Fontes Chaveadas. José Antenor Pomilio

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Departamento de Sistemas e Controle de Energia Fontes Chaveadas José Antenor Pomilio Publicação FEE 13/95 Revisão Janeiro de 2004

2 Apresentação O texto que se segue foi elaborado em função da disciplina "Fontes Chaveadas", ministrada nos cursos de pós-graduação em Engenharia Elétrica na Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Estadual de Campinas. Este é um material que deve sofrer constantes atualizações, em função da constante evolução tecnológica na área da Eletrônica de Potência, além do que, o próprio texto pode ainda conter eventuais erros, para os quais pedimos a colaboração dos estudantes e profissionais que fizerem uso do mesmo, no sentido de enviarem ao autor uma comunicação sobre as falhas detectadas. Os resultados experimentais incluídos no texto referem-se a trabalhos executados pelo autor, juntamente com estudantes e outros pesquisadores e foram motivo de publicações em congressos e revistas, conforme indicado nas referências bibliográficas. Textos semelhantes foram produzidos referentes às disciplinas de "Fontes de Alimentação com Correção de Fator de Potência" e "Eletrônica de Potência" (I e II). Campinas, 30 de Janeiro de 2004 José Antenor Pomilio José Antenor Pomilio é Engenheiro Eletricista, Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP (1983, 1986 e 1991, respectivamente). É professor titular junto à Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da UNICAMP, onde trabalha desde Participou do Grupo de Eletrônica de Potência do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (CNPq) entre 1988 e 1993, sendo chefe do Grupo entre 1988 e Realizou estágios de pós-doutoramento junto ao Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Pádua, em 1993/94 e junto ao Depto de Eng. Mecânica e Industrial da Terceira Universidade de Roma, ambas na Itália. Foi membro do Comitê de Administração da IEEE Power Electronics Society de 1998 a 2002, editor da revista Eletrônica de Potência (SOBRAEP), de 1999 a 2000, presidente da Sociedade Brasileira de Eletrônica de Potência em Atualmente é Editor Associado da IEEE Trans. on Power Electronics e de Controle & Automação (SBA).

3 Conteúdo 1. COMPONENTES SEMICONDUTORES RÁPIDOS DE POTÊNCIA 1.1 Diodos de Potência. 1.2 Diodos Schottky 1.3 Transistor Bipolar de Potência (TBP) Princípio de funcionamento Limites de tensão Área de Operação Segura (AOS) Região de quase-saturação Ganho de corrente Características de chaveamento Circuitos amaciadores (ou de ajuda à comutação) - snubber Conexão Darlington Métodos de redução dos tempos de chaveamento 1.4 MOSFET Princípio de funcionamento (canal N) Área de Operação Segura Característica de chaveamento - carga indutiva 1.5 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Princípio de funcionamento Característica de chaveamento 1.6 Alguns Critérios de Seleção 2. TÉCNICAS DE MODULAÇÃO EM FONTES CHAVEADAS 2.1 Modulação por Largura de Pulso - MLP (PWM) Espectro Harmônico de Sinal MLP 2.2 Modulação em freqüência - MF 2.3 Modulação MLP com freqüência de portadora variável 2.4 Modulação por limites de corrente - MLC (Histerese) 2.5 Outras técnicas de modulação Controle One-cycle Controle de carga Modulação Delta 2.6 Referências bibliográficas

4 3. TOPOLOGIAS BÁSICAS DE FONTES CHAVEADAS 3.1 Conversor abaixador de tensão (step-down ou buck): Vo<E 3.1.1Modo contínuo Modo descontínuo Dimensionamento de L e de C 3.2 Conversor elevador de tensão (step-up ou boost): Vo>E Modo contínuo Modo descontínuo Dimensionamento de L e de C 3.3 Conversor abaixador-elevador (buck-boost) Modo contínuo (no indutor) Modo descontínuo Cálculo de L e de C 3.4 Conversor Cuk Dimensionamento de C Dimensionamento de L Cálculo de L Cálculo de C (capacitor de saída) 3.5 Conversor SEPIC 3.6 Conversor Zeta 3.7 Conversores com isolação Conversor Cuk Conversor fly-back (derivado do abaixador-elevador) Conversor forward (derivado do abaixador de tensão) Conversor push-pull Conversor em meia-ponte Conversor em ponte completa 3.8 Consideração sobre a máxima tensão de saída no conversor elevador de tensão 4. CONVERSORES RESSONANTES 4.1 Conversor ressonante com carga em série (SLR) Modo de operação descontínuo, ω s <ω o / Modos de operação contínuo para ω o /2<ω s <ω o Modo de operação contínuo para ω s >ω o 4.2 Conversor ressonante com carga em paralelo (PLR)

5 4.2.1 Modo de operação descontínuo, ω s <ω o / Modo de operação contínuo para ω o /2<ω s <ω o Modos de operação contínuo para ω s >ω o 4.3 Conversor ressonante com carga em paralelo, com saída capacitiva 4.4 Alterações nas topologias dos conversores ressonantes Limitação da sobre-tensão Controle por MLP 4.5 Fonte Ressonante de Tensão em Regime Pulsado Topologia Análise do circuito ressonante Análise do circuito alimentando o retificador Comutação suave do inversor Resultados Experimentais 4.6 Referências Bibliográficas 5. CONVERSORES QUASE-RESSONANTES 5.1 Conversores operando com ZCS Conversor de meia-onda Conversor de onda completa 5.2 Conversor operando com ZVS Conversor ZVS com limitação da sobre-tensão 5.3 Comparação entre ZCS e ZVS 5.4 Introdução de controle por MLP Conversor ZCS-MLP Conversor ZVS-MLP 5.5 Referências Bibliográficas 6. OUTRAS TOPOLOGIAS COM COMUTAÇÃO NÃO-DISSIPATIVA 6.1 Inversor pseudo-ressonante 6.2 Conversor ressonante single-ended 6.3 Conversor semi-ressonante 6.4 Características desejáveis de topologias com comutação suave 6.5 Conversor ZVS Quase-onda-quadrada, MLP (ZVS-QSC-MLP) 6.6 Conversores MLP com transição sob tensão nula (ZVT) 6.7 Conversores MLP com transição sob corrente nula (ZCT) 6.8 Exemplos de outros circuitos de auxílio à comutação

6 6.8.1 Fonte de corrente com alto fator de potência, baseado em conversor Cuk A comutação Resultados experimentais Fonte de Tensão com comutação suave utilizando conversor com capacitor flutuante Conversor Cuk com capacitor flutuante operando em CCM Comutação suave e isolação Resultados experimentais 6.9 Referências Bibliográficas 7. COMPONENTES PASSIVOS PARA FONTES CHAVEADAS 7.1 Capacitores Tecnologias de capacitores para fontes chaveadas Capacitores eletrolíticos Capacitores de filme plástico metalizado Super Capacitores 7.2 Componentes magnéticos Histerese, saturação e fluxo residual Modelo para um transformador A posição dos enrolamentos Regulação Cruzada Perdas nos elementos magnéticos Perdas no núcleo Perdas nos enrolamentos 7.3 Referências Bibliográficas 8. CONTROLE DE FONTES CHAVEADAS 8.1 Conversor tipo fly-back no modo tensão (condução descontínua) O compensador 8.2 Fly-back no modo contínuo 8.3 Conversor tipo seguidor de tensão (forward) O compensador 8.4 Conversor Boost 8.5 Controle feed-forward 8.6 Controle no modo corrente

7 9. MODELAMENTO DE FONTES CHAVEADAS NO ESPAÇO DE ESTADO E SÍNTESE DE COMPENSADORES 9.1 Linearização do estágio de potência, incluindo o filtro de saída, usando valores médios das variáveis de estado para obter vo(s)/d(s) 9.2 Exemplo Função de transferência δ(s)/v c (S) de um modulador MLP a partir de onda dente de serra 9.4 Projeto de compensador usando o fator K Definição dos tipos de compensadores Síntese de controlador Exemplo Exemplo Referências Bibliográficas 10.ESTUDO DE CONVERSORES UTILIZANDO MODELO DA CHAVE PWM 10.1 Propriedades invariantes das chaves PWM 10.2 Modelo CC da chave PWM 10.3 Modelo CA da.chave PWM 10.4 Efeito das perdas em condução e do tempo de armazenamento sobre o modelo da chave PWM 10.5 Análise do conversor abaixador de tensão Análise CC Determinação de vo(s)/vi(s) Cálculo de υ c (s)/ (s) Cálculo de Z in (impedância dinâmica de entrada) Cálculo de Z out (impedância dinâmica de saída) 10.6 Referências Bibliográficas 11. CIRCUITOS INTEGRADOS DEDICADOS AO ACIONAMENTO E CONTROLE DE FONTES CHAVEADAS Técnicas de isolação de sistemas com reguladores chaveados 11.2 TL UC1840

8 11.4 UC1524A 11.5 UC GP MC Referências bibliográficas 12. CARACTERIZAÇÃO DE FONTES CHAVEADAS 12.1 Requisitos de qualidade na alimentação de equipamentos sensíveis 12.2 Tempo de sustentação da tensão de saída (Hold-up) 12.3 Regulação de linha 12.4 Regulação de carga 12.5 Resposta dinâmica à variação de carga 12.6 Teste de isolação 12.7 Interferência Eletromagnética (IEM) IEM irradiada IEM conduzida pela rede 12.8 Referências Bibliográficas Associe-se à Sociedade Brasileira de Eletrônica de Potência:

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