SIMULAÇÃO DE CIRCUÍTO CONVERSOR CC-CC (BUCK-BOOST) 1Acadêmicos
Bruno Melo1, Guilherme Lopes 2
da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – Campus Campus Pato Branco E-mail:
[email protected]¹,
[email protected]²
R esumo esumo – Por este trabalho, objetiva-se mostrar o resultado da simulação de um circuito Buck-Boost usando o software PSIM 11.0, com a intenção de realizar uma comparação entre os valores aferidos pelo simulador e os obtidos através das equações estudadas em sala.
Usando o software PSIM 11.0, foi feita uma simulação do circuito buck-boost com objetivo de comparar os resultados das equações estudadas em sala com os valores resultados da simulação. A figura 1 mostra o modelo básico de um buck-boost e é usada como referência para a montagem do circuito no simulador.
Palavras-Chave – Palavras-Chave – conversor, conversor, onda, cc, ripple, ciclo.
CONVERTER CC-CC (BUCK-BOOST) SIMULATION Abst Abstract ract – This work aims to show the result of the simulation of a Buck-Boost circuit using the PSIM 11.0 software, with the intention of making a comparison between the values measured by the simulator and those obtained through the equations studied in class.
converter, wave, cc, ripple, duty. K eywo eyworr ds – converter,
Fig. 1. Diagrama modelo básico do conversor buck-boost.
Usando o modelo da figura 1, o circuito foi montado no simulador de acordo com a figura 2.
NOMENCLATURA V in in V out out V ripple ripple I cc cc D F Ro L C Id Is ILmed
Tensão de Entrada. Tensão de Saída. Tensão de Ripple. Corrente na Carga. Ciclo de trabalho (duty cicle). Frequência de chaveamento. Resistencia de Carga. Indutor. Capacitor. Corrente média no Diodo. Corrente média na chave. Corrente média no indutor. I. INTRODUÇÃO
Uma das topologias mais usadas na conversão de sinais CC é o conversor buck-boost, devido tanto a simplicidade de dimensionamento quanto facilidade de implementação, além de sua excelente generalidade, uma vez que pode atuar como abaixador ou elevador de tensão.
Fig. 2. Diagrama montado no simulador, já com os instrumentos de medição.
A chave S do modelo foi substituída por uma componente IGBT genérico, seguindo orientação do roteiro de laboratório 5, os resultados estão embasados no desenvolvimento teórico abaixo, e estão disponíveis a seguir. II. DESENVOLVIMENTO TEÓRICO A. Conversor buck-boost.
Um conversor buck-boost é um circuito circ uito eletrônico utilizado para converter uma tensão cc (corrente contínua) em outra tensão cc de polaridade oposta e valor diverso ou igual. Sua topologia é uma associação do conversor rebaixador Buck e do conversor elevador Boost, a principal característica que o
destaca é a capacidade de obter tensões de saída com um valor maior ou menor que a entrada. Quando a chave S (figura 1) está aberta, não há transferência de energia da fonte de tensão (que pode ser uma bateria ou uma outra fonte cc) para o restante do circuito. Devido a polarização inversa do diodo D1, quando a mesma fecha, começa a circular uma corrente somente através do indutor L, que irá armazenar energia na forma eletromagnética. Quando a chave abrir novamente, a mesma energia armazenada fará o diodo D1 conduzir (pela característica do indutor L, de manter a corrente e produzir uma tensão de polaridade oposta ao que foi entregue a ele inicialmente), entregando a tensão ao capacitor C, carregando-o, que por estar em paralelo com a carga, finalmente entregará a tensão na saída. Como a corrente resultante está em sentido contrário ao da entrada, provoca o aparecimento de uma tensão negativa na saída, com polaridade oposta a tensão de entrada. Em resumo: quando a chave está fechada, armazena-se energia no indutor; quando abre, entrega a energia a saída. As equações que descrevem seu funcionamento (já com as variáveis de interesse isoladas, se encontram abaixo). = ∗
=
=
= (+ /−)
∆ =
=
∗ 2∗∗
(1−)
▲VO
0.2 3,75 0.5 15,00 0.8 60,00
ILMED ILMAX ILMIM ID 1,17
1,32
1,02
0,93
0,23
0,11
7,50
7,87
7,12
3,75
3,75
0,72
75,00
75,60
74,40
15,00 60,00
B. Resultado da simulação.
Após montado o circuito mostrado na figura 2, os valores da tabela 3 representam as grandezas averiguadas nos gráficos do circuito buck-boost para cada ciclo de trabalho.
VO
▲VO
0.2 3.74 0.01 0.5 14.99 0.11 0.8 59,99 0.71 (4)
ILMED ILMAX ILMIM ID
(7)
1.32
1.02
0.93
7.49 74,98
7.88 75,56
7.12 74,39
3.75 3.75 13,59 60,39
C. Gráficos de simulação.
Fig. 3. Forma de onda da tensão de saída.
III. RESULTADOS Os dados iniciais do problema estão descritos na tabela 1.
Fig. 4. Forma de onda da corrente no indutor.
TABELA I Dados Iniciais Grandeza C L
Valor 330uF 200uH
Ro
4Ω
VIN
15V
F
50khz
D
(Variável)
IS
1.17
(6) ∗
IS
0,01
(5)
∗
VO
D=0,2.
∗
=
D
D
(3)
(1 − )
TABELA II Valores Calculados
TABELA III Valores de simulação
(2)
. Aplicando os valores da tabela 1 nas equações descritas na seção de desenvolvimento teórico obteve-se a tabela abaixo (considerando a variação do ciclo de trabalho), as correntes estão em Ampere, e as tensões em Volt, de acordo com o SI.
(1)
(1−)
A. Resultado teórico das equações.
Fig. 5. Forma de onda da corrente no diodo.
Fig. 6. Forma de onda da corrente na chave S.
0.23
componentes, então a potência dos componentes utilizados na implementação prática deve ser escolhida com cuidado.
D=0,5.
Fig. 7. Forma de onda da tensão de saída.
Fig. 8. Forma de onda da corrente no indutor.
Fig. 9. Forma de onda da corrente no diodo.
IV. ROTINA DO MATLAB Para computar os valores calculados a rotina de MATLAB abaixo foi usada.
%% simulação eletrônica C Vin=15 R=4 C=330E-6 L=200E-6 F=50E3 %D=0.2 D=0.2
Fig. 10. Forma de onda da corrente na chave S. D=0,8.
Vo=Vin*(D/(1-D)) Io=(Vo/R) ILmed=Io/(1-D) DeltaL= (D*Vin)/(2*L*F) ILmax=ILmed+DeltaL ILmim=ILmed-DeltaL DeltaVo= (Io*D)/(C*F) Id=Io Is=(D/(1-D))*Io %D=0.5
Fig. 11. Forma de onda da tensão de saída.
Fig. 12. Forma de onda da corrente no indutor.
Fig. 13. Forma de onda da corrente no diodo.
D=0.5 Vo=Vin*(D/(1-D)) Io=(Vo/R) ILmed=Io/(1-D) DeltaL= (D*Vin)/(2*L*F) ILmax=ILmed+DeltaL ILmim=ILmed-DeltaL DeltaVo= (Io*D)/(C*F) Id=Io Is=(D/(1-D))*Io
%D=0.8 D=0.8
Fig. 14. Forma de onda da corrente na chave S.
IV. CONCLUSÕES Após análise dos gráficos e das tabelas II e III, conclui-se que pelo menos para a faixa de valores estudados, as equações vistas em sala de aula descrevem quase que perfeitamente o comportamento do circuito conversor buck-boost. Olhando especialmente os gráficos, observa-se que quanto maior o ciclo de trabalho aplicado na chave do conversor, mais inclinado são as formas de onda de corrente no indutor e tensão no capacitor. Outra observação importante, é que pequenas variações no ciclo de trabalho da chave, resultam em enormes correntes nos
Vo=Vin*(D/(1-D)) Io=(Vo/R) ILmed=Io/(1-D) DeltaL= (D*Vin)/(2*L*F) ILmax=ILmed+DeltaL ILmim=ILmed-DeltaL DeltaVo= (Io*D)/(C*F) Id=Io Is=(D/(1-D))*Io
REFERÊNCIAS [1] Boylestad, Robert; Nashelesky, Louis. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. 5ta. Ed. Rio de Janeiro: Prentice-Hall do Brasil, 1994. [2] Assuntos estudados em sala de aula.
