Introdução aos Conversores CC-CC
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- Leila Carrilho Carneiro
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1 INIUO E ELERÔNICA E POÊNCIA epartamento de Engenhara Elétrca Centro ecnológco UNIERIAE FEERAL E ANA CAARINA Introdução ao Converore CCCC Reponável pelo Etudo: Clóv Antôno Petry (INEP/EEL UFC) Orentador: Prof. Ivo Barb, r. Ing. (INEP/EEL UFC) Agoto/2 Caxa Potal 59, CEP: Floranópol C el. : (48) Fax: (48) Internet:
2 2 Índce ÍNICE... 2 INROUÇÃO FUNAMENO OBRE CONERORE CCCC CONEROR BUCK CONEROR BOO CONEROR BUCKBOO CONEROR FLYBACK (BUCKBOO IOLAO)... 7 CONEROR FORWAR (BUCK IOLAO) OPERAÇÃO EM MALHA FECHAA CONCLUÃO... 7 BIBLIOGRAFIA... 7
3 3 Introdução Nete trabalho apreentame o prncpa converore CCCC, com o objetvo de ntroduzr o etudante da dcplna de no etudo do converore CCCC, bem como do prncpa fundamento teórco envolvdo na concepção e anále dete converore. 2 Fundamento obre converore CCCC Converore CCCC ão tema formado por emcondutore de potênca operando como nterruptore, e por elemento pavo, normalmente ndutore e capactore que tem por função controlar o fluxo de potênca de uma fonte de entrada para uma fonte de aída. Na Fgura motrae o dagrama elétrco e a forma de onda da tenão de aída de um converor CCCC báco. o Ro o on Fgura Converor CCCC e forma de onda da tenão de aída. O ntervalo de comutação é defndo como: = F F é a freqüênca de comutação. Eta freqüênca tende a er a ma alta poível, dmnundo am o volume do elemento magnétco e capactvo do converor. A razão entre o ntervalo de comutação ( ) e o ntervalo de condução do nterruptor ( on ) é defndo por razão cíclca e dada por: = on A tenão méda na aída dete converor é calculada por: on on o = dt =
4 4 Uando = teme: on o = A relação entre a tenão de aída e a tenão de entrada é defnda por ganho etátco do converor e dada então por: = o Pelo gráfco motrado na Fgura 2 podee notar que a varação da tenão de aída com a razão cíclca é lnear.,75 o/,5,25,25,5,75 Fgura 2 Ganho etátco em função de. O na de comando do nterruptor podem er gerado com freqüênca de comutação fxa ou varável. Uma forma de gerar o na de comando com freqüênca fxa é atravé de modulação por largura de pulo (PWM). Na Fgura 3 motrae uma forma mple de realzar PWM. r Gerador de Rampa CC c g c on on Fgura 3 Exemplo de um crcuto PWM.
5 5 3 Converor Buck O converor Buck é um converor abaxador de tenão, caracterzado por ter entrada em tenão e aída em corrente. Na Fgura 4 motrae o dagrama elétrco do converor Buck. a Lo Co Ro o b Fgura 4 Converor Buck. A etapa de funconamento do converor Buck ão decrta a egur. a Etapa (, ): etá conduzndo. A corrente crcula por L o e pela aída. Neta etapa fornece energa para a aída e para a magnetzação do ndutor L o. 2 a Etapa (, () ): etá bloqueado. No ntante de abertura de o dodo entra em condução. A energa do ndutor é tranferda para a carga, to é, o ndutor é demagnetzado. A forma de onda da tenão ab é motrada na Fgura 5. ab Fgura 5 enão ab. Como a tenão méda obre o ndutor deve er nula, então: o = o = ab _ med = dt Na Fgura 6 motrae a varação da tenão de aída em função da razão cíclca para o converor Buck.
6 6,75 o/,5,25,25,5,75 Fgura 6 Ganho etátco em função de. A prncpa forma de onda do converor Buck ão motrada na Fgura 7. Lo o o ILo Io Co Fgura 7 Prncpa forma de onda do converor Buck. O converor Buck pode operar em trê modo de operação: º Condução Contínua: a corrente em L o não e anula durante um período de comutação; 2º Condução econtínua: a corrente em L o e anula a cada período de comutação; 3º Condução Crítca: a corrente em L o etá no lmar de e anular a cada período de comutação. A prncpa caracterítca do converor Buck ão: Pode apena dmnur a tenão na aída; A corrente de aída tem boa qualdade; A corrente na entrada é decontínua. Quetão: O converor Buck pode operar em carga??
7 7 4 Converor Boot O converor Boot é um converor elevador de tenão, caracterzado por ter entrada em corrente e aída em tenão. Na Fgura 8 motrae o dagrama elétrco do converor Boot. L Co Ro o Fgura 8 Converor Boot. A etapa de funconamento do converor Boot ão decrta a egur. a Etapa (, ): etá conduzndo. O ndutor L é magnetzado. A fonte fornece energa ao ndutor. 2 a Etapa (, () ): etá bloqueado. O dodo entra em condução. A fonte e o ndutor L fornecem energa à aída. A tenão na carga aumenta. A forma de onda da tenão obre o ndutor é motrada na Fgura 9. L (o) Fgura 9 enão obre o ndutor. Como a tenão méda obre o ndutor deve er nula, então: o dt = ( ) = ( ) o dt Na Fgura motrae a varação da tenão de aída em função da razão cíclca para o converor Boot.
8 8 75 o/ 5 25,25,5,75 Fgura Ganho etátco em função de. A prncpa forma de onda do converor Boot ão motrada na Fgura 7. Lo o o ILo Io Co Fgura Prncpa forma de onda do converor Boot. A prncpa caracterítca do converor Boot ão: Pode apena aumentar a tenão na aída; A corrente de aída é decontínua; A corrente na entrada tem boa qualdade. Quetão: O converor Boot pode operar em carga??
9 9 5 Converor BuckBoot O converor BuckBoot é um converor que pode operar como abaxador ou elevador de tenão, caracterzado por ter entrada em tenão e aída em tenão. Na Fgura 2 motrae o dagrama elétrco do converor BuckBoot. L Co Ro o Fgura 2 Converor BuckBoot. A etapa de funconamento do converor BuckBoot ão decrta a egur. a Etapa (, ): etá conduzndo. A fonte fornece energa para a magnetzação do ndutor L. 2 a Etapa (, () ): etá bloqueado. A energa do ndutor L é tranferda atravé do dodo para a aída. O ndutor L é demagnetzado. A forma de onda da tenão obre o ndutor é motrada na Fgura 3. L o Fgura 3 enão no ndutor. Como a tenão méda obre o ndutor deve er nula, então: o dt = ( ) = dt o Na Fgura 4 motrae a varação da tenão de aída em função da razão cíclca para o converor BuckBoot.
10 7,5 o/ 5 2,5,25,5,75 Fgura 4 Ganho etátco em função de. A prncpa forma de onda do converor BuckBoot ão motrada na Fgura 5. Lo ILo o Io ICo Co o o (o) Fgura 5 Prncpa forma de onda do converor BuckBoot. A prncpa caracterítca do converor BuckBoot ão: É um converor à acumulação de energa; Pode operar como elevador ou abaxador; A corrente de aída é decontínua; A corrente na entrada é decontínua. Quetão: O converor BuckBoot pode operar em carga??
11 6 Converor Flyback (BuckBoot olado) O converor Flyback é um converor dêntco ao converor BuckBoot, ma que apreenta olação galvânca entre a tenão de entrada e de aída. Na Fgura 6 motrae o dagrama elétrco do converor Flyback, bem como a eqüênca de pao para obter o converor Flyback do converor BuckBoot. BUCKBOO n:? L Co Ro Lpr Lec Co Ro? Qual a polardade do tranformador?? n: n: Lpr Lec Co Ro o Lpr Lec Co Ro o Fgura 6 Converor Flyback. A etapa de funconamento do converor Flyback ão decrta a egur. a Etapa (, ): etá conduzndo. A fonte fornece energa para a magnetzação do enrolamento prmáro do tranformador. O dodo etá reveramente polarzado. 2 a Etapa (, () ): etá bloqueado. A energa armazenada no tranformador é levada para a aída atravé do dodo. A forma de onda da tenão no prmáro do tranformador é motrada na Fgura 3. pr no Fgura 7 enão no prmáro. Como a tenão méda obre enrolamento prmáro do tranformador deve er nula, então: dt = ( ) n dt o
12 2 n o = Chamando ' n o = o teme: o ' = A tenão o é a tenão de aída referda ao lado prmáro. Na Fgura 8 motrae a varação da tenão de aída em função da razão cíclca para o converor Flyback. 7,5 o'/ 5 2,5,25,5,75 Fgura 8 Ganho etátco em função de. A vantagem do uo de um tranformador pode er vlumbrada atravé de um exemplo. uponhamo um converor BuckBoot com tenão de entrada de e tenão deejada na aída de 2. A razão cíclca nomnal era: o = 2 = 2 n = o,7 Eta razão cíclca é batante baxa para operação em malha fechada. Uando um tranformador, ou eja, um converor Flyback no lugar do converor BuckBoot podee ecolher a razão cíclca nomnal e em eguda adaptar a tenõe atravé da relação de tranformação. Ecolhendo então uma razão cíclca nomnal de,3 teríae: n n =,3 =,3 ' o = n ' o 42,86 = = = 3,57 o 2 42,86 A prncpa forma de onda do converor Flyback ão motrada na Fgura 9.
13 3 pr ec no o /n Ipr Iec no (/no) Fgura 9 Prncpa forma de onda do converor Flyback. A prncpa caracterítca do converor Flyback ão: É um converor à acumulação de energa; A aída é olada da entrada; Permte ajutar a razão cíclca de operação atravé da relação de tranformação; Poblta uar vára aída; Pode operar como elevador ou abaxador; A corrente de aída é decontínua; A corrente na entrada é decontínua. Quetão: O converor Flyback pode operar em carga??
14 4 7 Converor Forward (Buck olado) O converor Forward é um converor dêntco ao converor Buck, ma que apreenta olação galvânca entre a tenão de entrada e de aída. Na Fgura 2 motrae o dagrama elétrco do converor Forward, bem como a eqüênca de pao para obter o converor Forward do converor Buck. BUCK Lo Lo Co Ro Lpr Lec Co Ro Como elmnar a energa armazenada devdo à magnetzante?? Lde Lo Lde Lo Lpr Lec Co Ro Lpr Lec Co Ro empre tera corrente no enrolamento de demagnetzação!! de No ecundáro crculara uma corrente por!! Lde 2 Lo Lde 2 Lo Lpr Lec 3 Co Ro Lpr Lec 3 Co Ro o Fgura 2 Converor Forward. A etapa de funconamento do converor Forward ão decrta a egur. a Etapa (, ): etá conduzndo. A fonte fornece energa para a carga atravé do tranformador. O dodo 2 conduz e e 3 etão bloqueado. 2 a Etapa (, () ): etá bloqueado. O dodo 3 conduz a corrente da carga. O tranformador é demagnetzado atravé dodo, eta energa é devolvda para a fonte. A forma de onda da tenão no ndutor é motrada na Fgura 2. Lo /no o Fgura 2 enão no ndutor.
15 5 Como a tenão méda obre o ndutor deve er nula, então: ( ) o dt = o n n o = Chamando ' o = ' n o = o teme: dt A tenão o é a tenão de aída referda ao lado prmáro. Na Fgura 22 motrae a varação da tenão de aída em função da razão cíclca para o converor Forward.,75 o'/,5,25,25,5,75 Fgura 22 Ganho etátco em função de. A prncpa forma de onda do converor Forward ão motrada na Fgura 23. No ntante x a demagnetzação do tranformador etá completa. A prncpa caracterítca do converor Forward ão: É um converor de tranferênca dreta de energa; A aída é olada da entrada; Permte ajutar a razão cíclca de operação atravé da relação de tranformação; Poblta uar vára aída; Pode operar como abaxador, devdo apena à razão cíclca; A corrente de aída é de boa qualdade; A corrente na entrada é decontínua. Quetão: O converor Forward pode operar em carga??
16 6 pr ec de /n /n Ipr Iec Ide x Fgura 23 Prncpa forma de onda do converor Forward. 8 Operação em malha fechada Para manter a tenão de aída, ou corrente de aída, no valor deejado e ndependente da varaçõe do componente, da tenão de entrada e da carga, é neceáro operar o converor em malha fechada. Operar em malha fechada gnfca ajutar a razão cíclca para obter a tenão correta na aída empre que ocorrer alguma varação que poa devar a tenão de aída do valor correto, por exemplo, varação da carga. Na Fgura 24 motrae o converor Buck operando em malha fechada atravé da modulação por largura de pulo (PWM). O compenador deve er etudado conforme a aplcação e conforme a caracterítca de deempenho eperada do tema. Lo Co Ro o R R4 C2 R2 ref R3 g Fgura 24 Exemplo de converor em malha fechada.
17 7 9 Concluão Nete trabalho apreentarame o prncpa converore, como uma ntrodução ao etudo de converore CCCC. A etapa de funconamento, prncpa forma de onda, ganho etátco e prncpa caracterítca foram dcutdo. Para o converore olado motroue também a eqüênca de pao motrando a orgem da topologa. Apreentoue também o prncípo de funconamento de um tema em malha fechada. Bblografa [] BARBI, Ivo & MARIN, enzar Cruz. Converore CCCC Báco Não Iolado. Edção do Autore, Floranópol, C Bral, 2. [2] MELLO, Luz F. Perera de. Anále e Projeto de Fonte Chaveada. Edtora Érca, ão Paulo, P Bral, 976.
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