07 ElePot conversoresDC DC

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Disciplina Eletrônica de Potência (ENGC48)
Tema: Conversores de Corrente Contínua para 
Corrente Contínua – Topologias Clássicas
Eduardo Simas
(eduardo.simas@ufba.br)
Aula 8
Universidade Federal da Bahia
Escola Politécnica 
Departamento de Engenharia Elétrica
DEE
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Sumário
� Introdução
� Conversores Abaixadores
� Conversores Elevadores
� Conversores Elevadores-Abaixadores
� Conversor Cúk
� Exercícios de Fixação
DEE
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1. Introdução
DEE
4/57
Introdução
� Os conversores de corrente contínua (DC) para corrente contínua (DC) 
também são conhecidos como choppers.
� São utilizados para obter uma tensão DC Vo na saída a partir de uma fonte 
DC Vs na entrada:
� Podem ser classificados como:
� Abaixadores (step-down) se Vo < Vs
� Elevadores (step-up) se Vo > Vs
Vs Vo
Sist. de controle
Conversor
DC-DC
DEE
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Introdução
� São utilizados basicamente para:
� Obter uma tensão DC regulada (fixa) na saída a partir de uma tensão 
DC variável na entrada;
� Obter uma tensão DC ajustável na saída a partir de uma tensão DC 
regulada na entrada.
� Principais aplicações:
� Fornecimento de tensão DC regulada;
� Controle de máquinas de corrente contínua;
� Sistemas HVDC.
DEE 6/57
Tensão DC ajustável a partir de circuitos lineares:
� Limitados a Vo < Vs;
� Baixa eficiência (significativas perdas);
� Utilizados apenas em aplicações de baixa potência;
� Exemplo: Divisor de Tensão
R1
R2
Vs
Vo
Sendo Vs = 10 V, R1 = 50 Ω e 0 < R2< 50 Ω, calcular 
as potências dissipadas na fonte e numa carga de 1 kΩ
( conectada em Vo) para Vo = 50 V e Vo = 0 V.
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Tensão DC ajustável a partir de circuitos lineares:
� Limitados a Vo < Vs;
� Baixa eficiência (significativas perdas);
� Utilizados apenas em aplicações de baixa potência;
� Exemplo: Divisor de Tensão
R1
R2
Vs
Vo
Sendo Vs = 10 V, R1 = 50 Ω e 0 < R2< 50 Ω, calcular 
as potências dissipadas na fonte e numa carga de 1 kΩ
( conectada em Vo) para Vo = 50 V e Vo = 0 V.
Resolução:
=> Para Vo ≈ 50 V → R2 = 50 Ω → IR1 ≈ 1,020 A 
Ps ≈ 100 W e Po = 2,5 W
=> Para Vo = 0 V → R2 = 0 Ω → IR1 = 2 A 
Ps ≈ 200 W e Po = 0 W 
DEE
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Princípio Básico de um Conversor DC-DC 
com Chaves Eletrônicas
� A tensão de saída pode ser controlada pela chave S.
� Pode-se usar como chave: MOSFET, TBJ, IGBT, GTO.
� Razão de trabalho: 
� Tensão na saída:
T
tD ON=
DVsVs
T
tVsdt
T
Vo ON
tON
=== ∫
0
1
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Controlador com Modulação PWM para 
conversores DC-DC
DEE 10/57
Características dos Conversores DC-DC no 
Modo Chaveado (Topologias Clássicas)
� Vantagens:
� Topologias e propriedades bem compreendidas e disponíveis em vasta 
literatura;
� Pequeno número de componentes;
� Alta eficiência;
� Frequência de operação constante (modulação PWM);
� Controle relativamente simples (disponibilidade de circuitos integrados 
comerciais para os controladores);
� Podem atingir altas razões de conversão (tanto para abaixar como para 
elevar).
� Desvantagens:
� Perdas nas chaves aumentam com a frequência de chaveamento;
� Geram interferência eletromagnética (EMI) no chaveamento.
DEE 11/57
Topologias Clássicas de Conversores DC-DC
DEE
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2. Conversor Abaixador 
(Step-Down ou Buck)
DEE
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Conversor Abaixador (Step-Down)
� Os conversores DC-DC abaixadores (step-down) 
são também conhecidos como conversor buck.
� Funcionamento semelhante ao conversor básico 
apresentado anteriormente:
Como 0>D>1 e Vo=DVs→ Vo ≤ Vs
� O indutor e o capacitor regulam as carcterísticas da 
corrente e da tensão na carga.
Circuitos Equivalentes:
Chave fechada
Chave aberta
VoVs
iois
Vo
io
VoVs
iois
DEE
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Conversor Abaixador
� Considerando a corrente no indutor, os 
conversores DC-DC podem operar em dois 
modos:
� Modo de Condução Contínua (MCC) –
neste caso a corrente está sempre fluindo 
através do indutor (iL > 0) .
� Modo de Condução Descontínua (MCD) –
em alguns intervalos de tempo a corrente 
no indutor é nula.
� Em geral é preferível (em grande parte das 
aplicações) a utilização do conversor no MCC, 
porém, quando a corrente no circuito ou a 
frequência de chaveamento ou o ciclo de 
trabalho diminuem o conversor pode operar 
em MCD.
No modo de condução 
contínua (MCC) iL > 0
DEE
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Limite MCC - MCD
� Para garantir MCC: 
� Quando operando no MCC, o capacitor é escolhido considerando-se o 
valor relativo de ondulação (Vr/Vo) desejado:
DEE
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Conversor Step-Down - Exemplo
� Considerando um conversor buck com as seguintes características:
encontre os valores de L e C necessários para manter MCC e Vr/Vo=1%.
DEE
17/57
Conversor Step-Down - Exemplo
� Considerando um conversor buck com as seguintes características:
encontre os valores de L e C necessários para manter MCC e Vr/Vo=1%.
� Substituindo nas equações anteriores: 
DEE
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Conversor Step-Down em MCD
� Características de um 
conversor operando em 
MCD:
� Dependendo da aplicação, 
o conversor pode ser operado
mantendo constante: 
� a tensão de entrada Vs
� a tensão de saída Vo
� A análise da operação do conversor no MCD deve ser realizada para cada um dos casos.
� Na fronteira entre MCC e MCD (∆2=0):
)(
2
)(
22
1
,
VoVs
L
DTVoVs
L
toniI peakLLB −=−≈=
Vs
DEE
19/57
Conversor Step-Down em MCD
MCD com a tensão de entrada (Vs) constante:
� Aplicação: No controle de velocidade de um motor DC, a tensão de entrada 
permanece aproximadamente constante enquanto a tensão de saída é ajustada.
� A corrente média no indutor no limite entre MCC e MCD é dada por:
� E atinge o valor máximo para D = 0,5 (considerando Vs constante):
)1(
2
DD
Lf
VsILB −=
Lf
VsI MAXLB 8)(
=
DEE
20/57
Conversor Step-Down em MCD
MCD com a tensão de entrada (Vs) constante:
� A relação entre as Vs e Vo no conversor é:






+
=
)(
2
2
4
1
MAXLBI
IoD
D
Vs
Vo
Vo / Vs
Vs =
DEE
21/57
Conversor Step-Down em MCD
MCD com a tensão de saída (Vo) constante:
� Aplicação: Em fontes DC reguladas a tensão de entrada pode flutuar, mas a tensão de 
saída deve permanecer constante.
� A corrente média no indutor no limite entre MCC e MCD é dada por:
� E atinge o valor máximo para D = 0 (mantendo Vo constante):
O que na práSca é impossível pois se D = 0 → Vo = 0
)1(
2
D
Lf
VoILB −=
Lf
VoI MAXLB 2)(
=
DEE
22/57
Conversor Step-Down em MCD
MCD com a tensão de saída (Vo) constante:
� Neste caso é mais conveniente obter uma expressão de D:
2/1
)(
1 









−
=
Vs
Vo
I
Io
Vs
VoD MAXLB
Vs
Vs
Vs
DEE
23/57
2.1. Conversores Abaixadores com 
Transformador
DEE
24/57
� Em algumas aplicações é desejável haver isolamento galvânico entre a fonte e a carga 
(visando segurança e confiabilidade).
� Neste caso são utilizados transformadores de alta frequência (leves e pequenos) que 
proporcionam alta eficiência.
� Exemplos:
� Conversor Direto (Forward Converter);
� Conversor Push-Pull.
Conversores Step-Down com Transformador
DEE
25/57
Conversor Direto
Circuito:
Funcionamento:
� Quando a chave S está fechada D1 -> está conduzindo e D2 em polarização reversa.
A potência está sendo transferida da fonte para a carga.
� Quando a chave S está aberta D1 -> em polarização reversa e D2 conduzindo. 
Indutor + capacitor alimentam a carga.
Sendo:
n
D
Vs
Vo
=
21 / NNn =
O valor de Lb(limiteMCC – MCD) e do capacitor são calculados do 
mesmo modo que para o conversor abaixador sem transformador.
Observação: O enrolamento adicional
(N3) é utilizado para evitar saturação do
transformador pois a corrente circula
sempre num mesmo sentido.
DEE
26/57
Conversor Push-Pull
Circuito:
Funcionamento:
� As chaves operam com defasagem de T/2 e num mesmo ciclo de trabalho (D < 0,5).
� S1 fechada e S2 aberta �D1 conduzindo e D2 em corte
� S1 aberta e S2 fechada �D1 em corte e D2 conduzindo
� As duas chaves abertas � D1 e D2 em condução e dividindo a corrente do indutor 
(não há transferência de potência da fonte para a carga)
n
D
Vs
Vo 2
=
Sendo:
21 / NNn =
Limite
MCC-MCD:
Filtro a
capacitor:
DEE
27/57
3. Conversor Elevador 
(Step-Up ou Boost)
DEE
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Conversor Elevador (Step-Up ou Boost)
� Circuito:
� Característica entrada – saída:
� S aberta� energia armazenada no 
indutor é enviada para o circuito 
(diodo+capacitor+carga)
� S fechada � indutor carregando
e capacitor alimentando a carga 
Como 0 ≤ D ≤ 1, então Vs ≤ Vo
C
i
r
c
u
i
t
o
s
 
E
q
u
i
v
a
l
e
n
t
e
s
:
VoVs
iois
VoVs
iois
Observação: Não são comuns as
aplicações de conversores elevadores
com transformadores.
DEE
29/22
Chopper Step-Up Máximo para D ≈ 0,33
� Escolha do indutor e 
do capacitor:
� Para garantir MCC: e
� Para regular a ondulação da tensão 
na saída (a partir de Vr/Vo): 
DEE
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Conversor Elevador - MCC
� Neste caso a corrente no indutor é sempre 
maior que zero.
Modo de condução contínua (MCC) → iL > 0
DEE
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Chopper Step-Up - Exemplo
� Considerando um conversor boost com as seguintes características:
encontre os valores de L e C necessários para manter MCC e Vr/Vo=1%.
DEE
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Chopper Step-Up - Exemplo
� Considerando um conversor boost com as seguintes características:
encontre os valores de L e C necessários para manter MCC e Vr/Vo=1%.
� Substituindo nas equações chega-se a:
DEE
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Conversor Elevador em MCD
� No limite entre MCC e MCD:
)1(
222
1
,
DD
L
TVo
ton
L
VsiI peakLLB −=≈=
Considerando um circuito sem perdas: )1( D
I
IoVoIoVsI
L
L −=→=
DEE
34/57
Conversor Elevador em MCD
� Na maioria dos casos o conversor elevador opera com Vo constante.
� Num conversor elevador a corrente do indutor é igual à corrente da fonte.
� A corrente média na saída no limite entre MCC e MCD é dada por:
� E atinge o valor máximo para D = 1/3 (considerando Vo constante):
2)1(
2
DD
Lf
VoIoB −=
Lf
VsI MAXoB 074,0)( =
DEE
35/57
Conversor Elevador em MCD
� O ciclo de trabalho pode ser expresso em função de Vo/Vs e IoB/ IoB(MAX) :
2/1
)(
1
27
4














−=
MAXoBI
Io
Vs
Vo
Vs
VoD
Vs
Vs
Vs
DEE
36/57
4. Conversor Elevador-Abaixador 
(Buck-Boost)
DEE
Vo
io
37/57
Conversor Elevador-Abaixador (Buck-Boost)
� Combina as características dos 
conversores abaixador e elevador.
D > 0,5 → Vo > Vs (opera como elevador)
D < 0,5 → Vo < Vs (opera como abaixador)
� Chave fechada→ indutor sendo 
carregado e diodo em bloqueio
� Chave aberta → indutor transferindo 
corrente para o circuito
C
i
r
c
u
i
t
o
s
 
E
q
u
i
v
a
l
e
n
t
e
s
:
VoVs
iois
VoVs
iois
DEE
38/22
Conversor Buck-Boost
� Escolhendo o indutor para 
manter modo de condução
contínua:
� Escolhendo o capacitor em função da 
tensão de ondulação na saída (Vr/Vo):
DEE
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Conversor Buck-Boost – Limite MCC x MCD
)1(
222
1
,
D
L
TVoD
L
TVsiI peakLLB −=≈=
Considerando um 
circuito sem perdas: D
D
I
IoVoIoVsI
L
L
)1( −
=→=
Corrente no indutor:
DEE
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Conversor Buck-Boost – Limite MCC x MCD 
� Do circuito (considerando que o valor médio da corrente no capacitor é zero);
� Na maioria das aplicações do conversor elevador-abaixador a tensão de saída (Vo) 
é mantida constante.
� A corrente média na saída no limite entre MCC e MCD é dada por:
� E atinge o valor máximo para D = 0 (considerando Vo constante):
2)1(
2
D
Lf
VoIoB −=
Lf
VoI MAXoB 2)(
=
2
)( )1( DII MAXoBoB −=
IsIIo L −=
DEE
Vs
Vs
Vs
41/57
Conversor Buck-Boost no MCD
� O ciclo de trabalho pode ser expresso em função de Vo/Vs e IoB/ IoB(MAX) :
)(MAXoBI
Io
Vs
VoD =
DEE
42/57
4.1 Conversor Elevador-Abaixador com 
Transformador (Conversor Fly-Back)
DEE
43/57
Conversor Fly-Back Lm – indutância de magnetização do 
transformador fly-back
� O indutor do conversor buck-boost foi substituído por um transformador:
21 / NNn =Sendo:
DEE
44/57
Conversor Fly-Back - Funcionamento
� Chave Fechada: a corrente na indutância de magnetização cresce linearmente, o diodo 
está em corte, não há corrente no transformador e a carga é alimentada pelo capacitor.
� Chave Aberta: a corrente armazenada na indutância é direcionada para o 
transformador, o diodo é ligado e a corrente do secundário alimenta a carga e o 
capacitor
DEE
45/57
Conversor Fly-Back – Limite MCC x MCD
� Para manter o modo de condução contínua:
� O filtro a capacitor é especificado por:
DEE
46/57
5. Conversor Cuk
DEE
47/57
Conversor Cuk
� Um indutor e um capacitor são adicionados no circuito do conversor elevador.
� Tanto a corrente da fonte como a da carga são reguladas (respectivamente pelos indutores 
L1 e L2).
� A tensão de saída é invertida em relação à de entrada (assim como no conversor elevador).
DEE
48/57
Conversor Cuk - Funcionamento
� Chave Fechada:
� Chave Aberta:
DEE
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Conversor Cuk – Limite MCC x MCD
� Valores mínimos para os indutores que mantém o MCC:
� O capacitor no lado da saída é escolhido a partir da tensão de ondulação desejada:
� A variação de tensão no capacitor C1 é calculada por:
DEE
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Conversor Cuk
� Vantagens: 
� Tanto a corrente da fonte como a corrente de saída são reguladas pelos indutores 
(o que não acontece nos outros conversores clássicos).
� A necessidade de filtragem externa é reduzida.
� Desvantagens:
� Maior quantidade de dispositivos de filtragem.
� Necessidade de uma capacitor C1 de maior capacidade de regulação.
DEE
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6. Aplicações
DEE
52/57
Aplicações:
� Drivers de alto desempenho para motores elétricos CC em veículos 
elétricos, equipamentos de tração e máquinas ferramenta (normalmente 
usa-se conversores Step-down);
� Sistemas de radar e sistemas de ignição (Step-up)
� Sistemas de geração fotovoltaicos e eólicos para otimizar a carga das 
baterias
� Em UPS (Uninterruptible Power Supplies) para ajustar o nível da tensão 
retificada ao da tensão de carga das baterias.
DEE
53/57
Aplicações:
Sistemas de distribuição no qual um único barramento DC é utilizado para 
alimentar cargas de diversos tipos (em estações espaciais, barcos, aviões).
DEE
54/57
Aplicações:
Lâmpadas de descarga de alta intensidade (High Intensity Discharge – HID) em veículos:
� As lâmpadas HID não possuem filamento.
� A descarga elétrica (10 – 30 kV) produz um arco numa mistura pressurizada de mercúrio, 
xenônio e metal vaporizado.
� Para manter o arco ≈ 85 V.
� Maior durabilidade que as lâmpadas comuns.
� Produzem luz mais branca.
DEE
55/57
Conversores CC-CC Disponíveis Comercialmente
� Circuitos Integrados:
� Módulos Completos:
Step-Down
Step-Down
ou 
Step-UpDEE
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5. Exercícios de Fixação
DEE
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Exercícios de Fixação:
1. Projete um conversor DC-DC abaixador acionado por PWM (f = 100 kHz) de modo que ele opere no MCC para: a) Vo = 50 V e b) Vo = 20 V e tenha 
uma ondulação de tensão de no máximo 2 %. Está disponível uma fonte de tensão DC regulada Vs = 70 V e a carga a ser alimentada é de 100 Ω. 
2. Para a Questão 01-a, encontre o ciclo de trabalho necessário para que a tensão na saída seja 10 V.
3. Encontre as perdas na chave semicondutora da Questão 01-a se for utilizado um IGBT 30N60B conforme datasheet em anexo.
4. Repita a Questão 03 para o IGBT 30N60C.
5. Repita as Questões 03 e 04 considerando que a frequência de chaveamento é modificada para 1 MHz.
6. Repita a Questão 01 utilizando agora as versões do conversor abaixador com transformador: a) Conversor Direto e b) Conversor Push-Pull. 
Considere nos dois casos um transformador de relação de transformação 1:2.
7. Projete um conversor DC-DC elevador acionado por PWM (f = 100 kHz) de modo que ele opere no MCC para Vo = 180 V e tenha ondulação 
máxima na saída de 2 V. A fonte de alimentação disponível é Vs = 100 V e a carga a ser alimentada é de 50 Ω. Obtenha o ciclo de trabalho 
necessário para que a tensão na saída seja mantida em 180 V quando a tensão da fonte de alimentação do conversor cai para 80 V.
8. Projete um conversor DC-DC elevador- abaixador acionado por PWM (f = 100 kHz) de modo que ele opere no MCC para :a) Vo = 80 V e 
b) Vo = 130 V e tenha ondulação máxima na saída de 2 V. A fonte de alimentação disponível é Vs = 100 V e a carga a ser alimentada é de 50 Ω. 
9. Considerando o circuito projetado na Questão 08-a, obtenha os valores do ciclo de trabalho necessários para manter na tensão de saída regulada 
em 80 V quando a tensão da fonte DC varia de 70 a 130 V.
10. Repita a Questão 08 considerando agora um conversor elevador-abaixador fly-back com transformador de relação de transformação 1:2.
11. Repita a Questão 08 considerando agora um conversor Cuk, considere que a variação de tensão do capacitor 1 seja no máximo 5V.
DEE
58/57
Referências
� Mohan, Undeland & Robbins. Power Electronics – Converters, Applications 
and Design, Wiley, 1995.
� Rashid, Muhammad H. Power Electronics Handbook, Devices, Circuits and 
Applications, Segunda Edição, Elsevier, 2007.
� Ahmed, Ashfak. Eletrônica de Potência, Wiley, 
� Pomilio, José Antenor. Eletrônica de Potência , Faculdade de Engenharia 
Elétrica e de Computação, UNICAMP, 1998, Revisado em 2002.
As figuras utilizadas nesta apresentação foram retiradas das referências 
listadas acima.