Sistemas de alimentação

Apresentação em tema: "Sistemas de alimentação"— Transcrição da apresentação:

1 Sistemas de alimentação

2 Fontes primárias de Corrente Alternada (CA)

3 Sistema de alimentação com reguladores lineares
Poucos componentes. Robustos Não geram EMI e RFI Pesados e volumosos Baixo rendimento

4 Comparação entre fontes lineares e chaveadas
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%

5 Revisão dos conversores c.c./c.c
Conversores sem isolamento elétrico: Buck Boost Buck-Boost Conversores com isolamento elétrico: Flyback Duplo Flyback Forward Duplo Forward

6 Revisão de Fundamentos de Circuitos
Como calcular a relação entre as variáveis elétricas? Vamos recordar as propriedades dos indutores e capacitores em circuitos elétricos em regime permanente: A tensão média em indutor é nula. A corrente média em um capacitor é nula. + - Circuito em regime permanente iC = 0 Caso contrario, a corrente no indutor e a tensão no capacitor cresceriam indefinidamente (não estaríamos em regime permanente). vL = 0

7 Revisão de Fundamentos de Circuitos
Na forma de onda da tensão em um indutor “a soma dos produtos volts·segundos = 0” T d·T t iL Comando vL - + + - Circuito em regime permanente iL vL = 0 Áreas iguais

8 1. Análise do conversor Buck Modo de condução contínuo
Hipóteses: A tensão de saída Vo é constante durante um ciclo de chaveamento. A corrente no indutor é sempre maior que zero. T d·T t iS iD iL Comando iS= iL E VO + - iS iL iD E VO Durante D·T iD= iL VO - + Durante (1-D)·T

9 2. Análise do conversor Buck
+ - vL E iO vO iL iC R T D·T t iL Comando vL - + E- VO IO - VO Tensão média nula no indutor (E- VO)·D·T - VO·(1-D)·T = 0 è VO = D·E Corrente média nula no capacitor IL = IO = VO/R

10 3. Análise do conversor Buck
vO + - E iO R iS iL iD vS vD Tensões máximas VS max = VD max = E T D·T t iS iD IS ID Aplicação do balanço de potências IS = IO·VO/E è IS = IO·D Corrente média no diodo ID = IL - IS è ID = IO·(1-D)

11 4. Análise do conversor Buck
O conversor “buck” pode ser visto como um transformador de corrente contínua E vO + - R iO is 1 : D VO = E·D IO = Is/D Transformador ideal de corrente continua

12 1. Análise do conversor Boost Modo de condução contínuo
iL iD iS E vO Balanço volts·segundos E·D·T + (E- VO)·(1-D)·T = 0 è VO = E/(1-D) Tensões máximas VS max = VD max = VO= E/(1-D)

13 2. Análise do conversor Boost
iL iD iS E vO iO T D·T t iS iD iL Comando IL IS ID R Corrente média por diodo ID = IO = VO/R Balanço de potência IL = IO·VO/E è IL = IO/(1-D) Corrente media no transistor IL = ID + IS è Is = IO.D/(1-D)

14 O curto-circuito e sobrecarga no conversor Boost
Este caminho de circulação de corrente não pode ser interrompido atuando sobre o transistor. O conversor não pode ser protegido desta forma.

15 1. Análise do conversor Buck-Boost Modo de condução contínuo
+ - vD vO E R vS vL Balanço volts·segundos E·D·T - VO·(1-D)·T = 0 è VO = E·D/(1-D) Tensões máximas VS max = VD max = E+VO= E/(1-D)

16 2. Análise do conversor Buck-Boost
vO + - E IO R iL iD iS T D·T t iS iD iL Comando IL IS ID Corrente média por diodo ID = IO = VO/R Balanço de potência IS = IO·VO/E è IS = IO·D/(1-D) Corrente media no indutor IL = ID + IS è IL = IO/(1-D)

17 O modo de condução nos três conversores básicos (I)
(somente um indutor e um diodo) Conversor com indutor e diodo iO iL R vO + - E T D·T t iL Comando IL O valor médio de iL depende de IO: IL = IO (buck) IL = IO/(1-D) (boost e buck-boost)

18 O modo de condução nos três conversores básicos (II)
iL IL R1 Rcrit > R2 R2 > R1 Ao variar IO varía o valor médio de iL Ao variar IO não varíam as derivadas de iL (dependem de E e de VO) Modo de condução contínuo Modo de condução crítico

19 O modo de condução nos três conversores básicos (III)
iL IL Rcrit R3 > Rcrit O que acontece se R > Rcrit ? Modo contínuo Modo descontínuo

20 Fatores que originam o modo de condução descontínuo do conversor:
iL Diminuição do valor do indutor. Diminuição da freqüência de chaveamento. Aumento do valor do resistor de carga (diminuição do valor médio da corrente no indutor).

21 Modo descontínuo de condução
IL t iL Comando vL T D·T D’·T + - iD ID VO E Existem 3 estados distintos: Condução do transistor (D·T) Condução do diodo (D’·T) Transistor e diodo bloqueados (1-D-D’)·T Exemplo VO E (D·T) (1-D-D’)·T (D’·T)

22 Relação de transformação no modo descontinuo (p.e. buck-boost)
iL t IL vL T D·T D’·T + - iD ID VO E iLmax VO E (D·T) E = L·iLmax/(D·T) VO = L·iLmax/(D’·T) ID = iLmax·D’/2 ID = VO/R VO E (D’·T) Relação de transformação M=VO/E : M =D/(k)1/2 , sendo: k =2·L / (R·T)

23 Fronteira entre modos de condução (buck-boost)
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 t iL Rcrit

24 Extensão a outros conversores
N = D 2 M = 4·k D2 kcrit = (1-D) kcrit max = 1 D k N = 1-D kcrit = (1-D)2 4·D2 1 kcrit = D(1-D)2 kcrit max = 4/27 Buck Buck-Boost Boost

25 1. Incorporação do isolamento galvânico ao conversor buck-boost
Muito fácil incorporar o isolamento galvânico

26 2. Incorporação do isolamento galvânico ao conversor buck-boost
Conversor Flyback O indutor e o transformador podem ser integrados em um único dispositivo magnético. Este dispositivo magnético se calcula como um indutor, e não como um transformador. Deve armazenar energia. Normalmente tem entreferro

27 Análise do conversor Flyback Modo de condução contínuo
“Soma dos produtos (volts/espiras)·segundos = 0” D·T·E/n1 - (1-D)·T·VO/n2 = 0 è VO = E·(n2/n1)·D/(1-D) + - vD Máximas tensões vO + - VD max = E·n2/n1 + VO= E·(n2/n1)·/(1-D) VS max = E+VO·n1/n2 = E/(1-D) n1 n2 E vS + -

28 Conversor Duplo Flyback
n1 : n2 S1 D3 D1 D2 S2 VO Dois transistores Baixas tensões nos semicondutores 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)

29 Incorporação do isolamento galvânico ao conversor Boost
Não é possivel incorporar o isolamento galvânico com um único transistor Com vários transistores è pontes alimentadas em corrente

30 1. Incorporação do isolamento galvânico ao conversor buck
Lm Não pode ser feito porque o transformador não pode ser desmagnetizado

31 2. Incorporação do isolamento galvânico ao conversor buck
Lm D2 D1 Não pode ser feito porque o transformador é desmagnetizado instantaneamente (sobretensão infinita).

32 3. Incorporação do isolamento galvânico ao conversor buck
Lm Dipolo de tensão constante Esta é a solução

33 Circuito em regime permanente
Operação em regime permanente de um elemento magnético com dois enrolamentos Lei de Faraday: Circuito em regime permanente n1 : n2 v1 v2 + - vi = ni · dF/dt DF = FB - FA = (vi/ni)·dt B A Em regime permanente: (DF)em um período =0 Logo: Se se excita o elemento magnético com ondas quadradas: (vi /ni) = 0 “soma dos produtos (volts/espiras)·segundos = 0”

34 Operação em regime permanente de um elemento magnético com vários enrolamentos: exemplo
F t vi/ni T D1·T D2·T + - V1/n1 Fmax V2/n2 E V2 n2 n1 V1 “Soma dos produtos (volts/espiras)·segundos = 0” (E/n1)·D1·T - (V2/n2)·D2·T = 0 è D2 = D1·n2·E/(n1·V2) Para assegurar a desmagnetização: D2 < 1 - D1

35 Desmagnetização baseada na tensão de entrada
1. O conversor Forward Desmagnetização baseada na tensão de entrada V1 = V2 = E V1 V2 n2 n1 n2 n1 E Levando em conta: D’ = D·n2/n D’ < 1 - D obtemos: D < n1/(n1 + n2) è Dmax = n1/(n1 + n2)

36 2. O conversor Forward + - + - - + n1 VO vD1 E n2:n3 E·n3/n1 vS VO
Durante D·T Dmax = n1/(n1 + n2) VO - + Durante (1-D)·T VS max = E+E·n1/n2 = E/(1-Dmax) VD1 max = E·n3/n1 VO = D·E·n3/n1 (modo contínuo) VD2 max = E·n3/n2

37 Im = E·T·D2/(2·Lm) (ref. ao primário)
3. O conversor Forward iD2·n3/n1 T D·T t Comando iL iO D’·T iD3 iD2 iD1 iS iD2 VO E n2:n3 n1 iS iL iD1 iD3 iO ID2 = IO·D ID1 = IO·(1-D) Im = E·T·D2/(2·Lm) (ref. ao primário) IS = IO·D·n3/n1 + Im ID3 = Im

38 Variação de E + - E mínimo + + - - E máximo Fmax E/n1 E/n2 Fmax Fmax
t vi/ni + - E/n1 Fmax E/n2 E mínimo vD2 VO n2:n3 n1 + - vS vD1 E F t vi/ni + - E/n1 Fmax E/n2 Tensão alimentação mínima F t vi/ni + - E/n1 Fmax E/n2 E máximo

39 Existem outras formas de desmagnetizar o transformador?
VC E F t vi/ni + - E/n1 Fmax VC/n1 Snubber RCD Lm Ld E Baixo rendimento Integração de componente parasitas Útil para retificador sincrono autoexc.

40 Outras formas de desmagnetizar o transformador: Desmagnetização ressonante
(Resonant reset) vT + - E vT t + - Lm Ld E Pequena variação de E Integração de componentes parasitas Útil para retificador sincrono autoexc.

41 Outras formas de desmagnetizar o transformador: Snubber ativo
(Active clamp) VC E F t vi/ni + - E/n1 VC/n1 VC = E·D/(1-D) Lm Ld E Dois transistores Integração de componentes parasitas Útil para retificador sincrono autoexc. Fluxo médio nulo

42 Outras formas de desmagn. o transf
Outras formas de desmagn. o transf.: Conversor Forward com dois transistores E n1 : n2 S1 D4 D3 D1 D2 S2 VO F t vi/ni + - E/n1 Fmax Dmax = 0.5 VO = D·E·n2/n1 (en modo continuo) VS1 max = VS2 max =E VD1 max = VD2 max = E VD3 max = VD4 max = E·n2/n1 Dois transistores Tensão máxima no transistor igual a E

43 Pos-reguladores lineares
Fonte com múltiplas saídas: Uma saída controlando o chaveamento do transistor e as outras com regulador linear Pos-reguladores lineares Eficiente Caro Complexo

44 Fontes com múltiplas saídas baseados em um único conversor (regulação cruzada)
Regula-se apenas uma saída As outras ficam parcialmente reguladas Importante: a impedância parasita associada a cada saída deve ser a menor possível

45 Os conversores “flyback” e “forward” com regulação cruzada
Funciona bem se o transformador estiver bem feito Pior: Presença do indutor de filtro. Os modos de condução de cada saída podem ser diferentes.

46 Melhorando a regulação cruzada em o conversor “forward”
Os dois enrolamentos operam no mesmo modo de condução n2 Condição de projeto: n1/ n2 = n3/ n4 n3 n1

47 Revisão dos conversores c.c./c.a./c.c.
Conversores com isolamento elétrico: Push-Pull Meia Ponte Ponte Completa

48 1. Conversor Push-Pull Ret. em ponte Conv. cc/cc “push-pull”
Ret. com transf. “tap” central Ret. em ponte Conv. cc/cc “push-pull” Ret. com dois indutores Conv. cc/cc “push-pull”

49 2. Conversor Push-Pull Conversor “forward” Conversor “forward” DB DB

50 O que acontece quando nenhum dos transistores conduz?
3. Conversor Push-Pull S2 S1 n1 : n2 n1 n2 E VO L Circuito equivalente quando conduz S1: E·n2/n1 L VO Circuito equivalente quando conduz S2: E·n2/n1 L VO O que acontece quando nenhum dos transistores conduz?

51 4. Conversor Push-Pull iL1 + iL2 = iL iL1 - iL2 = iLm (sec. trans.)
VO iL D1 D2 iL1 iL2 Conduzem ambos diodos è a tensão no transformador é zero As correntes iL1 e iL1 devem ser tais que: iL1 + iL2 = iL iL1 - iL2 = iLm (sec. trans.) Circuito equivalente quando não conduzem nem S1 nem S2: VO L

52 5. Tensões no conversor “push-pull”
VO L vD + - S1 vD1 vD2 vS1 vS2 D1 D2 Dmax = 0.5 t vS2 T d·T Comando vS1 vD1 vD2 vD 2·E E·n2/n1 2·E·n2/n1 S1 S2 A tensão vD é a mesma que em um conv. “forward” com uma razão cíclica 2·D è VO = 2·D·E·n2/n1 (en modo continuo) vsmax = 2·E vD1max = vD2max = 2·E·n2/n1

53 6. Correntes no conversor “push-pull”
n1 : n2 n1 n2 E VO L iS1 iL D1 D2 iD1 iD2 iS2 iO Dmax = 0.5 t iL Comando iS2 iD1 iS1 T d·T iD2 S1 S2 Correntes médias: IS1 = IS2 = IO·D·(n2/n1) ID1 = ID2 = IO/2

54 7. Conversor Push-Pull S2 S1 n1 E VO iS1 iS2 DB
No controle por “modo tensão” pode-se saturar o transformador por assimetrías na duração dos tempos de condução dos transistores Ideal utilizar-se o controle por “modo corrente”

55 1. Conversor em Meia Ponte (“half bridge”)
VO S2 n1 n2 E L vD + - S1 vD1 vD2 vS1 vS2 D1 D2 E/2 Dmax = 0.5 t vS2 T d·T Comando vS1 vD1 vD2 vD E E·0.5·n2/n1 2.E·n2/n1 S1 S2 A tensão vD é a metade daquela que ocorre no conversor “push-pull” è VO = D·E·n2/n1 (modo contínuo) vsmax = E vD1max = vD2max = 2.E·n2/n1

56 2. Correntes no Conversor em Meia Ponte
iD1 iL S2 n1 n2 E L iO S1 iD2 iS1 iS2 D1 D2 VO E/2 Dmax = 0.5 t iL Comando iS2 iD1 iS1 T d·T iD2 S1 S2 Correntes médias: IS1 = IS2 = IO·D·(n2/n1) ID1 = ID2 = IO/2

57 1. O Conversor em Ponte Completa (“full bridge”)
vS2, vS3 t Comando vS1, vS4 E T d·T vD1 vD2 vD E·n2/n1 2·E·n2/n1 S1, S4 S2, S3 VO S3 n1 n2 E L vD + - S4 vD1 vD2 vS4 vS3 D1 D2 S1 S2 Dmax = 0.5 A tensão vD é igual aquela do conversor “push-pull” è VO = 2·D·E·n2/n1 (modo contínuo) vsmax = E vD1max = vD2max = 2·E·n2/n1

58 2. Correntes no conversor em Ponte Completa
iD1 iL iO iD2 iS4 VO S3 n1 n2 E L S4 D1 D2 S1 S2 iS3 t iL Comando iS2, iS3 iD1 iS1, iS4 T d·T iD2 S2, S3 S1, S4 Dmax = 0.5 Correntes médias: IS3 = IS4 = IO·D·(n2/n1) ID1 = ID2 = IO/2

59 Problemas de saturação do transformador do conversor em ponte completa
No controle por “modo tensão” pode-se saturar o transformador por assimetrías na duração dos tempos de condução dos transistores Soluções: Colocar um capacitor em série CS Usar controle por “modo corrente” S2 S1 CS E VO S3 S4

60 Conversores com Barramento tipo Fonte de Corrente
Conversor c.c./c.c. “Push-Pull” alimentado em corrente Conversor c.c./c.c. em ponte alimentado em corrente

61 1. Conversor “push-pull” alimentado em corrente
VO S2 S1 + - vD1 vD2 vS2 Dmin = 0.5 t Comando de S1 Comando de S2 vS2 T d·T vS1 vD1 2·VO 2·VO·n1/n2 VO vD2 + - E VO·n1/n2 VO·n1/n2 E + - E Conduzem S1 e S2 S1 está bloqueado S2 está bloqueado

62 2. Conversor “push-pull” alimentado em corrente
+ - E VO·n1/n2 S1 bloqueado VO·n1/n2 E Conduzem S1 e S2 E Conduzem S1 e S2 + - E S2 bloqueado dura t1 dura t2 dura t1 dura t2 d·T (1-d)·T Aplicando o balanço “volts·segundos” è VO = E·(n2/n1)/2(1-D) (modo contínuo)

63 3. Correntes no “push-pull” alimentado em corrente
iL iO n1 n2 E S2 S1 iD1 iD2 iS2 Dmin = 0.5 iS1 T d·T t iD1 iS2 iS1 iL Comando de S1 Comando de S2 iD2 IS1 = IS2 = IO·(n2/n1)/4(1-D) ID1 = ID2 = IO/2

64 Conversores alimentados em tensão vs. alimentados em corrente
VO = E·D E VO Buck E è VO n1 è n2 n2 è n1 VO è E D è 1-D 1-D è D Modificações E VO Boost VO = E/(1-D) “Push-pull” alimentado em tensão VO = 2·D·E·n2/n1 E VO n1 n2 “Push-pull” alimentado em corrente VO = E·(n2/n1)/2(1-D) E VO n1 n2

65 Problema do desligamento do conversor “push-pull” alimentado em corrente
Temos que garantir que o fluxo no indutor não se anule quando são bloqueados S1 e S2 no momento de desligamento do conversor S2 S1 iL iL

66 Outro modo de desmagnetizar o indutor de entrada
Desmagnetização em direção a entrada Desmagnetizaçãoem direção a saída

67 A ponte completa alimentada em corrente
Desmagnetização em direção a entrada Se comporta como un “push-pull” alimentado em corrente, exceto a tensão máxima no transistor (que é Vo*) Desmagnetização em direção a saída

68 Retificador em ponte na saída
“Push-pull” alimentado em corrente Ponte completa alimentada em corrente

69 Como devem ser as correntes na entrada e na
saída de um conversor? d 1-d i2 i1 Entrada Saída i2 i1 1 : N t Situação ideal

70 Corrente de entrada em cada conversor
i1 i2 Buck-boost Boost Buck descontínua contínua

71 Filtrando a corrente descontínua de um conversor
Buck Boost Buck-Boost

72 Conversores reversíveis
Fluxo de potência Redutor / elevador V1 V2< V1 Fluxo de potência Red.-elev. / Red.-elev. V1 V2

73 Retificador síncrono Em conversores com tensão de saída baixa (≈ 1,2 a 5V) e correntes muito elevadas (>20A), a queda de tensão no diodo retificador, vis a vis da tensão de saída, é elevada e torna difícil o controle da tensão de saída. A queda de tensão de um diodo PIN é da ordem de 1,0V enquanto que a do diodo Schotky é de 0,5V. Solução: Retificador síncrono apresenta queda de tensão inferior a 0,1V

74 O transistor MosFet é utilizado como diodo, graças a pequena rdson
Retificador Síncrono Fonte Dreno Porta p n+ n- Curto circuito n+p Diodo parasita O transistor MosFet é utilizado como diodo, graças a pequena rdson

75 Retificador Síncrono autoexcitado (Vsaida < 5V)
Retificação convencional Retificação síncrona

76 Retificador Síncrono autoexcitado (Vsaida < 5V)
Retificadores de meia onda Retificação convencional Retificação síncrona

77 Conversor Meia Ponte assimétrico Meia ponte com controle complementar
1-D D D·E (1-D)·E E Meia ponte com controle complementar (1-D)·E D 1-D E D·E