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Unidade II Conversores CC-CC
• Em certas aplicações, algumas vezes é necessário transformar uma tensão cc em outra com magnitude diferente, seja em trens ou metrôs onde uma tensão de cerca de 4000V do sistema de distribuição é transformada em 300V na alimentação de um motor cc, ou um inversor, ou então, a partir de 12V alimentar um equipamento de 120V.
• Em sistemas de corrente alternada esta operação de baixar ou elevar a tensão é facilmente feita com um transformador. Em sistemas em cc a situação é bem diferente, e requer o uso de um conversor chaveado.
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Unidade II Conversores CC-CC
• Estruturas estáticas feitas de chaves ativas e idealmente sem perdas que convertem uma tensão contínua em uma outra com certa magnitude.
• O dispositivo semicondutor opera a uma freqüência alta, quando comparado com variações na tensão de entrada.
• É possível o uso de filtros passa-baixa para retirar componentes indesejáveis na tensão devido ao chaveamento.
cc
ccV V0= =
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• Os conversores cc-cc são usados em fontes para computadores, TV, vídeos, aplicam-se também em tração e carros elétricos.
• Permitem freios regenerativos com economia de energia em sistemas com freqüentes partidas e paradas.
• Têm ampla aplicação como reguladores de tensão contínua, carregadores de bateria.
• Aplicados também em sistemas para aproveitamento de energias renováveis.
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Unidade II Conversores CC-CC
• O valor médio da tensão de saída é dado por:
Princípio de Operação
kVfVtVTtdtv
TV
t
==== ∫ 11
000
11
V0 10 0 <<⇒<< Vk
V
tt1 T
v0
R
S
V
ii
V0
+
-
ton toff
(t)
Ttt =+ 21
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kVV0 =
R
S
V V0
+
-
Ttk 1=
v (t)
V
tT
v0
ton toff
(t)
V0
t1
V
tt1 T
v0
ton toffV
0
(t)
vV
tT
0
ton
toff(t)
V0
t1
k=0,9
k=0,75
V
tt1 T
0
ton toffV
0 k=0,5
k=0,25
Unidade II Conversores CC-CC
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Unidade II Conversores CC-CC
• A tensão de saída é uma amostra chaveada da tensão de entrada.
• A tensão e a corrente de saída apresentam uma grande quantidade de ripple.
• A alta freqüência de chaveamento causa interferência conduzida e irradiada.
• Esta estrutura tem pouca aplicação devido a grande quantidade de harmônicos na tensão de saída.
Princípio de Operação
R
S
V
ii
V0
+
-
V
tt1 T
0
ton toffV
0 k=0,5
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Unidade II Conversores CC-CC
Princípio de Operação
R
S
V
ii
V0
+
-
V
tt1 T
0
ton toffV
0 k=0,5
kVfVtVTtdtv
TV
t
==== ∫ 11
000
11
RVk
RkV
RVI === 0
0
RVkdt
Rv
T1dtiv
T1P
2t
0
20
t
0000
11
=== ∫∫
•A potência da saída varia proporcionalmente ao quadrado do ciclo de trabalho k.•Controlando-se o valor de k controla-se a potência fornecida à carga
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Resistência vista pela fonte.
R
S
V
ii
V0
+
-
RV
i
+
-
médio
i
kR
RkVV
IVRmedio
i ===/
• A operação da chave faz com que a tensão de entrada veja o conversor como uma resistência variável, e inversamente proporcional a k. 0
20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80 100
Cilco de trabalho, k (%)
Ri(
%)
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cc
ccV=200V V0= = =150V
I=15A =20AI0
R
S
200V
20A15A
150V
Impossível
Mais elementos são necessários
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Unidade IIConversores CC-CC
• Idealmente o conversor apresenta tensão e corrente sem ripple• Há uma queda de tensão no elemento série• A diferença entre as correntes de entrada e de saída é
proporcionada pelo elemento paralelo.• Os elementos são sem perdas - A potência absorvida pelo
elemento série é fornecida pelo elemento paralelo.
O Conversor Genérico
V V0
ElementoSérie
ElementoParalelo
I=15A Io=20A
I=5A
=200V =150V
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V V0
?I
?
in I0Ish
• Quais dispositivos podem estar sob tensão média ou corrente média não nula sem dissipar or armazenar energia?
Chaves
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Unidade II Conversores CC-CC
• Chaves são os únicos elementos que podem estar submetidos a uma tensão média diferente de zero ou conduzir uma corrente média não nula sem dissipar energia.
• Logo, os elementos série e paralelo devem ser chaves.
O Conversor Genérico
V V0
I=15A Io=20A
I=5A
=200V =150V
S 1
S 2
+ -
+
-
-
-
+ +
- -
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Unidade IIConversores CC-CC
• Um filtro capacitivo (C) ideal elimina o ripple na tensão.• Um filtro indutivo (L) ideal elimina o ripple na corrente.
Unidades de Filtro
V V0
I=15A Io=20A
I=5A
=200V =150V
S 1
S 2
+ -
+
-
-
-
+ +
- -
CL
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Unidade II Conversores CC-CC
• O fluxo de energia pode ser em ambas as direções dependendo da estratégia de controle das chaves.
• S1 e S2 operam de maneira complementar.• O arranjo S1, S2 e L (ligadas a um ponto comum) forma
uma célula canônica.
Topologia Generalizada
V V0S
Iin I0
Ish1 S2
LC
+
-
+
-
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Unidade IIConversores CC-CC
• Conversor abaixador ou conversor buck;• Conversor elevador ou conversor boost;• Conversor abaixador-elevador ou conversor buck-boost;• Conversor cc operando em quatro quadrantes (H-Bridge);• Conversor Cúk.
Tipos Básicos de Conversores cc-cc
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• V0= kV , 0<k<1• S é uma chave que opera em alta frequência (MOSFET,
IGBT).• D é comumente chamado de diodo de roda livre• T é o período de chaveamento• f é a frequência de chaveamento• k=t1/T é o ciclo de trabalho
Conversor Abaixador ou Conversor Buck
kVfVtVTtdtv
TV
t
==== ∫ 11
000
11LCarga
DV
is iL
V0
+
-
S
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Após t1 (quando a corrente atinge Imax), a chave abre. O valor de Imax é:
A energia armazenada na indutância em t= t1 é
A indutância L absorve energia (volts-segundos) durante o tempo t1 em que a chave está ligada. A corrente através da indutância cresce a uma taxa constante dada por :
Unidade II Conversores CC-CC
Lt)VV(i 0−
=
LtVVI 1
0max )( −=
Conversor Abaixador - Princípio de Funcionamento
t1 t 2
A+
A-
V-V0
V0
I max
0
2maxLI
21W =
Chave S conduzindo
is i
LDV
L
V0
+
-
S+ -
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Quando a chave abre, e a tensão na indutância cai para o valor constante V0, pela condução do diodo de roda livre.A corrente cai numa taxa constante dada por:
Unidade II Conversores CC-CC
LtVii 0
max −=
Conversor Abaixador - Princípio de Funcionamento
t1 t 2
A+
A-
V-V0
V0
I max
0
A corrente eventualmente cai a zero num tempo t2 quando a indutância transferiu toda sua energia para carga, e novo processo pode ser iniciado.
0
102
2010
Vt)VV(t
tVt)VV(AA
−=
=−−=+
Chave S não conduzindo
iLi
LV V0
+
-D
s
S - +
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Chave em condução
t
is
V
tton T
vD
tT
Imin
iImax
Son Soff
Tensão de saídaL
Corrente na indutância
Son
T Corrente da fonteDiodo em condução
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor Buck - Operação em Alta Freqüência
LDV V0
+
-
S+ -
LV V0
+
-D
s
S - +
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• A chave operando em alta freqüência, a corrente na indutância varia entre Imax para Imin, com valor médio:
• Enquanto a corrente de carga écontínua variando em torno de um valor médio, a corrente da fonte écomposta pulsos. O valor médio dos pulsos de entrada é:
Unidade II Conversores CC-CC
2/)II(I minmax0 +=
Conversor Buck - Operação em Alta Freqüênciai
i
L
DV
s 0
V0
+
-
i
L
0
V0
+
-
Chave S ligada Chave S desligadav
Vt
t 1 t 2
0
S on Soff
Tensão de saída
t
T
I min
i
I max
0
Corrente de saída
t
i s
Son
T Corrente na chave
I0
TtII 1
0smed=
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Unidade II Conversores CC-CC
Conversor Abaixador – Função de transferência
0VV
smedII
I0VsmedVI
0
0
=
=
1 k
1
Vo/V
ksmedII
Ttk
V
V
1
0
0
1
=
==⇒==== ∫ kVfVtV
Ttdtv
TV
t
11
000
11
• Partindo-se da lei da conservação de energia, a energia que entra no conversor é a mesma que sai, então:
•O conversor pode ser considerado como um transformador de corrente contínua onde o ciclo de trabalho k é equivalente à relação de transformação em corrente alternada.
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• Ripple na Corrente de Saída:
• A presença do filtro L garante um menor ripple na corrente de saída.
• O ripple varia em proporção inversa ao valor de L e f.
• Para se ter um L pequeno, aumenta-se o valor da freqüência f.
Unidade II Conversores CC-CC
LfkkV
LkkTVI
LVVtI
VVtILVL
)1()1(
01
01
−=
−=∆
−=∆
−=∆
=
Conversor CC-CC Abaixador - Buck
t
t
t
t
t
VvD
i L
i S
i C
i oI
im a xim in
i m a xi m in
im a x
im in
i oi o
--
k T T
0
L
IoDV
is iL
V0
+
-
SC
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• Quanto maior o valor da indutância menor o ripplena corrente de saída.
• Para um determinado valor de ripple ∆I, quanto maior o valor de f menor o valor requerido para L.
LfkVkI )1( −
=∆
tT
Imin
i
I max
L
Ripple na corrente da indutância
ILmed
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor Buck – Ripple na corrente da indutância
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28)1(
LCfkVkVC −
=∆
V
tt11 T
V(t)
tTImin
iImax
SonS
off
Tensão de saída
L
Corrente na indutância
∆I
tT
i(t)
Correntes na carga e capacitorICmin
I Cmax
V0D
I Lav
I0
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor Buck – Ripple na tensão de saída
LRDV
isi0S
V0
+
-
C
ic
iL
•A presença do capacitor C0 garante um menor ripple na tensão de saída.
•O ripple varia em proporção inversa ao valor de C0 e f.
•Para se ter um C0 pequeno, aumenta-se o valor da frequência f.
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• Conclusões:– Variações na corrente de carga são limitadas pelo
indutor– A condução de corrente da fonte e descontínua– A tensão de saída conserva a polaridade da tensão
de entrada– Deve ser protegido contra curto circuito no diodo de
roda livre.– Quanto maior a frequência de chaveamento e a
indutância na saída, menor o ripple na corrente de carga.
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor CC-CC Abaixador - Buck
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• Conclusões:– É desejável operação em alta freqüência para
valores reduzidos de indutância e capacitância.– Transfere energia de uma fonte de maior tensão para
outra de menor tensão.– Apresenta característica de fonte de tensão na
entrada e fonte de corrente na saída.
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor CC-CC Abaixador - Buck
V
i
I=====>Buck
L
DV
is i0
V0
+
-
S
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Lcarga
DV
is iL
V0
+
-C
•Frequência de chaveamento = 20kHz•L=200µΗ•R=5Ω•V=24V•C=1pF (muito pequeno)
100us 120us 140us 160us 180us 200us 220us 240us 260us 280us 300us0
1020
0A
2.0A
4.0A
0A
-8.0ACorrente na bateria
Corrente na indutância
Corrente na carga*3
1p24V V1TD = 0TF = 100n
PW = 25uPER = 50u
V1 = 0
TR = 100n
V2 = 15 5Ω
IRF540
0
200u
MUR460
Tensão na carga
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor Buck - Simulação
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16.00ms 16.05ms 16.10ms 16.15ms 16.0ms 16.25ms 16.30ms 16.35ms 16.40ms 16.45ms0
20
0A
2.0A
4.0A
-7.5A-5.0A
-2.5A0A
Lcarga
DV
is iL
V0
+
-C
•Switching Frequency = 20kHz•L=200µH•R=5Ω•V=24V•C=500µF
500u24V V1TD = 0TF = 100n
PW = 25uPER = 50u
V1 = 0
TR = 100n
V2 = 15 5Ω
IRF540
0
200u
MUR460
Corrente na bateria
Corrente na indutância
Corrente na carga*3 Tensão na carga
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor Buck - Simulação
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L
VL
Como este arranjo tem característica abaixadora?
Chave
Diodo
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor Buck – importância da indutância
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t
VAB(t)
-V2
tL
VVi 21L
−=
i
V1
Lis iL+
-V2
-V2V1
ton toff
L
tLVi 2
L−
=
iL(t)
=24V
21 WW −=
1W
2W
Corrente,
i
ton toff
t
-V2V1
=2V2V1
-V2
ton=toffV(t)iL(t)
Corrente, i
ton toff
t
-V2V1
=4/3V2V1
-V2
ton=3toffV(t)iL(t)
V1
=12VV2
=24VV1
=18VV2
s A B
VAB
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor Buck – importância da indutância
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• k=t1/T é o ciclo de trabalho• O ciclo de trabalho, k varia entre 0 a 1 variando-se t1, T (ou f).
Consequentemente a tensão de saída V0 pode variar de 0 a V.• O controle de k é obtido por técnicas de modulação• Modulação da Largura do Pulso (PWM)
Unidade II Conversores CC-CC
Técnicas de Modulação
O período de chaveamento T(f) permanece constante e a largura do pulso t1 (intervalo em que a chave permanece conduzindo) varia para se obter o valor de k desejado, ou seja, tem-se t1 como variável de controle.
t
t
t
VvD
t T
V 0K <0,5
K =0,5
K>0,5
V 0
V 0
1
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kVV0 =
Ttk 1=
v (t)
V
tT
v0
ton toff
(t)
V0
t1
V
tt1 T
v0
ton toffV
0
(t)
vV
tT
0
ton
toff(t)
V0
t1
k=0,9
k=0,75
V
tt1 T
0
ton toffV
0 k=0,5
k=0,25
LS
DV
isi0
V0
+
-
C0
Unidade II Conversores CC-CC
Técnica de Modulação PWM
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• Modulação da Frequência do Pulso (PFM)• Neste método, t1 é mantido constante e a freqüência com
que é aplicado varia de acordo com o valor desejado de k. Neste caso a freqüência de chaveamento é a variável de controle.
Unidade II Conversores CC-CC
Técnicas de Modulação
A técnica PWM é mais utilizada pelo fato de operar com freqüência constante, o que facilita o projeto de filtros.
t
t
t
VvD
T
V 0K<0,5
K=0,5
K>0,5
V 0
V 0
1
T2
T3
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L
VL
Célula Canônica
Como obter outra topologia?
Chave
Diodo
L
VL
Chave
Diodo
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• Quando a chave S conduz, a corrente aumenta armazenando energia na indutância.
• Quando a chave S é aberta, D é diretamente polarizado, e a energia armazenada na indutância é transferida para carga.
• A tensão de saída será a soma da tensão de alimentação com o valor de tensão na indutância.
• Para S em condução:
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor CC-CC Elevador - Boost
1L t
ILVV ∆==
1tLVI =∆
• Para S aberta:
20L t
ILVVV ∆=−=
Como Vo é maior que V tem-se uma tensão negativa aplicada sobre o indutor provocando um decrescimento em sua corrente.
L Di
LoadSV
L i0
V0
+
-
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Chave S em condução
Chave S bloqueada t
vC
kT T
t
t
iL
iRI
Imin
t
iSi2i1
o
Io
t
iC
io
Formas de onda
Vmin
Vmax Vo
DL
SV
i L Imax
-Imax Io
S
D I0
V0
+
-
L
V
i L
V0
+
-
I0
+-
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor Boost – Princípio de operção
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Unidade II Conversores CC-CC
20 t
LVVI −
−=∆
Conversor Boost – Função de transferência
1L t
ILVV ∆==
1tLVI =∆
20L t
ILVVV ∆=−=
off
0
tT
k11
VV
=−
=
Son=====>
Soff=====>
∞<<⇒<< 0VV 1k0
L
V
iL
L
V
i L i0
V0
+
-
C
)toff(I)ton(I ∆−=∆
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1 k
2
Vo/V
0.5
1
off
0
tT
k11
VV
=−
=
∞<<⇒<< 010 VV k
L
cargaS
D
V
iL I0
V0
+
-
C
Conversor boost
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor Boost – Função de transferência
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fLkVI =∆
t
iL
Imin Io
Imax
L
cargaS
D
V
iL I0
V0
+
-
C
Conversor boost
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor Boost – ripple na corrente da indutância
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fCkIVc
0=∆tkT T
Vmin
Vmax Vo
L
cargaS
D
V
iL I0
V0
+
-
C
Conversor boost
vC
(t)
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor Boost – ripple na tensão de saída
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Unidade II Conversores CC-CC
Conversor Boost - ripple• Ripple nos filtros
• Ripple na indutância de entrada:
• O ripple na corrente de entrada varia em proporção inversa ao valor de L e f.
• Para se ter um L pequeno, aumenta-se o valor da freqüência f.• Ripple de tensão na capacitância de saída:
• A presença do capacitor C garante um menor ripple na tensão de saída.• O ripple varia em proporção inversa ao valor de C0 e f.• Para se ter um C pequeno, aumenta-se o valor da freqüência f.
fLkVI =∆
1tLVI =∆
L
S
D
V
iL i0
V0
+
-
C
fCkIV 0
c =∆
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• Conclusões:– O conversor Boost pode elevar uma tensão sem auxílio de um
transformador– Apresenta condução contínua na corrente da fonte– Altos picos de corrente na chave durante t1– A tensão de saída apresenta difícil regulação para k>0,5.– A polaridade da tensão de saída é a mesma da tensão de
entrada.– É robusto contra curto-circuito na chave ou na carga.
Unidade IIConversores CC-CC
Conversor CC-CC Elevador - Boost
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• Conclusões:– Transfere energia de uma fonte de menor tensão para
outra de maior tensão.– Apresenta característica de fonte de corrente na
entrada e fonte de tensão na saída.
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor CC-CC Elevador - Boost
V
i
I=====>Boost
L
cargaS
D
V
iL I0
V0
+
-
C
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t
VAB(t)
-Vx
tL
Vi ABL =
i
V1
LiL+
-V2
ton toff
L
tLVi x
L−
=
iL(t)
21 WW −=
1W
2W
Energia armazenada na indutância
s
A B
=V2V1
=V1VAB
Corrente, i=0t
V(t)iL(t)
=V2V1
para V1=V2, então VAB=0, IL=0. Nenhuma energia é armazenada em L
Corrente,
i
ton toff
t
=2V1V2
-V2
ton=toffV(t)iL(t)
VAB
V1
-VAB
=V1+V2 VAB
=24VV2=12VV1<
V1
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor Boost – importância da indutância
fantunes@dee.ufc.brwww.dee.ufc.br/~fantunes 45
V1
LiL+
-V2s
A B
=V1VAB
Corrente, i
ton toff
t
=4V1V2
-V2
ton=3toffV(t)iL(t)
VAB
V1
-VAB
=V1+V2 VAB
=48VV2=12VV1
=V1VAB
Corrente, i
ton t
t
=17V1V2
-V2
ton=16toffV(t)iL(t)
V1-VAB
=204VV2=12VV1
=V1+V2 VAB
off
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor Buck – importância da indutância
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60ms 61ms 62ms 63ms 64ms 65ms 66ms 67ms 68ms 69ms 70ms0
25
50 Tensão de Saída
Tensão de entrada
Correnta na indutância
L
LoadS
D
V
iL
I0
V0
+
-
C IRF54024V V2TD = 0TF = 100n
PW = 25uPER = 50u
V1 = 0
TR = 100n
V2 = 15
MUR4602m
20Ω100µ
0
•Frequência de chaveamento = 20kHz•L=2mH•R=20Ω•V=24V•C=100µF
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor Boost - Simulação
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L
VL
Célula Canônica Como obter mais uma topologia?
Chave
Diodo
L
VL
Chave
Diodo
LVL
Chave Diodo
Unidade II Conversores CC-CC
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• Son =====> Energia é armazenada na indutância.• Soff =====> A energia da indutância é transferida para carga.• A polaridade da tensão de saída é invertida em relação à da tensão de
alimentação.• Não há uma conexão direta entre a entrada e a saída do conversor -
Conversor indireto.• Quando a chave S conduz, a corrente aumenta no indutor, e a energia
é armazenada nele.
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor CC-CC Abaixador / Elevador ou Buck / Boost
Lcarga
S D
V
iL
i0
V0
+
-
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Unidade II Conversores CC-CC
Conversor CC-CC Abaixador / Elevador ou Buck / Boost
Chave S fechada
Chave S aberta
Formas de onda
LiL
S
V
D i0
V0
+
-+
-
LiL
S
V
D i0
V0
+
-
+
-
t
t
t
t
vc
iL
-I o
is
Iot
iD
-Vc
-i
-i min
max
Imin
iC
-Vmin-Vmax
Imax
-Imax Io
Imin
Imax
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Unidade II Conversores CC-CC
Conversor CC-CC Abaixador / Elevador ou Buck / Boost
dtdiLVL =
Son=====>
Soff=====>
∞<<⇒<< 0V0 1k0
1tILV ∆
=
20 t
ILV ∆−=
off
on0
tt
k1k
VV
−=−
−=1 k
3
Vo/V
0.5
1
0.75
Função de Transferência
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• Ripple nos elementos de filtro
• Ripple de corrente na indutância:
• Ripple de tensão na capacitância:
Unidade II Conversores CC-CC
fLkVI =∆
Conversor CC-CC Abaixador / Elevador ou Buck / Boost
fCkIV 0
c =∆
L carga
S D
V
iL
I0
V0
+
-
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Ripple na corrente da indutância
fLkVIL =∆
Lcarga
S D
V
iL
I0
V0
+
-
iL
IoImin
Imax
I0
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor CC-CC Abaixador / Elevador ou Buck / Boost
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Lcarga
S D
V
iL
I0
V0
+
-
fCkIVc
0=∆ t
vc
-Vc
-Vmin-Vmax
Ripple na tensão do capacitor
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor CC-CC Abaixador / Elevador ou Buck / Boost
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• Conclusões:– A tensão de saída pode, teoricamente variar entre (0 e
∝), dependendo do valor de k.– A polaridade da tensão de saída é invertida em relação
à da entrada.– Em caso de falha na chave a corrente de curto é
limitada pela indutância.– A corrente de entrada é descontínua, logo, altos picos
de corrente circulam pela chave.
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor CC-CC Abaixador / Elevador ou Buck / Boost
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• Conclusões:– A tensão de saída será buck ou boost dependendo do
ciclo de trabalho. O conversor será abaixador para k < 0,5 e ser elevador para k > 0,5.
– Apresenta característica de fonte de tensão na entrada e na saída.
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor CC-CC Abaixador / Elevador ou Buck / Boost
=====>Buck/Boost
L carga
S D
V
iL
I0
V0
+
-
V
i
V
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t
V(t)
V2
tLVi 1
L =
i
V1 iL +
-V2
ton toff
L
tLVi 2
L−
=
iL(t)
21 WW −=
1W
2W Corrente, i
ton toff
t
V1
=3V1V2
-V2
ton=3toffV(t)iL(t) =12VV1
=24VV2
s
VCorre
nte, i
ton toff
t
=-V1V2
V2
ton=toffV(t)iL(t)
=-12VV2=12VV1<
V1
V1
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor Buck-Boost – importância da indutância
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V1 iL +
-V2
s
V
V1
Corre
nte,
i
ton toff
t
=-1/3V1V2
-V2
ton=1/3toffV(t)iL(t)
Corrente, i
ton t
t
=-16.99V1V2
-V2
V(t)iL(t)
off
V1
=16toffton
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor Buck-Boost – importância da indutância
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V1 iL +
-V2
s
V
IL=(V1/L
).t
V1>V2
V1=V2
V1<V
2
IL=I0-(V2/L).t
IL=I0-(V2/L).t
ton toffton toff
ton toffton toff
I0=(V1/L).ton
ton toff
iL(t)
Quanto maior for k, maior a taxade mudança de IL durante toff.
Quanto maior for k, maior a taxade mudança de IL durante toff, maior será V2.
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor Buck-Boost – importância da indutância
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L R
S D
V
iL
I0
V0
+
-
•Frequência de chaveamento = 20kHz•L=2mH•R=20Ω•V=24V•C=100µF•k=0,7
Cilco de trabalho=0,7
VV >0
25.0ms 25.5ms 26.0ms 26.5ms 27.0ms 27.5ms 28.0ms
-40.0V
0V
-60.6V
26.2V
V0
V
24 100uV3TD = 0TF = 100n
PW = 35uPER = 50u
V1 = 0
TR = 100n
V2 = 15 20
MUR460
2m
0
IRF540
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor Buck-Boost - Simulação
fantunes@dee.ufc.brwww.dee.ufc.br/~fantunes 60
-20V
0V
20V
40V
25.0ms 25.5ms 26.0ms 26.5ms 27.0ms 27.5ms 28.0ms
L R
S D
V
iL
I0
V0
+
-
Resultado de simulação para k=0,4
VV <0
24 100uV3TD = 0TF = 100n
PW = 15uPER = 50u
V1 = 0
TR = 100n
V2 = 15 20
MUR460
2m
0
IRF540
Unidade II Conversores CC-CC
Conversor Buck-Boost - Simulação
•Frequência de chaveamento = 20kHz•L=2mH•R=20Ω•V=24V•C=100µF•k=0,4
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Unidade VI Conversores CC-CC
Característica dos Conversores
Lcarga
S D
ViL
i0
V0
+
-
L
cargaS
D
V
iL i0
V0
+
-
C
Lcarga
SDV
isi0
V0
+
-V
i
I
V
i
I
=====>
=====>
=====>
Buck
Boost
Buck/BoostV
i
V
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Unidade II Conversores CC-CC
Conversor Cúk
L 1 L 2i
S D V 0
+
-
s
V
+ -C 1
C 2
I 0
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Unidade II Conversores CC-CC
Conversor CúkL 1 L 2i
S D V 0
+
-
s
V
+ -C 1
C 2
I 0
Chave S em condução:
•A indutância L1 carrega e capacitor C1 polariza inversamente D
•O capacitor C1 descarrega sua energia através de C2, carga e L2. Logo, C2 e L2 carregam.
+
+
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Unidade iIConversores CC-CC
Conversor Cúk
Chave S em bloqueio:
•O capacitor C1 é carregado pela fonte e pela energia armazenada em L1 através de D (L1 descarrega).
•L2 descarrega, transferindo energia para carga através de D.
L 1 L 2i
S D V 0
+
-
s
V
+ -C 1
C 2
I 0
+
+
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off
on
tt
kk
VV
−=−
−=1
0
off
ons
tt
kk
II
−=−
−=10
L 1 L 2i
S D V 0
+
-
s
V
+ -C 1
C 2
I 0•A chave S e o diodo D operam complementarmente.
•C1 é o meio de transferência de energia da fonte para a carga.
Unidade iIConversores CC-CC
Conversor Cúk
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Unidade II Conversores CC-CC
Característica dos Conversores
LCarga
SDV
isi0
V0
+
-V
i
I=====>Buck
L
CargaS
D
V
iL i0
V0
+
-C V
i
I=====>Boost
LCarga
S D
ViL
i0
V0
+
-
V
i
V=====>Buck/Boost
I
I=====>Cúk
CargaS DV
L
V0+
-
i0
1 L2
C
is
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Unidade II Conversores CC-CC
Conversores cc-cc de Dois Quadrantesis
D1
D2
S1
S2V
ioRLE
Chopper de dois quadrantes
Operação no primeiro quadrante
is
D2
S1V
ioRLE
Operação no segundo quadrante
is D1
S2V
ioRLE
is
D2
S1V
ioRLE
is D1
S2V
ioRLE
A combinação de operação das chaves (diodos e transistores) determina se o conversor será abaixador ou elevador.O conversor será abaixador quando S1conduz durante t1, transferindo energia da fonte para a carga. Quando S1 abre, a corrente de carga, que é indutiva, circulará por D2. Em ambas as situações a tensão e a corrente na carga são positivas.O conversor elevador é composto pela operação de S2 e por D1 durante o tempo em que S2 permanece aberta. Neste modo, quando S2 está conduzindo e é comandada a bloquear, a corrente da carga é transferida para o diodo D1, havendo regeneração de energia.
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Há várias possibilidades de operação.1- S1 e S4 estão ligadas, tensão positiva é aplicada à carga aumentando a corrente de carga no sentido positivo.2- Se S1 ou S4 é desligada, D2 ou D3 conduz, fazendo com que a corrente decresça na mesma direção positiva.3- S1 e S4 estão ligadas e conduzindo, e são comandadas a bloquear, a corrente indutiva regenerará para fonte através de D1 e D4.
É importante ressaltar que o funcionamento da estrutura está relacionado com o tipo de carga entre A e B e a estratégia de comando das chaves.
Unidade II Conversores CC-CC
Conversores cc-cc de Quatro Quadrantes
V+
-
S S
SS
1
4
3
2
D
D D
D1
4
3
2
R L E
A B
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Regenerando carga ativaS1 e S4 estando conduzindo e são comandados a bloquear. A corrente de carga é transferida para D2 e D3 , havendo regeneração da energia armazenada na indutância. Deve-se observar que, mesmo havendo sinal de base ativo, as chaves S2 ou S3 não podem conduzir enquanto a corrente estiver circulando por D2 e D3. Tornando-se nula a corrente por D2 e D3 ,a energia armazenada em E é dissipada em R, circulando por S2 e D4. Comandando-se S2 a abrir, a energia de E é regenerada para fonte através de D1 e D4.
O conversor de 4-Q permite o fluxo de energia entre carga e fonte em qualquer direção pelo controle de k e escolha das chaves. É um conversor extremamente versátil.
Unidade II Conversores CC-CC
Conversores cc-cc de Quatro Quadrantes
V+
-
S S
S S
1
4
3
2
D
D D
D1
4
3
2
R L E
A B