Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina
Departamento Acadêmico de Eletrônica
Eletrônica de Potência
Conversores CC-CC Não-Isolados
(Conversor Buck)
Prof. Clovis Antonio Petry.
Florianópolis, novembro de 2015.
Biografia para Esta Aula
Capítulo 9 - Conversores cc-cc:
• Introdução aos conversores cc-cc.
www.ProfessorPetry.com.br
Nesta Aula
Conversores cc-cc:
• Introdução;
• Conversor Buck;
• Exercícios.
Princípio Geral
S
+
Ii
Ro
Vi
Vo
Vo
Vi
-
D ⋅ Ts
Tensão média na saída:
Vmed
1
= Vo = ⎡⎣Vi ⋅ D ⋅Ts ⎤⎦
Ts
Vo = D ⋅Vi
Ton = D ⋅Ts
Vo
D=
Vi
Ts
Conversor Buck
S
Lo
a
Vi
D
+
Co
Ro
Vo
-
b
Conversor Buck
Primeira etapa de funcionamento:
• Interruptor conduzindo;
• Diodo bloqueado;
• Energia sendo armazenada no indutor.
S
Lo
a
Vi
D
+
Co
Ro
Vo
-
b
0 ≤ t < D ⋅Ts
Conversor Buck
Segunda etapa de funcionamento:
• Interruptor bloqueado;
• Diodo conduzindo;
• Energia armazenada no indutor sendo transferida para saída.
S
Lo
a
Vi
D
+
Co
Ro
Vo
-
b
D ⋅Ts ≤ t < Ts
Conversor Buck
S
Lo
a
Vi
D
+
Co
Ro
Vo
-
b
Vmed
1
= Vab = ⎡⎣Vi ⋅ D ⋅Ts ⎤⎦
Ts
Vab = D ⋅Vi
Vab
Vi
D ⋅ Ts
Ts
Conversor Buck
Tensão média sobre o indutor:
S
Vi − Vo
Lo
a
Vi
VLo
D
+
Co
Ro
Vo
D ⋅ Ts
−Vo
b
((
) (
))
1⎡
VLo =
Vi − Vo ⋅ D ⋅Ts + −Vo ⋅ Ts − D ⋅Ts ⎤
⎦
Ts ⎣
)
VLo = ⎡⎣Vi ⋅ D − Vo ⋅ D − Vo + Vo ⋅ D ⎤⎦
VLo = 0
(
Ts
Conversor Buck
S
Lo
a
Vi
D
+
Co
Ro
Vo
-
b
Ton
1
Vab = ⎡⎣Vi ⋅ D ⋅Ts ⎤⎦ = Vi ⋅
Ts
Ts
Vo
Vi
Vab = D ⋅Vi
D ⋅ Ts
Vo = Vab
Vo = D ⋅Vi
Vo
D=
Vi
Ts
Conversor Buck
Ganho estático em função da razão cíclica:
1
0,75
Vo/Vi
0,5
0,25
0
0
0,25
0,5
D
0,75
1
Conversor Buck
Principais formas de onda (circuito simulado):
Conversor Buck
Principais formas de onda (transitório de partida):
Conversor Buck
Principais formas de onda (regime permanente):
Tarefas
Exercício 1) Considerando o circuito abaixo determine:
• Tensão média na saída;
• Corrente média na carga;
• Corrente média no indutor;
• Corrente média no interruptor;
• Corrente média no diodo;
• Tensão máxima sobre o interruptor;
• Tensão máxima sobre o diodo;
• Potência média na entrada e na saída.
Conversor Buck
Ondulação de corrente em Lo:
S
Lo
a
Vi
D
+
Co
Ro
Vo
-
b
ΔI Lo
VLo ! Lo
ΔT
VLo ⋅ ΔT
ΔI Lo =
Lo
ΔI Lo
V − V ) ⋅ D ⋅T
(
=
ΔI Lo
V − D ⋅V ) ⋅ D
(
=
=
i
o
s
Lo
i
i
Lo ⋅ Fs
Vi
D ⋅ 1− D
Lo ⋅ Fs
(
)
Conversor Buck
(
ΔI Lo = D ⋅ 1− D
Ondulação de corrente em Lo:
0.25
0.2
0.15
ΔI( D)
0.1
0.05
0
0
0.2
0.4
0.6
D
0.8
)
Conversor Buck
Ondulação de corrente em Lo:
ΔI Lo _ max
Vi
=
D ⋅ 1− D
Lo ⋅ Fs
ΔI Lo _ max
Vi
=
0,5⋅ 1− 0,5
Lo ⋅ Fs
(
ΔI Lo _ max
(
Vi
=
4 ⋅ Lo ⋅ Fs
)
)
Conversor Buck
Ondulação de tensão em Co:
S
Lo
a
Vi
D
+
Co
Ro
Vo
-
b
Conversor Buck
Ondulação de tensão em Co:
iCo
t
iCoF
ΔiCo = ΔiLo
vCo
ΔvCo
t
0
d⋅
Ts
2
Ts
2
Ts
ΔVCo _ max
Vi
=
2
31⋅ Lo ⋅Co ⋅ Fs
Vi
Co =
2
31⋅ Lo ⋅ ΔVCo _ max ⋅ Fs
Conversor Buck
Filtro de saída (freqüência de ressonância):
S
Lo
a
Vi
D
+
Co
Ro
Vo
-
b
Fo =
1
2π Lo ⋅Co
Fs
Fo ≤
10
Conversor Buck
Filtro de saída (resistência série equivalente do capacitor):
S
Lo
a
Vi
D
+
Co
Ro
Vo
!
VC
+
b
ΔVRSE = ΔI Co _ max ⋅ RSE
C
VR +
I
RSE
Conversor Buck
Filtro de saída (resistência série equivalente do capacitor):
Exemplo:
Calculado em função da ondulação de tensão
Co = 1,25 µ F
Escolhido devido a RSE=2,47 Ω
Co = 47 µ F
www.epcos.com
Conversor Buck
Condução contínua (MCC) e descontínua (DCM):
MCC
1a etapa
2a etapa
Conversor Buck
Condução contínua (MCC) e descontínua (DCM):
DCM
1a etapa
2a etapa
3a etapa
Conversor Buck
Condução contínua (MCC) para descontínua (DCM):
• Diminuição da carga;
• Indutor do filtro de saída muito baixo;
• Alteração da freqüência de comutação;
• Alteração da tensão de entrada.
Conversor Buck
Filtro de entrada (corrente na fonte sem filtro):
Conversor Buck
Filtro de entrada (corrente na fonte com filtro):
Tarefas
Exercício 2) Considerando o circuito abaixo determine:
• Ondulação de corrente no indutor;
• Corrente máxima no indutor;
• Corrente máxima no interruptor e no diodo;
• Ondulação de tensão no capacitor;
• Freqüência de ressonância do filtro de saída.
Tarefas
Exercício 4) Faça o projeto de um conversor Buck considerando:
• Tensão de entrada de 12 V;
• Tensão de saída de 5 V;
• Carga resistiva de 50 W;
• Ondulação de corrente de 10%;
• Ondulação de tensão de 1%;
• Freqüência de comutação de 50 kHz.
Determine:
•
•
•
•
•
Indutância do filtro de saída;
Capacitor do filtro de saída;
Interruptor;
Diodo;
Dissipadores, se necessário.
Próxima Aula
Conversores cc-cc:
•
Conversor Boost.
Vo
Vi
D ⋅ Ts
Ts
Li
Vi
a
D
+
Co
S
Ro
Vo
-
b
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