ELT043 – Fontes de Alimentação CC e CAtroliveira/docs/aulas/fontes/Fontes_p1.pdf · R È ' E...

01/08/2019

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ELT043 – Fontes de Alimentação CC e CA

Prof. Dr. Thiago de OliveiraDepartamento de Eng. Eletrônica

Apresentação

• Prof. Thiago de Oliveira– Sala 2620– E-mail: [email protected]

• Bibliografia

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• Notas de aula;• N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins. Power Electronics: Converter, Applications and

Design. 3rd Edition, Wiley;• R. W. Erickson, D. Maksimovic. Fundamental Power Electronics. 2nd Edition, Springer;• Application Notes;• Artigos Técnicos e Científicos.

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Apresentação

• Distribuição de Pontos e Datas Importantes– Projeto I – 40pts– Projeto II – 40pts– Prova – 20pts (12/11)

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Apresentação

• Objetivo da Disciplina– Desenvolver habilidades de Projeto, Especificação, Modelagem e

Controle de conversores estáticos CC/CC e CC/CA

• Metodologia– Aprendizado baseado em projeto:

• Serão realizados dois projetos ao longo da disciplina:– Fontes Chaveadas;– Aplicação de inversor;

• As aulas servirão para fornecer a arcabouço teórico-prático necessário para o desenvolvimento dos projetos e com isso complementar as habilidades citadas acima;

• Os trabalhos serão desenvolvidos em ambiente de simulação (LTSpice, Simulink, PSIM), mas serão abordados detalhes construtivos de um projeto real.

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3

Apresentação

• Metodologia...– Os principais conteúdos abordados nas aulas serão:

• Discussão das especificações de projeto – Critérios normativos, conceitos básicos, possíveis soluções topológicas, carcaterísticas da topologia a ser desenvolvida;

• Projeto e Especificação do conversor estático:– Projeto Eletrônico (Potência e sinal);– Projeto Magnético;– Projeto Térmico;

• Técnicas de modelagem de conversores (linearização);• Técnicas de controle e projeto de controladores;

5

Apresentação

• Conhecimentos prévios necessários:– Circuitos Elétricos;– Dispositivos e Circuitos Eletrônicos Básicos;– Sistemas Digitais;– Análise de Sistemas Dinâmicos Lineares;– Controle de Sistemas Lineares;– Conversão da energia (Circuitos magnéticos);– Eletrônica de Potência;

• Conhecimentos desejáveis– Processamento de Sinais;– Acionamentos Elétricos.

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Revisão Conversores CC/CC (Básico)

Prof. Dr. Thiago de OliveiraDepartamento de Eng. Eletrônica

Conversores CC/CC

• Conversores Clássicos

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2nd orderconverters

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Conversores CC/CC

• Conversor Não-isolados

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Comando do transistorOn

off

~15V

0V

TS

Ton Toff

vGS

Ciclo de Trabalho (Duty Cycle)

퐷 =푇푇

Conversores CC/CC

• Conversor Boost em CCM

10

Comando

푉

푖

푣

퐸

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Conversores CC/CC


11

Comando

푉

푖

푣

퐸

퐸 − 푉푖푇푖

Conversores CC/CC


12

푉

푖

푣

퐸

퐸 − 푉

푖푇푖 ,

Δ퐼

퐸푇 = − 퐸 − 푉 푇퐸푇 = − 퐸 −푉 (푇 − 푇 )

÷ 푇 → 퐸퐷 = − 퐸 − 푉 (1−퐷)

푉 =퐸

1− 퐷푉 =퐸

1− 퐷

Para: 0 ≤ 푡 ≤ 푇

퐿푑푖푑푡 = 퐸 퐿

Δ퐼푇 = 퐸

퐿 =퐸퐷Δ퐼 푓퐿 =퐸퐷Δ퐼 푓

퐼

퐼퐼 = 퐷퐼퐼 = 퐷퐼

퐼 = 퐼 = 1−퐷 퐼퐼 = 퐼 = 1−퐷 퐼

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Conversores CC/CC


13

푣

푖

푖

−퐼

퐼

Δ푉

퐼 푇 = 퐶Δ푉

퐶 =퐼 1−퐷 퐷푓 Δ푉퐶 =

퐼 1−퐷 퐷푓 Δ푉

푉 =퐸

1− 퐷푉 =퐸

1− 퐷


퐼 = 퐷퐼퐼 = 퐷퐼 퐼 = 퐼 = 1−퐷 퐼퐼 = 퐼 = 1−퐷 퐼

푉 = 푉푉 = 푉 푉 = 푉푉 = 푉

Conversores CC/CC

• Conversor Boost em condição crítica

14

Comando

푉

푖

퐸

퐸 − 푉 퐼

퐼 = Δ퐼 = 2퐼

퐿 =퐸퐷Δ퐼 푓

퐿 =퐸퐷

2퐼 푓퐿 =퐸퐷

2퐼 푓퐼 =

퐸퐷2퐿푓퐼 =퐸퐷2퐿푓

퐸퐷2퐿푓 =

퐼1 − 퐷 =

푉푅 1 − 퐷 =

퐸푅 1− 퐷

퐷 1− 퐷 =2퐿푓푅 = 퐾퐷 1− 퐷 =2퐿푓푅 = 퐾

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Conversores CC/CC

• Conversor Boost em condição crítica

15

• Caso 퐾 > 0.1481, o boost não entra em DCM

Conversores CC/CC

• Conversor Boost em DCM

1616

Comando

푉

푖

퐸

퐸 − 푉 퐼

푡

퐸푇 = −(퐸 − 푉 ) 푇 − 푇 − 푡

푉 =퐸 1 − 푡

푇

1 − 퐷 − 푡푇

퐼 =푉푅 =

퐼2 1− 퐷 −

푡푇

퐼 = Δ퐼 =퐸퐷퐿푓

푡푇 = 1− 퐷 −

2퐿푓푅 퐸퐷 푉

푡푇 = 1− 퐷 −

2퐿푓푅 퐸퐷 푉

푡푇 = 1 − 퐷 −

푉퐸퐷 퐾

푡푇 = 1 − 퐷 −

푉퐸퐷 퐾

푉 =퐸2 1 + 1 + 4퐷 /퐾푉 =퐸2 1 + 1 + 4퐷 /퐾

퐷 =퐾푉퐸

푉퐸 − 1퐷 =

퐾푉퐸

푉퐸 − 1

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Conversores CC/CC

• Conversor Boost em DCM

17

Conversores CC/CC

• Conversor Buck em CCM

18

Comando

푉

푖

퐸 − 푉푂

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10

Conversores CC/CC


19

Comando

푉

푖

퐸 − V

−푉

Conversores CC/CC


20

Δ퐼

퐸 − 푉 푇 = − −푉 푇

푉 = 퐸퐷푉 = 퐸퐷

Para: 0 ≤ 푡 ≤ 푇

퐿푑푖푑푡 = (퐸 − 푉 )

퐿 =퐸 1− 퐷 퐷

Δ퐼 푓퐿 =퐸 1− 퐷 퐷

Δ퐼 푓

퐼 = 퐷퐼퐼 = 퐷퐼

퐼 = 1− 퐷 퐼퐼 = 1− 퐷 퐼

Comando

푉

푖

퐸 − V

−푉

퐼 = 퐼퐼 = 퐼

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Conversores CC/CC


21

푣Δ푉

퐶Δ푉 =Δ퐼 푇

8

퐶 =Δ퐼

8푓 Δ푉퐶 =Δ퐼

8푓 Δ푉

푉 = 퐸퐷푉 = 퐸퐷

퐿 =퐸 1− 퐷 퐷

Δ퐼 푓퐿 =퐸 1− 퐷 퐷

Δ퐼 푓

퐼 = 퐷퐼퐼 = 퐷퐼 퐼 = 1− 퐷 퐼퐼 = 1− 퐷 퐼

푉 = 퐸푉 = 퐸 푉 = 퐸푉 = 퐸

푖

푖Δ퐼

Conversores CC/CC

• Conversor Buck em condição crítica

22

Comando

푉

푖

퐸 − 푉

−푉 퐼

퐼 = Δ퐼 = 2퐼

퐿 =퐸퐷 1−퐷Δ퐼 푓

퐿 =퐸퐷(1− 퐷)

2퐼 푓퐿 =퐸퐷(1− 퐷)

2퐼 푓퐼 =

퐸퐷(1− 퐷)2퐿푓퐼 =

퐸퐷(1− 퐷)2퐿푓

퐸퐷(1 − 퐷)2퐿푓 = 퐼 =

푉푅 =

퐸퐷푅

1 − 퐷 =2퐿푓푅 = 퐾1 − 퐷 =2퐿푓푅 = 퐾

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Conversores CC/CC

• Conversor Buck em DCM

23

Comando

푉

푖

퐸 − 푉

−푉퐼

푡

(퐸 − 푉 )푇 = −(−푉 ) 푇 −푇 −푡

푉 =퐸퐷

1 − 푡푇

퐼 =푉푅 =

퐼2 1 −

푡푇

퐼 = Δ퐼 =(퐸 − 푉 )퐷

퐿푓

푡푇 =

퐾푉퐷(퐸 − 푉 )

푡푇 =

퐾푉퐷(퐸 − 푉 )

푉 =2퐸

1 + 1 + 4퐾/퐷푉 =

2퐸1 + 1 + 4퐾/퐷

퐷 =푉퐸

퐾1 − 푉 /퐸퐷 =

푉퐸

퐾1 − 푉 /퐸

Conversores CC/CC

• Conversor Buck em DCM

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Conversores CC/CC

• Conversor Buck-boost em CCM

25

Comando

푉

푖

퐸

Conversores CC/CC


26

Comando

푉

푖

퐸

−푉

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Conversores CC/CC


27

Δ퐼

퐸푇 = − −푉 푇

푉 =퐸퐷

1− 퐷푉 =퐸퐷

1− 퐷Para: 0 ≤ 푡 ≤ 푇

퐿푑푖푑푡 = 퐸


퐼 = 퐷퐼퐼 = 퐷퐼

퐼 = 퐼 = 1−퐷 퐼퐼 = 퐼 = 1−퐷 퐼

Comando

푉

푖

퐸

−푉

Conversores CC/CC


28

푉 =퐸퐷

1− D푉 =퐸퐷

1− D


퐼 = 퐷퐼퐼 = 퐷퐼 퐼 = 1− 퐷 퐼퐼 = 1− 퐷 퐼

푉 = 퐸 + 푉푉 = 퐸 + 푉 푉 = 퐸 + 푉푉 = 퐸 + 푉

푣

푖

푖

−퐼

퐼

Δ푉

퐼 푇 = 퐶Δ푉

퐶 =퐼 1−퐷 퐷푓 Δ푉퐶 =

퐼 1−퐷 퐷푓 Δ푉

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Conversores CC/CC

• Conversor Buck-boost em condição crítica

29

Comando

푉

푖

퐸

−푉 퐼

퐼 = Δ퐼 = 2퐼

퐿 =퐸퐷Δ퐼 푓

퐿 =퐸퐷

2퐼 푓퐿 =퐸퐷

2퐼 푓퐼 =

퐸퐷2퐿푓퐼 =퐸퐷2퐿푓

퐸퐷2퐿푓 = 퐼 =

푉푅 =

퐸퐷푅 (1− 퐷)

1 − 퐷 =2퐿푓푅 = 퐾1 − 퐷 =2퐿푓푅 = 퐾

Conversores CC/CC

• Conversor Buck-boost em DCM

30

Comando

푉

푖

퐸

−푉퐼

푡

퐸푇 = −(−푉 ) 푇 − 푇 − 푡

푉 =퐸퐷

1 − 퐷 − 푡푇

퐼 =푉푅 =

퐼2 1− 퐷 −

푡푇

퐼 = Δ퐼 =퐸퐷퐿푓

푉 =퐸퐷퐾

푉 =퐸퐷퐾

퐷 =푉 퐾퐸퐷 =

푉 퐾퐸

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Conversores CC/CC

• Conversor Buck-boost em DCM

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Conversores CC/CC

• Regime de condução descontínua - Kcritico

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Boost -> 퐷 1−퐷

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Conversores CC/CC

• Resumo dos Conversores Não-Isolados

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Parâmetros Buck Boost Buck-Boost

푉 /퐸 (CCM) 퐷 11 − 퐷 −

퐷1− 퐷

Δ퐼퐸 − 푉 퐷퐿푓

퐸퐷퐿푓

퐸퐷퐿푓

Δ푉Δ퐼

8푓 퐶퐼 퐷푓 퐶

퐼 퐷푓 퐶

퐾 (1 − 퐷) 퐷 1 − 퐷 1 − 퐷

퐿퐸 1 − 퐷 퐷

2퐼 푓

푉 /퐸 (DCM)2

1 + 1 + 4퐾/퐷1 + 1 + 4퐷 /퐾

2−퐷퐾

Voltage Stress 퐸 푉 퐸 + 푉

Corrente de entrada Pulsada Contínua Pulsada

Corrente de Saída Contínua Pulsada Pulsada

Conversores CC/CC – Isolados

• Baseados no Buck

34

Forward

Half-bridge

Full-bridge

Push-pull

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• Baseados no Buck

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Parâmetros Forward Push-Pull HB FB

Vo 퐸퐷푁 /푁 퐸퐷푁 /푁 퐸퐷푁 /2푁 퐸퐷푁 /푁Uso do núcleo 1Q 2Q 2Q 2Q

Voltage Stress 2퐸 2퐸 퐸2

퐸

Current Stress 1 1 2 1

Power Range ~200W 100W-500W 100W-500W >500W


• Conversor Flyback

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• Conversor barato;• Uso de apenas uma quadrante

do núcleo;• Uso geralmente limitado a

100W;

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• Armazena energia na indutância de magnetização do “transformador”;

• O diodo se mantém bloqueado;• O capacitor alimenta a carga;

퐸푉

푖

푖



38

• Descarrega a energia armazenada no secundário;

• O diodo conduz e o transistor corta;• Carrega o capacitor;

퐸

−푉푁푁

푉

푖

푖

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• Conversor Flyback - CCM

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푉 =퐸퐷

1− 퐷푁푁푉 =

퐸퐷1− 퐷

푁푁


퐿 = 퐿푁푁퐿 = 퐿푁푁

퐸

−푉푁푁

푉

푖

푖퐶 =퐼 퐷푓 Δ푉퐶 =퐼 퐷푓 Δ푉


• Conversor Flyback - DCM

40

푉 =퐸퐷퐾푁푁푉 =

퐸퐷퐾푁푁


퐿 = 퐿푁푁퐿 = 퐿푁푁

퐸

−푉푁푁

푉

푖

푖

퐾 =2퐿 푓푅퐾 =

2퐿 푓푅

퐶 =퐼 퐷푓 Δ푉퐶 =퐼 퐷푓 Δ푉

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