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Cap. 12 - Conversor Buck

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Conversores CC-CC: Conversor Buck 
 Meta deste capítulo 
Capítulo Estudar o princípio de funcionamento do 
conversor Buck. 
 
 
 
 
 
 
ob
je
tiv
os
 
 
• Entender o funcionamento dos conversores cc-cc do tipo Buck; 
• Analisar conversores cc-cc do tipo Buck; 
• Simular conversores cc-cc do tipo Buck; 
• Implementar conversores cc-cc do tipo Buck. 
 
Pré-requisitos 
 Ter estudado o capítulo referente ao princípio de funcionamento dos 
conversores cc-cc. 
 
Continuidade 
 O curso continuará com o estudo do conversor cc-cc Boost. 
 
 
 
 
 
 
 
Prof. Clóvis Antônio Petry. 
Florianópolis, setembro de 2014. 
 
Capítulo 12 – Conversores cc-cc: Conversor Buck 
Eletrônica de Potência 
2 
 
 
1 Introdução 
 No capítulo anterior foi estudado o princípio de funcionamento dos conversores cc-cc, 
inclusive a descrição e análise de um conversor básico. Neste trabalho pretende-se estudar os 
conversores básicos, iniciando pelo conversor Buck, seguindo pelo conversor Boost e finalmente 
pelo conversor Buck-Boost. 
 O conversor Buck é um conversor abaixador de tensão, com princípio de funcionamento 
semelhante ao que foi visto no capítulo anterior, com a diferença que agora se incorporará a sua 
estrutura um filtro de saída, visando tornar a tensão contínua sem ondulação (ripple). 
 As aplicações para o conversor Buck são diversas, podendo substituir por exemplo, os 
reguladores lineares, pois os mesmos são sempre abaixadores de tensão. 
 Na Figura 1 mostra-se um conversor Buck comercial, para fins de desenvolvimento, ou 
seja, estudo de seu circuito. 
 Por fim, neste capítulo será apresentado o conversor cc-cc Buck, descrição das etapas de 
funcionamento, suas principais formas de onda, análise de seu funcionamento e detalhes de projeto. 
Serão apresentados resultados de simulação, exercícios resolvidos e propostos e roteiro de 
laboratório. 
 
 
Figura 1 – Exemplo de conversor cc-cc Buck comercial. 
Fonte: www.ti.com. Acesso em: 31/08/2014. 
 
 
2 Princípio de Funcionamento do Conversor Buck 
 
2.1 Conversor CC-CC Buck 
 O circuito do conversor cc-cc Buck é mostrado na Figura 2. Pode-se notar que o mesmo é 
formado por uma chave (S1), um diodo (D1) e o filtro de saída, constituído por um indutor (Lo) e 
Capítulo 12 – Conversores cc-cc: Conversor Buck 
Eletrônica de Potência 
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por um capacitor (Co). A entrada é uma fonte de tensão (vi) e sua saída é uma carga resistiva (Ro). 
Neste circuito representa-se a chave por um transistor bipolar de junção, mas em seu lugar poderia-
se usar um transistor MOSFET ou IGBT. A tensão de saída é representada por vo. A tensão antes 
do filtro de saída é representada por vab. 
 Os conversores cc-cc possuem dois modos de funcionamento, condução contínua ou 
condução descontínua. O modo de condução é caracterizado pela corrente no indutor. Em regime 
permanente, se a corrente não atinge o valor zero, então o conversor está operando no modo de 
condução contínua (CCM – continuous conduction mode). Se a corrente atinge o valor zero a cada 
etapa de comutação, então se está operando no modo de condução descontínua (DCM - 
descontinuous conduction mode). 
 A seguir será estudado o funcionamento do conversor Buck nos dois modos de operação. 
 
vi
+
-
Ro vo
+
-
ioS1
Co
Lo
D1
a
b 
Figura 2 – Circuito do conversor cc-cc Buck. 
 
 
2.2 Conversor CC-CC Buck – Modo de Condução Contínua 
 O conversor Buck operando no modo de condução contínua apresenta duas etapas de 
operação, mostradas nas Figura 3 e Figura 4. Estas etapas de operação são: 
1a Etapa (0, DTs) – Chave S1 conduzindo (on). A tensão entre os pontos “a” e “b” 
será igual a tensão da fonte. A corrente circula por Lo e pela saída. Nesta etapa a 
fonte (vi) fornece energia para a saída e para a magnetização do indutor Lo; 
2a Etapa (DTs, Ts) – Chave S1 aberta (off). No instante de abertura de S1 o diodo D1 
entra em condução A tensão entre os pontos “a” e “b” será nula. A corrente circula 
por Lo e pelo diodo D1. Nesta etapa ocorre a desmagnetização do indutor Lo. 
 
 Ao finalizar a segunda etapa retorna-se a primeira, indefinidamente. As formas de onda 
resultantes da operação do conversor Buck no modo de condução contínua são mostradas na Figura 
5. Nesta figura tem-se o sinal de comando do interruptor (S1), denominado de vb, seguido pela 
tensão entre os pontos “a” e “b”, vab. Posteriormente se tem a corrente no indutor (iLo), a tensão de 
saída (vo) e a corrente no capacitor (iCo). 
 As demais formas de onda do circuito são mostradas na Figura 6. Agora mostram-se os 
esforços nos semicondutores (S1 e D1). 
Capítulo 12 – Conversores cc-cc: Conversor Buck 
Eletrônica de Potência 
4 
 
vi
+
-
Ro vo
+
-
ioS1
Co
Lo
D1
a
b 
Figura 3 – Primeira etapa de operação do conversor Buck (CCM). 
 
vi
+
-
Ro vo
+
-
ioS1
Co
Lo
D1
a
b 
Figura 4 – Segunda etapa de operação do conversor Buck (CCM). 
 
0 D ⋅Ts Ts
vb
t
vab
t
iLo
t
vo
t
vi
iCo
t
ΔiLo
iLo(max)
iLo(min)
io
ΔiLo
ΔvCo
 
Figura 5 – Formas de onda do conversor cc-cc 
Buck em condução contínua. 
 
vb
t
vS1
t
iS1
t
-vD1
t
iD1
t
0 D ⋅Ts Ts
vi
vi
iLo(max)
iLo(min)
iLo(max)
iLo(min)
 
Figura 6 – Formas de onda do conversor cc-cc 
Buck em condução contínua. 
 
 É importante destacar nas Figura 5 e Figura 6 que a corrente no indutor é contínua com 
ondulação dada por ΔiLo . Do mesmo modo, a tensão sobre o capacitor de saída é contínua, mas 
apresenta ondulação (ripple) dado por ΔvCo . Além disso, vale destacar que tensão no capacitor 
terá uma defasagem em relação à sua corrente. Esta corresponde a parcela alternada da corrente no 
indutor, ou seja, pelo capacitor circula o conteúdo de alta frequência da corrente no indutor. 
 
 
2.2.1 Análise do Conversor CC-CC Buck no Modo de Condução Contínua 
 A seguir será realizada a análise do conversor em estudo, visando determinar sua tensão 
de saída, a corrente nos elementos do circuito e os esforços nos semicondutores. 
 
2.2.1.1 Tensão de Saída 
 A tensão de entrada (vi) está representada na Figura 2 pelo seu valor médio (Vmed). Seus 
valores de pico e eficaz (RMS) serão iguais ao valor médio, visto tratar-se de uma variável com 
comportamento constante no tempo. Para fins de simplicação, usar-se-á: 
 Vi(med ) =Vi(ef ) =Vi( pk ) =Vi ; 
 Vo(med ) =Vo . 
 
 A frequência de comutação (chaveamento) da chave S1 seré denominada de Fs. Portanto, 
o período de comutação será: 
 
 
Ts =
1
Fs
. 
 
 Os intervalos de condução (Ton) e bloqueio (Toff) da chave serão dados por: 
 Ton = D ⋅Ts ; 
 Toff = Ts −Ton = Ts − D ⋅Ts = 1− D( ) ⋅Ts . 
 
 A relação entre o tempo em que a chave está ligada e o período total é denominada de 
razão cíclica ou razão de trabalho, dada por: 
 
 
D =
Ton
Ts
. 
 
 A tensão média entre os pontos “a” e “b” será determinada a seguir, com base na forma 
de onda mostrada na Figura 7. 
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Eletrônica de Potência 
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Vab =Vab(med ) =
1
Ts
vi ⋅ dt
0
D⋅Ts
∫ =
1
Ts
⋅ Vi ⋅ D ⋅Ts( ) 
 Vab = D ⋅Vi . 
 
0 D ⋅Ts Ts
vab
t
vi
 
Figura 7 – Forma de onda da tensão entre os pontos “a” e “b”. 
 
 Para determinar a tensão média na saída precisa-se obter a tensão média no indutor. Esta 
tensão em regime permanente deve ser zero, pois o indutor é magnetizado e desmagnetizado a cada 
período de comutação. Do contrário, o mesmo iria armazenar energia a cada período de comutação 
e sua corrente

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