Prof. Amauri Assef. UTFPR Campus Curitiba 1

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1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA Disciplina de Eletrônica de Potência ET66B Aula 21 Conversores CC-CC, CC, Conversor Buck 1

2 Eletrônica de Potência Conversores CC-CC Principais funções dos conversores estáticos CC-CC ChoppersCC(CC-CC) CA-CC retificador CC-CA inversor CA-CA gradador/cicloconversor 2

3 Eletrônica de Potência Conversores CC-CC Descrição funcional e definições O conversor CC-CC pode ser conceituado como um sistema, formado por semicondutores de potência operando como interruptores, e por elementos passivos, normalmente indutores e capacitores, que tem por função controlar o fluxo de potência da fonte de entrada (E 1 ) para a fonte de saída (E 2 ) Variável de controle do sistema: D = razão cíclica ou ciclo de trabalho (duty cycle) 0 D 1 3

4 Eletrônica de Potência Conversores CC-CC Na representação simplificada de um conversor CC-CC A fonte de tensão contínua E 1 funciona como uma fonte de energia e E 2 funciona como uma carga Em algumas aplicações práticas a carga pode ser constituída Resistor Motor de corrente contínua Banco de baterias Dispositivo de soldagem elétrica a arco Outro conversor estático E 1 I 1 CONVERSOR I 2 E 2 CC-CC 4

5 Eletrônica de Potência Conversores CC-CC No modelo ideal de conversor, as perdas internas são nulas e a potência entregue à carga é igual a potência cedida pela fonte E 1 P 1 P 2 E I 1 = E1I1 = E I 1 = 2 E 2 2 I 2 O ganho estático é definido por: E G = E 2 1 É necessário o emprego de algum dispositivo que seja capaz de "dosar" a quantidade de energia transferida 5

6 Eletrônica de Potência Conversores CC-CC Atuador linear queda de tensão proporcional à sua impedância Inconveniente a perda de energia sobre a resistência série Utilização de chaves maneira mais eficiente e simples de manobrar valores elevados de potência 6

7 Eletrônica de Potência Conversores CC-CC Vantagens: Rendimento prático: 70% a 98% Controle do fluxo de energia elétrica, com elevada eficiência Como uma chave ideal apresenta apenas os estados de condução (quando a tensão sobre ela é nula) e de bloqueio (quando a corrente por ela é nula), não existe dissipação de potência sobre ela, garantindo a eficiência energética do arranjo Na maior parte dos casos, a frequência de comutação da chave é muito maior do que a constante de tempo da carga 7

8 Eletrônica de Potência Conversores CC-CC Classificação dos conversores CC-CC não isolados Quanto a topologia e ganho estático Conversor Buck Boost Buck-boost Cúk Sepic Zeta Buck abaixador (step-down) Boost elevador (step-up) Ganho estático D ( 1 ) ( 1 D) ( 1 D) ( 1 D) ( 1 D) 1/ D D / D / D / D / D < 0,5 Vo< Vi (buck buck) D > 0,5 Vo> Vi (boost boost) 8

9 Eletrônica de Potência Conversores CC-CC 9

10 Eletrônica de Potência Conversores CC-CC Exercício: Considerando uma chave ideal S abrindo e fechando periodicamente, com frequência f, e com razão cíclica D: a) Determinar as expressões dos valores médio e eficaz da tensão da carga b) Determinar a expressão da potência transferida a carga c) Determinar os valores de tensão e corrente médias na chave S d) Demonstrar que a potência dissipada na chave é igual a zero. V R (t) V 1 V 1 DT T 10

11 Eletrônica de Potência Modulação PWM Modulação PWM (Pulse Width Modulation) Em Modulação por Largura de Pulso opera-se com frequência constante, variando-se o tempo em que o interruptor permanece conduzindo Onda portadora (dente de serra) Onda moduladora 11

12 Eletrônica de Potência Modulação PWM O sinal de comando é obtido, geralmente, pela comparação de um sinal de controle (modulante) com uma onda periódica (portadora) como, por exemplo, uma "dente-de-serra Para que a relação entre o sinal de controle e a tensão média de saída seja linear, como desejado, a portadora deve apresentar uma variação linear e, além disso, a sua frequência deve ser, pelo menos, 10 vezes maior do que a modulante fácil filtrar o valor médio do sinal modulado, recuperando, sobre a carga, uma tensão contínua proporcional à tensão de controle (vc). 12

13 Eletrônica de Potência Modulação PWM Exemplo: Sinal PWM com portadora triangular produzindo sinal de 2 níveis 13

14 Eletrônica de Potência Modulação PWM Exemplo: Formas de onda de tensão com modulação PWM de 2 e de 3 níveis 14

15 Eletrônica de Potência Modulação PWM Tempo morto (dead-time): Os interruptores nunca podem conduzir ao mesmo tempo Devido aos tempos distintos para acionar e bloquear os interruptores, por questões de segurança, existe um período, chamado de tempo morto, em que o sinal de comando das duas chaves está em nível baixo (chave aberta) Q1 Sinais de controle Q2 Tempo morto 15

16 Eletrônica de Potência Modulação PWM CIs comerciais para geração dos sinais PWM: Simplificação dos circuitos eletrônicos de modulação e controle Inclusão de diversas funções importantes Ajuste de tempo morto (dead-time control) Partida suave (soft start) Limitadores de corrente Compensadores Exemplo: uc3525 Microcontroladores, DSCse DSPs

17 Eletrônica de Potência Buck Conversor CC-CC abaixador de tensão - Buck: Produz um valor médio de tensão na saída < médio da tensão de entrada Corrente média de saída > corrente média de entrada Teoricamente, possibilita uma variação da tensão de média na carga desde zero até o valor da tensão de alimentação I R V R (t) E Tensão na carga tc ta T 17

18 Eletrônica de Potência Buck Se a chave S fechar e abrir periodicamente, o valor médioé: V Rmed 1 T 1 = vr T 0 T 0 tc T tc ( t) dt = Edt = E onde: tc tempo em que a chave S permanece conduzindo ta tempo em que a chave S permanece aberta T = tc + ta = 1/f período de chaveamento Definindo a razão cíclica D (duty cycle): D = tc T Obtém-se: V Rmed = D E I R 18

19 Eletrônica de Potência Buck Potência de entrada: P P E E 1 = T 1 = T T v 0 R tc 2 E 0 R ( t) i ( t) R dt 2 E dt = D R 1 = T T v 0 R ( t) R 2 dt A potência transferida à carga pode der controlada por D A tensão média na carga varia de zero à E O controle da tensão média na carga é realizado através da razão cíclica D Para tc= 0 (chave permanentemente aberta) D = 0 Para tc= T (chave permanentemente fechada) D = 1 I R 19

20 Eletrônica de Potência Buck Princípio de funcionamento com carga RLE: i E i o i D i E I o =I E Etapa 1 Etapa 2 i E = 0 I o =I D i D = 0 i D 20

21 Eletrônica de Potência Buck Equações: Etapa 1 Etapa 2 E = R i 0 = R i D E di + L dt did + L dt E + E + E c c Soluções das equações: Etapa 1 Etapa 2 i i E D = = I I m M e e t τ t τ + ( E Ec) Ec R R 1 e 1 e t τ t τ Onde: I M é o valor máximoda corrente de carga I m é o valor mínimoda corrente de carga τ = L R 21

22 Eletrônica de Potência Buck Formas de onda: I M Valor máximo de i o I m Valor mínimo de i o tc tempo S conduzindo ta tempo S aberta 22

23 Eletrônica de Potência Buck Formas de onda: Controle da tensão Voem função da razão cíclica D, mantendo a frequência de de chaveamento constante 23

24 Eletrônica de Potência Buck Condução contínua e descontínua: DCM Discontinuous conduction mode Se a corrente de carga i o se anular antes que o tempo ta seja esgotado, a corrente é descontínua CCM Contínuous conduction mode Se a corrente de carga i o não se anular antes que o tempo ta seja esgotado, a corrente é contínua CCM DCM 24

25 Eletrônica de Potência Buck Exemplo de formas de onda com condução contínua e descontínua: 25

26 Eletrônica de Potência Buck Referências bibliográficas: - BARBI, Ivo. & MARTINS DenizarCruz. Conversores CC-CC Básicos Não-Isolados, 1ª edição, UFSC, MUHAMMAD, Rashid Eletrônica de Potência; Editora: Makron Books, ERICKSON, Robert W.; MAKSIMOVIC, Dragan. Fundamentals of power electronics. New York: KluwerAcademic, MOHAN, Ned; UNDELAND, Tore M.; ROBBINS, William P. Power electronics: converters, applications, and design, New York: John Wiley, AHMED, Ashfaq. Eletrônica de Potência; Editora: Prentice Hall, 1a edição, José A. Pomilio, Eletrônica de Potência, UNICAMP. Disponível em: < 26