Eletrônica de potencia Aula 09 - Conversor CC-CC Buck

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
EEN502.1
FUNDAMENTOS DE 
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
AULA 09 – CONVERSOR CC/CC BUCK
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CONVERSORES CC-CC
Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 2
• Em muitas aplicações é necessário 
converter uma fonte de tensão CC fixa em 
uma variável. 
• Um conversor CC pode ser considerado o 
equivalente CC de um transformador CA 
com uma relação de espiras continuamente 
variável.
• Assim como o transformador, ele pode ser 
usado para reduzir ou elevar uma tensão 
CC.
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APLICAÇÕES DO CONVERSORES CC-CC
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• Controle de tração de motores em 
automóveis elétricos, metrôs, etc.
• Alta eficiência de conversão e controle 
preciso da tensão de saída:
• Diminuição da corrente de partida;
• Ajuste fino da aceleração, velocidade e torque;
• Resposta rápida a perturbações;
• Podem ser usados em frenagem 
regenerativa de motores, o que representa 
uma economia energética para sistemas 
com paradas frequentes.
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APLICAÇÕES DO CONVERSORES CC-CC
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• Fontes chaveadas
• Regulação de tensão com alta eficiência
• Carregadores de baterias
• Controle nos vários estágios de carga
• Sistemas de geração à partir de fontes 
renováveis
• Painéis fotovoltaicos
• Células combustíveis
• Energy harvesting
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CONVERSORES CC-CC
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• Os seguintes conversores CC-CC serão 
estudados:
• Conversor CC-CC abaixador (buck);
• Chopper abaixador
• Conversor CC-CC elevador (boost);
• Chopper elevador
• Conversor CC-CC abaixador/elevador 
(buck-boost);
• Conversor em ponte completa (full-brigde).
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CHOPPER ABAIXADOR
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• Também conhecido como Chopper
abaixador ou conversor CC buck.
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CONTROLE DOS CONVERSORES CC-CC
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• O método mais comum para realizar o controle 
do comando das chaves utiliza um período de 
chaveamento (ou frequência) constante (T = 
Ton + Toff ) variando o tempo em que a chave 
fica ligada. Ou seja, o ciclo de trabalho de 
chave é variado.
• Este método é chamado de modulação por 
largura de pulso ou pulse-width modulation
(PWM). 
𝐷 =
𝑡𝑜𝑛
𝑇
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MODULAÇÃO PWM
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CHOPPER ABAIXADOR – CARGA RL
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V0Vin
Ld
Carga 
Dfw
VLd
ID
I0Ich
D1
D2
D3
D4
Vs
+ -
C = 
235uF
O circuito completo do chopper abaixador é mostrado na 
figura abaixo:
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CHOPPER ABAIXADOR
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Chave Fechada
V0Vin
Ld
Carga
Ch ON
D
VLd
ID I0
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CHOPPER ABAIXADOR
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Chave Aberta
V0Vin
Ld
Carga
Ch OFF
Dfw
VLd
ID
I0
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CHOPPER ABAIXADOR – FORMAS DE 
ONDA (MODO CONTÍNUO)
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V0Vin
Ld
Carga
Ch ON
D
VLd
ID I0
Corrente na Carga
Corrente na Chave 
(MOSFET ou IGBT)
Corrente no Diodo
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CHOPPER ABAIXADOR – FORMAS DE 
ONDA (MODO CONTÍNUO)
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Corrente na Carga
Corrente na Chave 
(MOSFET ou IGBT)
Corrente no Diodo
V0Vin
Ld
Carga
Ch OFF
Dfw
VLd
ID
I0
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FORMULÁRIO
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• Valor médio da tensão de saída
• Vo é o valor médio da tensão de saída
• Vin é a tensão CC de entrada
• ton – Tempo no qual a chave permanece 
fechada
• T período de operação da chave 
𝑉𝑂 = 𝑉𝑖𝑛 ∙
𝑡𝑜𝑛
𝑇
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FORMULÁRIO
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• Valor médio da corrente de saída
• Valor médio da corrente de entrada
• Valor médio da corrente no diodo
𝐼𝑂 =
𝐼𝑂1 + 𝐼𝑂2
2
𝐼𝑠 = 𝐼𝑐ℎ =
𝐼𝑂1 + 𝐼𝑂2
2
𝑇𝑜𝑛
𝑇
𝐼𝑠 = 𝐼𝑐ℎ = 𝐼𝑂 ∙ 𝐷
𝐼𝑂 =
𝑉𝑂
𝑅
𝐼𝑂 =
𝑃𝑂
𝑉𝑂
𝐼𝐷 = 𝐼𝑂
𝑇𝑜𝑓𝑓
𝑇
= 𝐼𝑂(1 − 𝐷)
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EXERCÍCIO
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• Para o chopper da figura abaixo Vin = 300 V. Para 
um ciclo de trabalho de 50% e uma frequência de 
5kHz, a potência fornecida para a carga é de 3 kW. 
• Especificar a tensão e a corrente na carga.
• Calcular as correntes nas chaves.
V0Vin
Ld
CargaDfw
VLd
ID
I0Ich
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CÁLCULO DA INDUTÂNCIA
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• A tensão no indutor Ld é dada por:
• Considerando que a corrente sobe linearmente, 
dt = ton = D.T de di = Δi:
𝐿
𝑑𝑖
𝑑𝑡
= 𝑉𝑖𝑛 − 𝑅𝐼𝑂 = 𝑉𝑖𝑛 − 𝐷𝑉𝑖𝑛 = 𝑉𝑖𝑛(1 − D)
∆𝑖 =
𝑉𝑖𝑛(1 − D)
𝐿
𝐷𝑇𝐿
∆𝑖
𝐷𝑇
= 𝑉𝑖𝑛(1 − D)
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CÁLCULO DA INDUTÂNCIA
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• Isolando L e substituindo T por 1/f:
• O pior caso de ondulação será quando D = 0,5
𝐿 =
𝑉𝑖𝑛(1 − D)
∆𝑖 ∙ 𝑓
𝐷
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CAPACITOR PARA REDUZIR O RIPPLE DE 
TENSÃO
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• Pode-se também adicionar um capacitor na saída 
do conversor para reduzir o ripple de tensão.
• O valor mínimo do capacitor para um dado ΔVO é:
𝐶 =
∆𝑖𝐿
8 ∙ 𝑓 ∙ ∆𝑉𝑂
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CÁLCULO DO INDUTOR E DO 
CAPACITOR 
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• Considerando um ripple de 20% na corrente 
do conversor do exercício anterior, calcule o 
valor da indutância.
• Considerando um ripple de 10% na tensão 
de saída do conversor do exercício anterior, 
calcule o valor do capacitor que deveria ser 
adicionado ao circuito.
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REFERÊNCIAS
• Mohan, N., Undeland, T. M. e Robbins, W. P., “Power 
Electronics – Converters, Applications and Design”, 
Wiley, 2013.
• Muhammad H. Rashid. “Eletrônica de Potência: 
Dispositivos, circuitos e aplicações”, 4ª Ed., 2015, 
Pearson. 
• H. Brigitte, “Basic Calculation of a Buck Converter’s 
Power Stage”, Application Report, Texas Instruments, 
2011.
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