Interruptor de Som

Universidade Federal de Minas Gerais

Escola de Engenharia

Departamento de Engenharia Eletrnica

Laboratrio de

Eletrnica de Potncia

2 Aula Prtica Controle Conversor Buck

Alunos: Matrcula:

Fernando Duarte Linhares2004015106

Greison Dias 2004015157

Welbert Alves Rodrigues2004015700

Turma: L2Professor: Lenin Morais

BELO HORIZONTE, 18 DE OUTUBRO DE 2008.

INTRODUO

O buck um dos conversores CC-CC mais conhecidos e utilizados. Seu princpio de entregar na sada uma tenso menor que a tenso de entrada. Isso feito pelo ajuste do duty cicle que o tempo em que o transistor Tr conduz em um perodo.

figura 01) Circuito eltrico de um buck

Sabendo que o transistor conduz apenas durante uma frao do perodo T dada por DT, onde D vai de 0 a 1 podemos calcular a relao entre E e VOUT. Durante a conduo do transistor, o indutor fica submetido a uma tenso igual a (E-VOUT). No restante do perodo uma tenso VOUT. Como a tenso mdia em um indutor operando sob regime alternado deve ser nula, tem-se que:

(

)

(

)

(

)

1

10

OUTOUTOUT

DTEVDTVDEDV

T

-+--=-

OUTOUT

VDV

=-

\

OUT

VDE

=

MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT (1)

A princpio a nica preocupao que se deve ter para que um buck funcione de acordo com a definio garantir que a tenso de sada permanea constante mesmo que a tenso de alimentao ou a carga variem. Porm no caso de variao da carga (adio de carga) os nveis de corrente podem atingir nveis perigosos para os dispositivos semicondutores (diodo e transistor) de tal forma que eles podem sofrer danos se no houve um dispositivo de proteo, como por exemplo um driver. Alm dessa proteo podemos contar com fusveis que devem ser rpidos ou ultra-rpidos para evitar que o transistor queime durante o transitrio de corrente. Existe ainda a possibilidade de se evitar a queima dos dispositivos por meio de malhas de controle. Somente com uma malha de controle de tenso conseguimos atingir o objetivo de regular a tenso na sada. Ainda assim os nveis de corrente podem se tornar perigosos, e por isso se faz necessrio o uso de uma malha de controle de corrente.

COMANDO PARA TRANSISTORES MOSFET E IGBT

Para que um transistor MOSFET conduza necessrio aplicar entre os terminais gate-source um sinal de tenso VGS maior que a tenso de threshold, Vt. Os transistores MOSFET possuem entre seus terminais capacitncias parasitas que possibilitam o aparecimento de correntes impulsivas elevadas (porm de valor mdio reduzido) durante o ligamento ou desligamento do transistor. Essa corrente circula pela capacitncia CGS entre gate e source. Como o MOSFET uma chave controlada por tenso esse valor pode ser reduzido pela introduo de um resistor de elevado valor hmico em seu termina gate, para limitar o valor dessa corrente impulsiva. Tambm devido ao carregamento das capacitncias a tenso VGS no se estabelece instantaneamente, acontecendo o que se chama de efeito Miller: com a capacitncia CGS carregada a tenso VGS fica em um patamar menor que a tenso da fonte at que a capacitncia CDS se carregue, tempo esse que mais longo do que o tempo de carga de CGS. Em seguida a tenso continua a aumentar at atingir a tenso de alimentao da fonte.

No momento de desligar o transistor, o capacitor tambm pode afetar o tempo de turn-off: como ele se carrega com uma tenso igual a VGS a juno fica polarizada pela tenso do capacitor. Por isso na prtica se desliga o transistor com a aplicao de um sinal VGS negativo a fim de acelerar o tempo de descarga.

Do processo de construo, aparece intrinsecamente um diodo (lento) conectando source e drain. Para matar o efeito desse diodo se coloca tambm entre source e drain um diodo rpido e no drain um outro diodo Schotky.

Um dos aspectos a serem considerados no comando de um transistor IGBT que no processo de fabricao aparece um tiristor parasita. Portanto deve-se ter cuidado no comando desse transistor j que uma vez que esse tiristor entrar em conduo ele s ir parar de conduzir respeitadas as condies de corte desse tiristor, no adiantando dar comando para o desligamento. O outro diz respeito ao acoplamento dV/dt que faz com que aps o comando para desligamento, na tenso base emissor aparea um pequeno pico de tenso que pode ser suficiente para religar o transistor e portanto fazer com que ele opere de forma irregular. A sada para esse caso desligar o transistor com uma tenso tambm negativa, para que ao ser dado o comando para desligar o pico no ultrapasse a tenso de threshold do dispositivo.

Para o uso dos dois dispositivos no conversor, ele ser acionado por um comando PWM, que reduz os harmnicos de ordem mais baixa e permite que os de ordem mais alta sejam eliminados pelo filtro LC passa baixa. O transistor chaveado em uma frequncia da ordem de 15-25kHz.

MALHAS DE CONTROLE DE TENSO E CORRENTE

O circuito eltricom do buck, como mostrado na figura 01 apresenta grandes problemas quanto variao da tenso de entrada E e tambm quanto a variao da carga RLOAD porqu ele est em malha aberta.

A maneira clssica de se implementar um controlador de tenso amostrar a tenso de sada e comparar com uma referncia de tenso. No caso do buck o parmetro que permite alterar a tenso de sada o duty cicle. Quando a tenso se tornar menor que a referncia, o sinal de erro ser positivo e ento o significado disso para o controlador dever ser deixar o transistor ligado mais tempo, ou seja aumentando o duty cicle. Se a tenso aumentar, pelo contrrio, dever deixar o transistor menos tempo ligado; transferindo menos potncia para a sada.

figura 02) Malha de controle da tenso

Com a implementao da malha de controle de tenso agora temos a regulao da tenso de sada conforme pode ser visto pelo diagrama de blocos acima, atravs do controle de D. Entretanto como dito no controlamos a corrente, e para cargas muito baixas a corrente pode assumir valores elevados. Sem projetar a malha de corrente, faz-se necessrio o uso de um driver para transistor. Esse driver ir desligar o transistor, protegendo-o de queimar!

No casos de ser implementada uma malha de corrente, o diagrama de blocos dever ser tal como o mostrado a seguir:

figura 03) Malhas de controle da tenso e corrente

Agora se v que o sinal de controle da malha de tenso que antes comandava o bloco PWM agora sinal de referncia para a malha de corrente.

TIPOS DE CONTROLADORES

Para a implementao dos blocos controladores CV e CI podemos utilizar algumas configuraes de controladores implementados por meio de amplificadores operacionais. A seguir mostrado o circuito de cada um deles, mostrando caractersticas e deficincias.

# Controlador PI

O controlador mais simples que podemos usar neste caso o controlador PI. Sua configurao mostrada abaixo, juntamente com sua funo de transferncia e curva de resposta em freqncia:

(

)

(

)

(

)

22

1

1

O

S

s

Vs

RRC

Gs

VsRs

+

==-

A grande vantagem do controlador PI a sua simples implementao. Ele possui um plo na origem o que garante erro zero em regime permanente e possui um zero em -1/(R2C).

Como se pode notar pela curva de resposta em freqncia, o grande incoveniente do controlador PI que ele apresenta ganho constante para toda faixa de alta freqncia. Para um transistor chaveando em freqncias to altas isso indesejvel j que assim todo ruido presente nos sinais passar sada. A soluo para esta deficincia inserir mais um plo em uma freqncia um pouco maior do que a freqncia do zero. Nesse caso estaremos implementando um controlador do tipo II.

H uma variao desse circuito em que na malha de realimentao R2 e C esto em paralelo. Nessa configurao o circuito no um controlador PI, mas sim um filtro passa baixa, j que o plo no se situa na origem do plano s.

# Controlador Tipo II

O controlador tipo II bem semelhante ao controlador PI com a diferena que ele possui um plo a mais em uma freqncia superior freqncia do zero. Dessa maneira, a partir dessa freqncia os sinais so atenuados segundo um fator de 20dB/dec.

(

)

(

)

(

)

(

)

21

212

121

12

1

1

O

S

Vs

sRC

Gs

Vs

RCC

ssCCR

CC

+

==

++

+

# Controlador Tipo III

Temos ainda o controlador do tipo III, que possui 3 plos, sendo um na origem e dois zeros.

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

2

122131232121123

2

123312

12312331332321212

111

11

O

S

EQ

sRRRCCsRRCRCsRCRRsC

Vs

Gs

Vs

sRsRCsRCCC

sRsRRCCCsRCCRCCRCCCC

++++++++

==-=-

+++

+++++

Na montagem usaremos o controlador do tipo II para ser o controlador das malhas de tenso e corrente.

MONTAGEM

Foi fornecida a montagem do buck em uma placa de circuito impresso, a qual disponibilizava terminais para medio de grandezas importantes para o controle e tambm de terminais para o envio dos sinais de controle. Os sinais disponveis, bem como as cores dos fios esto descritos abaixo:

ENTRADAS

Vermelho Grosso 5V

Preto Grosso GND

Vermelho Fino Comando PWM

Verde Reset

SADAS

Azul - VOUT

Amarelo IL

Preto Fino Falta

O diagrama de circuito com as malhas implementadas mostrado abaixo:

figura 04) Buck e malhas de controle

Os valores de resistncias e capacitncias foram obtidos atravs de uma rotina MATLAB implementada pelo professor Porfrio Cortizo. Nessa rotina se fornece os parmetros do buck, bem como freqncias de crossover dos controladores e margens de fase desejadas para as malhas.

No circuito do buck, amostra-se os valores da corrente no indutor e a tenso de sada. Atravs de um divisor esistivo efetuammos um condicionamento desse sinal de forma que para a sada nominal, 24V, o sinal de seja de 2,5V. Como se precisa que os sinais tenham sinais opostos nessa entrada se iinseriu um outro divisor resistivo, dessa vez composto por um potencimetro que proporciona um sinal de referncia de -2,5V. feita uma soma escalar desses sinais no terminal inversor do amplificador operacional.

O sinal de sada do controlador de tenso ligado na entrada inversora do amplificador do controlador de corrente como sinal de referncia, juntamente com o sinal amostrado por um ganho negativo da corrente do indutor. A sada do controlador de corrente ser usada como modulante de um PWM que possui como portadora um sinal triangular de 20kHz. O sinal de sada do modulador PWM que ir comandar o chaveamento do transistor.

Abaixo duas imagens do funcionamento do buck montado para condies de variao da tenso de entrada.

(a)

(b)

figura 05) Atuao da malha de controle de tenso: duty cicle da primeira situao (a) maior que o da segunda (b)

IL(s)

d

VREF

PWM(s)

CI(s)

P(s)

+

CV(s)

Aten

rSH

Y(s)

+

-

-

VIREF

VO(s)

D

PWM

SATURADOR

-

+

CONTROLADOR

VREF

VOUT

_1288903252.unknown

_1288951824.unknown

_1288968866.unknown

_1288944654.unknown

_1288903241.unknown