número de componentes.
Existem diversas topologias, a escolha depende da especificação do projeto.
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Conversor Abaixador de Tensão (Step-Down ou Buck)
Diagrama básico:
Vi
L
C RDT
Vo
-
+Ii
Vs2
ID
Vs1
IL IoIC
VC
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Modos de Operação Se a corrente no indutor nunca chegar a
zero, durante a condução do diodo, dizemos que o conversor está operando em modo de condução contínua;
Caso chegue a zero, opera em modo de condução descontínua;
A condução crítica ocorre quando a corrente chega a zero exatamente no final do período de condução do diodo.
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Condução Contínua
(1) .
.
1
1
VoTD
IILVVi
TD
II
t
I
dt
dI
T
tD
Vodt
dILVVi
LminLmáxS
LminLmáx
c
LLc
LS
Vi
L
C RT
Vo
-
+Ii
Vs1
IL IoIC
VC
+ -
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Condução Contínua
(2) ).1).((
).1( 1
0
2
2
LminLmáxS
LminLmáx
o
LLo
LS
IIL
TDVVo
TD
II
t
I
dt
dI
T
tD
Vodt
dILV
Vi
L
C RD Vo
-
+
Vs2
ID IL IoIC
VC
+-
28/08/2006 Claudinei J. Donato 10
Condução Contínua
tcT
TimeV(D1:2) V(S)
0V
10V
20VI(D1) - I(R)
0A
0.5A
1.0A
1.5AI(S1:3) -I(R)
0A
0.5A
1.0A
1.5AI(L1) -I(R)
0.8A
1.0A
1.2A
SEL>>
to
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Condução Contínua Ciclo de trabalho (D):
Vi
VoDVV
VVVi
VVoD
D
DVVoDVVi
VoLTD
TDVVoLVVi
SS
SS
S
SS
SS
0
(3)
)1.(...
).1).((.
12
12
2
21
21
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Condução Contínua Para indutância crítica, analisamos
circuito em modo de condução crítica, isto é, ILmin = 0:
(5) ..2
)1).((22
Io
(4) ).1).((
:2 equação Da
2
2
fIo
DVVoL
IIIL
TDVVoI
min
minSCR
LmáxLminLmáx
SLmáx
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Condução Contínua Cálculo da Indutância:
L é definido a partir da ondulação de corrente devido limitação de corrente das chaves.
(6) .
)1).((
).1).((
:2 equação Da
2
2
fI
DVVoL
L
TDVVoI
Lmáx
S
SL
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Condução Contínua Corrente no capacitor:
Time-I(C1)
-100mA
-50mA
0A
50mA
100mA
ILmáx
ILmin
T/2
T
ΔQ
IC
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Condução Contínua
Cálculo da capacitância de saída:
(8) ...8
)1).((
.).1).((
.8
:7 e 2 equação Da
(7) 8
.
2.
2.
2
1Q
22
2
fVL
DVVoC
CVL
TDVVoTQ
ITIT
C
S
CS
LL
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Condução Contínua A ondulação da tensão de saída é
devido duas componentes: Freqüência de chaveamento e
capacitância de saída; Resistência série equivalente (RSE) do
capacitor de saída. Geralmente a componente devido o
RSE é significativamente maior. Assim, é ela que normalmente define a capacitância.
28/08/2006 Claudinei J. Donato 17
Condução Contínua
Cálculo simplificado da RSE:
Após cálculo da RSE, procura-se capacitor que atenda as duas especificações, C e RSE.
(9)
.
.
L
CSE
LSEC
CSERSE
I
VR
IRV
IRV
28/08/2006 Claudinei J. Donato 18
Condução Contínua A freqüência de corte do filtro de saída deve
ser muito menor que a freqüência de chaveamento do conversor:
Corrente de entrada (Ii):
(10) ...2
1
LCfFS
conversor. do Rendimento
(11) .
.
Vi
IoVoIi
28/08/2006 Claudinei J. Donato 19
Condução Contínua Valores mínimos de tensão e corrente
para as chaves, sem considerar picos gerados pelas capacitâncias e indutâncias do circuito:
(14) 2
(13)
(12)
2,1
12
21
LSS
SS
SS
IIoI
VViV
VViV
28/08/2006 Claudinei J. Donato 20
Condução Descontínua
TimeV(S) V(D1:2)
0V
10V
20VI(D1) -I(R)
0A
1.0A
2.0AI(S1:3) - I(R)
0A
1.0A
2.0AI(L1) - I(R)
0A
1.0A
2.0A
SEL>>
tcta
to
T
28/08/2006 Claudinei J. Donato 21
Condução Descontínua
(15)
: temos1, equação Da
11
1
L
.TVo).DV(ViI
T
tD
SLmáx
c
Vi
L
C RT
Vo
-
+Ii
Vs1
IL IoIC
VC
+ -
28/08/2006 Claudinei J. Donato 22
Condução Descontínua
(16) .).(
: temos2, equação Da
22
2
L
TDVVoI
T
tD
SLmáx
o
Vi
L
C RD Vo
-
+
Vs2
ID IL IoIC
VC
+-
28/08/2006 Claudinei J. Donato 23
Condução Descontínua Ciclo de trabalho:
(19) )).((
).(...2
:18 e 17 15, equações Das
(18) 2
.
2
.
(17) .
:16 e 15 De
211
21
21
2
112
2211
SSS
S
LmáxLmáx
S
S
SS
VVViVoVVi
VVofIoLD
DIDIIo
)V(Vo
DVo)V(ViD
L
.T).DV(Vo
L
.TVo).DV(Vi
28/08/2006 Claudinei J. Donato 24
Condução Descontínua A indutância crítica é calculada
conforme equação 5, porém, agora utilizamos a corrente máxima de saída para sua definição:
(19) ..2
)1).((
:5 equação Da
12
fIo
DVVoL
máx
máxSCR
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Condução Descontínua A partir da indutância critica, podemos
escolher um valor para nosso indutor e calcular a corrente máxima que circulará pelo indutor e chaves;
A corrente máxima é calculada pelas equações 15 ou 16;
(20) .
).( 22
fL
DVVoI máxS
Lmáx
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Condução Descontínua
Cálculo da capacitância de saída:
(22)
:9 equação dapartir A
(21) ...8
).(
:20 e 7 equações daspartir A
222
Lmáx
CSE
C
máxS
I
ΔVR
fVL
DVVoC
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Condução Descontínua
As equações 10, 11, 12 e 13 continuam valendo para conversores em modo de condução descontínua;
Agora a corrente das chaves é especificada a partir da corrente máxima no indutor, ILmáx.
28/08/2006 Claudinei J. Donato 28
Referências BARBI, Ivo; MARTINS, Denizar Cruz. Eletrônica de
Potência: Conversores CC-CC Básicos não Isolados. Florianópolis: UFSC, 2000. 377 p.
MELLO, Luiz F. P.. Análise e Projetos de Fontes Chaveadas. São Paulo, Ed. Érica, 1996. 487 p.
SEVERNS, Rudolf P.; BLOOM, Gordon (Ed). Modern DC-TO-DC Switchmode Power Converter Circuits. New York: Van Nostrand Reinhold, 1985. 342 p. (Van Nostrand Reinhold Electrical/Computer Science and Engineering Series).
ERICKSON, R. W.; MAKSIMOVIC, D.. Fundamentals of Power Electronics. 2th ed. Boulder, Usa: Springer, 2001. 912 p.
POMILIO, José Antenor. Fontes Chaveadas. Apostila. Disponível em http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/ . Acesso em 28 ago. 2006.