curso fonte chaveada_02_2008
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Sistemas de alimentação
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Fontes primárias de Corrente Alternada (CA)
Fontesprimárias
Frequência Tensão
Européia 50Hz 220, 230V (175-265V)
Amer./Jap. 60, 50Hz 110, 100V (85-135V)
Universal 50-60Hz 110-230V (85-265V)
Aviação 400Hz 115V (80-165V)
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Sistema de alimentação com reguladoreslineares
Poucos componentes.
Robustos Não geram EMI e RFI
Pesados e volumosos
Baixo rendimento
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Comparação entre fontes lineares e chaveadas
Chaveada Linear
Relação
Potência/Peso
30 a 300W/kg 10 a 30W/kg
Relação
Potência/Volume
50 a 300W/l 20 a 50W/l
“Ripple”da tensão de
saída
1% 0,1%
EMC Importante Desprezíveis
Rendimento 65 a 90% 35 a 55%
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Revisão dos conversores c.c./c.c
Conversores sem isolamento elétrico:1.Buck2.Boost3.Buck-Boost
Conversores com isolamento elétrico:1.Flyback2.Duplo Flyback3.Forward4.Duplo Forward
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Revisão de Fundamentos de Circuitos
Como calcular a relação entre as variáveis elétricas?
Vamos recordar as propriedades dos indutores e capacitores emcircuitos elétricos em regime permanente:
• A tensão média em indutor é nula.
• A corrente média em um capacitor é nula.
Caso contrario, a corrente no indutor e a tensão no capacitor cresceriam indefinidamente (não
estaríamos em regime permanente).
vL = 0
+
-
Circuito em
regime
permanente iC = 0
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Revisão de Fundamentos de Circuitos
Na forma de onda da tensão em um indutor “a soma dosprodutos volts·segundos = 0”
vL = 0
+
-
Circuito emregime
permanente
iL
Td·T
t
t
iL
Comando
vLt
-
+
Áreas iguais
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1. Análise do conversor Buck Modo de condução contínuo
Hipóteses:
•
A tensão de saída Vo é constante durante um ciclo dechaveamento.
• A corrente no indutor é sempre maior que zero.
Td·T
t
t
t
t
iS
iD
iL
Comando
iS iL
iDE
VO
iD= iL VO-+
iS= iL
E VO
+-
Durante D·T
Durante (1-D)·T
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2. Análise do conversor Buck
•
Tensão média nula no indutor
T
D·T
t
t
iL
Comando
vL
t-
+E- VO
IO
- VO
(E- VO)·D·T - VO·(1-D)·T = 0 VO = D·E
•
Corrente média nula no capacitor
+
-
vL
E
iO vO
+
-
iLiC R
IL = IO = VO/R
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3. Análise do conversor Buck
• Aplicação do balanço de potências
IS = IO·VO/E IS = IO·D
• Corrente média no diodo
ID = IL - IS ID = IO·(1-D)
VS max = VD max = E
vO
+
-E
iO
R
iS
iL
iD
+
-vS
vD
+
-
•
Tensões máximas
TD·T
t
tiS
iD
IS
ID
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4. Análise do conversor Buck
O conversor “buck” pode ser visto como um
transformador de corrente contínua
VO = E·D
IO = Is/D
Transformador ideal de corrente continua
E vO
+
-R
iOis
1 : D
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E·D·T + (E- VO)·(1-D)·T = 0 VO = E/(1-D)• Balanço volts·segundos
VS max = VD max = VO= E/(1-D)•
Tensões máximas
iL iD
iSE
vO
1. Análise do conversor Boost Modo de condução contínuo
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iL
iD
iSE vO
R
iO
TD·T
t
t
t
t
iS
iD
iL
Comando
IL
IS
IDIL = IO·VO/E IL = IO/(1-D)
• Corrente média por diodoID = IO = VO/R
• Corrente media no transistorIL = ID + IS Is = IO.D/(1-D)
• Balanço de potência
2. Análise do conversor Boost
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O curto-circuito e sobrecarga noconversor Boost
E R
Este caminho de circulação de corrente não podeser interrompido atuando sobre o transistor. O
conversor não pode ser protegido desta forma.
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E·D·T - VO·(1-D)·T = 0 VO = E·D/(1-D)• Balanço volts·segundos
VS max = VD max = E+VO= E/(1-D)•
Tensões máximas
+
-v
D
vO
+
-
E R
+ -vS
vL
+
-
1. Análise do conversor Buck-Boost Modo de condução contínuo
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2. Análise do conversor Buck-Boost
vO
+
-
E
IO
RiL
iDiS
• Balanço de potência
IS = IO·VO/E IS = IO·D/(1-D)
•
Corrente média por diodoID = IO = VO/R
•
Corrente media no indutorIL = ID + IS IL = IO/(1-D) T
D·Tt
t
t
t
iS
iD
iL
Comando
IL
IS
ID
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O modo de condução nos três conversoresbásicos (I)
(somente um indutor e um diodo)
Conversor
com indutore diodo
iO
iL
R vO
+
-E
IL = IO/(1-D) (boost e buck-boost)IL = IO (buck)
TD·T
t
t
iL
Comando
IL
O valor médio de iL depende de IO:
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O modo de condução nos três conversoresbásicos (II)
•
Ao variar IO varía o valor médio de iL
• Ao variar IO não varíam as derivadas de iL (dependem de E e de VO)
t
t
iL IL
iL IL
iL IL
t
R1
Rcrit > R2
R2 > R1
Modo de condução crítico
Modo de condução contínuo
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O modo de condução nos três conversoresbásicos (III)
t
t
iLIL
Rcrit
t
R3 > RcritiL IL
iL IL
R3 > Rcrit
Modo contínuo
Modo descontínuo
O que acontece se R > Rcrit ?
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Fatores que originam o modo de conduçãodescontínuo do conversor:
t
t
iL
t
iL
iL
• Diminuição do valor do indutor.
•
Diminuição da freqüência dechaveamento.
• Aumento do valor do resistor de
carga (diminuição do valor médio dacorrente no indutor).
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Existem 3 estados distintos:
• Condução do transistor (D·T)
• Condução do diodo (D’·T)
• Transistor e diodo bloqueados (1-D-D’)·T
Exemplo
VOE
VOE E VVOE
(D·T) (1-D-D’)·T (D’·T)
Modo descontínuo de condução
IL
tiL
Comando
t
vL
T
D·Tt
D’·T
+-
iD
t
ID
VO
E
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VOE
(D·T)
VOE
(D’·T)
E = L·iLmax/(D·T)
iL
t
IL
vL
T
D·Tt
D’·T
+-
iD
t
ID
VO
E
iLmax
iLmax
Relação de transformação M=VO/E :
M =D/(k)1/2 , sendo: k =2·L / (R·T)
Relação de transformação no mododescontinuo (p.e. buck-boost)
VO
= L·iLmax
/(D’·T)
ID = iLmax·D’/2
ID = VO/R
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• Relação transformação modo descontinuo, M:
M = D / (k)1/2 , sendo: k = 2·L / (R·T)
• Relação transformação modo continuo, N:
N = D / (1-D)
• Na fronteira: M = N, R = Rcrit , k = kcrit
kcrit = (1-D)2
• Modo contínuo: k > kcrit
• Modo descontínuo: k < kcrit
Fronteira entre modos de condução (buck-boost)
t
iLiL
Rcrit
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N = D
2M =
1 + 1 + 4·kD2
kcrit = (1-D)
kcrit max = 1
DM =k
DN =
1-D
kcrit = (1-D)2
kcrit max = 1
2M =
1 + 1 +
4·D2
k
1N =
1-D
kcrit = D(1-D)2
kcrit max = 4/27
Buck Buck-
Boost
Boost
Extensão a outros conversores
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1. Incorporação do isolamento galvânico aoconversor buck-boost
Muito fácil incorporar oisolamento galvânico
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2. Incorporação do isolamento galvânico aoconversor buck-boost
O indutor e o transformador podem serintegrados em um único dispositivomagnético. Este dispositivo magnético secalcula como um indutor, e não como umtransformador.
• Deve armazenar energia.
• Normalmente tem entreferro
Conversor Flyback
A áli d Fl b k
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vO
+
-vS+-
E
+ -
vD
n1 n2
“Soma dos produtos
(volts/espiras)·segundos = 0” D·T·E/n1 - (1-D)·T·VO/n2 = 0
VO = E·(n2/n1)·D/(1-D)
VD max = E·n2/n1 + VO= E·(n2/n1)·/(1-D
VS max = E+VO·n1/n2 = E/(1-D)
Máximas tensões
Análise do conversor FlybackModo de condução contínuo
C D l Fl b k
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Dois transistores Baixas tensões nossemicondutores
VO = E·(n2/n1)·d/(1-D) (em m.c.)
Dmax = 0.5
VS1 max = vS2 max = E
VD1 max = vD2 max = E
VD3 max = E·(n2/n1)·/(1-D)
E n1 : n2
S1 D3
D1
D2
S2VO
Conversor Duplo Flyback
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Incorporação do isolamento galvânico aoconversor Boost
•Não é possivel incorporar o isolamento
galvânico com um único transistor
•
Com vários transistores pontes alimentadasem corrente
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1. Incorporação do isolamento galvânico aoconversor buck
Não pode ser feito porque o transformador nãopode ser desmagnetizado
Lm
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2. Incorporação do isolamento galvânico aoconversor buck
Não pode ser feito porque o transformador édesmagnetizado instantaneamente (sobretensão infinita).
Lm
D2
D1
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3. Incorporação do isolamento galvânico aoconversor buck
Esta é a solução
Lm
Dipolo de tensão
constante
O ã i t d
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Operação em regime permanente de umelemento magnético com dois enrolamentos
Circuito em regime
permanente
n1 : n2
v1 v2
+
-
+
-
(vi /ni) = 0
vi = ni · dF/dt
DF = FB - FA = (vi/ni)·dtB
A
Lei de Faraday:
Em regime permanente:(DF)em um período =0
Logo:
Se se excita o elemento
magnético com ondas quadradas:“soma dos produtos (volts/espiras)·segundos = 0”
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Operação em regime permanente de um elementomagnético com vários enrolamentos: exemplo
“Soma dos produtos (volts/espiras)·segundos = 0”
(E/n1)·D1·T - (V2/n2)·D2·T = 0 D2 = D1·n2·E/(n1·V2)
F
tvi/ni
TD1·T
t
D2·T
+-
V1/n1
Fmax
V2/n2
Para assegurar a desmagnetização: D2 < 1 - D1
E
V2n2
n1
V1
1 O F d
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Levando em conta:
D’ = D·n2/n1 D’ < 1 - D
obtemos: D < n1/(n1 + n2) Dmax = n1/(n1 + n2)
1. O conversor Forward
E
n2
n1
Desmagnetização baseada
na tensão de entradaV1 = V2 = EV1
V2
n2
n1
2 O conversor Forward
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2. O conversor Forward
VO
n2:n3
n1
+ -
vD2
vS
+
-
vD1
+
-E
VS max = E+E·n1/n2 = E/(1-Dmax)
VD1 max = E·n3/n1
VD2 max = E·n3/n2
Dmax = n1/(n1 + n2)
E·n3/n1 VO
+-
Durante D·T
VO-+
Durante (1-D)·TVO = D·E·n3/n1 (modo contínuo)
3 O conversor Forward
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3. O conversor Forward
iD2
VOE n2:n3
n1
iS
iL
iD1
iD3iO
iD2·n3/n1
TD·T
tComando
t
iL iO
D’·T
iD3
iD2
iD1
iS
t
t
t
t
ID2 = IO·D ID1 = IO·(1-D)
Im = E·T·D2/(2·Lm) (ref. ao primário)
IS = IO·D·n3/n1 + Im ID3 = Im
Variação de E
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Variação de E
vD2
VO
n2:n3
n1
+ -
vS
+
-
vD1
+
-E
F
t
vi/ni
t+
-
E/n1
Fmax
E/n2E máximo
F
t
vi/ni
t+ -
E/n1
Fmax
E/n2E mínimo
F
t
vi/ni
t+-
E/n1
Fmax
E/n2Tensão alimentação mínima
Existem outras formas de
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Existem outras formas dedesmagnetizar o transformador?
F
t
vi/ni
t+-
E/n1
Fmax
VC/n1
Snubber RCD
Baixo rendimento
Integração de componente parasitas Útil para retificador sincrono autoexc.
VC
E
Lm
LdE
Outras formas de desmagnetizar o transformador:
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gDesmagnetização ressonante
Pequena variação de E
Integração de componentes parasitas Útil para retificador sincrono autoexc.
vT
t+-
(Resonant reset )vT+
-E
LmLd
E
Outras formas de desmagnetizar o
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Ft
vi/ni
t+ -
E/n1
VC/n1
Dois transistores
Integração de componentes parasitas
Útil para retificador sincrono autoexc.
Fluxo médio nulo
Outras formas de desmagnetizar otransformador: Snubber ativo
(Active clamp )
VC = E·D/(1-D)
VC
E
Lm
LdE
Outras formas de desmagn o transf : Conversor
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Dois transistores
Tensão máxima notransistor igual a E
Outras formas de desmagn. o transf.: ConversorForward com dois transistores
F
t
vi/ni
t+ -
E/n1
Fmax
E/n1
Dmax = 0.5VO = D·E·n2/n1 (en modo continuo)
VS1 max = VS2 max =E
VD1 max = VD2 max = E
VD3 max = VD4 max = E·n2/n1
E
n1 : n2
S1 D4
D3
D1
D2
S2
VO
Fonte com múltiplas saídas: Uma saída
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Fonte com múltiplas saídas: Uma saídacontrolando o chaveamento do transistor e asoutras com regulador linear
Pos-reguladoreslineares
Eficiente
Caro
Complexo
Fontes com múltiplas saídas baseados em um
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Fontes com múltiplas saídas baseados em umúnico conversor (regulação cruzada)
• Regula-se apenas uma saída
• As outras ficam parcialmente
reguladas
Importante: a impedância parasita
associada a cada saída deve ser amenor possível
Os conversores “flyback” e “forward” com
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y
regulação cruzada
Funciona bem se o transformadorestiver bem feito
Pior:1.Presença do indutor de filtro.
2.Os modos de condução de cadasaída podem ser diferentes.
Melhorando a regulação cruzada em o
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g çconversor “forward”
Os dois enrolamentosoperam no mesmomodo de condução
n1
n2
n3
n4
Condição de projeto:n1/ n2 = n3/ n4
Revisão dos conversores c c /c a /c c
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Revisão dos conversores c.c./c.a./c.c.
Conversores com isolamento elétrico:1.Push-Pull2.Meia Ponte
3.Ponte Completa
1. Conversor Push-Pull
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Conv. cc/cc “push- pull”
Ret. com transf.“tap” central
Ret. com dois indutores
Conv. cc/cc “push- pull”
Ret. em ponte
Conv. cc/cc “push- pull”
1. Conversor Push Pull
2. Conversor Push-Pull
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Conversor “forward” Conversor “forward”
Conversor “push-pull ”
DB
B
H
DB
B
H
3. Conversor Push-Pull
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S2 S1
n1 : n2
n1
n1n2
n2
E
VO
L
• Circuito equivalentequando conduz S2:
E·n2/n1
LVO
• Circuito equivalente
quando conduz S1:
E·n2/n1
L VO
O que acontece quando nenhumdos transistores conduz?
4. Conversor Push-Pull
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L
VO
iL
D1
D2
iL1
iL2
• Circuito equivalente quandonão conduzem nem S1 nem S2:
• Conduzem ambosdiodos a tensão notransformador é zero• As correntes iL1 e iL1 devem ser tais que:
iL1 + iL2 = iLiL1 - iL2 = iLm (sec. trans.)
VOL
5. Tensões no conversor “push-pull ”
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• A tensão vD é a mesma que em um conv.“forward” com uma razão cíclica 2·D
VO = 2·D·E·n2/n1 (en modo continuo)• vsmax = 2·E vD1max = vD2max = 2·E·n2/n1
t
vS2
t
t
Td·T
t
tComando
tvS1
vD1
vD2
vD
2·E
2·E
E·n2/n1
2·E·n2/n1
2·E·n2/n1
S1 S2
S2
n1
n1
n2
n2
E
VO
LvD+-
S1
+ -
vD1
+ -
vD2
vS1
+
-
+
-vS2
D1
D2
Dmax = 0.5
6. Correntes no conversor “push-pull ”
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Correntes médias:
IS1 = IS2 = IO·D·(n2/n1) ID1 = ID2 = IO/2
t
t
t
iL
Comando
iS2
t
iD1
iS1
t
Td·T
t
iD2
S1 S2
S2 S1
n1 : n2
n1
n1n2
n2
E
VO
L
iS1
iL
D1
D2
iD1
iD2
iS2
iO
Dmax
= 0.5
7. Conversor Push-Pull
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S2 S1
n1
n1E
VO
iS1
iS2
• No controle por “modo tensão” pode-se saturar otransformador por assimetrías na duração dos tempos de
condução dos transistores• Ideal utilizar-se o controle por “modo corrente”
DB
B
H
1. Conversor em Meia Ponte (“half bridge ”)
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• A tensão vD é a metade daquela queocorre no conversor “push-pull”
VO = D·E·n2/n1 (modo contínuo)• vsmax = E vD1max = vD2max = 2.E·n2/n1
t
vS2
t
t
Td·T
t
tComando
tvS1
vD1
vD2
vD
E
E
E·0.5·n2/n
2.E·n2/n1
2.E·n2/n1
S1 S2VO
S2
n1
n2
n2E
L
vD+-
S1
+ -
vD1
+
- vD2
vS1
+
-
+
-
vS2
D1
D2
E/2
E/2 Dmax = 0.5
2. Correntes no Conversor em Meia Ponte
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Correntes médias:
IS1 = IS2 = IO·D·(n2/n1) ID1 = ID2 = IO/2
t
t
t
iL
Comando
iS2
t
iD1
iS1
t
Td·T
t
iD2
S1 S2
iD1 iL
S2
n1
n2
n2E
L iO
S1
iD2
iS1
iS2
D1
D2
VO
E/2
E/2 Dmax = 0.5
1. O Conversor em Ponte Completa (“full bridge”)
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bridge ”)
• A tensão vD é igual aquela do conversor“push-pull”
VO = 2·D·E·n2/n1 (modo contínuo)• vsmax = E vD1max = vD2max = 2·E·n2/n1
vS2, vS3
t
Comando
tvS1, vS4 E
E
t
t
t
Td·T
t
vD1
vD2
vD E·n2/n1
2·E·n2/n1
2·E·n2/n1
S1, S4S2, S3VO
S3
n1
n2
n2E
L
vD+-
S4
+ -
vD1
+ - vD2
vS4
+
-
+
-
vS3
D1
D2
S1
S2Dmax = 0.5
2. Correntes no conversor em Ponte Completa
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Correntes médias:
IS3 = IS4 = IO·D·(n2/n1) ID1 = ID2 = IO/2
iD1 iL iO
iD2
iS4
VO
S3
n1
n2
n2E
L
S4
D1
D2
S1
S2
iS3
t
t
tiL
Comand
iS2
, iS3
t
iD1
iS1, iS4
t
Td·T
t
iD2
S2, S3S1, S4
Dmax
= 0.5
Problemas de saturação do transformador doconversor em ponte completa
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conversor em ponte completa
• No controle por “modo tensão” pode-se saturar o
transformador por assimetrías na duração dos tempos decondução dos transistores
• Soluções:
• Colocar um capacitor em série CS
•
Usar controle por “modo corrente”
S2
S1CS
E
VO
S3
S4
Conversores com Barramento tipo Fonte de Corrente
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Conversor c.c./c.c. “Push- Pull” alimentado em corrente
Conversor c.c./c.c. em pontealimentado em corrente
1. Conversor “push-pull” alimentado em corrente
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t
Comando de S1
tComando de S2
t
vS2
t
Td·T
t
tvS1
vD1 2·VO
2·VO·n1/n2
2·VO·n1/n2
VO
vD2 2·VO
VOE
+
-E
VO·n1/n2 VO·n1/n2
E
+-
ConduzemS1 e S2
S1 estábloqueado
S2 estábloqueado
n1
n1
n2
n2E
VO
S2S1
+ -
vD1
+
-vD2
vS2+
-
Dmin = 0.5
2. Conversor “push-pull” alimentado em corrente
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E
ConduzemS1 e S2
+-E
VO
·n1
/n2
S1 bloqueado
VO·n1/n2+-E
S2 bloqueado
E
ConduzemS1 e S2
Aplicando o balanço “volts·segundos”
VO = E·(n2/n1)/2(1-D) (modo contínuo)
d·T (1-d)·T
dura t1 dura t1dura t2 dura t2
3. Correntes no “push-pull” alimentado em corrente
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iL
iO
n1
n1
n2
n2E S2S1
iD1
iD2
iS2
Dmin = 0.5iS1
Td·T
t
iD1
t
iS2
t
t
iS1
iL
t
Comando de S1
tComando de S2
iD2
IS1 = IS2 = IO·(n2/n1)/4(1-D)
ID1 = ID2 = IO/2
Conversores alimentados em tensãovs alimentados em corrente
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E VOn1 n2
n2 n1
VO E
D 1-D1-D D
Modificações
VO = E·D
E VO
Buck VO = E/(1-D)
E VO
Boost
vs. alimentados em corrente
“Push- pull” alimentado emtensão
VO = 2·D·E·n2/n1
E VO
n1
n1n2
n2
“Push- pull” alimentado em
correnteVO = E·(n2/n1)/2(1-D)
E
VOn
1
n1n2
n2
Problema do desligamento do conversor“ h ll” li t d t
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“push- pull” alimentado em corrente
S2S1
iL Temos que garantir que ofluxo no indutor não seanule quando sãobloqueados S1 e S2 nomomento de desligamento
do conversoriL
Outro modo de desmagnetizar o indutor de entrada
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Desmagnetização
em direção aentrada
Desmagnetizaçãoem direção a
saída
A ponte completa alimentada em corrente
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Desmagnetização emdireção a entrada
Desmagnetização
em direção a saída
Se comporta como un “push-pull” alimentado em corrente, exceto a
tensão máxima no transistor (queé Vo
*)
Retificador em ponte na saída
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“Push- pull” alimentado em corrente
Ponte completa alimentada em corrente
Como devem ser as correntes na entrada e nasaída de um conversor?
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d1-d
i2i1Entrada Saída
i2i1
1 : Nt
i1
t
i2
Situação ideal Situação ideal
Corrente de entrada em cada conversor
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t
i1
i1
t
t
i2
t
i2
t
i2
i1
t
Buck-boost
i2i1Boost
i2i1
Buck
i2i1
descontínuacontínua
descontínuacontínua
descontínua descontínua
Filtrando a corrente descontínua de um conversor
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Buck
Boost
Buck-Boost
Conversores reversíveis
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Fluxo de potência
Redutor / elevador
V1 V2< V1
Fluxo de potênciaRed.-elev. / Red.-elev.
V1 V2
Retificador síncrono
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•
Em conversores com tensão de saída baixa (≈ 1,2 a 5V)e correntes muito elevadas (>20A), a queda de tensão nodiodo retificador, vis a vis da tensão de saída, é elevada etorna difícil o controle da tensão de saída.
•
A queda de tensão de um diodo PIN é da ordem de 1,0Venquanto que a do diodo Schotky é de 0,5V.
• Solução: Retificador síncrono apresenta queda detensão inferior a 0,1V
Retificador Síncrono
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Fonte
Dreno
Porta
p
n+
n-
Curto circuito
n+
p
Diodoparasita
O transistor MosFet é utilizado como diodo, graças apequena rdson
Retificador Síncrono autoexcitado (Vsaida < 5V)
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Retificação convencional Retificação síncrona
Retificador Síncrono autoexcitado (Vsaida < 5V)Retificadores de meia onda
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Retificação convencional Retificação síncrona
Conversor Meia Ponte assimétrico
(1-D)·E