02 Conversores CC-CC

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11
PARTE 4:PARTE 4:
CONVERSORES CONVERSORES CCCC--CCCC
2
CONVERSORES CC-CC CONCEITOS BÁSICOS
- Um chopper ou conversor cc-cc
 
pode ser considerado como a versão 
CC de um transformador CA
 
com uma relação de espiras 
continuamente variável.
-
 
Aplicações típicas:
• controle de tração e velocidade;
• carregamento de baterias;
• fontes chaveadas; 
•
 
aplicações gerais para adaptação de níveis de tensões cc entre fonte e 
carga.
3
CONVERSORES CC-CC PRINCÍPIO DO CONVERSOR ABAIXADOR
Capítulo 9: Choppers –
 
pág. 371 a 404 –
 
Muhammad
 
H. Rashid, 
Eletrônica de Potência: Circuitos, Dispositivos e Aplicações, Prentice
 Hall, 2ª
 
edição, 1993. 
4
CONVERSORES CC-CC
ton –
 
tempo de condução do interruptor (t1 );
toff –
 
tempo de bloqueio do interruptor (t2 );
Vi –
 
tensão de entrada (fonte de alimentação) (Vs );
Vo –
 
tensão de saída (carga) (Vo );
fs –
 
freqüência de comutação ou chaveamento (f);
Ts –
 
período de comutação ou chaveamento (T).
Atenção: Esta será
 
a nomenclatura unificada 
empregada para este tópico, que é
 
diferente 
daquela adotada no livro texto.
S –
 
interruptor ou “chave”
 
(BJT, MOSFET, 
IGBT
 
ou SCR
 
com comutação forçada);
PRINCÍPIO DO CONVERSOR ABAIXADOR
5
CONVERSORES CC-CC
fs –
 
freqüência de comutação ou chaveamento (f);
D –
 
razão cíclica ou ciclo de trabalho (k).
( ) ( )
0
1 ont on
o i s on i io med
s s
tV v t dt V f t V D V
T T
= = ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅∫
1
s
s
f
T
=
0 1on on
s on off
t tD D
T t t
= = ⇒ ≤ ≤+
( )
( )
( ) ( )2
0
1 s
o med i
s on i io med
D T
o io ef
s
V D VI f t I D I
R R
V v t dt D V
T
⋅
⋅= = = ⋅ ⋅ = ⋅
= ⋅ ⋅ = ⋅∫
PRINCÍPIO DO CONVERSOR ABAIXADOR
6
CONVERSORES CC-CC
( ) ( ) ( )
2 2
0 0
1 1s sD T D T o i
i o o o
s s
v t VP P v t i t dt dt D
T T R R
⋅ ⋅
= = ⋅ ⋅ = ⋅ =∫ ∫
Supondo um conversor sem perdas, tem-se:
A impedância (ou resistência de entrada) vista pela fonte é:
i i
i
o i
V V RR
I D V R D
= = =⋅
-
 
A razão cíclica pode ser variada por meio da variação de Ton ou fs (Ts ). 
Portanto, a tensão de saída Vo pode ser variada de 0 a Vi e o fluxo de potência 
pode ser controlado.
•
 
Operação em freqüência constante: A freqüência de comutação é
 
mantida 
constante e o tempo de condução é
 
variado (PWM: pulse width modulation –
 modulação por largura de pulso).
•
 
Operação em freqüência variável: A freqüência de comutação é
 variada. Tanto o tempo de condução como o tempo de bloqueio: podem 
ser mantidos constantes (modulação em freqüência).
PRINCÍPIO DO CONVERSOR ABAIXADOR
7
CONVERSORES CC-CC PRINCÍPIO DO CONTROLE PWM
8
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR ABAIXADOR COM CARGA RLE
9
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR ABAIXADOR COM CARGA RLE
1
1i
diV Ri L E
dt
= + +
Modo 1 (0≤t≤ton ):
Ao final deste modo, tem-se:
Modo 2 (ton ≤t≤Ts ):
Ao final deste modo, tem-se:
Em regime permanente, tem-se I3 =I1 .
10
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR ABAIXADOR COM CARGA RLE
Ondulação da corrente de pico a pico:
-
 
Pode-se provar que a ondulação máxima é
 
dada por:
-
 
As equações previamente apresentadas são válidas apenas para fluxo 
contínuo de corrente.
-
 
Para um tempo de bloqueio grande, particularmente em baixa freqüência e 
baixa tensão de saída, a corrente de carga pode ser descontínua. 
-
 
A corrente de carga será
 
contínua se L/R>Ts ou Lfs >>R.
- No caso de corrente de carga descontínua, tem-se I1 =0.
11
CONVERSORES CC-CC PRINCÍPIO DO CONVERSOR ELEVADOR
Na condução do interruptor:
12
CONVERSORES CC-CC CLASSIFICAÇÃO DOS CHOPPERS
Chopper Classe A: permite fluxo de potência apenas da fonte para a carga ⇒
 corrente na carga e tensão na carga positivas (retificador) ⇒ chopper de 
um quadrante.
Chopper Classe B:
 
permite fluxo de potência apenas da carga para a fonte ⇒
 corrente na carga negativa e tensão positiva (inversor).
13
CONVERSORES CC-CC CLASSIFICAÇÃO DOS CHOPPERS
Chopper Classe B:
Chopper Classe C:
 
a corrente na carga é
 
tanto positiva quanto negativa, 
mas a tensão na carga é
 
sempre positiva ⇒ chopper de dois quadrantes 
(bidirecionalidade
 
de corrente) ⇒
 
operação como retificador ou 
inversor.
14
CONVERSORES CC-CC CLASSIFICAÇÃO DOS CHOPPERS
Chopper Classe C:
15
CONVERSORES CC-CC CLASSIFICAÇÃO DOS CHOPPERS
Chopper Classe D:
 
a corrente na carga é
 
sempre positiva, mas a tensão na 
carga é
 
tanto positiva quanto negativa ⇒
 
chopper de dois quadrantes 
(bidirecionalidade
 
de tensão) ⇒ operação como retificador ou inversor.
16
CONVERSORES CC-CC CLASSIFICAÇÃO DOS CHOPPERS
Chopper Classe E:
 
tanto a tensão quanto a corrente na carga são positivas 
e negativas ⇒
 
chopper de quatro quadrantes (bidirecionalidade
 
de 
tensão e de corrente) ⇒ operação como retificador ou inversor.
17
CONVERSORES CC-CC TOPOLOGIAS DE CONVERSORES
CC-CC NÃO ISOLADOS
- Conversor buck; 
- Conversor boost; 
-Conversor buck-boost; 
- Conversor Cúk;
- Conversor SEPIC; 
- Conversor Zeta. 
18
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BUCK EM MCC
Conversor buck:
 
a tensão de saída é
 
menor que a tensão de saída.
- Durante a condução do interruptor, tem-se:
19
CONVERSORES CC-CC
- Durante o bloqueio do interruptor, tem-se:
- A ondulação da corrente é
 
dada por:
- Sendo e , tem-se:
G=Vo /Vi –
 
ganho estático do conversor em MCC.
Considerando um circuito sem perdas, tem-se:
-
 
A ondulação da corrente no indutor e da tensão no capacitor são dadas 
por:
CONVERSOR BUCK EM MCC
20
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BUCK EM MCD
-
 
Dependendo da freqüência de comutação, da indutância e da 
capacitância de filtro, a corrente no indutor pode ser descontínua.
razão cíclica de condução descontínuaon ocd
s
t tD
T
+= =
2
2
ganho estático em condução descontínua
2
o
oi
i s
V DG LIV D
VT
= = =
+
21
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BUCK EM MCD
Para uma ampla faixa de variação de razão cíclica, o pior caso ocorre quando 0,5:
 
8
i
crit
s o
D
VL
f I
=
=
( )1
indutância crítica
2
i
crit
s o
V D D
L
f I
−= =
22
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BOOST EM MCC
23
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BOOST EM MCC
24
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BOOST EM MCC
Considerando um circuito sem perdas, tem-se:
A ondulação de corrente pico a pico é
 
dada por:
A ondulação da tensão é
 
dada por:
( )o o i o
o
o s s
I V V I D
V
V f C f C
−Δ = =
( )1
1
o
i i o o i o i
I
V I V I V I D I
D
= = − ⇒ = −
( )i o i i
s o s
V V V V D
I
f LV f L
−Δ = =
25
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BOOST EM MCD
-
 
Em regime permanente, o valor médio da tensão no indutor é
 
nulo:
-
 
Além disso, em MCD, a corrente média no indutor é:
-
 
Manipulando as expressões anteriores, tem-se:
-
 
Para garantir a operação em condução contínua, o mínimo valor da 
corrente no indutor deve ser maior do que zero.
( ) 21
=indutância crítica
2 2
i i
crit
s o s o
V D D V D
L
f I f P
−= =
( ) 0 o s di s i o d
i d
V DT tV DT V V t
V t
++ − = ⇒ =
( )
( ) ( ) ( )máxméd 2 2
on dL i
i i s dL
s
I t t V D
I I I DT t
T L
+= = ⇒ = +
22 2
1
2
i o o i
d
o i i s o
LI LI V V D
t
DV DV V f LI
= = ⇒ = +
26
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BOOST EM MCD
27
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BUCK-BOOST EM MCC
-O conversor buck-boost combina as características de entrada de um 
conversor buck e as características de saída de um conversor boost;
-
 
A tensão média de saída pode ser maior, igual ou menor que a tensão 
de entrada, porém com a polaridade invertida.
28
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BUCK-BOOST EM MCC
29
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BUCK-BOOST EM MCC
Considerando um circuito sem perdas, tem-se:
( )1
1
o
i i o o i o i
I D
V I V I V I D D I
D
= − = − ⇒ = −
A ondulação de corrente pico a pico é
 
dada por:
( )i o is o i s
VV V DI
f L V V f L
Δ = =−
A ondulação da tensão é
 
dada por:
( )o o oo o i s s
I V I DV
V V f C f C
Δ = =−
1
0,5
0,5
0,5
o
i
o i
o i
o i
V D
V D
D V V
D V V
D V V
= −
< ⇒ <
= ⇒ =
> ⇒ >
30
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BUCK-BOOST EM MCD
-
 
Em regime permanente, o valor médio da tensão no indutor é
 
nulo:
0 o si s o d
i d
V DT
V DT V t
V t
+ − = ⇒ =
-
 
Além disso, em MCD, a corrente de saída média é:
( ) 2máx 2
2 2
dL o d s
o d
s s
I t V t LTI t
T LT R
= = ⇒ =
-
 
Manipulando as expressões anteriores, tem-se:
2
o o
i s
V RD
V f L
=
-
 
Para garantir a operação em condução contínua, o mínimo valor da 
corrente no indutor deve ser maior do que zero.
( ) ( )21
=indutância crítica
2 2
i i
crit
s o s o
V D D DV
L
f I f P
−= =
31
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR BUCK-BOOST EM MCD
32
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR CÚK
-
 
A transferência de energia da fonte para a carga é
 
feita por meio de 
um capacitor;
-
 
Tanto a corrente de entrada quanto a de saída podem ser contínuas, 
devido à
 
presença dos indutores;
-
 
A tensão de saída apresenta-se com polaridade invertida em relação à
 tensão de entrada.
33
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR CÚK
-
 
Na primeira etapa, o interruptor conduz, de modo que a corrente
 
no 
indutor L1 cresce linearmente. O capacitor descarrega sua energia 
alimentando o estágio de saída e o diodo permanece bloqueado.
-
 
Na segunda etapa, o interruptor é
 
bloqueado. A fonte de alimentação 
carrega o capacitor C1 . A energia armazenada no indutor é
 
transferida à
 carga através do diodo.
34
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR CÚK em MCC
Projeto:
35
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR CÚK em MCC
-
 
Uma vez que a característica estática do conversor Cuk
 
é
 
idêntica à
 
do 
conversor abaixador-elevador de tensão (buck-boost), as mesmas 
curvas características apresentadas anteriormente são válidas também 
para esta topologia.
-
 
Definindo o ganho estático e o parâmetro Ke , que por sua vez se 
relaciona com a descontinuidade, tem-se: 
2
1 2
1 2
 e 
2
o e o
e e
i e i s
V L I L LD K L
V K VT L L
= ⇒ = = +
1 1 8
2
e
crit
K
D
± −=
-
 
O ciclo de trabalho crítico, no qual há
 
a passagem do modo de 
condução contínuo para o descontínuo, é
 
dado por:
36
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR SEPIC
-
 
O conversor SEPIC
 
(Single Ended Primary Inductance Converter) 
também possui uma característica de transferência do tipo abaixadora-
 elevadora
 
de tensão; 
- Diferentemente do conversor Cúk, a corrente de saída é
 
pulsada;
-
 
Os interruptores ficam sujeitos a uma tensão que é
 
a soma das tensões 
de entrada e de saída e a transferência de energia da entrada para a saída 
ocorre através do capacitor.
37
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR SEPIC
-
 
Na primeira etapa, o interruptor conduz e o diodo permanece 
bloqueado. O indutor L1 armazena energia a partir da fonte de entrada. 
As correntes em L1 e L2 crescem linearmente. O capacitor Co 
descarrega sua energia alimentando o estágio de saída e o diodo 
permanece bloqueado.
-
 
Na segunda etapa, o diodo passa a conduzir. Ambos os indutores 
fornecem energia para a carga. O capacitor C1 é
 
carregado.
38
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR SEPIC
Projeto:
( )
( )
( )
( )
1
1 1
2
2 2
2
1
1
2
1
1
1
1
1
o
i
o si s
o si s
i s
C
o
i s
Co
o o
V DG
V D
V D TV DT
I
L L
V D TV DT
I
L L
V D T
V
R C D
V D T
V
R C D
= = −
−Δ = =
−Δ = =
Δ = −
Δ = −
39
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR ZETA
-
 
O conversor Zeta
 
também possui uma característica abaixadora-
 elevadora
 
de tensão. Na verdade, a diferença entre este conversor, o 
Cuk
 
e o SEPIC
 
é
 
apenas a posição relativa dos componentes;
- A corrente de entrada é
 
descontínua e a de saída é
 
continua;
- A transferência de energia ocorre através do capacitor.
40
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR ZETA
-
 
Na primeira etapa, o interruptor conduz e o diodo permanece 
bloqueado. A corrente em ambos os indutores cresce linearmente. As 
correntes em L1 e L2 crescem linearmente. O capacitor C1 é
 descarregado e o capacitor Co é
 
descarregado.
-
 
Na segunda etapa, o diodo passa a conduzir. O indutor L1 descarrega 
sua energia, carregando C1 . Por sua vez, o indutor L2 alimenta o estágio 
de saída.
41
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR ZETA
Projeto:
( )
1
1
2
2
1
1
2
2
1
1
8
o
i
i
s
i
s
o
C
s o
o
Co
s o
V DG
V D
V D
I
f L
V D
I
f L
V D
V
f R C
V D
V
f L C
= = −
Δ =
Δ =
Δ =
−Δ =
42
-
 
Trata-se da versão isolada do conversor buck-boost.
Funções do Transformador:
-
 
isolamento entre a fonte e a carga;
-
 
acumulação de energia quando o interruptor T está
 
em condução;
-
 
adaptar a tensão necessária no enrolamento secundário.
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FLYBACK
43
Etapas de Funcionamento e Formas de Onda Básicas para Condução Descontínua:
Ls -
 
indutância magnetizante
 
referida ao secundário do transformador.
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FLYBACK
4444
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FLYBACK
Projeto:
( )o o oo o i s s
I V I DV
V V f C f C
Δ = =−
45
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FORWARD
46
-
 
Trata-se da versão isolada do conversor buck.
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FORWARD
47
-
 
Durante a 2ª
 
etapa de funcionamento, o transformador deve ser inteiramente 
desmagnetizado. Caso contrário, ocorrerá
 
sua saturação magnética, provocando o 
mau funcionamento no conversor.
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FORWARD
48
-
 
Para que a desmagnetização seja assegurada, é
 
necessário que quando a razão 
cíclica for máxima, TD =T2 . Assim, tem-se:
a) Análise das Grandezas Envolvidas
c) Corrente no Indutor e Cálculo da Indutância
b) Tensão Média na Carga (Vout ):
-
 
Normalmente, Dmax =0,5. Então, pode-se escrever:
onde
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FORWARD
49
d) Corrente de Pico nos Enrolamentos Secundário e Primário
e) Cálculo da Capacitância
f) Transformador
Kp −
 
fator de utilização do primário (Kp =0,5);
Kw −
 
fator de utilização da área do enrolamento (Kw =0,4);
J −
 
densidade de corrente (250-400 A/cm2);
ΔB −
 
variação de fluxo eletromagnético (0,2-0,3 T).
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FORWARD
50
f) Transformador
Np –
 
número de espiras do enrolamento primário;
Ae –
 
área efetiva da perna central do núcleo [m];
ΔB −
 
variação de fluxo eletromagnético [T].
Nsn –
 
número de espiras do secundário de número “n”;
VF –
 
queda de tensão no diodo [V].
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FORWARD
51
⇒ O ferrite, usado em núcleos de 
transformadores e indutores, é
 formado por compostos à
 
base de 
níquel, zinco e/ou manganês. 
Possui baixa coercividade, o que 
permite a magnetizaçãoreversa 
com pouca dissipação de energia 
(perdas por histerese). Por outro 
lado, a alta resistividade do 
material reduz a circulação de 
correntes parasitas. É
 
amplamente 
usado em fontes chaveadas devido 
às perdas reduzidas em altas 
freqüências.
⇒
 
A densidade de fluxo de 
saturação para um núcleo de ferrite
 é
 
da ordem de 0,3 T.
⇒ A densidade de trabalho, 
inferior ao valor de Bmax , depende 
da freqüência de trabalho. 
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FORWARD
52
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FORWARD
53
-
 
Escolha da Seção Transversal dos Condutores dos Enrolamentos:
Scm −
 
área de secção reta do condutor [cm2];
Ief −
 
valor eficaz da corrente.
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FORWARD
54
1) Especificar: Vin , Vout , Pout , fs , ΔVo , ΔiL , η.
2) Definir a razão cíclica nominal, lembrando que Dmax =0,5
4) Calcular a(s) capacitância(s).
3) Calcular a(s) corrente(s) de carga, a(s) corrente(s) de pico no(s) enrolamentos 
secundário(s) e a(s) resistência(s) de carga.
5) Calcular o produto Ae ⋅Aw e definir o núcleo do transformador.
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FORWARD
55
6) Calcular o número de espiras dos enrolamentos primário e secundário(s),
8) Calcular a(s) indutância(s).
7) Calcular a(s) relaç(ão)(ões) de transformação.
CONVERSORES CC-CC CONVERSOR FORWARD
56
T=período da tensão de entrada do filtro de saída;
 TS =2⋅T=período de funcionamento do conversor.
CONVERSOR HALF-BRIDGECONVERSORES CC-CC
57
1ª
 
Etapa:
2ª
 
Etapa:
3ª
 
Etapa:
CONVERSOR HALF-BRIDGECONVERSORES CC-CC
58
-
 
A topologia do tipo Half-Bridge normalmente e é
 
recomendada para potências inferiores a 500 
W.
- Para potências maiores, é
 
empregado o conversor do tipo Full-Bridge.
CONVERSOR FULL-BRIDGECONVERSORES CC-CC
59
- Pode ser considerado como um caso particular do conversor Full-Bridge ou Half-Bridge.
-
 
Destinado a pequenas potências, por propiciar um mau aproveitamento do transformador e 
dificultar o emprego de técnica para evitar a saturação no núcleo devido à
 
desigualdade entre os 
tempos de comutação dos interruptores. 
-
 
É
 
mais recomendado para baixas tensões por submeter os interruptores a tensões muito 
elevadas.
CONVERSOR PUSH-PULLCONVERSORES CC-CC
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