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Este documento aborda o projeto de um conversor boost cc-cc, um tipo de conversor de potência contínua que possui um aumento de tensão associado à saída. O documento explica as topologias básicas de conversores cc-cc, a importância de utilizá-los em circuitos de potência contínua e detalha as aplicações do conversor boost na área da eletrônica. Além disso, o documento apresenta as dimensões dos componentes do conversor, como indutor, capacitor e resistor, calculados com base nos dados de entrada fornecidos.
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
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Aluno: Marciel Bezerra de Moura;
Matrícula : 2019023234
Professor: Olympio Cipriano Da Silva Filho
Mossoró/RN
Um conversor CC-CC é um tipo de circuito eletrônico que realiza uma
conversão de tensão ou corrente contínua em outra grandeza, maior ou menor de tensão
ou contínua também no regime de corrente contínua, obedecendo-se as leis de
conservação de energia, ou seja, a energia média do conversor não é alterada, quando há
aumento de tensão, obrigatoriamente sua corrente é diminuída, mantendo-se a mesma
potência inicial.
Os conversores CC-CC são muito utilizados em circuitos de potência que
operam em corrente contínua, pois, como não se pode utilizar de transformadores para
níveis CC, pois não haveria variação de fluxo magnético neste caso, o circuito necessita
do uso de interruptores controlados, transistores, (MOSFETs, IGBTs, BJTs, GTOs), etc.
trabalhando em alta frequência de comutação, na ordem de quilo e mega-hertz. Alguns
tipos de conversores também fazem uso de interruptores não controlados (diodos) além
de componentes passivos como indutores e capacitores.
As topologias básicas de conversores CC-CC não isoladas são: Buck (conversor
abaixador de tensão) e Boost (conversor elevador de tensão), que são as topologias
primárias para os conversores. As demais topologias não isoladas são Buck-Boost, Cúk,
Zeta e SEPIC e são derivadas da associação das duas topologias básicas. Existem
topologias isoladas (com o uso de um transformador para alta frequência) e não
isoladas. As principais topologias isoladas são o Forward (Buck isolado), Flyback
(Buck-Boost isolado), Push-Pull, Half-Bridge (Meia Ponte) e o Full-Bridge (Ponte
Completa).
Para o projeto em questão, será utilizado o conversor Boost, que também é
chamado de conversor elevador, que como falado anteriormente, é um tipo de conversor
CC-CC que possui um aumento de tensão associado a saída, em relação a entrada, onde
a sua utilização é caracterizada pelo ganho de tensão induzida no chaveamento do
indutor. A presença deste indutor na entrada faz com que as variações bruscas de tensão
na rede sejam absorvidas, não afetando o restante do circuito, facilitando então a
obtenção da forma desejada da corrente. Já o capacitor na saída faz com que a oscilação
de tensão na carga seja mínima, tornando então o conversor Boost uma excelente
solução para elevação de tensão CC.
O conversor Boost possui aplicações na área da eletrônica, sendo de potência ou
não, onde ele é bastante utilizado em fontes de alimentação, retificadores com elevado
A razão cíclica máxima do conversor não pode passar de 0,75. A razão cíclica
do conversor Boost é dependente dos valores de tensão de entrada e saída e pode ser
calculado pela Equação 1.
¿
o
Porém, como foi imposto pela Tabela 1, a razão cíclica não pode ser menor que
0,1, logo, faz-se necessário a utilização de valores modificados em relação aos valores
da Tabela 1 para o melhor funcionamento do conversor Boost.
Como o objetivo final do conversor Boost é obter uma tensão de 34 V na saída
do sistema, a critério do projetista a tensão de entrada será modificada para 24V, onde
esse valor justifica-se por ser um valor padrão utilizado comumente em fontes
chaveadas no mercado, facilitando então a implementação do conversor em um
protótipo físico, logo, o cálculo para a nova razão cíclica é efetuado abaixo:
c) Indutância (L)
Como a tensão de entrada para o conversor Boost foi ajustada para 24V a
critério do projetista, o cálculo para o dimensionamento do indutor é feito em razão
dessa tensão de entrada, onde a corrente pode ser calculada em relação a queda de
tensão estipulada e a potência presente na Tabela 1, assim, o indutor pode ser
dimensionado e projetado de acordo com a Equação 2.
imin
L
∙ f
s
Onde:
imin
Tensão de entrada no conversor;
Razão cíclica do conversor;
L
Variação máxima de corrente no indutor;
f
s
Frequência de chaveamento do seccionador;
Considerando uma frequência de chaveamento dimensionada no item f) como
sendo igual a 40 kHz, com um valor de
L
igual a 25%, o valor do indutor calculado é
dado por:
3
L =70,5882 μH
A indutância crítica é calculada pela Equação 3, que é o menor valor utilizado
para que o conversor opere em regime contínuo.
c
2
2 ∙ f
s
c
2
3
c
≅ 11 μH
Logo, a critério do projetista, adota-se então um indutor comercial mais próximo
para a indutância calculada de 70 μH, valor acima da indutância crítica, assim o
conversor Boost atuará em regime contínuo, como projetado inicialmente.
d) Capacitância (C) e resistência série (
C
) do capacitor
De mesma maneira, considerando os valores presentes na Tabela 1, o valor do
capacitor em paralelo com a carga é calculado de acordo com a Equação 4.
o
o
∙ f
s
3
C ≅ 2,083 mF
Logo, a critério do projetista, adota-se então um capacitor comercial mais
próximo de 2 mF. A resistência do capacitor é determinada em relação a oscilação da
tensão de saída, calculado pela Equação 5.
o
c
c
L, max
c
O valor de
L ,max
é calculado no item g), mais adiante neste presente relatório,
assim, o valor do resistor em série é dado por:
c
c
≅ 2,4768 mΩ
Logo, a critério do projetista, adota-se então um resistor comercial mais
próximo de 2,5 m
t on
= D ∙t
off
t on
∙t
off
t
on
=0,416 6 ∙ t
off
Como o valor do período de chaveamento é inversamente proporcional a
frequência de chaveamento, tem-se:
T = t on
off
=0,000025 s
T = 25 μ s
Assim, com um período de 25 μs, o valor dos tempos em que os disparos do
MOSFET serão acionados podem ser dados por:
0,000025=0,416 6 ∙t
off
off
t
off
=17,647 μs
t
o n
=7,3529 μs
g) Corrente média no indutor (IL) e delta IL
A corrente no indutor é a corrente que passa pela fonte, assim a corrente média
presente no indutor pode ser calculada pela Equação 8.
L
¿
¿
L
L
A variação de corrente no indutor
L
, de acordo com a Tabela 1 é
dimensionada para ser de 2%, assim, a variação máxima da corrente no indutor é dada
por:
L
L
L
L
h) Corrente máxima no indutor (
L ,max
A corrente máxima do indutor é calculada em relação a corrente média, de
acordo com a Equação 9.
L ,max
L
L
L ,max
L ,max
i) Corrente mínima no indutor (
L ,min
De maneira semelhante, a corrente mínima do indutor é dada pela Equação 10.
L ,m ∈¿= I L
−
Δ I
L
2
( 10 )¿
L ,min
L ,min
j) Corrente média na saída do conversor (
o
A corrente média na saída do conversor é calculada considerando os valores
determinados pela Tabela 1, assim, a corrente de saída é calculada em relação a tensão
de saída e o resistor dimensionado, logo, tem-se que:
o
0
o
o
k) Corrente média na fonte (
S
Assim como calculado no item f) a corrente de saída da fonte é igual a corrente
no indutor, logo, a corrente média na fonte é dada por:
¿
fonte
l) Tensão máxima na chave (
s w, max
Como o circuito seccionador funcionará como um circuito ideal, a chave
(simulada por um MOSFET ideal pelo software PSIM) se comportará como um fio
quando fechada e como um circuito aberto no momento de abertura. Logo, a tensão
máxima presente no momento de circuito aberto será a tensão presente no nó após o
indutor, assim, a tensão máxima da chave será a tensão de saída do circuito,
dimensionado para ser 34V de acordo com a Tabela 1.
m) Corrente máxima na chave (
s w ,max
A corrente máxima na chave será quando a chave é fechada, fazendo com que a
corrente toda flua pela mesma, sem que o capacitor jogue corrente, devido a presença do
diodo. Assim, a corrente máxima será a armazenada pelo indutor, logo, a corrente
Os resultados da simulação são mostrados abaixo, onde cada Figura representa
uma forma de onda encontrada pela simulação gerada pelo PSIM. Os valores teóricos e
simulados foram comparados e exemplificados abaixo.
A figura 4 representa a Tensão na carga, que apresentou um overshoot grande,
com pico em aproximadamente 64 V. Porém, em aproximadamente 50 milissegundos a
tensão aproximou-se de seu estado de regime permanente, apresentando uma tensão
extremamente linear com valor de aproximadamente 34 V, objetivo inicial do projeto.
Figura 4 : Tensão na carga
A Figura 5 mostra a precisão do conversor Boost, que apresentou uma variação
de tensão mínima, na ordem de milivolts, em um tempo de aproximadamente 0,1s.
Figura 5 : Tensão na carga, com zoom, expandido em 0,1 s
A corrente no indutor, como falando anteriormente, é igual a corrente presente
na fonte, os dois componentes estão em serie, e não há nenhum componente que
consuma corrente entre eles.
A corrente também apresentou a mesma característica da tensão, apresentando
um alto overshoot , porém para o caso da corrente, esse valor foi mais acentuado,
chegando a aproximadamente 180 A, fazendo com que os componentes dimensionados
necessitem de uma potência de fabricação elevada e de dissipadores térmicos bastante
eficazes.
Figura 6 : Corrente no indutor, semelhante a corrente na entrada da fonte
A corrente no indutor e na fonte, como mostra a Figura 7 apresentou uma alta
variação, de aproximadamente 30%, não correspondendo ao valor da Tabela 1, porém
aproximando-se do valor esperado, que era de 25%. Este valor acima do dimensionado
se deve a aproximações feitas no cálculo dos componentes e na utilização de
componentes comerciais mais próximos.
Figura 7 : Corrente na fonte e no indutor, com zoom, expandido em 0,1 s
A tensão sobre a chave, como discutido no item m), e mostrado pelas Figuras 8 e
9, apresentou a tensão de aproximadamente o mesmo valor obtido para a tensão de saída
do conversor Boost, devido ao mesmo estar situado no mesmo nó da carga.
Como já falado anteriormente, a tensão máxima no diodo será igual a tensão
máxima na carga e como mostrado na Figura 11. O diodo entrará em bloqueio e irá
bloquear a corrente, fazendo com que o circuito possua a tensão que estará presente no
capacitor, que será aproximadamente igual a tensão na carga.
Figura 11 : Tensão sobre o diodo, com zoom, expandido em 0,1 s
Como mostrado pela Figura 12, a corrente média presente no indutor, assim
como seu valor mínimo, máximo e a variação de corrente presente no indutor
apresentaram valores coerentes com o valor teórico calculado.
Figura 12 : Corrente máxima e mínima do indutor e
L
simulados
De acordo com o calculado teoricamente, a corrente média no indutor
apresentou um erro de aproximadamente 0,1 A, ou seja, apresentou um valor
semelhante ao valor simulado pelo software PSIM. Os valores de corrente máxima e
corrente mínima, assim como o
L
apresentaram um erro um pouco mais elevado,
devido aos componentes dimensionados teoricamente serem diferentes do utilizado no
projeto, adotando-se valores comerciais mais próximos, assim, os valores de corrente
apresentara uma discrepância, porém não grande o suficiente para prejudicar o
funcionamento do circuito.
Como mostrado pela Figura 14, a corrente na saída do conversor foi
aproximadamente igual a corrente dimensionada inicialmente com os valores da Tabela
1, calculados no item j), diferenciando-se apenas a partir da terceira casa decimal.
Figura 13 : Corrente média e RMS na saída do conversor
De acordo com a Figura 14, verifica-se que a fonte de tensão possui um
overshoot de aproximadamente 11 A, porém se estabiliza rapidamente e apresenta uma
corrente média mostrada na Figura 13, cumprindo-se a potência especificada no projeto.
Figura 14 : Forma de onda da corrente de saída
De acordo com a Figura 15, verifica-se que a potência de saída foi de certa
forma igual a potência dimensionada no projeto, diferenciando-se de apenas dois watts
aproximadamente do valor especificado inicialmente.
Figura 15 : Potência de saída do conversor Boost
Como mostrado pela Figura 16, o MOSFET projetado atua com frequência de 40
kHz e com um ciclo de trabalho de
, trabalhando juntamente com o circuito do
conversor para que seja possível obter a tensão de saída igual ao valor projetado.
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