Teoria dos Conversores CC/CC Elevadores de Tensão · Campus de Ilha Solteira Laboratório de...

Campus de

Ilha Solteira

Laboratório de

Eletrônica de Potência

Slide 1/75

Teoria dos Conversores

CC/CC Elevadores de Tensão

Prof. Dr. Carlos Alberto Canesin

UNESP – Campus de Ilha Solteira

LEP – Laboratório de Eletrônica de Potência

Campus de

Ilha Solteira

Conversores CC/CC Elevadores de Tensão Slide 2/75

Conversor CC/CC Elevador de Tensão

Analogia com o Conversor CC/CC Abaixador de Tensão:

( )Cfv t E

. ;CfV D E 0 1D

Campus de

Ilha Solteira




• Fluxo de energia: EH EL .

• É possível inverter o fluxo de energia? Em outras palavras, é possível fazer a energia

fluir a partir da fonte de menor tensão (EL) em direção à fonte de maior tensão (EH)?

• Se for possível, então iremos obter um elevador de tensão.

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Ilha Solteira




• 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 Ec.

• Porém, quando S é levado à condução, o

diodo D não é bloqueado, fazendo com

que seja aplicado um curto-circuito nos

terminais de E, levando à destruição do

circuito.

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Ilha Solteira




• Para solucionar o problema do bloqueio de D quando S é acionado, uma segunda

tentativa pode ser realizada a partir da substituição de D por um interruptor

controlado S1.

• Neste caso, no exato instante em que S1

é bloqueado, o interruptor S deve ser

levado à condução. Isto impede a

ocorrência do curto-circuito na fonte E e

permite que o sentido de fluxo da

corrente em Lf seja sustentado.

Campus de

Ilha Solteira




• No circuito apresentado, é possível substituir o interruptor S por um simples diodo,

sem prejuízo algum para o funcionamento do circuito.

• Quando S1 é bloqueado, o diodo D entra

em condução imediatamente, em função

do sentido de fluxo da corrente em Lf.

Além disso, quando S1 é novamente

levado à condução, o diodo D é

naturalmente bloqueado.

Campus de

Ilha Solteira




Campus de

Ilha Solteira



Análise da Potência Processada (MCC):

Campus de

Ilha Solteira




Campus de

Ilha Solteira




1

.Ec off LfI t IT

Campus de

Ilha Solteira




1

.Ec off LfI t IT

on

Ec Lf

T tI I

T

onEc Lf

tTI I

T T

1Ec LfI D I

ontD

T

Campus de

Ilha Solteira




.E LfP E I

.Ec c EcP E I

1Ec LfI D I

1 . .Ec c LfP D E I

Campus de

Ilha Solteira




.E LfP E I 1 . .Ec c LfP D E I

• Considerando um circuito ideal (sem perdas, ou seja, com rendimento igual a 100%):

E EcP P

. 1 . .Lf c LfE I D E I

1 .

Lfc

Lf

IE

E D I

1

1

cE

E D

1

1G

D

cEG

E

Campus de

Ilha Solteira



Característica de Transferência de Energia (MCC):

1

1G

D

G

D

Campus de

Ilha Solteira




G D

• Conversor Buck:

G

D

Campus de

Ilha Solteira



G D

• Conversor Buck:

1

1G

D

• Conversor Boost:

G

D

G

D

Campus de

Ilha Solteira



Conexão de Carga Indutiva (por ex., RLE):

Campus de

Ilha Solteira



Ondulação de Corrente:

Campus de

Ilha Solteira




( ) ( )Lf Lf

dv t E L i t

dt

( )Lf

Ei t dt

L

min( ) ILf

Ei t t

L

max min( ) I ILf on on

Ei t t

L

Campus de

Ilha Solteira




max minI ILfI

max minI Ion

Et

L

min minI ILf on

EI t

L

Lf on

EI t

L

Campus de

Ilha Solteira




Lf on

EI t

L

. onLf

tE TI

L T

.Lf

EI D

f L

T

T

Campus de

Ilha Solteira




.E LfP E I

.Ec c DP E I

• Potência de entrada:

• Potência de saída:

Campus de

Ilha Solteira




.Ec c DP E I


.

1Ec D

EP I

D

1

1 1

cc

E EE

E D D

???DI

Campus de

Ilha Solteira





( ) cRc Rc

c

Ei t I

R

( )Cf cv t E

( )( )

Cf

Rc

c

v ti t

R

Campus de

Ilha Solteira





( ) ( ) ( )D Cf Rci t i t i t

( )D Cf RcI I I t

D RcI I

( ) 0CfI t

Campus de

Ilha Solteira





( )D Cf RcI I I t

cD

c

EI

R

0Cf

cRc

c

I

EI

R

Campus de

Ilha Solteira





cD

c

EI

R

1Ec D

EP I

D

1

cEc

c

EEP

D R

2

2

1

1Ec

c

EP

RD

1

1 1

cc

E EE

E D D

Campus de

Ilha Solteira




• Considerando um circuito ideal:

2

2

1.

1Lf

c

EE I

RD

E EcP P

2

2

.

1

1

E Lf

Ec

c

P E I

EP

RD

2

1

1Lf

c

EI

RD

Campus de

Ilha Solteira




2

1

1Lf

c

EI

RD

.Lf

EI D

f L

2

.

1

1

Lf

Lf

c

ED

I f L

EI

RD

Campus de

Ilha Solteira




2

.

1

1

Lf

Lf

c

ED

I f L

EI

RD

2

1.

Lf c

Lf

I RD D

I f L

2.

1Lf

c Lf

If LD D

R I

2

( ) 1Lf normI D D

Campus de

Ilha Solteira




2

( ) 1Lf normI D D

( )Lf normI

D

Campus de

Ilha Solteira



Característica de Carga (MCD):

Campus de

Ilha Solteira




Campus de

Ilha Solteira




maxI .1

2

disD

tI

T

maxI on

f

Et

L

1

2.D on dis

f

EI t t

T L

1D offI A

T

Campus de

Ilha Solteira




( )Lf cE v t E

• Segunda etapa de funcionamento:

max( ) I

c

Lf

f

E Ei t t

L

( )Lf cv t E E

( ) ( )Lf f Lf

dv t L i t

dt

( )f Lf c

dL i t E E

dt

( ) cLf

f

E Edi t

dt L

( ) cLf

f

E Ei t dt

L

Campus de

Ilha Solteira




max0 I

c

dis

f

E Et

L

maxI on

f

Et

L

0

c

on dis

f f

E EEt t

L L

f

dis on

f c

LEt t

L E E

dis on

c

Et t

E E

• Segunda etapa de funcionamento:

max( ) Ic

Lf

f

E Ei t t

L

Campus de

Ilha Solteira




1

2.D on dis

f

EI t t

T L

dis on

c

Et t

E E

1

2.D on on

f c

E EI t t

T L E E

221

2. .D on

f c

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L T E E

2 2

22.

onD

f c

tT EI

L E ET

22

2.D

f c

T EI D

L E E

2.

2.D

f c

T E EI D

L E E

T

T

2

2.

.

f

D

c

L EI D

T E E E

22. . 1

1

f

D

c

f LI D

EE

E

Campus de

Ilha Solteira




22. . 1

1

f

D

c

f LI D

EE

E

2

2. . 1

1

f

D

f LI D

E G

2

( )

1

1D normI D

G

2

( ) ( ). D norm D normG I I D

2

( )

( )

D norm

D norm

D IG

I

2

( )

1D norm

DG

I

cEG

E

( )

2. . f

D norm D

f LI I

E

Campus de

Ilha Solteira



Característica de Carga (MCC):

1

1G

D

• Conforme demonstrado anteriormente (slides 8 até 14):

Campus de

Ilha Solteira



Característica de Carga (MCCr):

?G

2

( )

1D norm

DG

I

1

1G

D

Campus de

Ilha Solteira




?G

2

( )

1D norm

DG

I

1

1G

D

Campus de

Ilha Solteira




2

( )

11

1D norm

D

I D

?G

2

( )

1D norm

DG

I

1

1G

D

• Na realidade, para o modo de condução crítica:

Campus de

Ilha Solteira




2

( )

11

1D norm

D

I D

• Para o modo de condução crítica:

2

( )

11

1D norm

D

I D

2

( )

1 1

1D norm

DD

I D

2

( ) 1D norm

D D

I D

( ) . 1D normI D D

Campus de

Ilha Solteira




• Para o modo de condução crítica, tem-se ainda:

1

1G

D

. 1G G D

. 1G D G

1GD

G

Campus de

Ilha Solteira




• Voltando à equação de ID(norm) no modo de

condução crítica:

( ) . 1D normI D D

1GD

G

( )

1 1. 1D norm

G GI

G G

( )

11.D norm

G GGI

G G

( )

1 1.D norm

GI

G G

( ) 2

1D norm

GI

G

Campus de

Ilha Solteira



Característica de Carga:

• Para o modo de condução descontínua:


• Para o modo de condução contínua:

( ) 2

1D norm

GI

G

2

( )

1D norm

DG

I

1

1G

D

Campus de

Ilha Solteira







( ) 2

1D norm

GI

G

2

( )

1D norm

DG

I

1

1G

D

ID(norm)

G

Campus de

Ilha Solteira



Característica de Carga (MCC):




( ) 2

1D norm

GI

G

2

( )

1D norm

DG

I

1

1G

D

ID(norm)

G

Campus de

Ilha Solteira







( ) 2

1D norm

GI

G

2

( )

1D norm

DG

I

1

1G

D

ID(norm)

G

Campus de

Ilha Solteira



Interpretação da Característica de Carga (G versus ID(norm)):

( ) 2

1,D norm

GI

G

1,

1G

D

2

( )

1 ,D norm

DG

I

M.C.D.

M.C.Cr.

M.C.C.

( )

2. . f

D norm D

f LI I

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GE

ID(norm)

G

Campus de

Ilha Solteira




( ) 2

1,D norm

GI

G

1,

1G

D

2

( )

1 ,D norm

DG

I

M.C.D.

M.C.Cr.

M.C.C.

( )

2. . f

D norm D

f LI I

E CfV

GE

ID(norm)

G

Campus de

Ilha Solteira




ILf(norm)

G

ID(norm)

G

Campus de

Ilha Solteira

Laboratório de

Eletrônica de Potência

Slide 56/75

Teoria dos Conversores

CC/CC Elevadores de Tensão

- ELEMENTOS DE FILTRAGEM: Complemento

Prof. Dr. Carlos Alberto Canesin

UNESP – Campus de Ilha Solteira

LEP – Laboratório de Eletrônica de Potência

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Ilha Solteira



• Princípio de funcionamento;

• Ondulação da corrente no indutor Boost;

• Característica de carga (G versus ID(norm)).

• Indutância crítica?

• Ondulação da tensão no capacitor de saída?

Campus de

Ilha Solteira







( ) 2

1D norm

GI

G

2

( )

1D norm

DG

I

1

1G

D

Campus de

Ilha Solteira







( ) 2

1D norm

GI

G

2

( )

1D norm

DG

I

1

1G

D

ID(norm)

G

Campus de

Ilha Solteira





( ) 2

1D norm

GI

G

• Para garantir a operação em MCC:

( ) 0,25D normI

ID(norm)

G

( )

1

4D normI

Campus de

Ilha Solteira



Indutância Crítica:

• Para garantir a operação em MCC:

( )

2. . f

D norm D

f LI I

E

2. . 1

4

Df

f IL

E

( )

1

4D normI

ID(norm)

G

8. .f

D

EL

f I

Campus de

Ilha Solteira



Ondulação da Tensão de Saída:

• Considerações simplificadoras:

− Reduzido ripple (ondulação) na corrente de entrada;

Campus de

Ilha Solteira






Campus de

Ilha Solteira






( ) ( )Cf f Cf

di t C v t

dt

1( ) ( )Cf Cf

f

v t i t dtC

Campus de

Ilha Solteira






1( ) ( )Cf Cf

f

v t i t dtC

Campus de

Ilha Solteira






1( ) ( )Cf Cf

f

v t i t dtC

1

( )Cf Lf D

f

v t I I dtC

(min)

1( )Cf Lf D Cf

f

v t I I t VC

(max)( )Cf off Cfv t V

(max) (min)

Lf D

Cf off Cf

f

I IV t V

C

Campus de

Ilha Solteira






(max) (min)

Lf D

Cf off Cf

f

I IV t V

C

(max) (min)Cf Cf CfV V V

Lf D

Cf off

f

I IV t

C

Campus de

Ilha Solteira




Lf D

Cf off

f

I IV t

C

1 .

1 .

D Lf

off

I D I

t D T

1 .1 .

Lf Lf

Cf

f

I D IV D T

C

.1 .

Lf Lf Lf

Cf

f

I I D IV D T

C

1Lf

Cf

f

IV D D T

C

• Considerando um conversor ideal:

in outP P

. Lf outE I P

outLf

PI

E

• Portanto:

1. .

outCf

f

PV D D

E f C

( )

. .. 1

f

Cf norm Cf

out

E f CV V D D

P

Campus de

Ilha Solteira




( ) . 1Cf normV D D

( )Cf normV

D

1. .

outCf

f

PV D D

E f C

0,5 1 0,5. .

outCf

f

PV

E f C

4. . .

outCf

f

PV

E f C

Campus de

Ilha Solteira



Trabalho Extra-Classe, Boost:

• (Parte 1) Projetar um conversor Boost, operando no modo de condução contínua,

admitindo-se os seguintes dados de entrada e saída:

− Pout = 500W

− f = 50kHz

− Vin = 200V

− Vout = 400V

− Máximo ripple (pico-a-pico) de tensão na saída: 5% de Vout

− Máximo ripple (pico-a-pico) de corrente no indutor: 20% 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 D.

Campus de

Ilha Solteira




• (Parte 2) 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 Vout 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:

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• (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 Vout 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. Em seguida, varie o valor de ton, para que Vout volte a ser igual a 400V.

Compare o valor de ton utilizado na simulação com o valor de ton calculado através da

teoria. Caso exista diferença entre os valores, comente as razões para tanto.

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• (Parte 5) Repetir o projeto e a simulação do conversor, considerando o modo de

condução crítica, admitindo-se os seguintes dados de entrada e saída:

− Pout(max) = 500W

− Pout(min) = 300W

− fmin = 20kHz

− Vin = 200V

− Vout = 400V


• Simular a estrutura projetada utilizando o PSpice. Realizar a simulação para

Pout = 300W, Pout = 400W e Pout = 500W, sustentando o modo de condução crítica nas

três situações.

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Ilha Solteira




• (Parte 6) Repetir o projeto e a simulação do conversor, considerando o modo de

condução descontínua, admitindo-se os seguintes dados de entrada e saída:

− Pout = 500W

− f = 50kHz

− Vin = 200V

− Vout = 400V


• Simular a estrutura projetada utilizando o PSpice e comparar os resultados com aqueles

obtidos para a parte 1 e para a parte 5. Destaque e comente as principais diferenças entre

os resultados.

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