Fontes primárias de Corrente Alternada (CA)

Transcrição

1 Sisemas de alimenação

2 Fones primárias de Correne Alernada (CA) Fones primárias uropéia Amer./Jap. Universal Aviação Frequência 50Hz 60, 50Hz 5060Hz 400Hz Tensão 220, 230V (175265V) 110, 100V (85135V) V (85265V) 115V (80165V)

3 Sisema de alimenação com reguladores lineares Poucos componenes. Robusos Não geram MI e RFI Pesados e volumosos Baixo rendimeno

4 Comparação enre fones lineares e chaveadas Chaveada Linear Relação Poência/Peso Relação Poência/Volume Ripple da ensão de saída MC 30 a 300W/kg 50 a 300W/l 1% Imporane 10 a 30W/kg 20 a 50W/l 0,1% Desprezíveis Rendimeno 65 a 90% 35 a 55%

5 Revisão dos conversores c.c./c.c Conversores sem isolameno elérico: 1. Buck 2. Boos 3. BuckBoos Conversores com isolameno elérico: 1. Flyback 2.Duplo Flyback 3. Forward 4.Duplo Forward

6 Revisão de Fundamenos de Circuios Como calcular a relação enre as variáveis eléricas? Vamos recordar as propriedades dos induores e capaciores em circuios eléricos em regime permanene: A ensão média em induor é nula. A correne média em um capacior é nula. Circuio em regime permanene v L = 0 i C = 0 Caso conrario, a correne no induor e a ensão no capacior cresceriam indefinidamene (não esaríamos em regime permanene).

7 Revisão de Fundamenos de Circuios Na forma de onda da ensão em um induor a soma dos produos vols segundos = 0 Circuio em regime permanene v L = 0 Áreas iguais v L Comando d T T

8 1. Análise do conversor Buck Modo de condução conínuo Hipóeses: A ensão de saída Vo é consane durane um ciclo de chaveameno. A correne no induor é sempre maior que zero. Comando i S i S = V O i S i D V O Durane D T i D = V O i D d T T Durane (1D) T

9 2. Análise do conversor Buck v L i O i C R Tensão média nula no induor ( V O ) D T V O (1D) T = 0 V O Correne média nula no capacior v O = D Comando v L D T V O T V O I O I L = I O = V O /R

10 3. Análise do conversor Buck i S v S v D i D R i O v O Tensões máximas V S max = V D max = Aplicação do balanço de poências I S = I O V O / I S = I O D Correne média no diodo I D = I L I S I D = I O ( (1D) i S i D D T T I D I S

11 4. Análise do conversor Buck O conversor buck pode ser viso como um ransformador de correne conínua i s i O V O = D 1 : D R v O I O = I s /D Transformador ideal de correne coninua

12 1. Análise do conversor Boos Modo de condução conínuo i D i S v O Balanço vols segundos D T ( V O ) (1D) T = Tensões máximas V S max = V D max = V O = = 0 V O = /(1D) = /(1D)

13 2. Análise do conversor Boos i D i O Comando i S R v O I L Correne média por diodo I D = I O = V O /R i S I S Balanço de poência I L = I O V O / I L = I O /(1D) Correne media no ransisor I L = I D I S I s = I O.D/(1D) i D D T T I D

14 O curocircuio e sobrecarga no conversor Boos R se caminho de circulação de correne não pode ser inerrompido auando sobre o ransisor. O conversor não pode ser proegido desa forma.

15 1. Análise do conversor BuckBoos Modo de condução conínuo v S v L v D R v O Balanço vols segundos D T V O (1D) T = 0 V Tensões máximas V S max = V D max = V O = V O = D/(1D) = /(1D)

16 2. Análise do conversor BuckBoos i S i D Balanço de poência I S = I O V O / I O Correne média por diodo I D = I O = V O /R R I S = I O D/(1D) Correne media no induor v O I L = I D I S I L = I O /(1D) Comando i S i D D T T I D I S I L

17 O modo de conduçãoo nos rês conversores básicos (I) (somene um induor e um diodo) Conversor com induor e diodo I L = I O (buck) I L = I O /(1D) (boos e buckboos) i O O valor médio de dependee de I O : R v O Comando D T T I L

18 O modo de conduçãoo nos rês conversores básicos (II) R 1 I L Ao variar I O varía o valor médio de Ao variar I O não varíam as derivadas de (dependem de e de V O ) R 2 > R 1 I L Modo de condução conínuo R cri > R 2 I L Modo de condução críico

19 O modo de conduçãoo nos rês conversores básicos (III) R cri I L O que aconece se R > R cri? il R 3 > R cri I L Modo conínuo R 3 > R cri I L Modo desconínuo

20 Faores que originam o modo de condução desconínuo do conversor: Diminuição do valor do induor. Diminuição chaveameno. da freqüência de Aumeno do valor do resisor de carga (diminuição do valor médio da correnee no induor).

21 Modo desconínuo de condução Comando I L xisem 3 esados disinos: Condução do ransisor (D T) Condução do diodo (D T) Transisor e diodo bloqueados (1DD ) T i D I D xemplo v L D T D T T V O (D T) V O V O V V O O (D T) (1DD ) T

22 Relação de ransformação no modo desconinuo (p.e. buckboos) max i D max I L (D T) V O = L max /(D T) v L D T D T T V O I D (D T) V O V O = L max /(D T) I D = max D /2 I D = V O /R Relação de ransformação M=V O / : M =D/(k) 1/2, sendo: k =2 L / (R T)

23 Froneira enre modos de condução (buckboos) Relação ransformação modo desconinuo, M: M = D / (k) 1/2, sendo: k = 2 L / (R T) Relação ransformação modo coninuo, N: R cri N = D / (1D) Na froneira: M = N, R = R cri, k = k cri k cri = (1D) 2 Modo conínuo: k > k cri Modo desconínuo: k < k cri

24 xensão a ouros conversores M = Buck N = D k D 2 k cri = (1D) k cri max = 1 M = k cr k cr Boos 1 N = 1D D2 k 2 ri = D(1D) 2 ri max = 4/27 Buck Boos D N = 1D M = D k k cri = (1D) 2 k cri max = 1

25 1. Incorporação do isolameno galvânico ao conversor buckboos Muio fácil incorporar o isolameno galvânico

26 2. Incorporação do isolameno galvânico ao conversor buckboos Conversor Flyback O induor e o ransformador podem ser inegrados em um único disposiivo magnéico. se disposiivo magnéico se calcula como um induor, e não como um ransformador. Deve armazenar energia. Normalmene em enreferro

27 Análise do conversor Flyback Modo de condução conínuo Soma dos produos (vols/espiras) segundos = 0 D T /n 1 (1D) T V O /n 2 = 0 V O = (n 2 /n 1 ) D/(1D) vd Máximas ensões V S max = V O n 1 /n 2 = /(1D) n 1 n 2 v O V D m max = n 2 /n 1 V O = (n 2 /n 1 ) /(1D) v S

28 Conversor Duplo Flyback S 1 D 2 D 3 D 1 S 2 n 1 : n 2 V O V O = (n 2 /n 1 ) d/(1d) (em m.c. D max = 0.5 V S1 max = v S2 max = V D1 max = v D2 max = V D3 max = (n 2 /n 1 ) /(1D).) Dois ransisores Baixas ensões nos semiconduores

29 Incorporação do isolameno galvânico ao conversor Boos Não é possivel inco galvânico com um único ransisor Com vários ransisores em correne orporar o isolameno pones alimenadas

30 1. Incorporação do isolameno galvânico ao conversor buck L m Não pode ser feio porque o ransformador não pode ser desmagneizado

31 2. Incorporação do isolameno galvânico ao conversor buck D 2 L m D 1 Não pode ser feio porque o ransformador é desmagneizado insananeamene (sobreensão infinia).

32 3. Incorporação do isolameno galvânico ao conversor buck L m sa é a solução Dipolo de ensão consane

33 Operação em regime permanene de um elemeno magnéico com dois enrolamenos Circuio em regime permanene v 1 v 2 n 1 : n 2 Se se excia o elemeno magnéico com ondas quadradas: Lei de Faraday: v i = n i dφ/d Φ = Φ B Φ A = (v i /n i ) d soma dos produos (vols/espiras) segundos = 0 B A m regime permanene: ( Φ Φ) em um período =0 Logo: (v i /n i ) = 0

34 Operação em regime permanene de um elemeno magnéico com vários enrolamenos: exemplo Φ Φ max n 1 V V 1 v i /n i V 1 /n 1 n 2 V 2 D 1 T D 2 T T V 2 /n 2 Soma dos produos (vols/espiras) segundos = 0 (/n 1 ) D 1 T (V 2 /n 2 ) D 2 T = 0 D 2 = D 1 n 2 /(n 1 V 2 ) Para assegurar a desmagneização: D 2 < 1 D 1

35 1. O conversor Forward V 1 n 1 Desmagneização baseada na ensão de enrada V 1 = V 2 = n 2 V 2 Levando em cona: D = D n 2 /n 1 D < 1 D obemos: D < n 1 /(n 1 n 2 ) D max = n 1 n 1 /(n 1 n 2 ) n 2

36 2. O conversor Forward v D2 n 1 v S n 2 :n 3 v D1 V O D max = n 1 /(n 1 n 2 ) V S max = n 1 /n 2 = /(1D max x) V D1 max = n 3 /n 1 V D2 max = n 3 /n V O = D n 3 /n 1 2 (modo conínuo) n 3 /n V O Durane D T V O Durane (1D) T

37 3. O conversor Forward i D3 i D2 i O i D2 i O n 1 n 2 :n 3 i S i D1 V O i D1 i S I D2 = I O D I D1 = I O (1D) I m = T D 2 /(2 L m ) (ref. ao p I S = I O D n 3 /n 1 I m I D3 primário) 3 = I m i D2 n 3 /n 1 i D3 D T Comando D T T

38 Variação de Φ Φ max n 1 v S n 2 :n 3 Φ v D2 Φ max v D1 V O v i /n i /n 1 mínimo Φ Φ max /n 2 v i /n i /n 1 /n 2 Tensão alimenação mínima v i /n i /n 1 /n 2 máximo

39 xisem ouras formas de desmagneizar o ransformador? V C Φ Φ max Snubber RCD v i /n i /n 1 V C /n 1 L m L d Baixo rendimeno Inegração de componene parasias Úil para reificador sincrono auoexc.

40 Ouras formas de desmagneizar o ransformador: Desmagneização ressonane v T (Resonan rese) v T L m L d Pequena variação de Inegração de componenes parasias Úil para reificador sincrono auoexc.

41 Ouras formas de desmagneizar o ransformado V C L m V C = D/ /(1D) or: Snubber aivo (Acive clamp) Φ v i /n i /n 1 V C /n 1 L d Dois ransisores Inegração de componenes parasias Úil para reificador sincrono auoexc. Fluxo médio nulo

42 Ouras formas de desmagn. o ransf.: Conversor Forward com dois ransisores D 2 S 1 D 4 S 2 n 1 : n 2 D 3 V O Φ Φ max D D max = 0.5 V O = D n 2 /n 1 (en modo con V S1 max = V S2 max = V D1 max = V D2 max = V D3 max = V D4 max = n 2 /n 1 inuo) v i/n i /n 1 Dois ransisores Tensão máxima no ransisor igual a /n 1

43 Fone com múliplas saídas: Uma saída conrolando o chaveameno do ransisor e as ouras com regulador linear Posreguladores lineares ficiene Caro Complexo

44 Fones com múliplas saídas baseados em um único conversor (regulação cruzada) Regulase apenas uma saída As ouras ficam parcialmene reguladas Imporane: a impedância parasia associada a cada saída deve ser a menor possível

45 Os conversores flyback e forward com regulação cruzada Funciona bem se o ransformador esiver bem feio Pior: 1.Presença do induor de filro. 2.Os modos de condução de cada saída podem ser diferenes.

46 Melhorando a regulação cruzada em o conversorr forward n 2 n 4 n 1 n 3 Os dois enrolamenos operam no mesmo modo de condução Condição de projeo: n 1 / n 2 = n 3 / n 4

47 Revisão dos conversores c.c./c.a./c.c. Conversores com isolameno elérico: 1. PushPull 2.Meia Pone 3.Pone Complea

48 1. Conversor PushPull Re. com ransf. ap cenral Conv. cc/cc pushpull Re. em pone Conv. cc/cc pushpull Re. com dois induores Conv. cc/cc pushpull

49 2. Conversor PushPull Conversor forward Conversor forward B B B H B H Conversor pushpull

50 3. Conversor PushPull n 1 : n 2 n 1 n 2 n 1 n 2 L V O n 2 /n 1 Circuio equivalene quando conduz S 1 : L V O S 2 S 1 Circuio equivalene quando conduz S 2 : O que aconece quando nenhum dos ransisores conduz? n 2 /n 1 L V O

51 4. Conversor PushPull 1 D 1 L V O Conduzem ambos diodos a ensão no ransformador é zero As correnes 1 e 1 devem ser ais que: D = 1 2 = m (sec. rans.) Circuio equivalene quando não conduzem nem S 1 nem S 2 : L V O

52 5. Tensões no conversor pushpull S 2 n 1 n 2 n 1 n 2 S 1 v S2 D 1 v S1 vd2 vd1 D 2 v D L V O D max = 0.5 Comando S 1 S 2 v S1 2 v S2 2 v D n 2 /n 1 A ensão v D é a mesma que em um conv. forward com uma razão cíclica 2 D V O = 2 D n 2 /n 1 (en modo coninuo) v smax = 2 v D1max = v D2max = 2 n 2 /n 1 v D1 v D2 d T 2 n 2 /n 1 T 2 n 2 /n 1

53 6. Correnes no conversor pushpull n 1 : n 2 i D1 i O Comando S 1 S 2 i S2 n 1 n 1 n 2 n 2 S 2 S 1 D 1 i S1 D 2 i D2 L V O D max = 0.5 i S1 i S2 i D1 Correnes médias: I S1 = I S2 = I O D (n 2 /n 1 ) I D1 = I D2 = I O /2 i D2 d T T

54 7. Conversor PushPull n 1 V O B i S2 S 2 S 1 i S1 n 1 B H No conrole por modo ensão podese saurar o ransformador por assimerías na duração dos empos de condução dos ransisores Ideal uilizarse o conrole por modo correne

55 1. Conversor em Meia Pone ( half bridge ) /2 S 2 S 1 n 2 n 1 n 2 v S2 D 1 D 2 v S1 vd2 vd1 L v D /2 D m V O max = 0.5 Comando S 1 S 2 v S1 v S2 v D 0.5 n 2 /n 1 A ensão v D é a meade daquelaa que ocorre no conversor pushpull V O = D n 2 /n 1 (modo conínuo) v D1 v D2 2. n 2 /n 1 2. n 2 /n 1 v smax = v D1max = v D2max = 2. n 2 /n 1 d T T

56 2. Correnes no Conversor em Meia Pone /2 S 2 S 1 i S2 D 1 n 1 n 2 i D1 n 2 D 2 i S1 2 /2 D L D max = 0.5 i O V O Comando S 1 S 2 i S1 i S2 i D2 i D1 Correnes médias: I S1 = I S2 = I O D (n 2 /n 1 ) I D1 = I D2 = I O /2 i D2 d T T

57 1. O Conversor em Pone Complea ( full bridge ) S 1 S 2 S 3 S 4 v S3 D 1 n 1 n 2 n 2 D 2 v S4 vd2 vd1 L v D V O D max = 0.5 A ensão v D é igual aquela do conversor pushpull V O = 2 D n 2 /n 1 (modo conínuo) v smax = v D1max = v D2max = 2 n 2 /n 1 Comando S 1, S 4 S 2, S 3 v S1, v S4 v S2, v S3 v D n 2 /n 1 v D1 v D2 d T 2 n 2 /n 1 T 2 n 2 /n 1

58 2. Correnes no conversor em Pone Complea i D1 i O S 1, S 4 S 2, S 3 Comando S 1 S 2 i S3 S 3 n 1 n 2 D 1 n 2 S 4 i S4 D 2 L V O D max = 0.5 i S1, i S4 i S2, i S3 i D2 i D1 Correnes médias: I S3 = I S4 = I O D (n 2 /n 1 ) I D1 = I D2 = I O /2 i D2 d T T

59 Problemas de sauração do ransformador do conversor em pone complea No conrole por modo ensão podese saurar o ransformador por assimerías na duração dos empos de condução dos ransisores Soluções: Colocar um capacior em série C S Usar conrole por modo correne S 1 S 3 C S V O S 2 S 4

60 Conversores com Barrameno ipo Fone de Correne Conversor c.c./c.c. Push Pull alimenado em correne Conversor c.c./c.c. em pone alimenado em correne

61 1. Conversor pushpull alimenado em correne n 1 S 1 n 1 n 2 S 2 n 2 vd1 Comando de S 1 V O Comando de S 2 D min = 0.5 v S2 vd2 v S1 2 V O n 1 /n 2 v S2 2 V O n 1 /n 2 v D1 2 V O Conduzem S 1 e S 2 V O n 1 /n 2 S 1 esá bloqueado S 2 esá bloqueado V O n 1 /n 2 v D2 V O d T 2 V O VO T

62 2. Conversor pushpull alimenado em correne Conduzem S 1 e S 2 V O n 1 /n 2 S 1 bloqueado Conduzem S 1 e S 2 V O n 1 /n 2 S 2 bloqueado dura 1 dura 2 d T Aplicando o balanço V O = (n 2 /n 1 )/2(1D) dura 1 dura 2 vols segundos (modo conínuo) (1d) T

63 3. Correnes no pushpull alimenado em correne i S1 S 1 i D1 n 1 n 1 n 2 S 2 i S2 n 2 i O D min n = 0.5 Comando de S 1 Comando de S 2 i D2 i S1 I S1 = I S2 = I O (n 2 /n 1 )/4(1D) I D1 = I D2 = I O /2 i S2 d T i D1 T i D2

64 Conversores alimenados em ensão vs. alimenados em correne Buck n 1 n 1 n 2 V O V O = D n 2 V O Modificações D 1D 1D D V O V O n 1 n 2 n 2 n 1 Boos n 1 V O V O = /(1D) n 1 n 2 n 2 V O Pushpull alimenado em ensão V O = 2 D n 2 /n 1 Pushpull alimenado em correne V O = (n 2 /n 1 )/2(1D)

65 Problema do desligameno do conversor pushpull alimenado em correne S 1 S 2 Temos que garanir que o fluxo no induor não se anule quando são bloqueados S 1 e S 2 no momeno de desligameno do conversor

66 Ouro modo de desmagneizar o induor de enrada Desmagneização em direção a enrada Desmagneização em direção a saída

67 A pone complea alimenada em correne Desmagneização em direção a enrada Se compora como un pushpull alimenado em correne, exceo a ensão máxima no ransisor (que é V o* ) Desmagneização em direção a saída

68 Reificador em pone na saída Pushpull alimenad do em correne Pone complea alimenada em correne

69 Como devem ser as correnes na enrada e na saída de um conversor? nrada i 1 i 2 Saída d 1d i 1 i 2 Siuação ideal i 1 i 2 Siuação ideal 1 : N

70 Correne de enradaa em cada conversor i 1 i 2 i 1 i 2 desconínua Buck conínua i 1 i 2 i 1 conínua Boos i 2 desconínua i 1 i 2 i 1 i 2 desconínua Buckboos desconínua

71 Filrando a correne desconínua de um conversor Buck Boos BuckBoos

72 Conversores reversíveis V 1 V 2 < V 1 Fluxo de poência Reduor / elevador V 1 V 2 Fluxo de poência Red.elev. / Red.elev.

73 Reificador síncrono m conversores com ensão de saída baixa ( 1,2 a 5V) e correnes muio elevadas (> >20A), a queda de ensão no diodo reificador, vis a vis da ensão de saída, é elevada e orna difícil o conrole da ensão de saída. A queda de ensão de um diodo PIN é da ordem de 1,0V enquano que a do diodo Schoky é de 0,5V. Solução: Reificador síncrono apresena queda de ensão inferior a 0,1V

74 Reificador Síncrono Pora Fone Curo circuio n p p n n Dreno Diodo parasia O ransisor MosFe é uilizado como diodo, graças a pequena r dson

75 Reificador Síncrono auoexciado (V saida < 5V) Reificação convencional Reificação síncrona

76 Reificador Síncrono auoexciado (V saida < 5V) Reificadores de meia onda Reificação convencional Reificação síncrona

77 Conversor Meia Pone assimérico (1D) D D 1D Meia pone com conrole complemenar (1D) D D 1D