Disciplina Eletrônica de Potência (ENGC48) Tema: Conversores de Corrente Contínua para Corrente Contínua Topologias Clássicas

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1 Universidade Federal da Bahia Escola Politécnica Departamento de Engenharia Elétrica Disciplina Eletrônica de Potência (ENGC48) Tema: Conversores de Corrente Contínua para Corrente Contínua Topologias Clássicas Eduardo Simas Aula 8

2 Sumário Introdução Conversores Abaixadores Conversores Elevadores Conversores Elevadores-Abaixadores Conversor Cúk Exercícios de Fixação 2/57

3 1. Introdução 3/57

4 Introdução Os conversores de corrente contínua (DC) para corrente contínua (DC) também são conhecidos como choppers. São utilizados para obter uma tensão DC Vona saída a partir de uma fonte DC Vsna entrada: Vs Conversor DC-DC Vo Podem ser classificados como: Abaixadores (step-down) se Vo < Vs Elevadores (step-up) se Vo > Vs Sist. de controle 4/57

5 Introdução São utilizados basicamente para: Obter uma tensão DC regulada (fixa) na saída a partir de uma tensão DC variável na entrada; Obter uma tensão DC ajustável na saída a partir de uma tensão DC regulada na entrada. Principais aplicações: Fornecimento de tensão DC regulada; Controle de máquinas de corrente contínua; Sistemas HVDC. 5/57

6 Tensão DC ajustável a partir de circuitos lineares: Limitados a Vo< Vs; Baixa eficiência (significativas perdas); Utilizados apenas em aplicações de baixa potência; Exemplo: Divisor de Tensão Vs R1 Vo Sendo Vs = 10 V, R1 = 50 Ω e 0 < R2< 50Ω, calcular as potências dissipadas na fonte e numa carga de 1 kω ( conectada em Vo) para Vo = 50 V e Vo = 0 V. R2 6/57

7 Tensão DC ajustável a partir de circuitos lineares: Limitados a Vo< Vs; Baixa eficiência (significativas perdas); Utilizados apenas em aplicações de baixa potência; Exemplo: Divisor de Tensão Vs R1 R2 Vo Sendo Vs = 10 V, R1 = 50 Ω e 0 < R2< 50Ω, calcular as potências dissipadas na fonte e numa carga de 1 kω ( conectada em Vo) para Vo = 50 V e Vo = 0 V. Resolução: => Para Vo 50 V R2 = 50 Ω IR1 1,020 A Ps 100 W e Po = 2,5 W => Para Vo = 0 V R2 = 0 Ω IR1 = 2 A Ps 200 W e Po = 0 W 7/57

8 Princípio Básico de um Conversor DC-DC com Chaves Eletrônicas A tensão de saída pode ser controlada pela chave S. Pode-se usar como chave: MOSFET, TBJ, IGBT, GTO. Razão de trabalho: D = t T ON Tensão na saída: Vo t 1 ON ton = Vsdt = Vs = T T 0 DVs 8/57

9 Controlador com Modulação PWM para conversores DC-DC 9/57

10 Características dos Conversores DC-DC no Modo Chaveado (Topologias Clássicas) Vantagens: Topologias e propriedades bem compreendidas e disponíveis em vasta literatura; Pequeno número de componentes; Alta eficiência; Frequência de operação constante (modulação PWM); Controle relativamente simples (disponibilidade de circuitos integrados comerciais para os controladores); Podem atingir altas razões de conversão (tanto para abaixar como para elevar). Desvantagens: Perdas nas chaves aumentam com a frequência de chaveamento; Geram interferência eletromagnética (EMI) no chaveamento. 10/57

11 Topologias Clássicas de Conversores DC-DC 11/57

12 2. Conversor Abaixador (Step-Down ou Buck) 12/57

13 Conversor Abaixador (Step-Down) Os conversores DC-DC abaixadores (step-down) são também conhecidos como conversor buck. Circuitos Equivalentes: is io is io Vs Vo Vs Vo Funcionamento semelhante ao conversor básico apresentado anteriormente: Como 0>D>1e Vo=DVs Vo Vs O indutor e o capacitor regulam as carcterísticasda corrente e da tensão na carga. Chave fechada io Vo Chave aberta 13/57

14 Conversor Abaixador Considerando a corrente no indutor, os conversores DC-DC podem operar em dois modos: Modo de Condução Contínua(MCC) neste caso a corrente está sempre fluindo através do indutor (i L > 0). No modo de condução contínua (MCC) i L > 0 Modo de Condução Descontínua(MCD) em alguns intervalos de tempo a corrente no indutor é nula. Em geral é preferível (em grande parte das aplicações) a utilização do conversor no MCC, porém, quando a corrente no circuito ou a frequência de chaveamento ou o ciclo de trabalho diminuem o conversor pode operar em MCD. 14/57

15 Limite MCC -MCD Para garantir MCC: Quando operando no MCC, o capacitor é escolhido considerando-se o valor relativo de ondulação (Vr/Vo) desejado: 15/57

16 Conversor Step-Down-Exemplo Considerando um conversor buck com as seguintes características: encontre os valores de L e C necessários para manter MCC e Vr/Vo=1%. 16/57

17 Conversor Step-Down-Exemplo Considerando um conversor buck com as seguintes características: encontre os valores de L e C necessários para manter MCC e Vr/Vo=1%. Substituindo nas equações anteriores: 17/57

18 Conversor Step-Downem MCD Características de um conversor operando em MCD: Vs Dependendo da aplicação, o conversor pode ser operado mantendo constante: a tensão de entrada Vs a tensão de saída Vo A análise da operação do conversor no MCD deve ser realizada para cada um dos casos. Na fronteira entre MCC e MCD ( 2 =0): I LB = 1 2 i L ton DT, peak ( Vs Vo) = ( Vs Vo) 2L 2L 18/57

19 Conversor Step-Downem MCD MCD com a tensão de entrada (Vs) constante: Aplicação: No controle de velocidade de um motor DC, a tensão de entrada permanece aproximadamente constante enquanto a tensão de saída é ajustada. A corrente média no indutor no limite entre MCC e MCD é dada por: I LB Vs = 2Lf D(1 D) E atinge o valor máximo para D = 0,5 (considerando Vsconstante): I LB( MAX ) = Vs 8Lf 19/57

20 Conversor Step-Downem MCD MCD com a tensão de entrada (Vs) constante: A relação entre as Vse Vono conversor é: Vo Vs = D 2 D 1 + Io 4 2 I LB ( MAX ) Vo / Vs Vs = 20/57

21 Conversor Step-Downem MCD MCD com a tensão de saída (Vo) constante: Aplicação: Em fontes DC reguladas a tensão de entrada pode flutuar, mas a tensão de saída deve permanecer constante. A corrente média no indutor no limite entre MCC e MCD é dada por: I LB Vo = 2Lf (1 D) E atinge o valor máximo para D = 0 (mantendo Voconstante): I LB( MAX ) = Vo 2Lf O que na prásca é impossível pois se D = 0 Vo= 0 21/57

22 Conversor Step-Downem MCD MCD com a tensão de saída (Vo) constante: Neste caso é mais conveniente obter uma expressão de D: D = Vo Vs Io I LB( MAX ) 1 Vo Vs 1/ 2 Vs Vs Vs 22/57

23 2.1. Conversores Abaixadores com Transformador 23/57

24 Conversores Step-Downcom Transformador Em algumas aplicações é desejável haver isolamento galvânico entre a fonte e a carga (visando segurança e confiabilidade). Neste caso são utilizados transformadores de alta frequência (leves e pequenos) que proporcionam alta eficiência. Exemplos: Conversor Direto (Forward Converter); Conversor Push-Pull. 24/57

25 Conversor Direto Circuito: Observação: O enrolamento adicional (N 3 )éutilizado paraevitarsaturaçãodo transformador pois a corrente circula sempre num mesmo sentido. Vo = Vs D n Funcionamento: Sendo: n = N 1 / N 2 Quando a chave S está fechada D 1 -> está conduzindo e D 2 em polarização reversa. A potência está sendo transferida da fonte para a carga. Quando a chave S está aberta D 1 -> em polarização reversa e D 2 conduzindo. Indutor + capacitor alimentam a carga. O valor de L b (limite MCC MCD) e do capacitor são calculados do mesmo modo que para o conversor abaixador sem transformador. 25/57

26 Conversor Push-Pull Circuito: Vo 2D = Vs n Sendo: n = N 1 / N 2 Funcionamento: As chaves operam com defasagem de T/2 e num mesmo ciclo de trabalho (D < 0,5). S1 fechada e S2 aberta D1 conduzindo e D2 em corte S1 aberta e S2 fechada D1 em corte e D2 conduzindo As duas chaves abertas D1 e D2 em condução e dividindo a corrente do indutor (não há transferência de potência da fonte para a carga) Limite MCC-MCD: Filtro a capacitor: 26/57

27 3. Conversor Elevador (Step-Up ou Boost) 27/57

28 Conversor Elevador (Step-Upou Boost) Circuito: S fechada indutor carregando e capacitor alimentando a carga is io Característica entrada saída: Como 0 D 1, então Vs Vo Circuitos Equivalentes: Vs Vo S aberta energia armazenada no indutor é enviada para o circuito (diodo+capacitor+carga) is io Observação: Não são comuns as aplicações de conversores elevadores com transformadores. Vs 28/57 Vo

29 ChopperStep-Up Máximo para D 0,33 Escolha do indutor e do capacitor: Para garantir MCC: e Para regular a ondulação da tensão na saída (a partir de Vr/Vo): 29/22

30 Conversor Elevador -MCC Neste caso a corrente no indutor é sempre maior que zero. Modo de condução contínua (MCC) i L > 0 30/57

31 Chopper Step-Up -Exemplo Considerando um conversor boost com as seguintes características: encontre os valores de L e C necessários para manter MCC e Vr/Vo=1%. 31/57

32 Chopper Step-Up -Exemplo Considerando um conversor boost com as seguintes características: encontre os valores de L e C necessários para manter MCC e Vr/Vo=1%. Substituindo nas equações chega-se a: 32/57

33 Conversor Elevador em MCD No limite entre MCC e MCD: I LB = 1 2 i L Vs TVo, peak ton = D(1 D) 2L 2L Io Considerando um circuito sem perdas: VsI L = VoIo = ( 1 D) I L 33/57

34 Conversor Elevador em MCD Na maioria dos casos o conversor elevador opera com Vo constante. Num conversor elevador a corrente do indutor é igual à corrente da fonte. A corrente média na saída no limite entre MCC e MCD é dada por: I ob = Vo 2Lf D(1 D) 2 E atinge o valor máximo para D = 1/3 (considerando Voconstante): IoB( MAX ) = 0, 074 Vs Lf 34/57

35 Conversor Elevador em MCD O ciclo de trabalho pode ser expresso em função de Vo/Vs e I ob / I ob(max) : D = 4 27 Vo Vs Vo Vs 1 Io I ob ( MAX ) 1/ 2 Vs Vs Vs 35/57

36 4. Conversor Elevador-Abaixador (Buck-Boost) 36/57

37 Conversor Elevador-Abaixador (Buck-Boost) Combina as características dos conversores abaixador e elevador. is io Chave fechada indutor sendo carregado e diodo em bloqueio is io Vs Vo Circuitos Equivalentes: Vs Chave aberta indutor transferindo corrente para o circuito io Vo D > 0,5 Vo> Vs(opera como elevador) D < 0,5 Vo< Vs(opera como abaixador) Vo 37/57

38 Conversor Buck-Boost Escolhendo o indutor para manter modo de condução contínua: Escolhendo o capacitor em função da tensão de ondulação na saída (Vr/Vo): 38/22

39 Conversor Buck-Boost Limite MCC x MCD Corrente no indutor: I LB = 1 2 i L TVs TVo, peak D = (1 D) 2L 2L Considerando um circuito sem perdas: VsI L = VoIo Io I L ( 1 D) = D 39/57

40 Conversor Buck-Boost Limite MCC x MCD Do circuito (considerando que o valor médio da corrente no capacitor é zero); Io = I L Is Na maioria das aplicações do conversor elevador-abaixador a tensão de saída (Vo) é mantida constante. A corrente média na saída no limite entre MCC e MCD é dada por: I ob = Vo 2Lf (1 D) 2 E atinge o valor máximo para D = 0 (considerando Voconstante): I Vo 2Lf 2 ob( MAX ) = IoB = IoB( MAX )( 1 D) 40/57

41 Conversor Buck-Boostno MCD O ciclo de trabalho pode ser expresso em função de Vo/Vs e I ob / I ob(max) : D = Vo Vs Io I ob(max ) Vs Vs Vs 41/57

42 4.1 Conversor Elevador-Abaixador com Transformador (Conversor Fly-Back) 42/57

43 Conversor Fly-Back Lm indutância de magnetização do transformador fly-back O indutor do conversor buck-boost foi substituído por um transformador: Sendo: n = N 1 / N 2 43/57

44 Conversor Fly-Back-Funcionamento Chave Fechada: a corrente na indutância de magnetização cresce linearmente, o diodo está em corte, não há corrente no transformador e a carga é alimentada pelo capacitor. Chave Aberta: a corrente armazenada na indutância é direcionada para o transformador, o diodo é ligado e a corrente do secundário alimenta a carga e o capacitor 44/57

45 Conversor Fly-Back Limite MCC x MCD Para manter o modo de condução contínua: O filtro a capacitor é especificado por: 45/57

46 5. Conversor Cuk 46/57

47 Conversor Cuk Um indutor e um capacitor são adicionados no circuito do conversor elevador. Tanto a corrente da fonte como a da carga são reguladas (respectivamente pelos indutores L1 e L2). A tensão de saída é invertida em relação à de entrada (assim como no conversor elevador). 47/57

48 Conversor Cuk-Funcionamento Chave Fechada: Chave Aberta: 48/57

49 Conversor Cuk Limite MCC x MCD Valores mínimos para os indutores que mantém o MCC: O capacitor no lado da saída é escolhido a partir da tensão de ondulação desejada: A variação de tensão no capacitor C1 é calculada por: 49/57

50 Conversor Cuk Vantagens: Tanto a corrente da fonte como a corrente de saída são reguladas pelos indutores (o que não acontece nos outros conversores clássicos). A necessidade de filtragem externa é reduzida. Desvantagens: Maior quantidade de dispositivos de filtragem. Necessidade de uma capacitor C1 de maior capacidade de regulação. 50/57

51 6. Aplicações 51/57

52 Aplicações: Driversde alto desempenho para motores elétricos CC em veículos elétricos, equipamentos de tração e máquinas ferramenta (normalmente usa-se conversores Step-down); Sistemas de radar e sistemas de ignição (Step-up) Sistemas de geração fotovoltaicose eólicos para otimizar a carga das baterias Em UPS (Uninterruptible Power Supplies) para ajustar o nível da tensão retificada ao da tensão de carga das baterias. 52/57

53 Aplicações: Sistemas de distribuição no qual um único barramento DC é utilizado para alimentar cargas de diversos tipos (em estações espaciais, barcos, aviões). 53/57

54 Aplicações: Lâmpadas de descarga de alta intensidade (High Intensity Discharge HID) em veículos: As lâmpadas HID não possuem filamento. A descarga elétrica (10 30 kv) produz um arco numa mistura pressurizada de mercúrio, xenônio e metal vaporizado. Para manter o arco 85 V. Maior durabilidade que as lâmpadas comuns. Produzem luz mais branca. 54/57

55 Conversores CC-CC Disponíveis Comercialmente Circuitos Integrados: Step-Down Módulos Completos: Step-Down ou Step-Up 55/57

56 5. Exercícios de Fixação 56/57

57 Exercícios de Fixação: 1. Projete um conversor DC-DC abaixador acionado por PWM (f = 100 khz) de modo que ele opere no MCC para: a) Vo= 50 V e b) Vo= 20 V e tenha uma ondulação de tensão de no máximo 2 %. Está disponível uma fonte de tensão DC regulada Vs= 70 V e a carga a ser alimentada é de 100 Ω. 2. Para a Questão 01-a, encontre o ciclo de trabalho necessário para que a tensão na saída seja 10 V. 3. Encontre as perdas na chave semicondutora da Questão 01-a se for utilizado um IGBT 30N60B conforme datasheet em anexo. 4. Repita a Questão 03 para o IGBT 30N60C. 5. Repita as Questões 03 e 04 considerando que a frequência de chaveamento é modificada para 1 MHz. 6. Repita a Questão 01 utilizando agora as versões do conversor abaixador com transformador: a) Conversor Direto e b) Conversor Push-Pull. Considere nos dois casos um transformador de relação de transformação 1:2. 7. Projete um conversor DC-DC elevador acionado por PWM (f = 100 khz) de modo que ele opere no MCC para Vo= 180 V e tenha ondulação máxima na saída de 2 V. A fonte de alimentação disponível é Vs= 100 V e a carga a ser alimentada é de 50Ω. Obtenha o ciclo de trabalho necessário para que a tensão na saída seja mantida em 180 V quando a tensão da fonte de alimentação do conversor cai para 80 V. 8. Projete um conversor DC-DC elevador-abaixador acionado por PWM (f = 100 khz) de modo que ele opere no MCC para :a) Vo= 80 V e b) Vo= 130 V e tenha ondulação máxima na saída de 2 V. A fonte de alimentação disponível é Vs= 100 V e a carga a ser alimentada é de 50Ω. 9. Considerando o circuito projetado na Questão 08-a, obtenha os valores do ciclo de trabalho necessários para manter na tensão de saída regulada em 80 V quando a tensão da fonte DC varia de 70 a 130 V. 10. Repita a Questão 08 considerando agora um conversor elevador-abaixador fly-back com transformador de relação de transformação 1: Repita a Questão 08 considerando agora um conversor Cuk, considere que a variação de tensão do capacitor 1 seja no máximo 5V. 57/57

58 Referências Mohan, Undeland& Robbins. Power Electronics Converters, Applications and Design, Wiley, Rashid, Muhammad H. Power Electronics Handbook, Devices, Circuits and Applications, Segunda Edição, Elsevier, Ahmed, Ashfak. Eletrônica de Potência, Wiley, Pomilio, José Antenor. Eletrônica de Potência, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, UNICAMP, 1998, Revisado em As figuras utilizadas nesta apresentação foram retiradas das referências listadas acima. 58/57