Eletrônica Analógica e de Potência

Transcrição

1 Eletrônica Analógica e de Potência Conversores CC-CC Prof.: Welbert Rodrigues

2 Introdução Em certas aplicações é necessário transformar uma tensão contínua em outra com amplitude regulada; Em sistemas CA a elevação ou redução da tensão é facilmente realizada através de um transformador. Em sistemas CC a situação é diferente, e requer o uso de Conversores Estáticos de Potência; Welbert Rodrigues 2

3 Introdução Conversores CC-CC: convertem uma tensão contínua em outra tensão contínua com valor controlado. Esses Conversores podem ser: 1) Não isolados: não apresentam isolação elétrica entre a entrada e a saída. 2) Isolados: apresentam isolação elétrica entre a entrada e a saída, normalmente através de transformadores; Welbert Rodrigues 3

4 Introdução Não-Isolados: I) Buck (abaixador) II) Boost (elevador) III) Buck-Boost Isolados I) Flyback II) Forward III) Push-pull IV) Half bridge V) Full bridge Welbert Rodrigues 4

5 Introdução São formados por dispositivos semicondutores e elementos passivos; Os interruptores normalmente operam em elevada freqüência; E filtros passa-baixas são utilizados para retirar os componentes harmônicos gerados pelas comutações; Welbert Rodrigues 5

6 Introdução Os conversores CC-CC têm sido usados em diversas aplicações, entre elas: fontes para computadores, equipamentos de telecomunicações, em tração elétrica, carregadores de bateria, etc. Diagrama de Blocos de uma Fonte: Welbert Rodrigues 6

7 Introdução Para esse objetivo pode-se utilizar um circuito divisor de tensão: Welbert Rodrigues 7

8 Introdução Solução para o baixo rendimento: Regulador Linear Welbert Rodrigues 8

9 Introdução Filtrando a Tensão sobre a Carga V 0 Welbert Rodrigues 9

10 Introdução Pode-se utilizar como filtro um Capacitor? Welbert Rodrigues 10

11 Introdução Pode-se utilizar como filtro um Capacitor? Welbert Rodrigues 11

12 Introdução Pode-se utilizar como filtro um Capacitor? Welbert Rodrigues 12

13 Introdução Pode-se utilizar como filtro um LC? Welbert Rodrigues 13

14 Introdução Pode-se utilizar como filtro um LC? Welbert Rodrigues 14

15 Introdução A análise dos conversores CC-CC apresentados a seguir será em Regime Permanente: O valor médio da tensão nos indutores é NULO em um período de comutação; O valor médio da corrente nos capacitores é NULO em um período de comutação; Welbert Rodrigues 15

16 Geração do Pulso da Chave Modulação por Largura de Pulso (PWM) T on A relação D = T é denominada de razão cíclica ou ciclo de trabalho (Duty Cycle) Welbert Rodrigues 16

17 Geração do Pulso da Chave O sinal de PWM é obtido, de modo analógico, pela comparação de um sinal de controle (modulante) com uma onda periódica (portadora), por exemplo, uma onda dente de serra : Welbert Rodrigues 17

18 Conversor Buck (Abaixador) Este diodo é chamado de diodo de roda livre; Welbert Rodrigues 18

19 Conversor Buck (Abaixador) A análise do circuito pode ser feita em duas etapas: 1º Etapa (0 < t < t on ) Chave Ligada; 2º Etapa (t on < t < T) Chave Desligada; Welbert Rodrigues 19

20 Conversor Buck (Abaixador) 1º Etapa (0 < t < t on ) Chave Ligada; Welbert Rodrigues 20

21 Conversor Buck (Abaixador) 2º Etapa (t on < t < T) Chave Desligada; Welbert Rodrigues 21

22 Conversor Buck (Abaixador) Formas de Onda Welbert Rodrigues 22

23 Conversor Buck (Abaixador) Em regime permanente: A tensão média no indutor é nula; A corrente média no capacitor é nula. Welbert Rodrigues 23

24 Conversor Buck (Abaixador) Cálculo da relação entre as tensões de entrada e saída; Welbert Rodrigues 24

25 Conversor Buck (Abaixador) Cálculo da relação entre as tensões de entrada e saída; Corrente média nula no capacitor: Welbert Rodrigues 25

26 Conversor Buck (Abaixador) O Buck pode operar em dois modos: => Modo de Condução Contínuo (MCC); => Modo de Condução Descontínuo (MCD); Essa classificação se refere à corrente no indutor; Se ela não se anula nunca, então dizemos que o conversor trabalha no MCC; Welbert Rodrigues 26

27 Conversor Buck (Abaixador) Por outro lado, se a corrente no indutor se anular durante um período de chaveamento dizemos que o conversor trabalha em modo descontínuo; Welbert Rodrigues 27

28 Conversor Buck (Abaixador) Configurações do Circuito para Condução Descontínua; Welbert Rodrigues 28

29 Conversor Buck (Abaixador) Cálculo de L e C; Welbert Rodrigues 29

30 Conversor Buck (Abaixador) Ao final da 1º etapa (t = t on ) i L =i max. A ondulação máxima acontece para D = 0,5; Welbert Rodrigues 30

31 Conversor Buck (Abaixador) Cálculo da Indutância crítica, ou seja, o valor mínimo do indutor que garanta a condução contínua; I = I min 0 Vin.(1 D). D 2. L. f I min = 0 L crit = (1 D). R 2. f Welbert Rodrigues 31

32 Conversor Buck (Abaixador) Cálculo do Capacitor: pode ser definido a partir da variação da tensão admitida, lembrando-se que enquanto a corrente pelo indutor for maior que Io (corrente na carga, suposta constante) o capacitor se carrega e, quando for menor, o capacitor se descarrega, levando a uma variação de tensão Vo. Welbert Rodrigues 32

33 Conversor Buck (Abaixador) C I T L Q. = V Q = C = Vin.(1 D). D 8. L. V. f 0 2 C = V 0.(1 D) 8. L. V. f 0 2 Welbert Rodrigues 33

34 Conversor Buck (Abaixador) Evolução à condição crítica de condução (ao modo descontinuo) se: Welbert Rodrigues 34

35 Conversor Boost (Elevador) O circuito abaixo mostra o circuito do conversor boost; Neste conversor a tensão de saída é maior do que a tensão de entrada; Welbert Rodrigues 35

36 Conversor Boost (Elevador) O Boost também possui os dois modos de operação: Modo de Condução Contínua; Modo de Condução Descontínua; Esses modos de operação também estão relacionados com a corrente do indutor; Se ela não se anula nunca, então dizemos que o conversor trabalha no MCC, caso Welbert Rodrigues 36

37 Conversor Boost (Elevador) A análise do circuito pode ser feita em duas etapas: 1º Etapa (0 < t < t on ) Chave Ligada; 2º Etapa (t on < t < T) Chave Desligada; Welbert Rodrigues 37

38 Conversor Boost (Elevador) Na primeira etapa a chave está conduzindo e o diodo fica reversamente polarizado (pois Vo>E); Então o indutor é carregado com a energia da fonte; E o capacitor é quem fornece corrente pra carga; Welbert Rodrigues 38

39 Conversor Boost (Elevador) Na segunda etapa a chave está bloqueada e o diodo entra em condução; Então a fonte e o indutor fornecem energia à saída. A tensão na carga aumenta; Welbert Rodrigues 39

40 Conversor Boost (Elevador) As duas etapas de operação; Welbert Rodrigues 40

41 Conversor Boost (Elevador) Em regime permanente a tensão média no indutor é nula; V. t + ( V V ). t g on g 0 off T = 0 V 0 V g = 1 D Welbert Rodrigues 41

42 Conversor Boost (Elevador) Cálculo da variação (ripple) da corrente no indutor; Welbert Rodrigues 42

43 Conversor Boost (Elevador) Ao final da 1ª etapa (t = ton) I L = I max : V I I t L in max = min +. on Tem-se que a ripple da corrente é dada por: I = V. D in L. f Welbert Rodrigues 43

44 Conversor Boost (Elevador) Outra maneira de encontrar essa expressão; Na subida: V in = L I max Na descida: t on I min I VL = L t V V = L in 0 I min t I off max Vin. D I = L. f Welbert Rodrigues 44

45 Conversor Boost (Elevador) Cálculo da indutância crítica, ou seja, o menor valor do indutor que garanta a condução contínua; I min = I L I 0 2 = I in V. D in 2. L. f crit P in 0 V. I = V. I I in in = in P I0 = 1 D 0 0 L crit 2 Vin. D = 2. f. P 0 L crit = R. D.(1 D) 2. f 2 Welbert Rodrigues 45

46 Conversor Boost (Elevador) Cálculo do valor do capacitor; A variação de tensão do capacitor ocorre na 1º etapa, pois ele está sendo descarregado pela ação da corrente de carga (Io); V c Ic = C I0 = C t V t on 0 C = I. D f 0 C = V0 0. Vin. D f. V.(1 D). R Welbert Rodrigues 46