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Conversores CC-CC (Buck e Forward)
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina Departamento Acadêmico de Eletrônica
Pós-Graduação em Desen. de Produtos Eletrônicos Conversores Estáticos e Fontes Chaveadas
Florianópolis, março de 2014.
Prof. Clóvis Antônio Petry. Prof. Joabel Moia.
Bibliografia para esta aula
Conversores CC-CC: 1. Introdução aos conversores CC-CC; 2. Conversor CC-CC abaixador - Buck; 3. Conversor CC-CC do tipo Forward.
www.ProfessorPetry.com.br
1E ( )1 1v ,f
2E ( )2 2v ,f
ConversorCC-CC
Retificador
Inversor
Conversorindireto de
tensão
Conversorindireto defreqüência
Conversores CC-CC
E1 E2
Conversor CC-CC
Princípio geral: Controla o fluxo de potência entre duas fontes de tensão contínua.
Conversores CC-CC
Algumas aplicações:
• Controle de velocidade de motores CC; • Fontes chaveadas; • Energias alternativas; • Correção de fator de potência; • Carregadores de bateria; • Aplicações veiculares; • Adaptação de tensão contínua; • Entre outras.
Conversores CC-CC
Estágio de conversão CC-CC de uma fonte chaveada:
Conversores CC-CC
Exemplo: Como realizar esta conversão?
Conversores CC-CC
Exemplo: Como realizar esta conversão? Usando resistores.
Conversores CC-CC
Exemplo: Como realizar esta conversão? Usando reguladores lineares.
Conversores CC-CC
Vi100V
R5Ώ
S
oV
Vi
sDT× sT
Exemplo: Como realizar esta conversão? Usando conversores chaveados.
Ploss≈0W S on
S off
Rendimento 70 a 98% 1
ss
TF
= on
s
TDT
=
Conversores CC-CC
Vi100V
R5Ώ
S oV
Vi
sDT× sT
Exemplo: Como realizar esta conversão? Usando conversores chaveados.
0
1 onTon
o i is s
TV V dt VT T
= ⋅ =∫
Tensão média na saída:
on sT D T= ⋅
o iV D V= ⋅ o
i
VDV
=
Conversores CC-CC
Ganho Estático do Conversor
Vi100V
R5Ώ
S oV
Vi
sDT× sT
o iV D V= ⋅Como variar a tensão média de saída?
PWM: • Modulação por largura de pulsos; • Pulse Width Modulation.
PFM: • Modulação por frequência variável; • Pulse Frequency Modulation.
on
s
TDT
=
Conversores CC-CC
o iV D V= ⋅Como variar a tensão média de saída?
PWM: • Modulação por largura de pulsos; • Pulse Width Modulation.
PFM: • Modulação por freqüência variável; • Pulse Frequency Modulation.
on
s
TDT
=
oV
iV
sDT× sT
oV
iV
sDT× sT
oV
iV
sDT× sT
oV
iV
sDT× sT
Conversores CC-CC
Conversor CC-CC abaixador - Buck
iT
L
+
-
Vin C
V
Vo
T
iD+
-
iL
VC
iC
RL
iR
Vout
+
-
+
-
Estrutura de um conversor do tipo Buck
Etapas de operação - MCC
iT
L
+
-
Vin
T
D
iL
C RL+
-
iR
V
+
-
out
T
L
+
-
Ein D
iL
CRL
+
-
VCE+ -
V
+
-
out
Formas de onda
VD
VCE
T
T1 T2
(E )
L
in
i L
i T i D i T
(E ) in
VC
0 T1 T
VC
i
Conversor CC-CC abaixador - Buck
Análise das grandezas envolvidas
VD
VCE
T
T1 T2
(E )
L
in
i L
i T i D i T
(E ) in
VC
0 T1 T
VC
i
0
1 onTon
o i is s
TV V dt VT T
= ⋅ =∫
Tensão média na saída:
o iV D V= ⋅
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
0.2
0.4
0.6
0.8
11
0
G D( )
10 D
Ganho estático
Conversor CC-CC abaixador - Buck
Análise das grandezas envolvidas
VD
VCE
T
T1 T2
(E )
L
in
i L
i T i D i T
(E ) in
VC
0 T1 T
VC
i
Corrente no Indutor
( ) TTT
LVVT
LVVi 1outin
1outin
L−=−=Δ
DfLVVi outin
L−=Δ
inout DVV =( )Lf
DD1Vi inL
−=Δ
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0
ΔI L D( )
10 D
Conversor CC-CC abaixador - Buck
Análise das grandezas envolvidas
VD
VCE
T
T1 T2
(E )
L
in
i L
i T i D i T
(E ) in
VC
0 T1 T
VC
i
Corrente de pico no Indutor
RL
P i2iI +Δ=
L
outLP R
V2iI +Δ=
( )Lf2DD1V
RVI in
L
outP
−+=
PDPTP III ==
Corrente de pico no transistor e no diodo
Conversor CC-CC abaixador - Buck
Análise das grandezas envolvidas
VD
VCE
T
T1 T2
(E )
L
in
i L
i T i D i T
(E ) in
VC
0 T1 T
VC
i
Tensão no capacitor
( )ft2sen2ii L
C πΔ≅
( )∫ πΔ== dtft2senC2idti
C1V L
CCA
( )ft2cosC2f2
iV LCA π
πΔ=
Cf4i
2V LC
πΔ=Δ
C
L
Vf2iCΔπ
Δ=
Conversor CC-CC abaixador - Buck
Análise das grandezas envolvidas
VD
VCE
T
T1 T2
(E )
L
in
i L
i T i D i T
(E ) in
VC
0 T1 T
VC
i
Tensão no capacitor Efeito da RSE
CLRSE iRSEiRSEVCA
⋅=⋅=
2C
2LRSE iRSEiRSEP
efCA⋅=⋅=
Conversor CC-CC abaixador - Buck
Análise das grandezas envolvidas
VD
VCE
T
T1 T2
(E )
L
in
i L
i T i D i T
(E ) in
VC
0 T1 T
VC
i
Correntes no transistor
0
1 D T
Tmd LI i dtT
⋅= ∫
Corrente média
2
0
1 D T
Tef LI i dtT
⋅= ∫
Corrente eficaz
Tmd LI D I= ⋅
Tef LI D I= ⋅
Conversor CC-CC abaixador - Buck
Análise das grandezas envolvidas
VD
VCE
T
T1 T2
(E )
L
in
i L
i T i D i T
(E ) in
VC
0 T1 T
VC
i
Correntes no diodo
1 T
Dmd LD TI i dt
T ⋅= ∫
Corrente média
21 T
Tef LD TI i dt
T ⋅= ∫
Corrente eficaz
( )1Tmd LI D I= − ⋅
1Tef LI D I= − ⋅
Conversor CC-CC abaixador - Buck
Filtro de saída (freqüência de ressonância):
D
S a
b
+
-
iV
oL
oVoC oR
12o
o o
FL Cπ
=⋅ 10
soFF ≤
Conversor CC-CC abaixador - Buck
Principais formas de onda (circuito simulado):
Conversor CC-CC abaixador - Buck
Principais formas de onda (transitório de partida):
Conversor CC-CC abaixador - Buck
Principais formas de onda (regime permanente):
Conversor CC-CC abaixador - Buck
Etapas de operação - MCD
iT
L
+
-
Vin
T
D
iL
C RL+
-
iR
V
+
-
out
T
L
+
-
Ein D
iL
CRL
+
-
VCE+ -
V
+
-
out
Formas de onda
T
L
+
-
Ein D CRL
+
-
VCE+ -
V
+
-
out
TD·T
LI
S1 S2
2
2o
i
V DV Dγ
=+
Ganho estático
2
in
L IoV T
γ ⋅ ⋅=⋅
Conversor CC-CC abaixador - Buck
Etapas de operação – Condução Critica
iT
L
+
-
Vin
T
D
iL
C RL+
-
iR
V
+
-
out
T
L
+
-
Ein D
iL
CRL
+
-
VCE+ -
V
+
-
out
Formas de onda
TD·T
LI
S1 S2
2
2o
i
V DV Dγ
=+
Ganho estático
o
i
V DV
=
Conversor CC-CC abaixador - Buck
Conversor CC-CC abaixador - Buck
2
in
L IoV T
γ ⋅ ⋅=⋅
Condução contínua (MCC) e descontínua (DCM):
MCC
1a etapa 2a etapa
Conversor CC-CC abaixador - Buck
Condução contínua (MCC) e descontínua (DCM):
DCM
1a etapa 2a etapa 3a etapa
Conversor CC-CC abaixador - Buck
Condução contínua (MCC) para descontínua (DCM): • Diminuição da carga; • Indutor do filtro de saída muito baixo; • Alteração da freqüência de comutação; • Alteração da tensão de entrada.
Conversor CC-CC abaixador - Buck
Filtro de entrada (corrente na fonte sem filtro):
Conversor CC-CC abaixador - Buck
Filtro de entrada (corrente na fonte com filtro):
Conversor CC-CC abaixador - Buck
Função do Filtro de entrada: • Reduzir a corrente pulsada na fonte Vi;
• Reduzir a interferência eletromagnéticas devido ao elevado conteúdo harmônico da corrente pulsada; • Evitar problemas com indutâncias parasitas em série com a fonte, pois no instante de abertura da chave pode produzir sobre tensões destrutivas aos semicondutores.
Conversor CC-CC abaixador - Buck
PWM alta freqüência
Controle através de modulação PWM
Conversor CC-CC abaixador - Buck
• Perdas em comutação: • Transistor; • Recuperação reversa do diodo.
• Perdas em condução: • Semicondutores (Transistor e Diodo); • Resistência dos componentes (indutor e capacitor
• Perdas dos elementos magnéticos (núcleo).
Análise de Rendimento: Perdas Associadas ao conversor
Conversor CC-CC abaixador - Buck
iT
L
+
-
Vin C
V
Vo
T
iD+
-
iL
VC
iC
RL
iR
Vout
+
-
+
-
• Para calcular as perdas do componentes, primeiramente calcula-se as corrente médias e eficazes que circulam pelos mesmos.
Conversor Forward – Buck isolado
+
-Vin
DDT
1D L
RC
DNPN SN
VP VS
2D
V1
L
Vout
VF+ -
Conversor Forward – Buck isolado
+
-Vin
DDT
1D L
RC
DNPN SN
VP VS
2D
V1
L
Vout
VF+ -
• Derivado do conversor Buck, com adição do transformador e de outro diodo no circuito de saída;
• É quase sempre empregado no modo de condução contínua,
uma vez que nesta condição os picos de correntes no primário e no secundário são menores. Assim com a variação na tensão de saída;
• Existe uma pequena energia magnetizante que circula pelo núcleo, que deve ser retirada a cada ciclo. Por isso a necessidade de um enrolamento auxiliar no transformador.
Etapas de operação – MCC
+
-Vin
DDT
1D L
RC
VP VS
2D
i
1
L
Vout
L
iT
DNPN SN
inP VV =
PP
SS V
NNV =
+
-Vin
T
1D L
C
M iL
iT
iM
Vin RL
Visto pelo primário
Primeira Etapa
Conversor Forward – Buck isolado
Etapas de operação – MCC
Segunda Etapa
+
-Vin
DDT
1D L
RC2D
i
L
L
iT iMVCE
+
-
DNPN SN
Conversor Forward – Buck isolado
Vi/n-Vo
VLo
TsDTs-Vo
(1 )
0 0
1 1s sDT D Ti
o os s
V V dt V dtT n T
−⎛ ⎞−⎜ ⎟⎝ ⎠∫ ∫
o
i
n V DV⋅ =
'o oV n V= ⋅
'o
i
V DV
=
Análise da tensão no indutor
+
-Vin
DDT
1D L
RC
DNPN SN
VP VS
2D
V1
L
Vout
VF+ -
Segunda Etapa (D2) Primeira Etapa (D1)
Conversor Forward – Buck isolado
Ganho Estático
Ganho estático em função da razão cíclica:
0 0,25 0,5 0,75 10
0,25
0,5
0,75
1
D
Vo'/Vi
Conversor Forward – Buck isolado
Esforço de Corrente no Interruptor: Primeira Etapa
P
SLL NNii =
tMVi in
M =
P
SL
P
SLMLMT N
NiNNiiiii ≈+=+=
+
-Vin
T
1D L
C
M iL
iT
iM
Vin RL
Conversor Forward – Buck isolado
+
-Vin
DDT
1D L
RC
DNPN SN
VP VS
2D
V1
L
Vout
VF+ -
Formas de onda
VCE
T
T1
T2
i Ti L
(V ) in
TD
iM(I )M
I M +
V inV in +NPND
in2D1inP VTNTVN =
2D1P TNTN =
1D1
NN
maxD
P −=max
in
D
PinmaxCE D
VNN1VV =⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=
Conversor Forward – Buck isolado
Conversor Forward com 2 transistores
TR
+
- V
i
CE22D
E2
VP
C
i
L
LR
1
TR2
1D
E2
+
-
+
-
TR1NP
VS
NS
NS
3D
4D
Va
L
Vout
Conversor meia-ponte
Primeira Etapa
TRE2
i
1
1D
+
-3D
4D
L
E2
+
-
+
-
+
-
C
i
L
LR
NP
3D
4D
L
Segunda Etapa
Etapas de operação – MCC
Conversor meia-ponte
Etapas de operação – MCC
Terceira Etapa
C
i
L
LR
NP
3D
4D
L
Quarta Etapa +
- 2D
C
i
L
LR
TR2
E2
3D
4D
L
+
-
+
-
+
-
Conversor meia-ponte
VP
T
T1
2T
L
Vout
i
VCE
VC
i
in
TR1
TR2
VNSNP.
Va
E2
iL
TR1
E
E/2
Formas de onda
Conversor meia-ponte
6D
5D
C
L
LR
RT1D
inV
1 RT 3
RT 2 RT 4
3D
2D 4D
C
Conversor ponte completa
6D
5D
C
L
LR
RT1D
inV
1 RT 3
RT 2 RT 4
3D
2D 4D
C
Conversor ponte completa
• Aplicações de maior potência quando comparado ao conversor meia ponte; • Possui maior número de semicondutores, mas são submetidos a Menores esforços de tensão e corrente; • Razão cíclica limitada a 0,5;
• Não existe a necessidade de inclusão de um circuito para desmagnetizar núcleo.
Conversor ponte completa:
6D
5D
C
L
LR
RT1D
inV
1 RT 3
RT 2 RT 4
3D
2D 4D
C
Conversor ponte completa
6D
5D
C
L
LR
RT1D
inV
1 RT 3
RT 2 RT 4
3D
2D 4D
C
Conversor ponte completa
6D
5D
C
L
LR
RT1D
inV
1 RT 3
RT 2 RT 4
3D
2D 4D
C
Conversor ponte completa e meia ponte Capacitor Série:
• Desigualdades nos tempos de comutação dos interruptores podem provocar o aparecimento de uma componente contínua na tensão e, Consequentemente, uma corrente contínua no primário; • Esta corrente pode provocar a saturação do núcleo do transformador e uma provável falha no conversor; • Desta maneira, emprega-se um capacitor em série para impedir a circulação de uma corrente com componente contínua;
• Deve-se empregar um capacitor de tensão adequada e de polipropileno, devido as baixas perdas em alta frequência.
Conversor Push-Pull
4D
3D
C
L
LR
inV
RT 1 RT 21D 2D
SN
SNPNLi
1V
4D
3D
C
L
LR
inV
RT 1 RT 21D 2D
SN
SNPNLi
1V
V1
T
T1
T3
TR
(2V ) in
VCE1 (V ) in
2
TR1
Formas de onda
Conversor Push-Pull
DS a
b
-
+
iV oVoC oRoL
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Conversores CC-CC: • Conversor Buck-Boost e conversor Flyback.
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