Relatorio05 Conversor Boost

Prévia do material em texto

INTRODUÇÃO 
Este tipo de conversor é usado quando se deseja uma tensão de saída maior que a tensão 
de entrada. A tensão de saída possui mesma polaridade que a tensão de entrada. O 
conversor boost é mostrado na figura 1. Utiliza-se os mesmos componentes do 
conversor buck, porém com um arranjo diferente. É outro conversor chaveado que 
funciona através da comutação periódica de um interruptor. 
 
 
Figura 1 - conversor boost 
Onde, 
L Indutor; 
C Capacitor; 
S Interruptor (MOSFET); 
Db Diodo; 
RL Resistor; 
Ve Tensão de Entrada 
Vs Tensão de Saída, observada em cima da Carga (RL) 
O conversor boost trabalha em duas etapas, que serão comentadas posteriormente. 
 
DESENVOLVIMENTO 
Para aplicação da simulação, foi utilizado um MOSFET como interruptor. Pois é mais 
indicado quando se trabalha em baixa potência. 
Como citado na introdução, o conversor boost trabalha em duas etapas: 
 1ª etapa (interruptor fechado): o indutor atua como uma impedância (polaridade 
+/-), armazenar energia e sua corrente cresce linearmente. O diodo fica 
polarizado reversamente, portanto não há passagem de corrente. 
 
 2ª etapa (interruptor aberto): nessa situação o diodo passa a conduzir. O indutor 
inverte sua polaridade (-/+), assim fornecendo a energia armazenada na 1ª etapa 
para RL. A corrente no indutor não varia instantaneamente, ai entra o diodo que 
fornece um caminho para esta corrente. 
A imagem a seguir mostra o caminho da corrente das duas etapas de funcionamento 
descritas acima. 
 
Figura 2 - etapas de atuação do interruptor 
O circuito utilizado para análise foi: 
 
Figura 3 - simulação conversor boost 
 
A figura 4 mostra a corrente no indutor: 
 
Figura 4 - corrente no indutor 
O ruído gerado na entrada é baixo porque o indutor está diretamente ligado na tensão de 
entrada, assim mantém a variação de corrente de entrada sem pulsos. 
Pegando um pequeno intervalo da figura 4 (corrente no indutor), tem-se: 
 
Figura 5 - corrente no indutor ampliada 
O valor máximo da corrente (Imáx) é 1.621A e valor mínimo da corrente (Imín) é 1.41A, 
aproximadamente. A variação vista na figura 5 é chamada “taxa de variação na corrente 
do indutor” representada por ∆iL que é constante, logo a corrente muda linearmente no 
período em que o interruptor está aberto. Quando o indutor passa a fornecer energia 
para a carga juntamente com Ve, os dois juntos têm uma característica de fonte de 
corrente. E suas tensões são somadas como mostra a figura 6. 
 
Figura 6 - tensão Ve+VL 
Sabe-se que a chave é fechada pelo tempo 𝐷. 𝑇 e aberta por (1 − 𝐷). 𝑇, onde 𝐷 é a 
razão cíclica. Pode-se concluir que a tensão no indutor em um período é dada por: 
𝑉𝐿 = 𝑉𝑒. 𝐷 + (𝑉𝑒 − 𝑉𝑠)(1 − 𝐷) = 0 
Para a situação de chave aberta, tem-se: 
𝑉𝑠 =
𝑉𝑒
1−𝐷
 (1) 
Essa equação mostra que se a chave ficar sempre aberta e D for zero, a tensão na saída 
será a mesma da entrada. Quando a taxa de trabalho se aproxima de 1, a tensão de saída 
vai para infinito, isso levando em consideração que os componentes são ideais. 
 
Para o dimensionamento do indutor foi utilizado a equação abaixo: 
𝐿 =
𝑉𝑒.𝐷
∆𝑖.𝑖𝑛.𝑓
 (2) 
A fim de dimensionar o mais correto possível os componentes é aconselhável expressar 
L em função de ∆𝑖𝐿 = ∆𝑖. 𝑖𝑛. A existência de uma baixa resistência no indutor não 
muda significativamente a análise do conversor buck, mas essa resistência do indutor 
afeta o funcionamento do conversor boost, em especial com altas taxas de trabalho. 
Como abordado anteriormente, no caso ideal a tensão de saída é dada por: 
𝑉𝑠 =
𝑉𝑒
1 − 𝐷
 
Levando em consideração o efeito da resistência do indutor na tensão de saída e 
partindo do conhecimento que a potência fornecida pela fonte é a mesma potência 
absorvida pela carga, a equação 2 é acrescida de um termo, ficando: 
𝑉𝑠 =
𝑉𝑒
1−𝐷
∗
1
1+𝑅𝑙/[𝑅(1−𝐷)²]
 (3) 
A equação 3 é similar a equação 2, porém inclui o “fator de correção” que considera a 
resistência do indutor. A resistência do indutor também afeta a eficiência da potência do 
conversor. Com o aumento da taxa de trabalho, a eficiência do conversor boost diminui. 
Através da corrente do capacitor calcula-se a tensão de ondulação pico a pico na saída. 
 
Figura 7 - corrente no capacitor 
A área que está compreendida entre no intervalo [0 -1], corresponde a carga do 
capacitor que pode ser calculada pela equação: 
|∆𝑄| = (
𝑉𝑜
𝑅
). 𝐷. 𝑇 = 𝐶. ∆𝑉𝑜 
A tensão de ondulação na saída é: 
∆𝑉𝑜
𝑉𝑜
=
𝐷
𝑅.𝐶.𝑓
 
Durante a 1ª etapa (interruptor fechado) o capacitor fornece a corrente à carga e deve 
manter a tensão de saída sem grandes variações (figura 9). Por isso, uma das 
características dos conversores estudados é o alto valor do capacitor. 
 
Figura 8 - tensão no capacitor 
 
 
Figura 9 - tensão no capacitor ampliada 
 
Através da planilha de cálculo (em anexo), utilizando as especificações dadas. Foi 
dimensionado todos os componentes, utilizando uma frequência de 40 kHz. 
Foi analisado, também, a razão cíclica (D) e a corrente que passa pela carga (In). 
Mostrados nas figuras a seguir. 
 
Figura 10 - razão cíclica 
 
 
Figura 11 - corrente na carga 
 
A corrente mostrada na figura 11 é a corrente que está atuando na carga e está de acordo 
com o que foi projetado nos cálculos na planilha, In = 0.545A. 
 
Figura 12 - corrente na carga ampliada 
O componente que controla essa pequena variação na corrente nominal é o capacitor. 
 
Figura 13 - tensões de entrada e saída 
 
A figura 13 mostra a característica principal deste conversor, que é elevar a tensão de 
entrada. Na figura pode-se perceber que a tensão de entrada 40V é elevada à 110V 
(tensão de saída), como especificado no início do projeto. Na entrada o sinal é contínuo 
já na saída também é um sinal contínuo, porém com um período transitório até chegar 
em um valor estável que é 110V. O circuito demora um pouco mais de 0.015 segundos 
para entrar no regime permanente. 
Dá mesma forma que no capacitor, a tensão de saída na carga sofre alguns ruídos que 
são amenizados pelo próprio capacitor. Isso é esperado por conta do arranjo do circuito 
onde a carga e o capacitor estão em paralelo, e que de acordo com as Leis de Kirchhoff, 
eles estão submetidos a mesma tensão. 
 
CONCLUSÃO 
Conclui-se que a frequência é um importante parâmetro para o desenvolvimento de 
projetos dos conversores cc-cc, pois a partir dela é feito o dimensionamento dos 
componentes que serão utilizados para a aplicação. Da mesma forma a razão cíclica é 
utilizada no dimensionamento. O conversor boost tem característica de fonte de corrente 
na entrada (quando interruptor aberto) e fonte de tensão na saída. Esse conversor pode 
ser implementado apenas com fonte de entrada, indutor, interruptor, diodo e a carga, 
porém os elementos armazenadores de energia (indutor e capacitor) têm um papel 
importante no circuito desse conversor, o indutor reduz os ruídos da entrada e o 
capacitor colocado em paralelo com a carga tem como função minimizar as variações de 
corrente e tensão, fazendo assim com que o conversor mantenha-se com uma tensão 
linear e não cause dados, pois dependendo da aplicação não é aconselhável uma grande 
variação na tensão. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ 
CURSO DE ENG. ELÉTRICA - CAMPUS DE SOBRAL 
DISCIPLINA: ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 
PROFESSOR: ANDRÉ LIMA 
 
 
 
 
 
 
RELATÓRIO 
CONVERSOR BOOST 
 
 
 
 
 
Alunos: Acélio Luna Mesquita Mat: 302768 
José Caetano Honorato VianaMat: 302750 
 
 
 
 
 
 
Sobral - CE 
2013.2