Operação em Modo Buck

Sendo este o primeiro teste experimental de potência realizado à PCB, é essencial garantir que comece pelo modo buck, evitando desta forma valores de tensão e corrente elevados que levem à ocorrência de sobretensões, sobrecorrentes e curto-circuitos que possam danificar os componentes presentes na PCB.

No decorrer dos testes efetuados ao conversor em modo buck, foi utilizada uma carga resistiva de 26 Ω ligada aos terminais da bateria em substituição da mesma e uma tensão de entrada de 120 V.

O conversor CC-CC bidirecional presente na PCB opera em modo buck sempre que a energia flui do barramento CC para a carga resistiva. No decorrer da operação em modo buck, como o próprio nome

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indica, o valor da tensão de saída (carga resistiva) será abaixado em relação ao valor da tensão presente na entrada do conversor (barramento CC), dependendo esta do valor de duty cycle atribuído aos semicondutores de potência. Para tal, o valor de duty cycle é variado de forma crescente a fim de a validar toda a gama de valores possíveis que o mesmo pode adotar, tendo em consideração os limites atribuídos ao PWM.

Deste modo, numa primeira instância, foi atribuído um valor de 25% ao sinal de PWM a ser aplicado à gate dos semicondutores do conversor, mais concretamente a S1 segundo a Figura 3.4. Um sinal de PWM com um valor de 25 % em modo buck, traduz-se na redução da tensão de saída em ¹

4 do valor da tensão de entrada. Através de uma análise pormenorizada à Figura 6.1, é possível observar que foi empregue uma tensão de 120 V no barramento CC (canal 1) e, como tal, foi obtida uma tensão de 29,8 V na carga (canal 2), segundo a equação (3.16), correspondendo exatamente a ¹

4 da tensão de entrada. No canal 3 encontra-se a forma de onda referente à tensão presente aos terminais da bobina.

Esta forma de onda é obtida segundo a equação (3.11) durante o tempo a on e pela equação (3.13) durante o tempo a off, ambas presentes na secção 3.2.1, justificando assim a forma retangular que a onda assume. Quando o MOSFET S1 se encontra em condução, a tensão na bobina L1 tem como valor 90 V, ao passo que, quando o mesmo se encontra ao corte, a tensão em L1 tem o valor de -30 V. No canal 4 pode ver-se a forma de onda da corrente em L1, que neste caso em específico tem um valor médio de 1,32 A.

Figura 6.1 – Tensão no barramento CC (CH1: 50 V/div), tensão na carga resistiva (saída) (CH2: 20 V/div), tensão presente nos terminais da bobina (CH3: 50 V/div) e corrente na bobina (CH4: 5 A/div) do conversor CC-CC bidirecional não isolado do tipo buck boost no modo de operação buck quando aplicado um sinal de PWM de 25 % ao semicondutor de potência

correspondente.

Em seguida, foi atribuído um valor de 50% ao duty cycle do sinal PWM a ser aplicado à gate do semicondutor correspondente do conversor, que se traduz na redução da tensão de saída para metade do valor da tensão de entrada, como se comprovar através da Figura 6.2. Seguindo os mesmos passos

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da análise efetuada anteriormente, é possível verificar que a tensão no barramento CC (canal 1) tem um valor médio de 120 V, ao passo que a tensão na carga resistiva (canal 2) tem como valor 60,3 V, comprovando a redução para metade do valor da tensão de entrada através da equação (3.16) ou (3.17).

De igual forma, no canal 3 encontra-se representada a forma de onda referente à tensão presente aos terminais da bobina. Segundo a equação (3.11), durante o tempo a on, a tensão presente na bobina L1

tem um valor de 60 V, ao passo que, durante o tempo a off a tensão é de -60 V, segundo a equação (3.13). Comparando os valores obtidos através das equações com os valores presentes na Figura 6.2, é possível afirmar que os mesmos se encontram muito próximos, o que seria de esperar. A forma de onda da corrente presente na bobina encontra-se representada no canal 4 e tem um valor médio de 2,51 A.

Figura 6.2 – Tensão no barramento CC (CH1: 50 V/div), tensão na carga resistiva (saída) (CH2: 20 V/div), tensão presente nos terminais da bobina (CH3: 50 V/div) e corrente na bobina (CH4: 5 A/div) do conversor CC-CC bidirecional não isolado do tipo buck boost no modo de operação buck quando aplicado um sinal de PWM de 50 % ao semicondutor de potência

correspondente.

Por último, foi atribuído um sinal de PWM com um valor de duty cycle de 75% ao semicondutor, obtendo-se as formas de onda preobtendo-sentes na Figura 6.3. Com este valor de duty cycle aplicado, a tensão de entrada será apenas reduzida em ¹

4 , obtendo-se um valor de 90,5 V (canal 2) na carga resistiva, comprovado através da equação (3.16). Conforme as equações já mencionadas nos 2 testes efetuados anteriormente para obter a forma de onda do canal 3, durante o tempo a on, a tensão presente na bobina L1 tem um valor de 30 V, ao passo que, durante o tempo a off, a tensão é de -90 V. Comparando os valores obtidos no decorrer do teste efetuado e os valores resultantes das equações (3.11) e (3.13), é verificado mais uma vez que os mesmos se encontram muito próximos. O valor médio da corrente, presente no canal 4, também aumentou para 3,67 A, acompanhando desta forma o aumento da tensão da carga resistiva presente na saída.

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Efetuando uma comparação aos testes efetuados, é possível afirmar que as formas de onda referentes à tensão de entrada e saída e à corrente na bobina são em todo semelhantes para os diferentes valores de duty cycle aplicados. A única diferença reside na forma de onda da tensão presente na bobina (canal 2), que altera sempre que o valor de duty cycle é redefinido, sendo esta definida segundo as equações características do conversor CC-CC unidirecional não isolado buck (equações (3.11) e (3.13)).

Figura 6.3 - Tensão no barramento CC (CH1: 50 V/div), tensão na carga resistiva (saída) (CH2: 20 V/div), tensão presente nos terminais da bobina (CH3: 50 V/div) e corrente na bobina (CH4: 5 A/div) do conversor CC-CC bidirecional não isolado do tipo buck boost no modo de operação buck quando aplicado um sinal de PWM de 75 % ao semicondutor de potência

correspondente.