Conversores CCCC: Fundamentos e Aplicações em Engenharia Elétrica

Engenharia Elétrica ELETRÔNICA INDUSTRIAL Prof Mário L Botega Jr 1 Conversores CCCC 2 Ementa 1 Dispositivos semicondutores de potência Diodo SCR TRIAC TBP MOSFET IGBT 2 Conversores CACC Nãocontrolados e controlados monofásicos e trifásicos 3 Conversores CACA Controle ligadesliga e controle de fase monofásicos e trifásicos 4 Conversores CCCC Chopper abaixador elevador não isolados e isolados 5 Conversores CCCA Inversores PWM monofásicos e trifásicos Introdução Um conversor CCCC converte diretamente uma tensão CC em outra CC é chamado apenas de conversor CC chopper São utilizados em aplicações onde se requer uma tensão CC regulada fixa na saída a partir de uma fonte CC não regulada variável na entrada ou Onde se deseja uma tensão CC ajustável na saída a partir de uma tensão CC fixa na entrada Um conversor CC pode ser considerado o equivalente CC de um transformador CA com uma relação de espiras continuamente variável Assim como o transformador um conversor CC pode ser usado para baixar ou elevar uma fonte de tensão CC 3 Introdução 4 Os conversores CC podem ser classificados de acordo com Com relação à função Abaixador stepdown ou buck Elevador stepup ou boost AbaixadorElevador buckboost Com relação à isolação Não isolado Buck Boost BuckBoost Isolado Flyback PushPull Half Bridge Meia Ponte Full Bridge Ponte Completa etc Introdução 5 Aplicações típicas Carregadores de bateria para dispositivos móveis 1W Fontes CC chaveadas para computadores TV equipamentos de escritório dezenas a milhares de Watts Controle de velocidade para motor CC kW a MW HVDC 1000 MW Introdução 6 Obtenção de tensão CC ajustável a partir de circuitos chaveados Posição da chave S Chave S A tensão de saída pode ser controlada pela chave S Podese usar como chave MOSFET TBJ IGBT etc Razão cíclica ciclo de trabalho ou dutycycle Tensão média na saída 𝑉𝑆 𝑉𝑆 Introdução Controlador com Modulação por Largura de Pulso PWM para conversores CCCC 7 Introdução Controle em malha fechada para conversores CCCC 8 Conversores CCCC não operam sem controle 𝑉𝑆 Introdução Vantagens dos conversores chaveados 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 9 Conversor Abaixador de Tensão Buck Tensão CC na saída é menor que a tensão CC na entrada Topologia básica 10 O filtro LC é adicionado na saída para filtrar a tensão e a corrente de saída bem como diminuir o conteúdo harmônico de alta frequência O diodo D é um diodo de roda livre para permitir a continuidade da corrente quando a chave S está aberta Este diodo é do tipo rápido Schottky ou SiC Conversor Abaixador de Tensão Buck Modos de operação 11 S tON tOFF tOFF tON 𝑉𝑜 𝑡𝑂𝑁 𝑡𝑂𝑁 𝑡𝑂𝐹𝐹 𝑉𝑆 𝑡𝑂𝑁 𝑇 𝑉𝑆 𝑉𝑜 𝐷𝑉𝑆 Conversor Abaixador de Tensão Buck Circuitos equivalentes 12 Chave S fechada D aberto Chave S aberta D fechado Conversor Abaixador de Tensão Buck Considerando a corrente no indutor os conversores CCCC podem operar em dois modos Modo de Condução Contínua MCC Neste modo a corrente está sempre fluindo através do indutor iL 0 Modo de Condução Descontínua MCD Neste modo 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 13 Conversor Abaixador de Tensão Buck Modo de Condução Descontínua MCD Modo de Condução Contínua MCC 14 Limite entre MCC e MCD MCD Conversor Abaixador de Tensão Buck Formas de onda da tensão e corrente no indutor 15 A tensão média no indutor é zero Conversor Abaixador de Tensão Buck Flutuação ripple de corrente no indutor 16 Mudança em iL taxa de variação x duração do subintervalo Indutância para garantir o MCC LLb 𝐿𝑏 1 𝐷 𝑅 2𝑓𝑆 Conversor Abaixador de Tensão Buck Flutuação ripple da tensão no capacitor igual à tensão de saída 17 𝑉𝑜 𝐷𝑉𝑆 𝑣𝐶 𝑣𝐶 𝑉𝑜 𝐷𝑉𝑆 𝑉𝑜 8𝐿𝐶𝑓𝑆 2 1 𝐷𝑉𝑜 8𝐿𝐶𝑓𝑆 2 Conversor Abaixador de Tensão Buck Exemplo Considere um conversor buck com as seguintes características D05 R10Ω e fs100kHz Encontre os valores de L e C necessários para manter o MCC considerando VoVo1 18 𝐶𝑚𝑖𝑛 1 𝐷𝑉𝑜 8𝐿𝑓𝑆 2𝑉𝑜 25𝜇𝐹 𝐿𝑏 1 𝐷 𝑅 2𝑓𝑆 25𝜇𝐻 Conversor Elevador de Tensão Boost 19 Tensão CC na saída é maior que a tensão CC na entrada Topologia básica Circuitos equivalentes 20 Chave S fechada D aberto Chave S aberta D fechado Conversor Elevador de Tensão Boost S fechada indutor carregando e capacitor alimentando a carga S aberta energia armazenada no indutor e enviada para o circuito diodocapacitorcarga Ripple de corrente no indutor 21 Conversor Elevador de Tensão Boost Indutância para garantir o MCC LLb 𝐿𝑏 1 𝐷 2𝐷𝑅 2𝑓𝑆 𝐼𝑜 1 𝐷 𝐷𝑉𝑠 2𝑓𝑆𝐿 Ripple de tensão no capacitor 22 Conversor Elevador de Tensão Boost Capacitância mínima para regular a tensão na saída 𝐶𝑚𝑖𝑛 𝐷𝑉𝑜 𝑅𝑓𝑆𝑉𝑜 Conversor Elevador de Tensão Boost Exemplo Considere um conversor boost com as seguintes características D05 R10Ω e fs100kHz Encontre os valores de L e C necessários para manter o MCC considerando VoVo1 23 𝐿𝑏 1 𝐷 2𝐷𝑅 2𝑓𝑆 625𝜇𝐻 𝐶𝑚𝑖𝑛 𝐷𝑉𝑜 𝑅𝑓𝑆𝑉𝑜 50𝜇𝐹 Conversor Abaixador Elevador de Tensão BuckBoost 24 Tensão CC na saída pode ser menor ou maior que a tensão CC na entrada Topologia básica A polaridade da tensão de saída é invertida com relação a entrada Conversor Abaixador Elevador de Tensão BuckBoost 25 Circuitos equivalentes Chave S fechada D aberto Chave S aberta D fechado Chave fechada indutor sendo carregado e diodo em bloqueio capacitor descarrega sobre a carga Chave aberta indutor transferindo corrente para o capacitor e carga Conversor Abaixador Elevador de Tensão BuckBoost 26 Ripple de corrente no indutor 𝐿𝑏 1 𝐷 2𝑅 2𝑓𝑆 𝑖𝐿 𝐷𝑉𝑠 𝑓𝑆𝐿 𝐼𝐿 𝐷𝐼𝑜 1 𝐷 Relação entre a corrente no indutor entrada e corrente de saída Indutor para manter MCC Ripple de tensão no capacitor 𝑣𝐶 𝐷𝐼𝑜 𝑓𝑆𝐶 𝐶𝑚𝑖𝑛 𝐷𝑉𝑜 𝑅𝑓𝑆𝑉𝑜 Conversor Abaixador Elevador de Tensão BuckBoost 27 Corrente média no indutor 𝐼𝐿 𝑚é𝑑𝑖𝑎 𝐼𝑜 1 𝐷 Corrente média no transistor 𝐼𝑆 𝑚é𝑑𝑖𝑎 𝐷𝐼𝑜 1 𝐷 Corrente média no diodo 𝐼𝐷 𝑚é𝑑𝑖𝑎 𝐼𝑜 12V 150H 220F fs25kHz D25 125A Conversor Abaixador Elevador de Tensão BuckBoost 28 Exemplo Considere um conversor buckboost implementado de acordo com o circuito abaixo Determine a Tensão média na saida b Ripple da tensão de saída c Ripple da corrente do indutor 𝑣𝐶 𝐷𝐼𝑜 𝑓𝑆𝐶 𝑖𝐿 𝐷𝑉𝑠 𝑓𝑆𝐿 Conversor Abaixador Elevador de Tensão Isolado Flyback 29 Tensão CC na saída pode ser menor ou maior que a tensão CC na entrada A saída é eletricamente isolada da entrada por meio de transformador de alta frequência ou indutores acoplados Topologia básica Conversor Abaixador Elevador de Tensão Isolado Flyback 30 Circuitos equivalentes Chave S fechada D aberto Chave S aberta D fechado Chave S fechada a corrente da fonte armazena energia na indutância de magnetização do primário O diodo esta em corte não ha corrente no secundário e a carga e alimentada pelo capacitor Chave S aberta a energia armazenada na indutância do primário é transferida para o Secundário O diodo é ligado e a corrente do secundário alimenta a carga e o capacitor O transformador na realidade são dois indutores acoplados Conversor Abaixador Elevador de Tensão Isolado Flyback 31 Corrente média no primário 𝐿𝑝𝑟𝑖 𝑏 𝑛2 1 𝐷 2𝑅 2𝑓𝑆 𝐼𝑝𝑟𝑖 𝐷2𝑉𝑠 2𝑓𝑆𝐿𝑝𝑟𝑖 𝐼𝑠𝑒𝑐 𝑛𝐼𝑝𝑟𝑖 Relação entre a corrente no primário e no secundário Indutância crítica do primário para manter MCC Ripple de tensão no capacitor 𝑣𝐶 𝐷𝐼𝑜 𝑓𝑆𝐶 𝐶𝑚𝑖𝑛 𝐷𝑉𝑜 𝑅𝑓𝑆𝑉𝑜 Corrente máxima no primário 𝐼𝑝𝑟𝑖 𝑝 𝐷𝑉𝑠 𝑓𝑆𝐿𝑝𝑟𝑖 𝐼𝑠𝑒𝑐 𝐼𝑜 𝑉𝑜 𝑅 sendo a corrente média no secundário sendo a indutância do secundário 𝐿𝑠𝑒𝑐 𝐿𝑝𝑟𝑖 𝐼𝑝𝑟𝑖 𝐼𝑠𝑒𝑐 2 Conversor Abaixador Elevador de Tensão Isolado Flyback 32 Exemplo Considere um conversor flyback com as seguintes especificações Vs300V Vo15V 5 Io5A fs50kHz n20 Calcule a A razão cíclica de operação da chave b A indutância crítica do primário c A indutância do secundário d A capacitância de saída e A corrente máxima no transistor