Controle e Simulação de Conversores CC/CC

1. Controle e Simulação de Conversores CC/CC Diógenes Grave Patrícia Câmara Simon Delabie Túlio Dourado

2. Sumário • Descrição da Aplicação • Teoria • Características dos Conversores Utilizados • Projeto e Especificações • Exemplos de Aplicações Reais • Referências

3. Descrição da Aplicação Controle e Simulação de Conversores CC-CC

4. Descrição da Aplicação • Os Conversores DC-DC são largamente utilizados em dispositivos eletrônicos pois tais dispositivos frequentemente contém diversos subcircuitos que exigem diferentes níveis de tensão em relação ao fornecido pela bateria.

5. Descrição da Aplicação • Exemplos • Dispositivos Eletrônicos Portáteis • Carregador de Bateria • No-Breaks

6. Teoria Controle e Simulação de Conversores CC-CC

7. Teoria • Os conversores DC-DC são dispositivos usados para converter uma fonte de tensão contínua de um nível para outro. • Utilizam comutação de sinal e armazenamento de energia (indutor, capacitor, transistores, diodos). • Também conhecidos como reguladores chaveados ou fontes chaveadas.

8. Teoria • A Conversão é realizada pelo armazenamento temporário da energia de entrada e da liberação na saída com uma tensão diferente. • Vantagens: Alta Eficiência Dispositivos reduzidos (CI)

9. Teoria • Desvantagens: • Maior Custo • Complexidade • Emissão de Ruídos

10. Teoria • A conversão pode ser feita para diminuir a tensão de saída em relação à de entrada ou o contrário. • Step-up / Stepdown • Além disso podem variar a polaridade entre entrada e saída.

11. Teoria • Topologias • Existem diversas topologias de conversores DC-DC, cabendo ao projetista determinar aquela que melhor se aplica.

12. Teoria • Topologias mais utilizadas

13. Teoria • Conversores que utilizam transformadores são chamados de isolados, ao contrário dos não isolados. • A classificação em Forward e Flyback é feita pois no Forward a energia percorre o elemento magnético e a carga simultaneamente. • Já no Flyback, a energia é transferida para o elemento magnético e num segundo estágio é liberado para a carga. • Além disso os conversores podem ser classificados em Inversores e Não Inversores de Polaridade.

14. Teoria • PWM • Frequência mínima de duas vezes a máxima frequência da banda passante. • Filtrar a tensão de referência para evitar harmônicos em frequência maior ou igual à de chaveamento.

15. Teoria Métodos de controle: Controle feito por PWM (modulação em largura de pulso), com os seguintes métodos: • Single-loopcontrol (Controle de laço/malha simples) • Input voltagefeedforward (Alimentação com a tensão de entrada) • Current-modecontrol (Controle pelo método da corrente)

16. Teoria Métodos de controle: Single-loopcontrol • Controlado pela comparação entre a tensão de saída e o ciclo de trabalho.

17. Teoria Métodos de controle: Input VoltageFeedforward • Aumenta a imunidade da tensão de saída do conversor em relação a ruídos na tensão da entrada DC; • Faz o valor de pico da rampa do modulador PWM proporcional à tensão de entrada DC; • Um aumento da tensão DC de entrada aumentará a inclinação da rampa do PWM.

18. Teoria Métodos de controle: Current-modecontrol • O PWM é substituído por um circuito de realimentação de corrente; • O método promove controle da corrente de saída e protege o circuito de potência; • Melhor performance na rejeição de ruídos da fonte e no aumento de carga.

19. Teoria Métodos de controle: Current-modecontrol

20. Projeto e Especificações • Conversores CC-CC • Aplicados em Fontes de Alimentação Chaveadas e Acionamento de motores de Corrente Contínua. • Nas fontes chaveadas, sucedem os retificadores não controlados, reduzindo o Ripple e regulando a tensão de saída da fonte. • Topologia Básica • Conversor Abaixador ou Buck • Conversor Elevador ou Boost • Conversor Elevador-Abaixador ou Buck-Boost

21. Projeto e Especificações • Diagrama de blocos da Conversão CC-CC • Nota-se então, que uma fonte chaveada é formada por um laço com realimentação negativa que visa manter constante tensão de saída Vs.

22. Projeto e Especificações • Diagrama de blocos da Conversão CC-CC • A tensão de controle (Vcontrole) é obtida por um circuito controlador (compensador), que atua a partir de dois sinais de entrada: o valor medido (tensão de saída, por exemplo), e um sinal de referência desejada.

23. Projeto e Especificações • A implementação de malha(s) de controle tem como objetivo garantir: • A precisão no ajuste da Variável de Saída • A correção de desvios provenientes de transitórios na alimentação ou mudança na carga.

24. Projeto e Especificações • A modulação PWM pode ser obtida utilizando CIs dedicados, como: • SG3524, SG3525, SG3526, SG3527, TL494. • As características específicas de cada CI variam • Em função da aplicação, do grau de desempenho esperado, das proteções implementadas. • Circuitos de comando ou gate-drivers • Frequentemente utilizados para comandar as chaves semicondutoras a partir do sinal PWM,

25. Exemplos de Aplicações Reais Controle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.

26. Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial. • Composto por um circuito integrado controlador PWM com alguns componentes adicionais, como resistores e capacitores, responsáveis pela determinação da frequência de operação; • Circuito integrado LM3524; • Não possui circuito interno de acionamento do transistor; • Possibilita limitação de corrente; • Frequência máxima de PWM na ordem de 300kHZ; • Possui Tensão de referência interna;

27. Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial. • Esquemático do Conversor Buck com controle a PWM:

28. Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial. • Circuito de acionamento do transistor: • Composto por diodos, transistores, resistores e um transformador; • Tem principal função de acionar o transistor comutador; • Recebe o sinal PWM do controlador LM3524, transferindo o comendo de abrir ou fechar, para a chave semi-condutora;

29. Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial. • Esquemático do Conversor Buck com circuito de acionamento do transistor:

30. Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial. • Circuito de limitação de corrente: • Conversores Buck podem apresentar picos de corrente; • Atua em conjunto com o integrado LM3524 para limitar a corrente e evitar danos ao dispositivo;

31. Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial. • Circuito de limitação de corrente: • Funcionamento: • Corrente de entrada acima do permitido; • Sensor resistivo polariza o conjunto de transistores; • Um sinal é enviado ao controlador; • O sinal PWM é cortado até ocorrer a estabilização da corrente;

32. Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial. • Esquemático do Conversor Buck com circuito de limitação de corrente:

33. Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial. • Circuito de potência:

34. Exemplos de Aplicações Reais Controle de conversor CC-CC de topologia Flyback no modo descontinuo para aplicação em carregadores de bateria.

35. Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Flyback no modo descontinuo para aplicação em carregadores de bateria. • Carregador de Baterias: • Conversor CC-CC Flyback no modo descontinuo com transformador controlado pelo integrado 1M0380; • Regulador de Tensão do carregador através do TL431; • Circuito de controle de corrente; • Tensão de saída do carregador em 28V;

36. Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Flyback no modo descontinuo para aplicação em carregadores de bateria. • Flyback:

37. Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Flyback no modo descontinuo para aplicação em carregadores de bateria. • Controlado pelo integrado 1M0380 • Pino 3 com tensão de 18V mantido pelo Zener; • Liberação dos primeiros sinais PWM; • Alimentação do integrado pelo terceiro enrolamento do flyback; • Tensão de alimentação fixada em 30V pelo enrolamento;

38. Exercícios • A partir da figura do flyback do segundo exemplo da aplicação prática, projete o transformador do mesmo, considerando para os cálculos: • Tensão de entrada entre 130V e 350V; • A razão cíclica, δ, de 0,5; • Corrente saída máxima de 1A e mínima de 0,1A; • Tensão de saída de 28V; • Queda de tensão no diodo de 1,5V; • Frequencia de trabalho do LM0380 de 67kHz

39. Exercícios • Projete os parâmetros do circuito de potência (L e C) do conversor Buck do primeiro exemplo prático. Dados: • Tensão de entrada (Vi): entre 22V e 36V; • Tensão de saída de 5V; • Ripple da tensão de saída: 10mVpp • Corrente de saída (Io): 200mA; • Carga (R): 25Ω; • Comutação do transistor: PWM; • Frequencia de trabalho do PWM: 100kHz • Operação: MCC

40. Referências • Rodrigues, Leandro Gaspari – Estudo e Desenvolvimento de um Conversor DC-DC de Topologia Buck para aplicação Aeroespacial. Escola de Engenharia de São Carlos – USP • Shiavon, Gilson Junior – No-Break 1,2KVA, Senoidal, Operando em Malha Fechada: Cirtuitode Potência, Circuito de Controle Analógico e Circuito de controle Digital com DSC – Centro de Tecnologia e Urbanismo – Universidade Estadual de Londrina • Brumatti, Márcio – Eletrônica de Potência. Automação Industrial. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo – CEFET/ES • A. J. Forsyth, S. V. Mollov- Modellingand Control of DC-DC Converters. Power Engineering Journal. 1998.

41. DÚVIDAS