Chopper Step-down (Buck)

O conversor Step down ou Buck é um conversor abaixador, ou seja, o valor médio de tensão na saída é menor que o valor médio da tensão de entrada do circuito, deste modo a corrente média

presente na entrada do conversor é menor que a corrente média na sua saída. De acordo com a teoria de conservação de energia, este conversor possibilita que na carga seja apresentada uma tensão contínua que vai de zero até o valor de tensão de alimentação. (BARBI, 2006).

O circuito Chopper CC apresentado na figura 3.1 demonstra um conversor em sua forma básica que é utilizado apenas para cargas puramente resistivas. Na Figura 3.3 está o arranjo do conversor buck ideal, ou seja, sem perdas, que se diferencia por possuir um indutor (L) e um capacitor (C), visando eliminar as pulsações de corrente. Este modelo apresenta corrente linear para cargas práticas (AHMED, 2000).

Figura 3.3 – Conversor Buck ideal

Fonte: Barbi (2015).

Conforme já citado, o circuito funciona em dois momentos distintos que formam um período T, são os tempos Ton em que a chave S está fechada e o tempo Toff em que a chave S está aberta. Na Figura 3.4 estão os elementos de um circuito Buck. Como chave S pode ser usado um transistor de junção bipolar (TBJ), um transistor de efeito de campo metal óxido semicondutor (MOSFET) ou um Transistor Bipolar de Porta Isolada (IGBT) que realize o chaveamento na frequência desejada.

Figura 3.4 – Circuito equivalente para a chave ligada

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Na primeira etapa de funcionamento (Figura 3.4) do circuito a chave S é fechada, devido a isso o diodo D recebe tensão de polaridade inversa e não conduz. A corrente de alimentação cresce e flui através do indutor L e da carga, no período de tempo Ton.

A segunda etapa de funcionamento ocorre quando a chave S é aberta (Figura 3.5), no período de tempo Toff. O diodo conduz e funciona como roda livre para a energia que é armazenada no indutor de forma que ela chegue na carga e no capacitor. Enquanto a corrente no indutor for maior que a corrente da carga a diferença carrega o capacitor.

Figura 3.5 – Circuito equivalente para a chave desligada

Fonte: Ahmed (2000).

Este modelo de circuito utiliza um filtro simples com o indutor proporcionando uma corrente linear na carga. Quando a corrente que circula no indutor não cai a zero o circuito opera no modo de condução contínuo (MCC), caso contrário circula no modo de condução descontínuo. A grande maioria dos circuitos buck são utilizados no MCC por ser mais simples e possuir uma relação bem definida entre largura de pulso e tensão média na saída.

a) Modo de condução contínuo (MCC)

A forma de onda na saída Vo do circuito apresenta uma tensão média que relaciona a tensão de entrada Vi e o ciclo de trabalho. O diodo conduz apenas no tempo Toff em que a chave está desativada, sendo está a corrente mínima que circula na carga, no período Ton a corrente da carga passa a ser a máxima pois é igual a corrente de entrada Ii. A corrente na saída do circuito é contínua graças a presença do indutor que absorve energia quando a chave está acionada e descarrega quando a chave é aberta, porém a uma oscilação entre Imáxima e Imínima, que decresce à medida que a frequência de chaveamento aumenta (AHMED, 2000).

𝐼𝐿 = 𝐼𝑜 =𝑉𝑜 𝑇

(3.5)

A tensão média no indutor é dada pela diferença entre a tensão de alimentação e a tensão de saída conforme Equação (3.6). No instante que a chave estiver aberta a tensão no indutor é inversa a tensão de saída (Equação 3.7), assim a tensão média é nula. Então a tensão de saída é igual a tensão no capacitor descrita na equação (3.8) (AHMED, 2000).

Como pode ser visto nas equações a seguir:

𝑉𝐿 = 𝑉𝐼 − 𝑉𝑜 (3.6)

𝑉𝐿 = −𝑉𝑜 (3.7)

𝑉𝑜 = 𝑉𝑐 (3.8)

Conforme já citado o MCC ocorre quando a corrente no indutor não chega ao valor de zero. As formas de onda apresentadas nos componentes de um conversor Buck operando no MCC podem ser visualizadas na Figura 3.6

Figura 3.6 – Formas de ondas MCC

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Como são considerados equipamentos ideais a potência de entrada é igual a potência de saída, deduz se então, segundo Ahmed (2000):

𝑃𝑜 = 𝑃𝑖 (3.9)

A relação da tensão e corrente drenada na entrada é proporcional a tensão e corrente apresentada na carga conforme Ahmed (2000):

𝑉𝑜 𝐼𝑜 = 𝑉𝑖 𝐼𝑖 (3.10)

Que pode ser rescrita como: 𝐼𝑜 =𝑉𝑖 𝐼𝑖

𝑉𝑜

(3.11)

A relação entre tensão de entrada e saída é dado por: 𝑉𝑜 =𝑇𝑜𝑛

𝑇 . 𝑉𝑖

(3.12)

Em que d é a razão cíclica dada por: 𝑑 =𝑇𝑜𝑛

𝑇

(3.13)

Relacionando as Equação (3.12) e (3.13) têm-se:

𝑉𝑜 = 𝑑. 𝑉𝑖 (3.14)

Onde Ton representa o tempo em que a chave está acionada e T é um período completo. A razão cíclica do conversor é dada por d; as tensões são: Vi, sendo a tensão de entrada, Vo é a tensão de saída e VL demonstra a tensão no indutor; as correntes são dadas por: Ii, que é a corrente de entrada no circuito e Io a corrente de saída.

b) Modo de condução descontínuo (MCD)

Quando a razão cíclica d assume valor baixo com indutância também baixa, ocorre o decréscimo da corrente apresentada na carga, podendo cair a zero. Isso ocorre em parte do período

que a chave está desligada, no instante em que a chave for ligada a corrente crescerá, devido a essa oscilação a corrente da carga é chamada de não contínua.

Na Figura 3.7 estão demonstradas as formas de onda para o caso de condução descontínua. É possível observar que a tensão na carga Vo permanece igual ao modo de condução contínua, já a corrente cresce de modo exponencial quando a chave estiver ativada. Com a chave desativada a corrente flui no diodo e cai a zero.

Figura 3.7 – Formas de onda MCD

Fonte: Ahmed (2000).

Neste contexto a corrente na carga flui em pulsos, o que não é uma condição que não é almejada. Visando evitar esse inconveniente deve ser utilizada uma frequência de chaveamento apropriada ao circuito, além de considerar um valor adequado de indutância.