Conversores CC-CC ( Choppers)

UNIDADE III - Conversores CC-CC ( Choppers)

Referências

- ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

MARCIO BRUMATTI SERRA – ES

- ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA - CONVERSORES CC-CC

Profª Beatriz Vieira Borges

Universidade Federal do Ceará - Eletrônica de Potência

Professor Fernando Antunes

1 - Introdução

As tecnologias atualmente empregadas na construção de fontes de tensão são basicamente três: ferro-ressonante, linear e chaveada.

As fontes ferro-ressonantes se baseiam no princípio de ferro-ressonância e são compostas basicamente por um transformador operando com o secundário saturado. Operando em saturação, a densidade de fluxo no secundário é praticamente constante, fazendo com que a tensão de saída permaneça constante mesmo com variações (tipicamente da ordem de +15%) da tensão de entrada.

Embora a eficiência seja elevada (da ordem de 70 a 80%), têm a desvantagem de em geral serem volumosas e pesadas.

As fontes de tensão linear empregam elementos de controle que, colocados em série ou em paralelo com a carga, fazem a tensão nesta permanecer constante.

Uma fonte série empregando um transistor como elemento série de controle, por exemplo, em geral não é possível manter a tensão VCE baixa, fazendo com que haja uma grande perda de potência no transistor.

Apesar de proverem excelente regulação, as fontes de tensão lineares vem sendo cada vez menos utilizadas na prática, devido ao fato de apresentarem baixa eficiência.

As fontes chaveadas são idealmente não dissipativas e, assim como as fontes ferroressonantes, provem elevada eficiência (70% ou mais).

A ideia é que ele opere ora em corte (quando então a corrente IC é quase nula), ora em saturação (quando então a tensão VCE é quase nula).

Os conversores CC-CC são largamente aplicados em fontes de alimentação chaveadas e em acionamento de motores de corrente contínua. Nas fontes chaveadas, eles sucedem os retificadores não controlados, reduzindo o ripple e regulando a tensão de saída da fonte, por isso são conhecidos também por “reguladores chaveados”.

Existem duas topologias básicas de conversores CC-CC, que são o abaixador de tensão (conversor buck) e o elevador de tensão (conversor boost). Com a combinação e alterações nestas duas estruturas chega-se em várias outras estruturas de conversores CC–CC.

A inserção de um transformador, operando em alta frequência, nestes conversores, dá origem a uma família de conversores CC-CC isolados, muito utilizados em fontes chaveadas.

Os conversores C/C são aplicáveis onde a fonte de alimentação disponível é em CC, proveniente de um retificador sem controle (com diodos), ou um banco de baterias e a carga necessita de uma tensão contínua variável.

Figura 1

Os conversores C/C são aplicados em acionamentos e controle de máquinas de corrente contínua (tração elétrica): em locomotivas de trens e metrôs (onde uma tensão de cerca de 4000V do sistema de distribuição é transformada em 300V na alimentação de um motor C), empilhadeiras, trólebus, automóveis elétricos, em máquinas-ferramenta de dois ou mais eixos, fontes chaveadas em geral (fonte do PC), etc. Permitem frenagens regenerativas com economia de energia em sistemas com frequentes partidas e paradas.

Simbologia

Figura 2 Símbolo

O CONVERSOR CC/CC PERMITE

:

- controle de aceleração suave ( mcc );

- frenagem regenerativa e dinâmica ( mcc )

- alta eficiência;

- reposta dinâmica rápida;

Quanto aos dispositivos de potência, o conversor cc/cc pode utilizar:

- SCR'S: necessita de circuitos de comutação forçada para provocar o seu bloqueio, o que limita a frequência de operação (10khz ), mas podendo operar em altas potências;

- GTO'S: permite a comutação no próprio gate ( através da Aplicação de um pulso negativo ), mas necessita de um circuito armazenador de energia para este fim. A frequência de operação também é limitada (10khz ). Também tem sua aplicação em altas potências;

- TRANSISTOR DE POTÊNCIA: permite o seu bloqueio pela simples redução da corrente na base (bipolar ) ou da tensão no gate (mosfet ou igbt), eliminando assim circuitos os de comutação forçada, permitindo uma operação em frequências bem maiores ( > 25khz ).

2 Modulação por Largura de Pulso (PWM)

Nos conversores CC-CC a tensão de saída deve ser controlada mediante alterações na tensão de entrada ou variações de carga. Isto é feito controlando os tempos em que as chaves semicondutoras estão ligadas ou desligadas.

Para ilustrar este conceito utiliza-se o conversor abaixador elementar da Fig.3.

Figura 3 Conversor abaixador elementar.

O valor médio da tensão de saída depende dos tempos ton e toff. O método de controle empregando frequência de comutação constante e controlando-se o tempo de condução da chave é denominado Modulação por Largura de Pulso (PWM – Pulse Width Modulation).

Por exemplo, desejando-se diminuir o valor médio da tensão de saída (Vo), basta reduzir o tempo de condução da chave S (ton). A relação entre o tempo de condução da chave ton e o período total de comutação T é definido por razão cíclica (D ou k).

A Fig. 4 mostra o método PWM, onde os sinais que controlam os estados das chaves são gerados a partir da comparação