Aula 7 - Unidade III - Introdução à Eletrônica de Potência, Conversores CC-CC

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Engenharia Elétrica / Conversores Aplicados a Fontes Alternativas de Energia
Prof. Dr. Lucas Pereira Pires
UNIDADE III: PROJETO, MODELAGEM E SIMULAÇÃO DO CONVERSOR 
CC-CC OFFGRID
CONVERSORES APLICADOS A FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA
Universidade Federal do Triângulo Mineiro
Instituto de Ciências Tecnológicas e Exatas – ICTE 
Departamento de Engenharia Elétrica
1Departamento de Engenharia Elétrica Universidade Federal do Triângulo Mineiro
PRINCÍPIOS DA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA E CONVERSORES CC-CC
206/09/2019 10:10
CFAE – Unidade III: Projeto, Modelagem e Simulação do Conversor CC-CC offgrid
Universidade Federal do Triângulo Mineiro Departamento de Engenharia Elétrica 
1 – PRINCÍPIOS DA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
306/09/2019 10:10
CFAE – Unidade III: Projeto, Modelagem e Simulação do Conversor CC-CC offgrid
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1 – PRINCÍPIOS DA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
Conversores CA-CC
• Retificadores;
• Transferência de 
potência de uma fonte 
de alimentação CA para 
uma carga CC;
• Pode atuar como um
estágio intermediário
dependendo da
aplicação (Ex. Itaipu);
• Controlados ou não;
• Monofásicos ou 
Trifásicos;
• Encontram-se mais 
aplicações em energia 
Eólica que 
Fotovoltaica;
Conversores CC-CA
• Inversores;
• Transferência de 
potência de uma fonte 
de alimentação CC para 
uma carga CA;
• Alimentação de cargas 
CA e/ou injeção de 
corrente na rede 
elétrica;
• Geralmente é o último 
estágio de um sistema;
• Controlados;
• Monofásicos ou 
Trifásicos;
• Presentes na maioria 
dos sistemas 
fotovoltaicos e eólicos;
Conversores CC-CC
• Transferência de 
potência de uma fonte 
de alimentação CC para 
uma carga CC;
• Em sistemas 
fotovoltaicos, atuam 
como um estágio 
intermediário;
• Controlados;
• Adequação de nível de 
tensão ou corrente CC 
para aplicações 
específicas;
• “Transformador” para 
CC;
• Comuns em sistemas 
fotovoltaicos;
• Raros em sistemas 
eólicos;
Conversores CA-CA
• Transferência de 
potência de uma fonte 
de alimentação CA para 
uma carga CA;
• Muito empregados na 
alteração de 
parâmetros da forma 
de onda CA: amplitude, 
fase, frequência, THD, 
etc.;
• Pouco utilizados em 
aplicações eólicas e 
fotovoltaicas;
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1 – PRINCÍPIOS DA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA: SISTEMAS OFFGRID
String
Fotovoltaica 
1 (Yingli)
String
Fotovoltaica 
2 (Yingli)
Conversor 
CC-CC
(Elevador)
Conversor CC-
CC
(Bidirecional)
Bateria
Conversor 
CC-CA
(Inversor)
Cargas CA 
isoladas
232 Vcc
232 Vcc
220 Vrms
311 Vpico
400 Vcc
400 Vcc
24 Vcc
+
-
+
-
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1 – PRINCÍPIOS DA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA: ELEMENTOS TÍPICOS
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2 – COMPONENTES PASSIVOS: INDUTORES
Características básicas dos indutores
Armazenamento de Energia Campo Magnético
Tensão (t) 𝑉𝐿(𝑡) = 𝐿 ∙
𝑑𝑖𝐿
𝑑𝑡
Variável de estado Corrente
Altas Frequências Núcleo de ferrite
Baixas frequências Núcleo Aço Silício laminado
Núcleos comuns utilizados Toroidais e Tipo E
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2 – COMPONENTES PASSIVOS: CAPACITORES
Características básicas dos capacitores
Armazenamento de Energia Campo Elétrico
Corrente (t) 𝑖𝐶(𝑡) = 𝐶 ∙
𝑑𝑉𝐶
𝑑𝑡
Variável de estado Tensão
Tipo mais utilizado Eletrolítico
Altas frequências 
(eliminação de ruído)
Cerâmicos
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3 – SEMICONDUTORES: DIODOS
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3 – SEMICONDUTORES: MOSFET (EXEMPLO: IRFP460)
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3 – SEMICONDUTORES: IGBT (EXEMPLO: IRGPC40KD2)
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3 – SEMICONDUTORES: POTÊNCIA E FREQUÊNCIA DE CHAVEAMENTO
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3 – CONVERSORES CC-CC: CHAVEAMENTO EM ALTA FREQUÊNCIA
𝑉𝑂 =
1
𝑇
න
0
𝑇
𝑣𝑜 𝑡 𝑑𝑡
• Como alterar a tensão média de saída de uma carga qualquer da 
forma mais eficiente possível (perdas reduzidas)?
𝑉𝑂 =
1
𝑇
න
0
𝐷𝑇
𝑣𝑜 𝑡 𝑑𝑡 + න
𝐷𝑇
𝑇
𝑣𝑜 𝑡 𝑑𝑡
𝑉𝑂 =
1
𝑇
න
𝟎
𝑫𝑻
𝑽𝑺 𝒅𝒕 + න
𝐷𝑇
𝑇
0 𝑑𝑡
𝑉𝑂 =
1
𝑇
𝑽𝒔𝑫𝑻
𝑽𝑶 = 𝑽𝒔𝑫 𝑫 =
𝑽𝑶
𝑽𝒔
𝑫 =
𝒕𝑶𝑵
𝒕𝑶𝑵 + 𝒕𝑶𝑭𝑭
=
𝒕𝑶𝑵
𝑻Taxa de trabalho; Razão Cíclica (Duty Cycle)
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3 – CONVERSORES CC-CC: PULSE WIDTH MODULATION (PWM)
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3 – CONVERSORES CC-CC: PULSE WIDTH MODULATION (PWM)
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3 – CONVERSORES CC-CC: PULSE WIDTH MODULATION (PWM)
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3 – CONVERSOR CC-CC BUCK (ABAIXADOR): CARACTERÍSTICAS
✓Característica principal: tensão CC de saída menor que a tensão CC de entrada;
✓Funcionamento básico: quando a chave está fechada o diodo está rev. polarizado,
de modo que o indutor e o capacitor recebem energia da fonte, o que eleva 𝑉𝑜.
Quando a chave abre, o diodo fornece um caminho para passagem da corrente do
indutor e os dois elementos passivos descarregam-se, tendendo a diminuir 𝑉𝑜.
✓Polaridade: polaridade da tensão de saída igual à de entrada;
✓Aplicação em SF: em casos que a tensão das strings é elevada e precisa de ser
reduzida (limitação de isolação, por exemplo) – situação não muito comum;
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✓ Elementos ideais: não há perdas no circuito → 𝑷𝑰𝑵 = 𝑷𝑶𝑼𝑻;
✓ Estado estável: em regime permanente, sem alterações nas condições de operação;
✓ Capacitor: capacitância elevada o suficiente para admitirmos que a tensão de saída é constante
(𝑉𝑂);
✓ Indutor: indutância elevada o suficiente de modo que a corrente neste elemento nunca estará
abaixo de zero→Modo de condução contínua (MCC);
✓ Chaveamento: O período de chaveamento é 𝑻 e a razão cíclica de trabalho é D, sendo a chave
fechada pelo tempo 𝑫 ⋅ 𝑻 e aberta pelo tempo 𝟏 − 𝑫 𝑻;
✓ Tensão média no indutor em um período: nula → Energia Mag. Recebida = Energia Mag.
Doada;
✓ Corrente média no capacitor em um período: nula→ Energia E. Recebida = Energia E. Doada;
3 – CONVERSOR CC-CC BUCK (ABAIXADOR):SUPOSIÇÕES INICIAIS
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1) Desenhar o circuito resultante da Chave Fechada e da Chave Aberta;
2) Análise gráfica do circuito com a chave fechada:
1.1 – Tensão no indutor (Finalidade: Ganho estático e Projeto de Indutância);
1.2 – Corrente no indutor (Finalidade: Projeto de Indutância e Indutância crítica);
1.3 – Corrente no capacitor (Finalidade: Projeto de Capacitância);
1.4 – Tensão sobre a chave (Finalidade: Dimensionamento – Tensão reversa máxima);
1.5 – Tensão sobre o diodo (Finalidade: Dimensionamento – Tensão reversa máxima);
3) Análise gráfica do circuito com a chave aberta:
2.1 – Tensão no indutor (Finalidade: Ganho estático e Projeto de Indutância);
2.1 – Corrente no indutor (Finalidade: Projeto de Indutância e Indutância crítica);
2.2 – Corrente no capacitor (Finalidade: Projeto de Capacitância);
2.3 – Tensão sobre a chave (Finalidade: Dimensionamento – Tensão reversa máxima);
2.4 – Tensão sobre o diodo (Finalidade: Dimensionamento – Tensão reversa máxima);
4) Obter o ganho estático (𝑽𝑶/𝑽𝑺) do conversor: Tensão média nula no indutor;
5) Obter o valor de projeto da indutância (L) do conversor e indutância crítica (𝑳𝒄𝒓𝒊𝒕) para operação no MCC;
6) Obter o valor de projeto da capacitância (C);
3 – CONVERSOR CC-CC BUCK (ABAIXADOR): SEQUÊNCIA DE ANÁLISE
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3 – CONVERSOR CC-CC BUCK (ABAIXADOR): CHAVE FECHADA
𝑖𝐿
𝑖𝐶 𝑖𝑅
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3 – CONVERSOR CC-CC BUCK (ABAIXADOR): CHAVE ABERTA
𝑖𝐿
𝑖𝐶 𝑖𝑅
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3 – CONVERSOR CC-CC BUCK (ABAIXADOR): FORMAS DE ONDA
𝑽𝑶
𝑽𝒔
= 𝐃
Ganho Estático
Indutância
𝑳 =
(𝑽𝑺−𝑽𝑶)
∆𝒊𝑳𝒇
𝐃
Indutância crítica
𝑳𝒄𝒓𝒊𝒕 =
(𝟏 − 𝑫)𝑹
𝟐𝒇
→ 𝑴𝑪𝑪
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3 – CONVERSOR CC-CC BUCK (ABAIXADOR): FORMAS DE ONDA
Capacitância
𝑪 =
𝑽𝑶(𝟏 − 𝑫)
𝟖 ∙ 𝑳 ∙ ∆𝑽𝑶 ∙ 𝒇
𝟐
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3 – CONVERSOR CC-CC BUCK (ABAIXADOR): EXEMPLO
Projete um conversor CC-CC Buck de modo que uma carga de 20 Ω tenha tensão
média de 20 V a partir de uma fonte de 50 V. A ondulação de corrente deve ser de
1,5 A, enquanto o ripple de tensão na saída não deve exceder 0,5%. Utilize
chaveamento em 20 kHz.
𝑽𝑶
𝑽𝒔
= 𝐃 =
𝟐𝟎
𝟓𝟎
= 𝟎, 𝟒
𝑳 =
(𝑽𝑺−𝑽𝑶)
∆𝒊𝑳𝒇
𝐃 =
(𝟓𝟎 − 𝟐𝟎)
𝟏, 𝟓 ∗ 𝟐𝟎𝒌
∗ 𝟎, 𝟒 = 𝟒𝟎𝟎 µ𝑯
𝑪 =
𝑽𝑶(𝟏 − 𝑫)
𝟖 ∙ 𝑳 ∙ ∆𝑽𝑶 ∙ 𝒇
𝟐 =
𝟐𝟎 (𝟏 − 𝟎, 𝟒)
𝟖 ∙ 𝟒𝟎𝟎µ ∙
𝟎, 𝟓
𝟏𝟎𝟎 ∙ 𝟐𝟎 ∙ 𝟐𝟎𝒌
𝟐
≅ 𝟏𝟎𝟎µ𝑭
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3 – CONVERSOR CC-CC BUCK (ABAIXADOR): SIMULAÇÃO
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3 – CONVERSORES CC-CC: BOOST (ELEVADOR)
𝑽𝒐𝒖𝒕
𝑽𝒊𝒏
=
𝟏
𝟏 − 𝑫
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3 – CONVERSORES CC-CC: BUCK-BOOST (ABAIXADOR - ELEVADOR)
𝑽𝒐𝒖𝒕
𝑽𝒊𝒏
= −
𝑫
𝟏 − 𝑫
D < 0.5 → abaixador
D > 0.5 → elevador
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3 – CONVERSORES CC-CC: CUK (ABAIXADOR - ELEVADOR)
𝑽𝒐𝒖𝒕
𝑽𝒊𝒏
= −
𝑫
𝟏 − 𝑫
D < 0.5 → abaixador
D > 0.5 → elevador
2806/09/2019 10:19
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3 – CONVERSORES CC-CC: SEPIC (ABAIXADOR - ELEVADOR)
D < 0.5 → abaixador
D > 0.5 → elevador
𝑽𝒐𝒖𝒕
𝑽𝒊𝒏
=
𝑫
𝟏 − 𝑫
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REFERÊNCIAS
• Eletrônica de Potência: Análise e Projetos de Circuitos, Daniel W. Hart, McGrawHill,
2011;
• Eletrônica de Potência: Circuitos, Dispositivos e Aplicações, Muhammad H. Rashid,
Makron Books, 1999;
• Fundamentals of Power Electronics, Robert W. Erickson e Dragan Maksimovic, Kluwer
Academic, 2001;
• Engenharia de Sistemas de Controle, Norman S. Nise, 5 ed., LTC, 2011.
• Danilo Borges Rodrigues, Notas de Aula de Eletrônica de Potência, UFTM, 2019.
• Gustavo Brito de Lima, Notas de Aula de Eletrônica de Potência, UFTM, 2013.
• https://epd.sutd.edu.sg/undergraduate-courses/30107-power-electronics/
• http://electricalarticle.com/power-diode-construction-operating-principle-and-iv-
characteristic/
https://epd.sutd.edu.sg/undergraduate-courses/30107-power-electronics/
http://electricalarticle.com/power-diode-construction-operating-principle-and-iv-characteristic/
3006/09/2019 10:19
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REFERÊNCIAS
• https://www.electrical4u.com/power-mosfet/
• https://www.embarcados.com.br/principios-basicos-do-igbt/
https://www.electrical4u.com/power-mosfet/
https://www.embarcados.com.br/principios-basicos-do-igbt/