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Projeto de Inversores e Conversores CC-CC Aula 1.2 Topologias de Conversor CC-CC Prof. João Américo Vilela Departamento de Engenharia Elétrica

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Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

Aula 1.2

Topologias de Conversor CC-CC

Prof. João Américo Vilela

Departamento de Engenharia Elétrica

CONVERSOR ELEVADOR DE TENSÃO (“BOOST”; “STEP-UP”)

2

Característica

de fonte de

corrente

Característica

de fonte de

tensão

D

ChIe

Vs

Conversores Boost

DL

ECh Cs Rc

e

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

3

Conversores Boost

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

Modo de operação:

1º) Com o interruptor fechado

2º) Com o interruptor aberto

4

Conversores Boost

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

Forma de onda em detalhe

DT (1-D) T

Is

Ie-Is

Ie

i

i

Le

Cs

5

Ganho Estático - Conversores Boost

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

Em regime permanente, o valor médio

da tensão no indutor é nulo:

DT (1-D) T

Is

Ie-Is

Ie

i

i

Le

Cs

Intervalo D T (1 - D) T

Tensão

aplicada E - (V0 – E)

010 TDVETDE

DE

V

1

10

Manipulando a equação obtemos:

0 0,2 0,4 0,6 0,8 10

1

2

3

4

5

6G

DD

G

1

1

6

Indutor de entrada - Conversores Boost

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

Forma de onda da corrente no

indutor de entrada

DT (1-D) T

Ie

i Le

DE

V

1

10

DI

Ie

1

1

0

Para que a potência permaneça

constante no conversor a corrente é

inversamente proporcional a tensão.

c

LfL

ED

L

ETDI

e

Variação da corrente no indutor

ΔI

c

medeefL

ED

D

IIII

212

0_

cL

máxe

fI

EDL

e

A corrente de entrada tem como

limites em regime:

Em função da oscilação da corrente

tem-se o valor do indutor.

Obs. a ondulação da corrente

máxima ocorre para D igual a 1/3

no conversor Boost.

DT (1-D) T

Is

Ie-Isi Cs

Conversor no instante que o

capacitor alimenta a carga

A análise do capacitor de saída fica bastante simples se considerarmos a

saída como uma fonte de corrente; durante o intervalo de condução do

interruptor (DT), somente essa fonte está conectada ao capacitor,

causando um decréscimo em sua tensão:

c

DT

CCfC

IDITD

Cti

CVV 0

0

0

0

1)(

1

Capacitor de Saída - Conversores Boost

Forma de onda da corrente no

capacitor de saída.

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

DT (1-D) T

Is

Ie-Isi Cs

c

CfC

IDITD

CVV 0

00

1

c

máx

fV

IDC

0

0

0

0

I

VRse

Capacitor de Saída - Conversores Boost

Forma de onda da corrente no

capacitor de saída.

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

0

0

V

EVD

A razão cíclica no conversor Boost

pode ser representada por:

Assim:

0

000

V

EV

fC

IVV

c

C

Para a condição crítica D igual a 1/3, tem-se o capacitor para pior

condição.

Atividade

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

O conversor Boost apresentado na figura abaixo, opera em condução

contínua com frequência de chaveamento de 100 kHz. A ondulação da

tensão de saída é de 1% da tensão média aplicada à carga. Imaginando

que o conversor esteja em um ponto de operação com razão cíclica de

0,75, determine:

a) O valor da tensão média na carga (V0);

b) A ondulação da corrente no indutor L (ΔIL);

c) A corrente média no diodo D (IDmed);

d) A potência consumida pela carga (P0);

e) A corrente média na fonte E (IE med);

f) A corrente máxima e mínima no Mosfet (ISmax e ISmin);

g) O valor do capacitor C;

h) Simular o circuito e comparar com os valores calculas.

E = 100V;

L = 1,0 mH;

R0 = 200Ω.

Atividade

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

O conversor Boost apresentado na figura abaixo, opera em condução

contínua com frequência de chaveamento de 100 kHz. A ondulação da

tensão de saída é de 1% da tensão média aplicada à carga. Imaginando

que o conversor esteja em um ponto de operação com razão cíclica de

0,75, determine:

a) O valor da tensão média na carga (V0);

E = 100V;

L = 1,0 mH;

R0 = 200Ω.

DE

V

1

10

DEV

1

10

75,01

11000

V

Atividade

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

O conversor Boost apresentado na figura abaixo, opera em condução

contínua com frequência de chaveamento de 100 kHz. A ondulação da

tensão de saída é de 1% da tensão média aplicada à carga. Imaginando

que o conversor esteja em um ponto de operação com razão cíclica de

0,75, determine:

b) A ondulação da corrente no indutor L (ΔIL);

E = 100V;

L = 1,0 mH;

R0 = 200Ω.

c

LfL

EDI

e

A75,0

10100101

10075,033

Atividade

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

O conversor Boost apresentado na figura abaixo, opera em condução

contínua com frequência de chaveamento de 100 kHz. A ondulação da

tensão de saída é de 1% da tensão média aplicada à carga. Imaginando

que o conversor esteja em um ponto de operação com razão cíclica de

0,75, determine:

c) A corrente média no diodo D (IDmed);

E = 100V;

L = 1,0 mH;

R0 = 200Ω.

0

00

R

VIIDmed A2

200

400

Atividade

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

O conversor Boost apresentado na figura abaixo, opera em condução

contínua com frequência de chaveamento de 100 kHz. A ondulação da

tensão de saída é de 1% da tensão média aplicada à carga. Imaginando

que o conversor esteja em um ponto de operação com razão cíclica de

0,75, determine:

d) A potência consumida pela carga (P0);

E = 100V;

L = 1,0 mH;

R0 = 200Ω.

0

2

00

R

VP W800

200

4002

Atividade

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

O conversor Boost apresentado na figura abaixo, opera em condução

contínua com frequência de chaveamento de 100 kHz. A ondulação da

tensão de saída é de 1% da tensão média aplicada à carga. Imaginando

que o conversor esteja em um ponto de operação com razão cíclica de

0,75, determine:

e) A corrente média na fonte E (IE med);

E = 100V;

L = 1,0 mH;

R0 = 200Ω.

DI

Ie

1

1

0 D

IIe

1

0 A875,01

2

Atividade

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

O conversor Boost apresentado na figura abaixo, opera em condução

contínua com frequência de chaveamento de 100 kHz. A ondulação da

tensão de saída é de 1% da tensão média aplicada à carga. Imaginando

que o conversor esteja em um ponto de operação com razão cíclica de

0,75, determine:

f) A corrente máxima e mínima no Mosfet (ISmax e ISmin);

E = 100V;

L = 1,0 mH;

R0 = 200Ω.

2_

III medEM

A375,8

2

75,08

2_

III medEM

A625,7

2

75,08

Atividade

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

O conversor Boost apresentado na figura abaixo, opera em condução

contínua com frequência de chaveamento de 100 kHz. A ondulação da

tensão de saída é de 1% da tensão média aplicada à carga. Imaginando

que o conversor esteja em um ponto de operação com razão cíclica de

0,75, determine:

g) O valor do capacitor C;

E = 100V;

L = 1,0 mH;

R0 = 200Ω.

0

0

0

0

V

EV

Vf

IC

c

F75,3

400

100400

40001,010100

23

Característica

de fonte de

tensão

Característica

de fonte de

tensão E La

DCs

Rc

Ch

Conversores Buck-Boost – Acumulação Indutiva

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

18

Conversores Buck-Boost

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

Modo de operação:

1º) Com o interruptor fechado

2º) Com o interruptor aberto

19

Ganho Estático - Conversores Buck-Boost

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

Em regime permanente, o valor médio

da tensão no indutor é nulo:

Intervalo D T (1 - D) T

Tensão

aplicada E V0

TDVTDE 10

D

D

E

V

1

0

Manipulando a equação obtemos:

D

DG

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 10

1

2

3

4

D

G

0,5

Atividade

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

O conversor Buck-Boost apresentado na figura abaixo, opera em

condução contínua com frequência de chaveamento de 100 kHz. A

ondulação da tensão de saída é de 1% da tensão média aplicada à carga.

Imaginando que o conversor esteja em um ponto de operação com razão

cíclica de 0,5, determine:

a) O valor da tensão média na carga (V0);

b) A ondulação da corrente no indutor L (ΔIL);

c) A corrente média no diodo D (IDmed);

d) A potência consumida pela carga (P0);

e) A corrente média na fonte E (IE med);

f) A corrente máxima e mínima no Mosfet (ISmax e ISmin);

g) O valor do capacitor C;

h) Simular o circuito e comparar com os valores calculas.

E = 100V;

L = 1,0 mH;

R0 = 200Ω.

Característica

de fonte de

corrente

Característica

de fonte de

corrente

L

ECh D

Ca

CsRc

+e

Ls

1. Quais são as características das fontes?

2. Qual é a tensão média no capacitor Ca (assumindo-se que o capacitor de saída

seja uma fonte V0)?

Conversores Cúk – Acumulação Capacitiva

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

0VEVaC

22

Conversores Cúk

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

Modo de operação:

1º) Com o interruptor fechado

2º) Com o interruptor aberto

O conversor Cúk pode ser analisando dividindo em dois inversores independentes.

Conversores Cúk – Acumulação Capacitiva

Conversor Boost Conversor Buck

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

sC VEV

Regime de funcionamento de LE: como

em um elevador de tensão (Boost).

D

EVC

1

Já para L0, o funcionamento é semelhante

ao de um abaixador de tensão (Buck):

CDVV 0

Ganho Estático - Conversores Cúk

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

ED

D

D

EDDVV C

110

Ganho estático do conversor Cúk.

Atividade

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

Seja a estrutura do conversor Cúk apresentado na figura abaixo, onde E =

48V; f = 20kHz; D = 0,4; R0 = 10Ω e C = 100μF. Os indutores são

considerados muito grandes, de modo a se poder admitir ILE e I0 constates

em regime permanente. Determinar os valores das seguintes grandezas:

a) Tensão média na carga (V0);

b) Corrente média no indutor de saída I0;

c) Potência na carga (P0);

d) Corrente média no indutor de entrada ILEmed;

e) Ondulação da tensão no capacitor C (ΔVC);

f) Tensão máxima no capacitor C (VCmax);

g) Tensão máxima no transistor S e no diodo D (VTmax e VDmax);

h) Simular o circuito e comparar com os valores calculas.

Caracte-

rística

de fonte de

corrente

Característica

de fonte de

tensão

L

E Ch

Cae+

La

D

Cs Rc

1. Tipos de fontes?

2. Vca = ? Vca = E

Conversores SEPIC

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

L

E Ch

Cae+

La

D

Cs Rc

L

E Ch

Cae+

La

D

Cs Rc

Conversores SEPIC

Modo de operação:

1º) Com o interruptor fechado

2º) Com o interruptor aberto

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

28

Ganho Estático – Conversores SEPIC

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

No intervalo D.T ocorre o armazenamento de energia nos indutores LE e

La, e no intervalo (1-D).T essa energia é transferida à carga. Desse modo,

admitindo que durante o período T não ocorram perdas no conversor, pelo

balanço de energia em regime permanente, tem-se:

TDIIVTDIIEmedmedmedmed aEaE 10

Manipulando a equação obtemos:

L

E Ch

Cae+

La

D

Cs Rc

D

D

E

VG

1

0

Caracte-

rística

de fonte de

corrente

Característica

de fonte de

tensão E La

Ch Ca+

Ls

Cs Rc

Conversores ZETA

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

Conversores ZETA

Modo de operação:

1º) Com o interruptor fechado

2º) Com o interruptor aberto

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

E La

Ch Ca+

Ls

Cs Rc

E La

Ch Ca+

Ls

Cs Rc

Analisando-se o funcionamento de Ls, observa-se que:

SVDDE )1(

Ou seja, novamente aqui temos:

D

DG

1

Ganho Estático – Conversores ZETA

E La

Ch Ca+

Ls

Cs Rc

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC