Trabalho nº 6-Simulação de conversor CC/CC abaixador em PWM

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1 1. Introdução rabalho nº 6-Simulação de conversor CC/CC abaixador em PWM Os conversores CC/CC comutados representam uma parcela muito importante dos conversores electrónicos de potência. Um conversor diz-se do tipo comutado se o elemento responsável pela manutenção do valor da grandeza de saída funcionar em modo de comutação, por oposição ao funcionamento em modo linear. O funcionamento em modo de comutação baseia-se numa ideia já familiar, e que é a de controlar o valor da potência, entregue à carga, através da variação da razão entre o tempo no estado ligado e o tempo no estado desligado do elemento de controlo. Na abordagem aqui efectuada, cujo funcionamento é a frequência fixa, podemos então igualmente considerar que o controlo da grandeza de saída é efectuado através da variação da razão entre o tempo de funcionamento e o período. Esta última frase pretende precisamente realçar que o que se pretende do circuito de controlo é uma função de modulação de largura de impulso (Pulse Width Modulation - PWM), o que nos introduz numa família vasta de integrados pensados para desempenhar estas funções. 2. Objectivos Os objectivos deste trabalho são: 1. Efectuar uma introdução aos conceitos de controlo por PWM e de conversão de corrente contínua em corrente contínua. 2. Simular o funcionamento de um circuito integrado (L494) que realiza as funções principais de controlo. 3. Simular o funcionamento do conjunto controlador PWM/ circuito de potência de um conversor CC/CC abaixador. 4. Introduzir conceitos básicos associados ao controlo em malha fechada deste género de circuitos. 3. Conversor CC/CC abaixador Esquema de princípio O desenvolvimento analítico (simplificado) apresentado em seguida pretende que o aluno obtenha as equações que permitem dimensionar os valores de L e de C directamente a partir dos valores de lomax, Vi, Vo, Vomax e, que efectivamente são os valores de que dispomos inicialmente para projecto. O esquema de princípio, do circuito de potência, do conversor CC/CC abaixador está representado na figura 1. + Vi - + Vs - Id + VL - IL Ic Io + Vo - Figura 1-Esquema de princípio da parte de potência do conversor CC/CC abaixador. FEUP-LEEC- Ramo de Energia - Armando Araújo - pp.1

2 3.1.2 Análise do funcionamento do circuito de potência (em condução contínua) Para este conversor esboce, nos diagramas abaixo, as formas de onda pedidas para =2*/3. Admita que a condução é contínua. VL IL 2 Ic Id 2 Vs Figura 2-Formas de onda de VL, IL, Id, Ic e Vs, obtidas para δ=2/3 em condução contínua Algumas equações de funcionamento Complete as seguintes expressões: Io(av)= f(vo)=.. Io(av)= f(il)=.. Io(av)= f(pi, Vo)=.. VL(av)=f(Vi,Vo, )= VL(av)=f(Vo, toff)= Vo(av)= f(vi, δ).. IL(pk)= f(vi,l,δ) Cálculo do valor da capacidade A ondulação da saída vem: dvo=(ic/c)dt O que resulta em: Vomax= e C Cálculo do valor da indutância A ondulação da corrente é dada por: IL=Imax-Imin O que resulta em: ILmax= e L FEUP-LEEC- Ramo de Energia - Armando Araújo - pp.2

3 3.2 Simulação do funcionamento dos circuitos de comando e potência CI L494 - Esquema interno O CI L494 pode ser representado pelo esquema equivalente apresentado na fig.4, onde se encontram inseridos dois amplificadores (A1 e A2, destinados a possibilitar o fecho da malha de realimentação), dois comparadores (DC e PWM), um flip-flop (responsável pela alternância dos sinais de comando de base de Q1 e de Q2), alguma lógica suplementar, um bloco oscilador (cujos componentes de "timing", R e C, impõem a frequência de funcionamento, sendo a forma de onda no pino 5 um dente de serra), e um bloco regulador (que a partir de 40V Vcc 7V gera Vref =5V). Figura 3-Esquema equivalente do CI L 494 Note que a principal função do CI consiste em comparar a tensão de referência, presente no pino 3, com uma tensão em dente de serra gerada internamente à custa de uma malha RC que impõe a frequência dessa forma de onda. A lógica e os amplificadores suplementares são utilizados para outras funções que não a básica: geração do PWM. Para informações mais detalhadas sobre o funcionamento do CI L494 consulte os documentos (em pdf) disponíveis na página WEB da disciplina ( CI L494 - Simulação Elabore um circuito capaz de simular o L494. O circuito deve: 1. Gerar um dente de serra com frequência controlada pelo valor de uma capacidade. 2. Gerar um impulso PWM por comparação dessa rampa com uma tensão de referência. 3. Possuir na saída impulsional uma porta lógica de modo a possuir uma entrada de inibição activa ao nível lógico zero. FEUP-LEEC- Ramo de Energia - Armando Araújo - pp.3

4 (Sugestões: Para gerar a rampa utilize uma fonte de corrente a carregar um condensador. Efectue a descarga do mesmo, a partir de uma certa tensão, através de uma resistência em série com um interruptor. Utilize um comparador para determinar qual o nível de tensão que liga/desliga o interruptor. Para gerar o PWM compare a rampa com a referência. Para a inibição use uma porta "and".) Figura 4 -Formas de onda geradas pelo circuito emulador do CI L494 (rampa, referência e PWM) Conversor electrónico de potência - Simulação Elabore um circuito capaz de simular a parte de potência apresentada na figura 1. Para tal admita que: 1. A entrada do conversor varia entre 25 e 35 Volt (30±5V). 2. A saída deve ser constante e de valor 15V/1A com regulação melhor que 10%. 3. Há condução contínua com correntes até 10% da nominal. Utilize uma frequência de comutação de 25kHz e escolha justificadamente os valores de L e C bem como os semicondutores a utilizar. 3.3 Simulação do funcionamento do conversor CC/CC abaixador Simulação em malha aberta Simule, em malha aberta, o conjunto de circuitos que elaborou nos dois pontos anteriores para as seguintes situações: 1. Com um tempo de simulação de 100 µs observe as formas de onda da rampa, da referência e da saída em PWM (utilize pelo menos 1000 pontos de simulação) (utilize o factor de trabalho, δ, associado a uma saída de 15V). Esboce os resultados na figura Com um tempo de simulação de 10 ms veja a forma de onda da tensão de saída (utilize pelo menos 1000 pontos de simulação) (utilize o factor de trabalho, δ, de modo a que a saída seja de 15V). Simule pelo menos 50 ms (em intervalos de 10ms de cada vez) de modo a ver o tipo de resposta da saída. Esboce os resultados na figura 6. Conseguiu a regulação de 10% em tensão pretendida? Porquê? Como acha que deve proceder de modo a obter essa regulação? NOA: Para simular a ondulação da entrada admita que esta é composta por uma sinusóide de 100Hz (de que amplitude?) com uma componente CC (de que amplitude?) (Esta onda de entrada é tipicamente obtida a partir de que tipo de conversor?). FEUP-LEEC- Ramo de Energia - Armando Araújo - pp.4

5 Figura 5: ensão de rampa, referência e saída em PWM em malha aberta Figura 6: ensão de saída em malha aberta Simulação em malha fechada Simule, em malha fechada, o conjunto de circuitos que elaborou nos dois pontos anteriores. Para tal projecte um controlador capaz de efectuar a regulação pretendida. Esboce os resultados, associados às tensões de entrada e saída, na figura 7. Figura 7: ensão de saída em malha fechada. FEUP-LEEC- Ramo de Energia - Armando Araújo - pp.5

6 4. Referências(como introdução ao assunto) 1. SMPS - An Introduction, Steve Ciarcia, Bvte, Nov he Linear and Control Circuits Data Book, (data-sheet do L494),exas Instruments. 3. Schottky Rectifiers Shine in Low Voltage Switchers, R. Patel, Electronic Design, IO.Dez High Frequency Power ransformer and Choke Design: part 4 improved Method of Power Choke Design, Philips. 5. Principles of Power Electronics. Kassakian. Addison-Wesley. 6. Designing Switching Voltage Regulators with L494. Application Report. exas Instruments. 7. Understanding Buck Power Stages in Switchmode Power Supplies. Aplication Report. exas Instruments. 8. Understanding Boost Power Stages in Switchmode Power Supplies. Aplication Report. exas Instruments. 9. Understanding Buck-Boost Power Stages in Switchmode Power Supplies. Aplication Report. exas Instruments. Fim do trabalho laboratorial FEUP-LEEC- Ramo de Energia - Armando Araújo - pp.6