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Simulao de Conversor Buck

Andr Palhares Magalhes Gustavo Barros Castro; Larissa Nayara BorgesEletrnica IICEFET-MGDivinpolis, BrasilAndrep_magalhaes@hotmail.com; gustavo.bcastro@outlook.com; larissanayb@gmail.com;

Esse relatrio visa apresentar os passos para o dimensionamento de um conversor Buck. Ser feito memorial de clculo para dimensionamento do conversor, assim como simulao no software PSim para averiguao do funcionamento deste.Palavras Chave: Conversor Buck, PSim, Eletrnica de Potncia. IntroduoOs conversores CC-CC so dispositivos eletrnicos utilizados para converter uma fonte de tenso continua de um nvel para outro. Trata-se de uma classe de conversores de potncia que utilizam comutao de sinal e armazenamento de energia atravs de elementos semicondutores e armazenadores (indutor ou capacitor), respectivamente. Devido a utilizao de comutao de sinal de sinal e armazenamento de energia atravs de elementos semicondutores e armazenadores, tambm so conhecidos como reguladores chaveados ou fontes chaveadas. [1]A converso realizada atravs do armazenamento temporrio da energia de entrada e da liberao na sada com uma tenso diferente. Esse mtodo de converso mais eficiente em relao regulao linear de tenso, alcanando valores superiores a 80% de eficincia. Dentre as topologias mais simples de serem implementadas so as topologias: Buck e Boost. O conversor Buck responsvel pela reduo da magnitude de tenso, enquanto que o Boost responsvel pelo aumento de tenso. O presente trabalho apresenta a modelagem e dimensionamento dos componentes do conversos buck. O desempenho do conversor projetado foi avaliado atravs de simulaes no software PSim.

O conversor Buck

A figura 1 apresenta a topologia de um conversor CC-CC Step-Down, ou abaixador, um circuito relativamente simples, pequeno e barato. O transistor T, ao ser comutado, recorta a tenso de entrada. O circuito LC (indutor-capacitor) usado como filtro passa-baixa, na qual responsvel pela ao de filtragem da tenso E, reduzindo os rudos da tenso de sada (). O indutor limita o ripple da corrente e o capacitor reduz a ondulao da tenso na carga. Sendo assim, a ondulao da corrente que passa pela carga desprezvel, mantendo apenas o nvel CC. O diodo D proporciona um caminho para a corrente no indutor quando a chave aberta e polarizada reversamente quando a chave fechada.

Figura 1: Circuito conversosr Buck

Dimensionamento do Conversor BuckPara dimensionamento do conversosr Buck, definiu-se os parmetros de projeto: Tenso de entrada (): 30V; Tenso de sada (): 5V; Frequncia de chaveamento (f): 40Khz; Ripple de tenso (: 0,5%; Ripple de corrente (): 20%;, Potncia (P): 10W;A seguir equacionou-se as variveis do projeto:A razo cclica:0,17A corrente mdia na entrada e na sada respectivamente:

A corrente de pico no indutor:

Calculou-se ento a indutncia:

Com os dados obtidos calculou-se tambm o valor de capacitncia do capacitor de sada:

Com a indutncia dimensionou-se o indutor. Considerou-se no dimensionamento a densidade de corrente eltrica (J) como de ,a constante de ocupao do cobre dentro do carretel () como 0,7 e a variao do fluxo magntico () como 0,3T. Incialmente calculou-se o dimetro mximo avaliando o efeito skin:

A seo mxima para o condutor considerando o efeito skin:

A seo do condutor considerando a densidade de carga:

Avaliou-se a seo mxima para o condutor e a seo normal, encolheu-se a menor delas, no caso a seo normal do condutor avaliando-se a densidade de carga. Para este valor de seo, buscou-se a bitola do condutor numa tabela de fios esmaltados, para a seo de a bitola ideal a 21 AWG. Para escolha da reas da seo transversal do ncleo() e da rea da janela() calculou-se:

Com o valor de procurou-se na tabela de ncleos de ferrite tipo E. comparou-se os valores e escolheu-se o tipo E30/7. Para o tipo E30/7, vale 0,8 e 0,6. Recalculando-se utilizando os novos valores tem-se:

Calcula-se ento o nmero de espiras no indutor:

Aps dimensionamento matemtico do conversor, avaliou-se os componentes existentes que atendessem aos requisitos de projeto. Inicialmente avaliou-se a chave, escolhendo-se um IGBT modelo TO-220AB, produzido pela International Rectifier, pois este modelo trabalha bem em frequncias mais baixas, tendo pouca poucas perdas no chaveamento. Avaloiu-se a necessidade do dissipador trmico para o modelo, obtendo os dados necessrio para clculo na datasheet do produto.

Queda de tenso entre coletor e emissor (): 2,2V Temperatura mxima de juno(): 150C. Resistencia trmica entre juno e ambiente (): 80 C/W Resistencia trmica entre Juno e cpsula (): 1,2 C/W Temperatura ambiente (): 40C A perda de conduo no transistor :

Assim a temperatura na juno, sem uso de dissipador :

Concluiu-se que preciso usar dissipador trmico. Determinando-se a mxima resistncia entre juno e ambiente:

A resistncia trmica do dissipador deve ser:20,52 C/WConsultou-se o catlogo do fabricante HS dissipadores e escolheu-se o modelo HS 1515, que tem uma resistncia trmica entre dissipador e ambiente de 21C/W, com 15 mm de altura, como pode ser visto na figura 2, devido a proximidade dos valores entre resistncia trmica calculada e a do dissipador, no ser necessrio aplicar fator de correo:

Figura 2: Dissipador de calor HS 1515

A seguir decidiu-se o diodo de roda livre. O modelo escolhido foi o UF4007, um diodo de corte rpido que atende a todos os requisitos j calculados.Escolheu-se o capacitor que mais se assemelhava ao projeto. Como calculou-se um capacitor de , um capacitor que atenda o requisito de ripple de tenso mximo de 0,5% deve ter capacitncia igual ou maior que a calculada. Como critrio de avaliao considerou-se tambm o funcionamento do tipo de capacitor frequncias na faixa de 40KHz. Escolheu-se ento um capacitor radial de tntalo, pois estes permitem trabalhar em maiores frequncias, seu valor comercial mais prximos do calculado o de 68 suportando uma tenso mxima de 25V. Escolheu-se o modelo TAP 686 N 025 produzido pela AVX, ele suporta temperatura de trabalho de -55C a 125C e frequncias de at 130KHz.

Simulao do Conversor BuckAps o dimensionamento e escolha dos componentes para o conversor, montou-se o circuito com os dados calculados no software PSim verso 9.1. A montagem pode ser vista na figura 3:

Figura 3: Circuito de conversosr Buck no PsimO bloco na parte inferior da imagem um comparador que excita o gate do IGBT, levando-o a conduo ou ao corte. Aps a montagem simulou-se o circuito para averiguao da tenso de sada do circuito. O resultado pode ser visto abaixo na figura 4:

Figura 4: Sinais de entrada e sada no conversosr Buck

Pode-se notar facilmente que a tenso de sada foi a desejada. Avaliou-se tambm a corrente de sada, como visto na figura 5, confirmando que o ripple de corrente ficou abaixo dos 20% , desejados:

Figura 4: Corrente de sada

CONCLUSOA construo de um conversores CC-CC do tipo buck uma atividade complexa, mas atravs de clculos e simulaes pode-se desenvolver um modelo que atendia as necessidades de projeto, um conversor de 30V para 5V, com frequncia de chaveamento de 40KHz e potncia dissipada de 10W.Atravs de clculos foi possvel escolher os componentes corretos para obtermos o resultado esperado, escolheu-se um capacitor de 68, o indutor de com ferromagntico do tipo E30/7 com 30 espiras. Atravs da simulao no software PSim, averigou-se que o dimensionamento foi correto.Alm do dimensionamento de elementos para o conversor, avaliou-se tambm a necessidade de um dissipador de calor para o transistor utilizado para chaveamento. Como a temperatura de juno ultrapassou a mxima suportada pelo componente, foi necessrio um dissipador de calor, que foi escolhido com base no catalogo do fabricante HS Dissipadores.

Referncias.[1] CHRYSSIS, G., High-Frequency switching power supplies, McGraw-Hill, Inc., 1Ed. 1984.[2] Garcia, C. 1997 .Modelagem e simulao de processos industriais e de sistemas eletromecnicos, EDUSP, So Paulo.