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Sistemas de alimentação. Fontes primárias de Corrente Alternada (CA)

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Apresentação em tema: "Sistemas de alimentação. Fontes primárias de Corrente Alternada (CA)"— 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 ChaveadaLinear Relação Potência/Peso 30 a 300W/kg10 a 30W/kg Relação Potência/Volume 50 a 300W/l20 a 50W/l Rippleda tensão de saída 1%0,1% EMCImportanteDesprezíveis Rendimento65 a 90%35 a 55%

5 Revisão dos conversores c.c./c.c Conversores sem isolamento elétrico: 1.Buck 2.Boost 3.Buck-Boost Conversores com isolamento elétrico: 1.Flyback 2.Duplo Flyback 3.Forward 4.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. Caso contrario, a corrente no indutor e a tensão no capacitor cresceriam indefinidamente (não estaríamos em regime permanente). v L = Circuito em regime permanente i C = 0

7 Revisão de Fundamentos de Circuitos Na forma de onda da tensão em um indutor a soma dos produtos volts·segundos = 0 v L = Circuito em regime permanente iLiL T d·T t t iLiL Comando vLvL t - + 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 t t t iSiS iDiD iLiL Comando iSiS iLiL iDiD E VOVO i D = i L VOVO - + i S = i L E VOVO + - Durante D·T Durante (1-D)·T

9 2. Análise do conversor Buck Tensão média nula no indutor T D·T t t iLiL Comando vLvL t - + E- V O IOIO - V O (E- V O )·D·T - V O ·(1-D)·T = 0 V O = D·E Corrente média nula no capacitor + - vLvL E iOiO vOvO + - iLiL iCiC R I L = I O = V O /R

10 3. Análise do conversor Buck Aplicação do balanço de potências I S = I O ·V O /E I S = I O ·D Corrente média no diodo I D = I L - I S I D = I O ·(1-D) V S max = V D max = E vOvO + - E iOiO R iSiS iLiL iDiD + - vSvS vDvD + - Tensões máximas T D·T t t iSiS iDiD ISIS IDID

11 4. Análise do conversor Buck O conversor buck pode ser visto como um transformador de corrente contínua V O = E·D I O = I s /D Transformador ideal de corrente continua E vOvO + - R iOiO isis 1 : D

12 E·D·T + (E- V O )·(1-D)·T = 0 V O = E/(1-D) Balanço volts·segundos V S max = V D max = V O = E /(1-D) Tensões máximas iLiL iDiD iSiS E vOvO 1. Análise do conversor Boost Modo de condução contínuo

13 iLiL iDiD iSiS E vOvO R iOiO T D·T t t t t iSiS iDiD iLiL Comando ILIL ISIS IDID I L = I O ·V O /E I L = I O /(1-D) Corrente média por diodo I D = I O = V O /R Corrente media no transistor I L = I D + I S I s = I O.D/(1-D) Balanço de potência 2. Análise do conversor Boost

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

15 E·D·T - V O ·(1-D)·T = 0 V O = E·D/(1-D) Balanço volts·segundos V S max = V D max = E+V O = E /(1-D) Tensões máximas + - vDvD vOvO + - E R + - vSvS vLvL Análise do conversor Buck-Boost Modo de condução contínuo

16 2. Análise do conversor Buck-Boost vOvO + - E IOIO R iLiL iDiD iSiS Balanço de potência I S = I O ·V O /E I S = I O ·D/(1-D) Corrente média por diodo I D = I O = V O /R Corrente media no indutor I L = I D + I S I L = I O /(1-D) T D·T t t t t iSiS iDiD iLiL Comando ILIL ISIS IDID

17 O modo de condução nos três conversores básicos (I) (somente um indutor e um diodo) Conversor com indutor e diodo iOiO iLiL R vOvO + - E I L = I O /(1-D) (boost e buck-boost) I L = I O (buck) T D·T t t iLiL Comando ILIL O valor médio de i L depende de I O :

18 O modo de condução nos três conversores básicos (II) Ao variar I O varía o valor médio de i L Ao variar I O não varíam as derivadas de i L (dependem de E e de V O ) t t iLiL ILIL iLiL ILIL iLiL ILIL t R1R1 R crit > R 2 R 2 > R 1 Modo de condução crítico Modo de condução contínuo

19 O modo de condução nos três conversores básicos (III) t t iLiL ILIL R crit t R 3 > R crit iLiL ILIL iLiL ILIL Modo contínuo Modo descontínuo O que acontece se R > R crit ?

20 Fatores que originam o modo de condução descontínuo do conversor: t t iLiL t iLiL iLiL 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 Existem 3 estados distintos: Condução do transistor (D·T) Condução do diodo (D·T) Transistor e diodo bloqueados (1-D-D)·T Exemplo VOVO E VOVO E E VOVO VOVO E (D·T) (1-D-D)·T(D·T) Modo descontínuo de condução ILIL t iLiL Comando t vLvL T D·T t + - iDiD t IDID VOVO E

22 VOVO E (D·T) VOVO E E = L·i Lmax /(D·T) iLiL t ILIL vLvL T D·T t + - iDiD t IDID VOVO E i Lmax Relação de transformação M=V O /E : M =D/(k) 1/2, sendo: k =2·L / (R·T) Relação de transformação no modo descontinuo (p.e. buck-boost) V O = L·i Lmax /(D·T) I D = i Lmax ·D/2 I D = V O /R

23 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 = R crit, k = k crit k crit = (1-D) 2 Modo contínuo: k > k crit Modo descontínuo: k < k crit Fronteira entre modos de condução (buck-boost) t iLiL iLiL R crit

24 N = D 2 M = 1 + 4·k D2D2 k crit = (1-D) k crit max = 1 D M = k D N = 1-D k crit = (1-D) 2 k crit max = 1 2 M = 1 + 4·D 2 k 1 N = 1-D k crit = D(1-D) 2 k crit max = 4/27 Buck Buck- Boost Boost Extensão a outros conversores

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 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 Conversor Flyback

27 vOvO + - vSvS + - E + - vDvD n1n1 n2n2 Soma dos produtos (volts/espiras)·segundos = 0 D·T·E/n 1 - (1-D)·T·V O /n 2 = 0 V O = E·(n 2 /n 1 )·D/(1-D) V D max = E·n 2 /n 1 + V O = E·(n 2 /n 1 )·/(1-D) V S max = E+V O ·n 1 /n 2 = E/(1-D) Máximas tensões Análise do conversor Flyback Modo de condução contínuo

28 Dois transistores Baixas tensões nos semicondutores V O = E·(n 2 /n 1 )·d/(1-D) (em m.c.) D max = 0.5 V S1 max = v S2 max = E V D1 max = v D2 max = E V D3 max = E·(n 2 /n 1 )·/(1-D) E n 1 : n 2 S1S1 D3D3 D1D1 D2D2 S2S2 VOVO Conversor Duplo Flyback

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

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

31 2. Incorporação do isolamento galvânico ao conversor buck Não pode ser feito porque o transformador é desmagnetizado instantaneamente (sobretensão infinita). LmLm D2D2 D1D1

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

33 Operação em regime permanente de um elemento magnético com dois enrolamentos Circuito em regime permanente n 1 : n 2 v1v1 v2v (v i /n i ) = 0 v i = n i · d /dt = B - A = (v i /n i )·dt B A Lei de Faraday: Em regime permanente: ( ) em um período =0 Logo: Se se excita o elemento magnético com ondas quadradas: soma dos produtos (volts/espiras)·segundos = 0

34 Operação em regime permanente de um elemento magnético com vários enrolamentos: exemplo Soma dos produtos (volts/espiras)·segundos = 0 (E/n 1 )·D 1 ·T - (V 2 /n 2 )·D 2 ·T = 0 D 2 = D 1 ·n 2 ·E/(n 1 ·V 2 ) t v i /n i T D 1 ·T t D 2 ·T + - V 1 /n 1 max V 2 /n 2 Para assegurar a desmagnetização: D 2 < 1 - D 1 E V2V2 n2n2 n1n1 V1V1

35 Levando em conta: D = D·n 2 /n 1 D < 1 - D obtemos: D < n 1 /(n 1 + n 2 ) D max = n 1 /(n 1 + n 2 ) 1. O conversor Forward E n2n2 n1n1 Desmagnetização baseada na tensão de entrada V 1 = V 2 = E V1V1 V2V2 n2n2 n1n1

36 2. O conversor Forward VOVO n 2 :n 3 n1n1 + - v D2 vSvS + - v D1 + - E V S max = E+E·n 1 /n 2 = E/(1-D max ) V D1 max = E·n 3 /n 1 V D2 max = E·n 3 /n 2 D max = n 1 /(n 1 + n 2 ) E·n 3 /n 1 VOVO + - Durante D·T VOVO - + Durante (1-D)·T V O = D·E·n 3 /n 1 (modo contínuo)

37 3. O conversor Forward i D2 VOVO E n 2 :n 3 n1n1 iSiS iLiL i D1 i D3 iOiO i D2 ·n 3 /n 1 T D·T t Comando t iLiL iOiO D·T i D3 i D2 i D1 iSiS t t t t I D2 = I O ·D I D1 = I O ·(1-D) I m = E·T·D 2 /(2·L m ) (ref. ao primário) I S = I O ·D·n 3 /n 1 + I m I D3 = I m

38 Variação de E v D2 VOVO n 2 :n 3 n1n1 + - vSvS + - v D1 + - E t v i /n i t + - E/n 1 max E/n 2 E máximo t v i /n i t + - E/n 1 max E/n 2 E mínimo t v i /n i t + - E/n 1 max E/n 2 Tensão alimentação mínima

39 Existem outras formas de desmagnetizar o transformador? t v i /n i t + - E/n 1 max V C /n 1 Snubber RCD Baixo rendimento Integração de componente parasitas Útil para retificador sincrono autoexc. VCVC E LmLm LdLd E

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

41 t v i /n i t + - E/n 1 V C /n 1 Dois transistores Integração de componentes parasitas Útil para retificador sincrono autoexc. Fluxo médio nulo Outras formas de desmagnetizar o transformador: Snubber ativo (Active clamp) V C = E·D/(1-D) VCVC E LmLm LdLd E

42 Dois transistores Tensão máxima no transistor igual a E Outras formas de desmagn. o transf.: Conversor Forward com dois transistores t v i /n i t + - E/n 1 max E/n 1 D max = 0.5 V O = D·E·n 2 /n 1 (en modo continuo) V S1 max = V S2 max =E V D1 max = V D2 max = E V D3 max = V D4 max = E·n 2 /n 1 E n 1 : n 2 S1S1 D4D4 D3D3 D1D1 D2D2 S2S2 VOVO

43 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: 1.Presença do indutor de filtro. 2.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 n1n1 n2n2 n3n3 n4n4 Condição de projeto: n 1 / n 2 = n 3 / n 4

47 Revisão dos conversores c.c./c.a./c.c. Conversores com isolamento elétrico: 1.Push-Pull 2.Meia Ponte 3.Ponte Completa

48 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

49 Conversor forward Conversor push-pull B B H B B H 2. Conversor Push-Pull

50 S2S2 S1S1 n 1 : n 2 n1n1 n1n1 n2n2 n2n2 E VOVO L Circuito equivalente quando conduz S 2 : E·n 2 /n 1 L VOVO Circuito equivalente quando conduz S 1 : E·n 2 /n 1 L VOVO O que acontece quando nenhum dos transistores conduz? 3. Conversor Push-Pull

51 L VOVO iLiL D1D1 D2D2 i L1 i L2 Circuito equivalente quando não conduzem nem S 1 nem S 2 : Conduzem ambos diodos a tensão no transformador é zero As correntes i L1 e i L1 devem ser tais que: i L1 + i L2 = i L i L1 - i L2 = i Lm (sec. trans.) VOVO L 4. Conversor Push-Pull

52 A tensão v D é a mesma que em um conv. forward com uma razão cíclica 2·D V O = 2·D·E·n 2 /n 1 (en modo continuo) v smax = 2·E v D1max = v D2max = 2·E·n 2 /n 1 t v S2 t t T d·T t t Comando t v S1 v D1 v D2 vDvD 2·E E·n 2 /n 1 2·E·n 2 /n 1 S1S1 S2S2 S2S2 n1n1 n1n1 n2n2 n2n2 E VOVO L vDvD + - S1S1 + - v D1 + - v D2 v S v S2 D1D1 D2D2 D max = Tensões no conversor push-pull

53 Correntes médias: I S1 = I S2 = I O ·D·(n 2 /n 1 ) I D1 = I D2 = I O /2 t t t iLiL Comando i S2 t i D1 i S1 t T d·T t i D2 S1S1 S2S2 S2S2 S1S1 n 1 : n 2 n1n1 n1n1 n2n2 n2n2 E VOVO L i S1 iLiL D1D1 D2D2 i D1 i D2 i S2 iOiO D max = Correntes no conversor push-pull

54 S2S2 S1S1 n1n1 n1n1 E VOVO i S1 i S2 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 B B H 7. Conversor Push-Pull

55 A tensão v D é a metade daquela que ocorre no conversor push-pull V O = D·E·n 2 /n 1 (modo contínuo) v smax = E v D1max = v D2max = 2.E·n 2 /n 1 t v S2 t t T d·T t t Comando t v S1 v D1 v D2 vDvD E E E·0.5·n 2 /n 1 2.E·n 2 /n 1 S1S1 S2S2 VOVO S2S2 n1n1 n2n2 n2n2 E L vDvD + - S1S1 + - v D1 + - v D2 v S v S2 D1D1 D2D2 E/2 D max = Conversor em Meia Ponte (half bridge)

56 2. Correntes no Conversor em Meia Ponte Correntes médias: I S1 = I S2 = I O ·D·(n 2 /n 1 ) I D1 = I D2 = I O /2 t t t iLiL Comando i S2 t i D1 i S1 t T d·T t i D2 S1S1 S2S2 i D1 iLiL S2S2 n1n1 n2n2 n2n2 E L iOiO S1S1 i D2 i S1 i S2 D1D1 D2D2 VOVO E/2 D max = 0.5

57 1. O Conversor em Ponte Completa (full bridge) A tensão v D é igual aquela do conversor push-pull V O = 2·D·E·n 2 /n 1 (modo contínuo) v smax = E v D1max = v D2max = 2·E·n 2 /n 1 v S2, v S3 t Comando t v S1, v S4 E E t t t T d·T t v D1 v D2 vDvD E·n 2 /n 1 2·E·n 2 /n 1 S 1, S 4 S 2, S 3 VOVO S3S3 n1n1 n2n2 n2n2 E L vDvD + - S4S4 + - v D1 + - v D2 v S v S3 D1D1 D2D2 S1S1 S2S2 D max = 0.5

58 2. Correntes no conversor em Ponte Completa Correntes médias: I S3 = I S4 = I O ·D·(n 2 /n 1 ) I D1 = I D2 = I O /2 i D1 iLiL iOiO i D2 i S4 VOVO S3S3 n1n1 n2n2 n2n2 E L S4S4 D1D1 D2D2 S1S1 S2S2 i S3 t t t iLiL Comando i S2, i S3 t i D1 i S1, i S4 t T d·T t i D2 S 2, S 3 S 1, S 4 D max = 0.5

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 C S Usar controle por modo corrente S2S2 S1S1 CSCS E VOVO S3S3 S4S4

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

61 t Comando de S 1 t Comando de S 2 t v S2 t T d·T t t v S1 v D1 2·V O 2·V O ·n 1 /n 2 VOVO v D2 2·V O VOVO E + - E V O ·n 1 /n 2 E + - Conduzem S 1 e S 2 S 1 está bloqueado S 2 está bloqueado n1n1 n1n1 n2n2 n2n2 E VOVO S2S2 S1S1 + - v D1 + - v D2 v S2 + - D min = Conversor push-pull alimentado em corrente

62 E Conduzem S 1 e S E V O ·n 1 /n 2 S 1 bloqueado V O ·n 1 /n E S 2 bloqueado E Conduzem S 1 e S 2 Aplicando o balanço volts·segundos V O = E·(n 2 /n 1 )/2(1-D) (modo contínuo) d·T (1-d)·T dura t 1 dura t 2 2. Conversor push-pull alimentado em corrente

63 iLiL iOiO n1n1 n1n1 n2n2 n2n2 E S2S2 S1S1 i D1 i D2 i S2 D min = 0.5 i S1 T d·T t i D1 t i S2 t t i S1 iLiL t Comando de S 1 t Comando de S 2 i D2 I S1 = I S2 = I O ·(n 2 /n 1 )/4(1-D) I D1 = I D2 = I O /2 3. Correntes no push-pull alimentado em corrente

64 E V O n 1 n 2 n 2 n 1 V O E D 1-D 1-D D Modificações V O = E·D E VOVO Buck V O = E/(1-D) E VOVO Boost Conversores alimentados em tensão vs. alimentados em corrente Push-pull alimentado em tensão V O = 2·D·E·n 2 /n 1 E VOVO n1n1 n1n1 n2n2 n2n2 Push-pull alimentado em corrente V O = E·(n 2 /n 1 )/2(1-D) E VOVO n1n1 n1n1 n2n2 n2n2

65 Problema do desligamento do conversor push-pull alimentado em corrente S2S2 S1S1 iLiL Temos que garantir que o fluxo no indutor não se anule quando são bloqueados S 1 e S 2 no momento de desligamento do conversor iLiL

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

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

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

69 d 1-d i2i2 i1i1 Entrada Saída i2i2 i1i1 1 : N t i1i1 t i2i2 Situação ideal Como devem ser as correntes na entrada e na saída de um conversor?

70 t i1i1 i1i1 t t i2i2 t i2i2 t i2i2 i1i1 t Buck-boost i2i2 i1i1 Boost i2i2 i1i1 Buck i2i2 i1i1 descontínua contínua descontínua contínua descontínua Corrente de entrada em cada conversor

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

72 Fluxo de potência Redutor / elevador V1V1 V 2 < V 1 Fluxo de potência Red.-elev. / Red.-elev. V1V1 V2V2 Conversores reversíveis

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

75 Retificação convencionalRetificação síncrona Retificador Síncrono autoexcitado (V saida < 5V)

76 Retificação convencionalRetificação síncrona Retificador Síncrono autoexcitado (V saida < 5V) Retificadores de meia onda

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


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