Sistemas de alimentação

Fontes primárias de Corrente Alternada (CA)

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

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%

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

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

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

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

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

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)

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

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)

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)

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.

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)

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)

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)

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

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

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).

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)

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)

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

Extensão a outros conversores N = D 2 M = 1 + 1 + 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

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

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

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 + -

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)

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

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

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

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

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”

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

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/n1 D’ < 1 - D obtemos: D < n1/(n1 + n2) è Dmax = n1/(n1 + n2)

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

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

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

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.

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.

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

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

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

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

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.

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

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

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”

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

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?

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

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

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

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”

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

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

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

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

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

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

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

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)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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