Eletrônica de Potência Conversores CC-CC Prof. Alessandro Batschauer
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- Fábio Estrela Barreiro
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1 Eletrônica de Ptência Cnversres CC-CC Prf. Alessandr Batschauer Prf. Jandersn Duarte 1
2 ntrduçã Em certas aplicações é necessári transfrmar uma tensã cntínua em utra cm amplitude regulada; Em sistemas CA a elevaçã u reduçã da tensã é facilmente realizada através de um transfrmadr. Em sistemas CC a situaçã é diferente, e requer us de cnversres estátics de ptência; Cnversres CC-CC: cnvertem uma tensã cntínua em utra tensã cntínua cm valr cntrlad. Nã islads: nã apresentam islaçã elétrica entre a entrada e a saída. slads: apresentam islaçã elétrica entre a entrada e a saída, nrmalmente através de transfrmadres em alta freqüência. 2
3 ntrduçã E 1 Cnversr CC-CC E 2 Frmad pr dispsitivs semicndutres e elements passivs; Cntrla flux de energia elétrica entre E 1 e E 2. Os terruptres nrmalmente peram em elevada freqüência e filtrs passa-baixas sã utilizads para retirar s cmpnentes harmônics gerads pelas cmutações; Os cnversres CC-CC têm sid usads em diversas aplicações, entre elas: fntes para cmputadres, equipaments de telecmunicações, em traçã elétrica, carregadres de bateria, etc. 3
4 ntrduçã Divisr de tensã eguladr lear 1 S 1 P P BAXA EFCÊNCA 4
5 ntrduçã A análise ds cnversres CC-CC apresentads a seguir será em EGME PEMANENTE O valr médi da tensã ns dutres é NUO em um períd de cmutaçã O valr médi da crrente ns capacitres é NUO em um períd de cmutaçã 5
6 Cnversres CC-CC Nã slads Buck (abaixadr) Bst (elevadr) Buck-bst (abaixadr-elevadr) Cnversres em pnte eversível em crrente eversível em tensã e crrente 6
7 Cnversr abaixadr (buck): Carga resistiva Carga E Cnduçã cntínua Cnduçã descntínua Cm filtr C na saída Cnduçã cntínua Cnduçã descntínua Cm filtr C na entrada e na saída 7
8 Cnversr abaixadr (buck): Carga resistiva Uma alternativa para reduzir a tensã de saída, cm elevada eficiência, é a utilizaçã de um cnversr CC-CC em alta freqüência O terruptr S pera cm um períd de cmutaçã T, send que permanece fechad (cnduzd) durante terval t n e abert (blquead) durante terval t ff. g: T t t n ff f 1 T 8
9 Cnversr abaixadr (buck): Carga resistiva A relaçã entre temp de cnduçã d terruptr (t n ) e períd de cmutaçã (T) é defida cm razã cíclica (duty cycle) d terruptr. Entã: D t n T Dessa frma, a razã cíclica pde assumir valres entre 0 e 1. 9
10 Cnversr abaixadr (buck): Carga resistiva Cm resultad da peraçã d terruptr S, a tensã de saída é recrtada, caracterizada pela presença de durante t n e ausência de durante t ff. O valr médi da tensã de saída ( ) é dad pr: 1 tn 0 dt D T 1 tn 2 ( MS ) 0 dt T ( rms ) D O valr médi da tensã de saída depende da tensã de entrada e da razã cíclica. Uma vez defida a tensã de entrada, a tensã de saída desse cnversr é dependente exclusivamente da razã cíclica. 10
11 Cnversr abaixadr (buck): Carga resistiva Outr term empregad é ganh estátic d cnversr, que é relaçã entre valr médi da tensã de saída e valr médi da tensã de entrada d cnversr. M Quand M < 1, cnversr é chamad de abaixadr; Quand M > 1, cnversr é chamad de elevadr. 1 GANHO ESTÁTCO CONESO BUCK M D M D 11
12 Cnversr abaixadr (buck): Filtr C na saída Fntes chaveadas O cnjunt filtr C + carga se cmprta cm uma carga E (u cm uma carga E cm resistência desprezível) Para efeits de análise vams assumir que a tensã de entrada e a tensã de saída sã cnstantes, u seja, nã apresentam nenhuma ndulaçã. Dis mds de peraçã, de acrd cm a crrente n dutr Cnduçã cntínua Cnduçã descntínua i S i i D + D C _ 12
13 Cnversr abaixadr (buck): Filtr C na saída: Cnd. cntínua 1ª ETAPA 0 t t n 2ª ETAPA t n t T (0 t t ff ) i S D i i D + C i S D i i D + C di did 0 dt dt i t m id max t 13
14 Cnversr abaixadr (buck): Filtr C na saída: Cnd. cntínua FOMAS DE ONDA 14
15 Cnversr abaixadr (buck): Filtr C na saída: Cnd. cntínua TENSÃO MÉDA, COENTE MÉDA E POTÊNCA ATA NA CAGA Tensã média Em regime permanente, valr médi da tensã n dutr é nul: DT 1 D T 0 D Crrente média Ptência ativa P COENTES MÉDA E EFCAZ NO NTEUPTO E NO DODO Crrente média n terruptr s D Crrente média n did D 1D Crrente eficaz n terruptr** s( MS ) D Crrente eficaz n did** ( ) 1D D MS ** Equações válidas para pequenas ndulações de crrente ( < 30% ) 15
16 Cnversr abaixadr (buck): Filtr C na saída: Cnd. cntínua ONDUAÇÃO DE COENTE NO NDUTO A fal da 1ª etapa (t = t n ) i = max : max m tn max m 1 D D f DETEMNAÇÃO DO AO DO NDUTO 1 D D f max Cnsiderand cnstante e uma ampla faixa de variaçã de razã cíclica, a ndulaçã máxima acntece para D = 0,5. g: 4f max 16
17 CÁCUO DA NDUTÂNCA CÍTCA Para verificar se cnversr está em cnduçã cntínua deve-se saber valr mínim da crrente n dutr: Cnversr abaixadr (buck): Filtr C na saída: Cnd. cntínua m _ médi 2 m crit 2 1 D D 2f m 1 D D 2f Assim, pde-se determar valr mínim de dutr que garante a cnduçã cntínua, fazend-se a crrente mínima igual a zer (cnduçã crítica): cnstante crit 1 D 2f cnstante 17
18 Cnversr abaixadr (buck): Filtr C na saída: Cnd. cntínua DETEMNAÇÃO DO AO DO CAPACTO A ndulaçã da tensã n capacitr c é igual à ndulaçã da tensã de saída. Cm dutr e capacitr atuam cm filtr, pel capacitr circula a alta freqüência e pela carga a baixa freqüência da crrente de saída. Assim, pde-se determar valr d capacitr através de: C 1 D D 8 f 2 18
19 Cnversr abaixadr (buck): Filtr C na saída: Cnd. descntínua i i + Se valr d dutr é menr que CT cnversr buck pera em cnduçã descntínua. i D S D C i + S i D D C i i _ + S i D D C i 19
20 Cnversr abaixadr (buck): Filtr C na saída: Cnd. descntínua GANHO ESTÁTCO EM CONDUÇÃO DESCONTÍNUA Em regime permanente, valr médi da tensã n dutr é nul: DT t 0 d DT DT t Além diss, em cnduçã descntínua a crrente média n dutr é: D (*) méd max tn td t D DT t Usand (*) e (**): t D 2T 2 D 2T D 2 D T 2 2 D (**) Ganh estátic em cnduçã descntínua 20
21 Cnversr abaixadr (buck): Filtr C na saída: Cnd. descntínua CAACTEÍSTCA DE SAÍDA egiã de cnduçã cntínua D = 1 D = 0,9 0.8 D = 0,7 egiã de cnduçã descntínua D = 0,5 D = 0,3 D = 0, T 21
22 Cnversr abaixadr (buck): Filtr C na saída: Cnd. descntínua COENTES MÉDA E EFCAZ NO NTEUPTO Crrente média n terruptr Crrente eficaz n terruptr 22
23 Cnversr abaixadr (buck): Filtr C na saída: Cnd. descntínua COENTES MÉDA E EFCAZ NO DODO Crrente média n did Crrente eficaz n did 23
24 Cnversr abaixadr (buck): Carga E Acament de mtres de crrente cntínua nclusã de um did de rda livre (free-wheelg dide) para frnecer um camh para a crrente n dutr quand terruptr fr blquead Pssui dis mds distts de peraçã, de acrd cm a crrente n dutr Cnduçã cntínua i S i Cnduçã descntínua + i D D E c _ 24
25 Cnversr abaixadr (buck): Carga E Cnduçã cntínua 1ª ETAPA 0 t t n 2ª ETAPA t n t T (0 t t ff ) i S i + i D i S i + i D D D E c di i E dt c t Ec i me 1 e t _ di id E dt 0 D t E c id maxe 1 e c E c t _ nde: 25
26 Cnversr abaixadr (buck): Carga E Cnduçã cntínua FOMAS DE ONDA 26
27 Cnversr abaixadr (buck): Carga E Cnduçã cntínua TENSÃO MÉDA, COENTE MÉDA E POTÊNCA ATA NA CAGA Tensã média D Crrente média E c Ptência ativa* P * álid para pequenas ndulações de crrente ( < 30% ) COENTES MÉDA E EFCAZ NO NTEUPTO E NO DODO Crrente média n terruptr s D Crrente média n did D 1D Crrente eficaz n terruptr** s( MS ) D Crrente eficaz n did** ( ) 1D D MS ** Equações válidas para pequenas ndulações de crrente ( < 30% ) 27
28 28 Cnversr abaixadr (buck): Carga E Cnduçã cntínua ONDUAÇÃO DE COENTE A fal da 1ª etapa (t = t n ), i = max : A fal da 2ª etapa (t = t ff ) i = m : max m DT DT T e e e max 1 1 DT c T e E e 1 m 1 DT T c T e e E e
29 Cnversr abaixadr (buck): Carga E Cnduçã cntínua ONDUAÇÃO DE COENTE Na mairia das aplicações a resistência é pequena em relaçã a ( >> T). Nesses cass, é pssível realizar aprximações de 1ª rdem: e e DT 1 DT 1DT 1 1 DT D1 D f Pnt de máxima ndulaçã cm cnstante: f D 0 D 0,5 max 4f D 29
30 Cnversr abaixadr (buck): Carga E Cnduçã descntínua i S i + i D D E c _ i S i + i D D E c _ i S i + i D D E c _ 30
31 Cnversr abaixadr (buck): Carga E Cnduçã descntínua TENSÃO MÉDA NA CAGA 1 n t T 0 n c T dt E dt t td Defd que: D cd t n t T d T tn td D Ec T D 1 D E cd c COENTE MÉDA NA CAGA E c D D E cd c 31
32 Cnversr abaixadr (buck): Carga E Cnduçã descntínua AZÃO CÍCCA DE CONDUÇÃO DESCONTÍNUA Na cnduçã descntínua tem-se que m = 0 em t = t d : E c max 1 e DT td E 0 maxe c 1 e t d DT Dcd ln 1 e D T E c Ec t d ln 1 Ec E c e DT 32
33 Cnversr abaixadr (buck): Carga E Cnduçã descntínua COENTES MÉDA E EFCAZ NO NTEUPTO Crrente média n terruptr s = 1 T DT 0 E (1 e t τ)dt Crrente eficaz n terruptr s(ms) = 1 T DT 0 E (1 e t τ) 2 dt 33
34 Cnversr abaixadr (buck): Carga E Cnduçã descntínua COENTES MÉDA E EFCAZ NO DODO Crrente média n did D = 1 T td DT max E (1 e(t DT) τ ) dt Crrente eficaz n did D(MS) = 1 T td max E (1 e(t DT) τ ) 2 dt DT 34
35 Cnversr abaixadr (buck): Carga E Cnduçã descntínua NDUTÂNCA CÍTCA Para cnduçã descntínua, a tensã média na carga nã depende apenas da razã cíclica D, mas também de D cd (funçã ds parâmetrs d cnversr); Para a grande mairia das aplicações práticas esta é uma situaçã desejável e que deve ser evitada, pis dificulta cntrle d sistema; Pr essa razã, md de cnduçã cntínua é usualmente empregad; Para iss, deve ser determada a mínima dutância que pssibilita essa peraçã para uma dada freqüência de cmutaçã. Tal dutância é denmada dutância crítica; Usualmente, a dutância crítica é calculada desprezand-se a resistência, trnand a taxa de variaçã de crrente lear. Assim, calcularems valr da dutância crítica psterirmente, a cluirms um filtr C na saída d cnversr. 35
36 Cnversr abaixadr (buck): Filtr C na entrada A crrente de entrada i, que alimenta cnversr, é pulsada. Este fat apresenta dis cnvenientes: Elevad cnteúd harmônic, prduzd terferências eletrmagnéticas Se huver dutância em série cm a fnte, mesm que seja parasita, n stante da abertura da chave serã prduzidas sbretensões que pdem ser destrutivas para s semicndutres de ptência Para crrigir estas dificuldades pde ser empregad um filtr C na entrada d cnversr i C i C S D i i D + C _ 36
37 Cnversr abaixadr (buck): Análise d rendiment i S i i D + D C _ Para realizar cálcul das perdas, primeiramente calculam-se as crrentes (médias e eficazes) ds elements cnsiderand peraçã ideal Perdas em cnduçã esistências parasitas Semicndutres (terruptr, did) Perdas nas cmutações nterruptr ecuperaçã reversa d did 37
38 Cnversr abaixadr (buck): Análise d rendiment: Cmutaçã P chav W W cff c n T 1 P f t t 2 chav d s c n c ff 38
39 Cnversr abaixadr (buck): Cálcul térmic Eletrônica de Ptência T T P j a da jc cd nde: T j Temperatura da junçã ( C) T a Temperatura ambiente ( C) P Ptência dissipada pels elements semicndutres (W) jc esistência térmica entre a junçã e encapsulament (case) ( C/W) cd esistência térmica entre encapsulament e dissipadr ( C/W) da esistência térmica entre dissipadr e ambiente ( C/W) 39
40 Bibligrafia v Barbi, Cnversres CC-CC Básics Nã slads. Muhammad H. ashid, Eletrônica de Ptência: Circuits, Dispsitivs e Aplicações.. W. Ericksn, D. Maksimvic, Fundamentals f Pwer Electrnics, Secnd edit. Jsé A. Pmili, Eletrônica de Ptência, UNCAMP. Dispnível em: < 40
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