Projeto De Conversor Sepic Em MCC

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PROJETO DE CONVERSOR SEPIC EM MCC

Marcelo Targino de Oliveira¹

Resumo — O artigo trata do desenvolvimento e simulação de um conversor SEPIC em MCC, um tipo de conversor CC-CC que permite ajustar a tensão de saída para ser maior ou menor que a de entrada, mantendo a polaridade. Este conversor é indicado para aplicações com fontes de tensão variáveis, como sistemas alimentados por baterias e energia solar. O projeto simula uma conversão de 50 V para 25 V, detalhando a operação em duas fases, cada uma com diferentes configurações de chaveamento que controlam o fluxo de energia pelos indutores e capacitores. O estudo aborda o cálculo dos componentes, incluindo indutores, capacitores e resistências, para garantir uma operação eficiente. A simulação no software PSIM confirmou a precisão dos cálculos e a estabilidade do conversor. O artigo também considera o gerenciamento térmico dos componentes, como o diodo e o MOSFET, destacando a necessidade de dissipação térmica para evitar superaquecimento e prolongar a vida útil do dispositivo. O projeto alcança resultados consistentes entre valores calculados e simulados, validando a funcionalidade do conversor SEPIC e sua adequação para aplicações práticas.

Palavras-Chaves — conversor SEPIC, simulação, eficiência.

1. INTRODUÇÃO

Um conversor CC-CC é essencial para aplicações onde a carga exige uma tensão ou corrente contínua específica (geralmente regulada), mas a fonte disponível fornece um valor de tensão contínua diferente ou não regulado. Esse tipo de conversor permite, por exemplo, obter 5 V a partir de uma fonte de 12 V, ajustando a tensão conforme a necessidade da carga [1].

O conversor SEPIC (Single-Ended Primary Inductor Converter) é um tipo de conversor CC-CC que permite obter uma tensão de saída maior ou menor que a tensão de entrada, mantendo a mesma polaridade. Isso o torna versátil em aplicações onde a fonte de tensão pode variar, mas a saída precisa permanecer em uma faixa específica [1]. Esse tipo de conversor é adequado para aplicações em sistemas alimentados por baterias, sistemas de energia solar, equipamentos industriais e automotivos, e sistemas de comunicação, entre outros [2].

No presente artigo, foi realizada a simulação de um abaixador de tensão, no qual uma tensão contínua de 50V será reduzida pela metade, ou seja, diminuída para 25V.

1. ANÁLISE DO CONVERSOR SEPIC

O conversor SEPIC é um tipo de conversor CC-CC que utiliza uma chave, um diodo (D), dois indutores (L₁ e L₂) e dois capacitores (C₁ e C₂) para converter tensão. A entrada é conectada a uma fonte de tensão (Vₛ) e a saída fornece energia a

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uma carga (R), como pode ser visto na Figura 1-A.

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Fig. 1. A – Circuito SEPIC; B – Chave fechada e diodo aberto; C – chave aberta e diodo fechado. Fonte: [1].

O conversor opera em duas fases: na primeira, com a chave fechada e o diodo aberto (Figura 1-B), a corrente no indutor L₁ aumenta linearmente, o capacitor C₁ se descarrega e transfere energia para o indutor L₂, enquanto o capacitor C₂ alimenta a carga;

Na segunda fase, com a chave aberta e o diodo fechado (Figura 1 - C), L₁ e L₂ se descarregam, transferindo energia para C₁ e C₂, respectivamente, e alimentando a carga. As correntes nos diferentes componentes do conversor, como indutores, capacitores, chave e diodo, podem ser visualizadas em diagramas que ilustram as duas fases de operação, mostrando a dinâmica de energia entre os componentes.

Para o cálculo da tensão de saída, utiliza-se a Eq. 1, considerando o valor já definido para a tensão de saída.

𝑉𝑜𝑢𝑡𝑚𝑒𝑑 = 𝑉𝑜𝑢𝑡

(1)

Com a frequência de operação já estabelecida, o período de chaveamento é determinado pela Eq. 2:

1 𝑇 = 𝑓[pic 4]

(2)

Dado que a potência de saída, tensões de entrada e saída definidas, as correntes nos indutores L1 e L2 podem ser obtidas:

𝐼        = 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝐿1        𝑉𝑖𝑛

(3)

𝑃𝑜𝑢𝑡 𝐼𝐿2 = 𝑉 𝑜𝑢𝑡

(4)

Assim, as correntes no conversor apresentam comportamentos distintos conforme os diferentes componentes, como ilustrado na Figura 2.

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Fig 2. Correntes no conversor SEPIC: (a) L₁; (b) L; (c) C₁; (d) C₂; (e) chave;

(f) diodo. Fonte: [1]

As variações das correntes nos indutores L1 e L2 são calculadas por:

∆𝐼𝐿1 = 0,2 × 𝐼𝐿1

(5)

∆𝐼𝐿1 = 0,2 × 𝐼𝐿2

(6)

O duty cycle é determinado por:

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𝑉𝑜𝑢𝑡         𝑑 = 𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑜𝑢𝑡

(7)

As indutâncias L1 e L2 do circuito podem ser calculadas pelas equações:

𝑉𝑖𝑛 × 𝑑 𝐿1 = ∆𝐼  × 𝑓 𝐿1

(8)

𝐿 = 𝑉𝑖𝑛 × 𝑑 2        ∆𝐼𝐿2 × 𝑓[pic 6]

(9)

A resistência da carga é obtida por:

𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑅 = 𝑃𝑜𝑢𝑡

(10)

Para o cálculo dos capacitores 𝐶1 e 𝐶2, utiliza-se: