Eletr Pot1 21

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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁUNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICADEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA
CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICACURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA
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UTFPR – Campus Curitiba
Prof. Amauri Assef
Disciplina de Eletrônica de Potência Disciplina de Eletrônica de Potência –– ET66BET66B
Aula 21 Aula 21 –– Conversores CCConversores CC--CC, Conversor BuckCC, Conversor Buck
Prof. Amauri AssefProf. Amauri Assef
amauriassef@utfpr.edu.bramauriassef@utfpr.edu.br
Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– Conversores CCConversores CC--CCCC
� Principais funções dos conversores estáticos
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� CC-CC – Choppers CC (CC-CC)
� CA-CC – retificador
� CC-CA – inversor
� CA-CA – gradador/cicloconversor
Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– Conversores CCConversores CC--CCCC
� Descrição funcional e definições
� O conversor CC-CC pode ser conceituado como um sistema, formado por 
semicondutores de potência operando como interruptores, e por 
elementos passivos, normalmente indutores e capacitores, que tem por 
função controlar o fluxo de potência da fonte de entrada (E1) para a fonte 
de saída (E )
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de saída (E2)
� Variável de controle do sistema:
D = razão cíclica ou ciclo de trabalho (D = razão cíclica ou ciclo de trabalho (dutyduty cyclecycle))
0 ≤ D ≤ 10 ≤ D ≤ 1
Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– Conversores CCConversores CC--CCCC
� Na representação simplificada de um conversor CC-CC
� A fonte de tensão contínua E1 funciona como uma fonte de energia e E2
funciona como uma carga
� Em algumas aplicações práticas a carga pode ser constituída
� Resistor
� Motor de corrente contínua
� Banco de baterias
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� Banco de baterias
� Dispositivo de soldagem elétrica a arco
� Outro conversor estático
CONVERSOR
CC-CC
E1 E2
I1 I2
Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– Conversores CCConversores CC--CCCC
� No modelo ideal de conversor, as perdas internas são nulas e a potência 
entregue à carga é igual a potência cedida pela fonte E1
2211
222
111
IEIE
IEP
IEP
=
=
=
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� O ganho estático é definido por:
� É necessário o emprego de algum dispositivo que seja capaz de "dosar" a 
quantidade de energia transferida
1
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E
EG =
Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– Conversores CCConversores CC--CCCC
� Atuador linear ���� queda de tensão proporcional à sua impedância
� Inconveniente a perda de energia sobre a resistência série
� Utilização de chaves ����maneira mais eficiente e simples de manobrar 
valores elevados de potência 
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Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– Conversores CCConversores CC--CCCC
� Vantagens:
� Rendimento prático: 70% a 98%
� Controle do fluxo de energia elétrica, com elevada eficiência
� Como uma chave ideal apresenta apenas os estados de condução 
(quando a tensão sobre ela é nula) e de bloqueio (quando a corrente por 
ela é nula), não existe dissipação de potência sobre ela, garantindo a 
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ela é nula), não existe dissipação de potência sobre ela, garantindo a 
eficiência energética do arranjo
� Na maior parte dos casos, a frequência de comutação da chave é muito 
maior do que a constante de tempo da carga
Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– Conversores CCConversores CC--CCCC
� Classificação dos conversores CC-CC não isolados
� Quanto a topologia e ganho estático
Conversor Ganho estático
Buck
Boost
D
( )D/ −11
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� Buck – abaixador (step-down)
� Boost – elevador (step-up)
Buck-boost
Cúk
Sepic
Zeta
( )D/D −1
( )D/D −1
( )D/D −1
( )D/D −1
D < 0,5 D < 0,5 �������� VoVo < Vi (< Vi (buckbuck))
D > 0,5 D > 0,5 �������� VoVo > Vi (> Vi (boostboost))
Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– Conversores CCConversores CC--CCCC
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Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– Conversores CCConversores CC--CCCC
� Exercício:
� Considerando uma chave ideal S abrindo e fechando periodicamente, com 
frequência f, e com razão cíclica D:
� a) Determinar as expressões dos valores médio e eficaz da tensão da carga
� b) Determinar a expressão da potência transferida a carga
� c) Determinar os valores de tensão e corrente médias na chave S
� d) Demonstrar que a potência dissipada na chave é igual a zero.
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� d) Demonstrar que a potência dissipada na chave é igual a zero.
V1
VR(t)
V1
DT T
Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– Modulação PWM Modulação PWM 
� Modulação PWM (Pulse Width Modulation)
� Em Modulação por Largura de Pulso opera-se com frequência constante, 
variando-se o tempo em que o interruptor permanece conduzindo
Onda portadora
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Onda portadora
(dente de serra)
Onda
moduladora
Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– Modulação PWM Modulação PWM 
� O sinal de comando é obtido, geralmente, pela comparação de um sinal 
de controle (modulante) com uma onda periódica (portadora) como, por 
exemplo, uma "dente-de-serra“
� Para que a relação entre o sinal de controle e a tensão média de saída 
seja linear, como desejado, a portadora deve apresentar uma variação 
linear e, além disso, a sua frequência deve ser, pelo menos, 10 vezes 
maior do que a modulante
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maior do que a modulante
� fácil filtrar o valor médio do sinal modulado, recuperando, sobre a carga, 
uma tensão contínua proporcional à tensão de controle (vc).
Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– Modulação PWM Modulação PWM 
� Exemplo: 
� Sinal PWM com portadora triangular produzindo sinal de 2 níveis
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Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– Modulação PWM Modulação PWM 
� Exemplo: 
� Formas de onda de tensão com modulação PWM de 2 e de 3 níveis
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Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– Modulação PWM Modulação PWM 
� Tempo morto (dead-time):
� Os interruptores nunca podem conduzir ao mesmo tempo
� Devido aos tempos distintos para acionar e bloquear os 
interruptores, por questões de segurança, existe um período, 
chamado de tempo morto, em que o sinal de comando das duas 
chaves está em nível baixo (chave aberta)
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Q1
Q2
Tempo morto
Sinais de controle
Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– Modulação PWM Modulação PWM 
� CIs comerciais para geração dos sinais PWM:
� Simplificação dos circuitos eletrônicos de modulação e controle
� Inclusão de diversas funções importantes
� Ajuste de tempo morto (dead-time control)
� Partida suave (soft start)
� Limitadores de corrente
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� Limitadores de corrente
� Compensadores
� Exemplo: uC3525
MicrocontroladoresMicrocontroladores, , DSCsDSCs e e DSPsDSPs
www.microchip.comwww.microchip.com
www.freescale.comwww.freescale.com
www.ti.comwww.ti.com
Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– BuckBuck
� Conversor CC-CC abaixador de tensão - Buck:
� Produz um valor médio de tensão na saída < médio da tensão de entrada
� Corrente média de saída > corrente média de entrada� Teoricamente, possibilita uma variação da tensão de média na carga desde zero 
até o valor da tensão de alimentação
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IR E
VR(t)
tc ta
T
Tensão na carga
Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– BuckBuck
� Se a chave S fechar e abrir periodicamente, o valor médio é:
� onde:
� tc���� tempo em que a chave S permanece conduzindo
� ta ���� tempo em que a chave S permanece aberta
( ) E
T
tcEdt
T
dttv
T
V
tcT
RRmed ⋅=== ∫∫
00
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� ta ���� tempo em que a chave S permanece aberta
� T = tc + ta = 1/f ���� período de chaveamento
� Definindo a razão cíclica D (duty cycle):
� Obtém-se:
IRT
tcD =
EDVRmed ⋅=
Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– BuckBuck
� Potência de entrada:
� A potência transferida à carga pode der controlada por D
( ) ( ) ( )
R
EDdt
R
E
T
P
dt
R
tv
T
dttitv
T
P
tc
E
T
R
T
RRE
2
0
2
0
2
0
1
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∫
∫∫
==
=⋅=
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� A potência transferida à carga pode der controlada por D
� A tensão média na carga varia de zero à E
� O controle da tensão média na carga é realizado através da razão cíclica D
� Para tc = 0 (chave permanentemente aberta) ���� D = 0
� Para tc = T (chave permanentemente fechada) ���� D = 1 IR
Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– BuckBuck
� Princípio de funcionamento com carga RLE:
iE io
iD
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Etapa 1 Etapa 2
iD
iE Io=IE
iD = 0
iE= 0 Io=ID
iD
Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– BuckBuck
� Equações:
� Soluções das equações:
Etapa 1
Etapa 2
c
D
D
c
E
E
E
dt
diLiR
E
dt
diLiRE
+⋅+⋅=
+⋅+⋅=
0
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� Soluções das equações:
� Onde:
� IM é o valor máximo da corrente de carga
� Im é o valor mínimo da corrente de carga
Etapa 1
Etapa 2
( )






−⋅−⋅=






−⋅
−
+⋅=
−−
−−
ττ
ττ
tt
MD
tt
mE
e
R
Ec
eIi
e
R
EcE
eIi
1
1
R
L
=τ
Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– BuckBuck
� Formas de onda:
� IM – Valor máximo de io
� Im – Valor mínimo de io
� tc – tempo S conduzindo
� ta – tempo S aberta
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Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– BuckBuck
� Formas de onda:
� Controle da tensão Vo em função da razão cíclica D, mantendo a frequência de de
chaveamento constante
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Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– BuckBuck
� Condução contínua e descontínua:
� DCM – Discontinuous conduction mode
� Se a corrente de carga io se anular antes que o tempo ta seja esgotado, a corrente é descontínua
� CCM – Contínuous conduction mode
� Se a corrente de carga io não se anular antes que o tempo ta seja esgotado, a corrente é contínua
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DCMCCM
Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– BuckBuck
� Exemplo de formas de onda com condução contínua e descontínua:
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Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência –– BuckBuck
� Referências bibliográficas:
- BARBI, Ivo. & MARTINS Denizar Cruz. Conversores CC-CC Básicos Não-Isolados, 1ª 
edição, UFSC, 2001
- MUHAMMAD, Rashid Eletrônica de Potência; Editora: Makron Books, 1999
- ERICKSON, Robert W.; MAKSIMOVIC, Dragan. Fundamentals of power electronics. 
New York: Kluwer Academic, 2001. MOHAN, Ned; UNDELAND, Tore M.; ROBBINS, 
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New York: Kluwer Academic, 2001. MOHAN, Ned; UNDELAND, Tore M.; ROBBINS, 
William P. Power electronics: converters, applications, and design, New York: John 
Wiley, 1995
- AHMED, Ashfaq. Eletrônica de Potência; Editora: Prentice Hall, 1a edição, 2000
- José A. Pomilio, “Eletrônica de Potência”, UNICAMP. Disponível em: 
<http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/>