Teoria dos Conversores CC/CC Elevadores de Tensão
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- João Batista Canedo Bergler
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1 Teoria dos Conversores CC/CC levadores de Tensão Laboratório de letrônica de Potência Prof. r. Carlos Alberto Canesin UNSP LP Laboratório de letrônica de Potência Slide /75
2 Analogia com o Conversor CC/CC Abaixador de Tensão: v () t Cf VCf. ; 0 Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide /75
3 Analogia com o Conversor CC/CC Abaixador de Tensão: Fluxo de energia: H L. É possível inverter o fluxo de energia? m outras palavras, é possível fazer a energia fluir a partir da fonte de menor tensão ( L ) em direção à fonte de maior tensão ( H )? Se for possível, então iremos obter um elevador de tensão. Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 3/75
4 Analogia com o Conversor CC/CC Abaixador de Tensão: A primeira tentativa pode ser realizada com a inversão do sentido de condução do diodo. Assim, quando S está bloqueado, surge um caminho para o fluxo de corrente a partir de c. Porém, quando S é levado à condução, o diodo não é bloqueado, fazendo com que seja aplicado um curto-circuito nos terminais de, levando à destruição do circuito. Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 4/75
5 Analogia com o Conversor CC/CC Abaixador de Tensão: Para solucionar o problema do bloqueio de quando S é acionado, uma segunda tentativa pode ser realizada a partir da substituição de por um interruptor controlado S. Neste caso, no exato instante em que S é bloqueado, o interruptor S deve ser levado à condução. sto impede a ocorrência do curto-circuito na fonte e permite que o sentido de fluxo da corrente em L f seja sustentado. Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 5/75
6 Analogia com o Conversor CC/CC Abaixador de Tensão: No circuito apresentado, é possível substituir o interruptor S por um simples diodo, sem prejuízo algum para o funcionamento do circuito. Quando S é bloqueado, o diodo entra em condução imediatamente, em função do sentido de fluxo da corrente em L f. Além disso, quando S é novamente levado à condução, o diodo é naturalmente bloqueado. Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 6/75
7 Analogia com o Conversor CC/CC Abaixador de Tensão: Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 7/75
8 Análise da Potência Processada (MCC): Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 8/75
9 Análise da Potência Processada (MCC): Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 9/75
10 Análise da Potência Processada (MCC): t. T c off Lf Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 0/75
11 Análise da Potência Processada (MCC): t. T c off Lf c T t T on Lf c T T t T on Lf t on T c Lf Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide /75
12 Análise da Potência Processada (MCC): P. c c c c Lf P.. c c Lf P. Lf Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide /75
13 Análise da Potência Processada (MCC): P. Lf P.. c c Lf Considerando um circuito ideal (sem perdas, ou seja, com rendimento igual a 00%): P P c... Lf c Lf c Lf. Lf Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 3/75 c c
14 Característica de Transferência de nergia (MCC): Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 4/75
15 Análise da Potência Processada (MCC): Conversor Buck: Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 5/75
16 Conversor Boost: Conversor Buck: Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 6/75
17 Conexão de Carga ndutiva (por ex., RL): Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 7/75
18 Ondulação de Corrente: Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 8/75
19 Ondulação de Corrente: d vlf ( t) L ilf ( t) dt ilf () t dt L ilf ( t) t min L ilf ( ton) max ton L min Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 9/75
20 Ondulação de Corrente: Lf max min max ton L min Lf ton min L Lf t L on min Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 0/75
21 Ondulação de Corrente: Lf t L T T on T t Lf L T. on Lf fl. Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide /75
22 Ondulação de Corrente: Potência de entrada: P. Lf Potência de saída: P. c c Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide /75
23 Ondulação de Corrente: Potência de saída: P. c c c c P c.??? Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 3/75
24 Ondulação de Corrente: Potência de saída: i Rc () t v Cf R () t c v () t Cf c c irc () t Rc R Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 4/75 c
25 Ondulação de Corrente: Potência de saída: i ( t) i ( t) i ( t) Cf Rc t () Cf Rc Cf ( t) 0 Rc Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 5/75
26 Ondulação de Corrente: Potência de saída: t () Cf Rc c R c Cf Rc 0 R c c Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 6/75
27 Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 7/75 Conversor CC/CC levador de Tensão Ondulação de Corrente: Potência de saída: c c R c P c c c P R c c P R c c
28 Ondulação de Corrente: Considerando um circuito ideal: P P c P P c. Lf R c. Lf R c Lf R c Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 8/75
29 Ondulação de Corrente: Lf fl. Lf R c Lf Lf fl. R c Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 9/75
30 Ondulação de Corrente: Lf Rc f. L Lf fl. Lf R c Lf Lf Lf fl. R c Lf ( norm) Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 30/75
31 Ondulação de Corrente: Lf ( norm ) Lf ( norm) Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 3/75
32 Característica de Carga (MC): Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 3/75
33 Característica de Carga (MC): Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 33/75
34 Característica de Carga (MC): A T off T. t max dis max L f t on t t T. Lf on dis Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 34/75
35 Característica de Carga (MC): Segunda etapa de funcionamento: d i dt Lf c () t L c ilf () t dt L f f c ilf ( t) t max L f v () t Lf v () t Lf c c L d i () t dt f Lf c d vlf ( t) Lf ilf ( t) dt Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 35/75
36 Característica de Carga (MC): Segunda etapa de funcionamento: c ilf ( t) max t L c 0 max t L f f dis max L f t c 0 t on t L L f f on dis t dis L f ton Lf c Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 36/75 t dis c t on
37 Característica de Carga (MC): t t T. Lf on dis t dis c t t t T. Lf c on on t. Lf. T c T t. L T f T T on c on on T. L f Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 37/75 T.. L f. Lf T.. fl. f c c c c
38 Característica de Carga (MC):. fl. f c. ( norm ) ( norm ). fl. f c ( norm) ( norm) ( norm) ( norm). fl. f ( norm) Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 38/75
39 Característica de Carga (MCC): Conforme demonstrado anteriormente (slides 8 até 4): Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 39/75
40 Característica de Carga (MCCr): ( norm)? Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 40/75
41 Característica de Carga (MCCr): ( norm)? Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 4/75
42 Característica de Carga (MCCr): Na realidade, para o modo de condução crítica: ( norm)? ( norm) Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 4/75
43 Característica de Carga (MCCr): Para o modo de condução crítica: ( norm) ( norm) ( norm) ( norm) ( norm). Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 43/75
44 Característica de Carga (MCCr): Para o modo de condução crítica, tem-se ainda:.. Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 44/75
45 Característica de Carga (MCCr): Voltando à equação de (norm) no modo de condução crítica: ( norm). ( norm) ( norm).. ( norm). ( norm) Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 45/75
46 Característica de Carga: Para o modo de condução descontínua: ( norm) Para o modo de condução crítica: ( norm) Para o modo de condução contínua: Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 46/75
47 Característica de Carga (MCCr): Para o modo de condução descontínua: ( norm) Para o modo de condução crítica: ( norm) Para o modo de condução contínua: (norm) Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 47/75
48 Característica de Carga (MC): Para o modo de condução descontínua: ( norm) Para o modo de condução crítica: ( norm) Para o modo de condução contínua: (norm) Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 48/75
49 Característica de Carga (MCC): Para o modo de condução descontínua: ( norm) Para o modo de condução crítica: ( norm) Para o modo de condução contínua: (norm) Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 49/75
50 Característica de Carga: Para o modo de condução descontínua: ( norm) Para o modo de condução crítica: ( norm) Para o modo de condução contínua: (norm) Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 50/75
51 nterpretação da Característica de Carga ( versus (norm) ):, ( norm) ( norm), M.C.Cr., M.C.C. M.C.. (norm) V Cf ( norm). fl. f Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 5/75
52 nterpretação da Característica de Carga ( versus (norm) ):, ( norm) ( norm), M.C.Cr., M.C.C. M.C.. (norm) V Cf ( norm). fl. f Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 5/75
53 nterpretação da Característica de Carga ( versus (norm) ):, ( norm) ( norm), M.C.Cr., M.C.C. M.C.. (norm) V Cf ( norm). fl. f Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 53/75
54 nterpretação da Característica de Carga ( versus (norm) ):, ( norm) ( norm), M.C.Cr., M.C.C. M.C.. (norm) V Cf ( norm). fl. f Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 54/75
55 nterpretação da Característica de Carga ( versus (norm) ): (norm) Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 55/75 Lf(norm)
56 Teoria dos Conversores CC/CC levadores de Tensão - LMNTOS FLTRAM: Complemento Laboratório de letrônica de Potência Prof. r. Carlos Alberto Canesin UNSP LP Laboratório de letrônica de Potência Slide 56/75
57 Princípio de funcionamento; Ondulação da corrente no indutor Boost; Característica de carga ( versus (norm) ). ndutância crítica? Ondulação da tensão no capacitor de saída? Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 57/75
58 Característica de Carga: Para o modo de condução descontínua: ( norm) Para o modo de condução crítica: ( norm) Para o modo de condução contínua: Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 58/75
59 Característica de Carga: Para o modo de condução descontínua: ( norm) Para o modo de condução crítica: ( norm) Para o modo de condução contínua: (norm) Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 59/75
60 Característica de Carga: Para o modo de condução descontínua: ( norm) Para o modo de condução crítica: ( norm) Para o modo de condução contínua: (norm) Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 60/75
61 Característica de Carga: Para o modo de condução crítica: ( norm) Para garantir a operação em MCC: ( ) 0,5 norm ( norm) 4 (norm) Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 6/75
62 ndutância Crítica: Para garantir a operação em MCC: ( norm) 4 ( norm). fl. f. f. Lf 4 L f 8. f. (norm) Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 6/75
63 Ondulação da Tensão de Saída: Considerações simplificadoras: Reduzido ripple (ondulação) na corrente de entrada; Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 63/75
64 Ondulação da Tensão de Saída: Considerações simplificadoras: Reduzido ripple (ondulação) na corrente de entrada; Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 64/75
65 Ondulação da Tensão de Saída: Considerações simplificadoras: Reduzido ripple (ondulação) na corrente de entrada; d icf ( t) C f vcf ( t) dt vcf ( t) icf ( t) dt C f Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 65/75
66 Ondulação da Tensão de Saída: Considerações simplificadoras: Reduzido ripple (ondulação) na corrente de entrada; vcf ( t) icf ( t) dt C f Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 66/75
67 Ondulação da Tensão de Saída: Considerações simplificadoras: Reduzido ripple (ondulação) na corrente de entrada; vcf ( t) icf ( t) dt C f vcf () t Lf dt C f v () t t V C (min) Cf Lf Cf f v ( t ) V Cf off Cf (max) Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 67/75 V t V Lf Cf (max) off Cf (min) C f
68 Ondulação da Tensão de Saída: Considerações simplificadoras: Reduzido ripple (ondulação) na corrente de entrada; V t V Lf Cf (max) off Cf (min) C f V V V Cf Cf (max) Cf (min) Lf VCf t C f off Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 68/75
69 Ondulação da Tensão de Saída: Lf VCf t C f off. toff. T Lf. Lf VCf. T C f Lf Lf. Lf VCf. T C f Lf Considerando um conversor ideal: Portanto: P in P out. Lf P out Lf Pout Pout VCf. f. C f Lf VCf T C f. f. C f VCf ( norm) VCf. P Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 69/75 out
70 Ondulação da Tensão de Saída: V Cf ( norm). Pout VCf. f. C f V Cf ( norm ) Pout VCf 0,5 0,5. f. C f V Cf Pout 4.. f. C f Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 70/75
71 Trabalho xtra-classe, Boost: (Parte ) Projetar um conversor Boost, operando no modo de condução contínua, admitindo-se os seguintes dados de entrada e saída: P out = 500W f = 50kHz V in = 00V V out = 400V Máximo ripple (pico-a-pico) de tensão na saída: 5% de V out Máximo ripple (pico-a-pico) de corrente no indutor: 0% de seu valor médio nominal. Simular a estrutura projetada utilizando o PSpice. Fazer um relatório contendo as formas de onda de tensão de saída, corrente no indutor, tensão e corrente em S, tensão e corrente em. Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 7/75
72 Trabalho xtra-classe, Boost: (Parte ) Na simulação, provocar um aumento de carga em degrau (dobrar o valor da carga, ou seja, diminuir o valor da resistência pela metade) em t = 30ms, e uma diminuição de carga em degrau (voltar ao valor original da carga) em t=60ms, sem alterar nenhum outro parâmetro. Verificar o que acontece com V out e com a corrente no indutor (inclusive seu ripple), durante os transitórios e durante a operação em regime. Com base no que foi exposto em aula, explique a razão para tal comportamento. (*) Sugestão: Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 7/75
73 Trabalho xtra-classe, Boost: (Parte 3) Na simulação, reduzir o valor da carga (ou seja, aumentar o valor da resistência) sem alterar nenhum outro parâmetro, até atingir o modo de condução descontínua. Verificar o que acontece com V out e com a corrente no indutor. Com base no que foi exposto em aula, explique a razão para tal comportamento. (Parte 4) Na simulação, reduzir o valor da carga (ou seja, aumentar o valor da resistência) sem alterar nenhum outro parâmetro, até atingir o modo de condução descontínua. m seguida, varie o valor de t on, para que V out volte a ser igual a 400V. Compare o valor de t on utilizado na simulação com o valor de t on calculado através da teoria. Caso exista diferença entre os valores, comente as razões para tanto. Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 73/75
74 Trabalho xtra-classe, Boost: (Parte 5) Repetir o projeto e a simulação do conversor, considerando o modo de condução crítica, admitindo-seos seguintes dados de entrada e saída: P out(max) = 500W P out(min) = 300W f min = 0kHz V in = 00V V out = 400V Máximo ripple (pico-a-pico) de tensão na saída: 5% de V out Simular a estrutura projetada utilizando o PSpice. Realizar a simulação para P out = 300W, P out = 400W e P out = 500W, sustentando o modo de condução crítica nas três situações. Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 74/75
75 Trabalho xtra-classe, Boost: (Parte 6) Repetir o projeto e a simulação do conversor, considerando o modo de condução descontínua, admitindo-seos seguintes dados de entrada e saída: P out = 500W f = 50kHz V in = 00V V out = 400V Máximo ripple (pico-a-pico) de tensão na saída: 5% de V out Simular a estrutura projetada utilizando o PSpice e comparar os resultados com aqueles obtidos para a parte e para a parte 5. estaque e comente as principais diferenças entre os resultados. Conversores CC/CC levadores de Tensão Slide 75/75
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