O conversor Buck apresentado na Figura 9 é um abaixador de tensão, logo sua tensão de entrada é maior que a tensão de saída. O oposto disso ocorre com a corrente seguindo o princípio de conservação de energia. Teoricamente, esse tipo
de conversor é concebido de forma a possibilitar uma variação contínua da tensão média na carga desde zero até o valor da tensão de alimentação (BARBI, 2000).
Figura 9 - Conversor Abaixador (Step Down ou Buck).
Fonte: (POMILIO, 2007)
Há duas maneiras de operação dos conversores Buck, estes podem atuar na forma contínua, onde a corrente elétrica do indutor não chega a zero, e a operação descontínua, onde a corrente elétrica que percorre o indutor atinge o valor zero. Os dois modos de operação podem ser visto na Figura 10.
Figura 10 - Formas de onda para modo de condução contínua e modo de condução descontínua em conversor Buck.
Fonte: POMILIO; 2007
Atuando em modo de condução contínua, os valores de saída são diretamente proporcionais à largura do pulso do PWM. A partir da análise dos dois estágios do conversor (Figura 11) em modo de condução contínua, é possível tirar algumas conclusões.
Figura 11 - Estágios de conversão do conversor Buck
Fonte: (SKVARENINA, 2002)
Assim, tem-se que o tempo de comutação é definido pela equação 1 (POMILIO, 2007) a seguir, onde Ts é o tempo de comutação e Fs é a frequência de comutação do conversor:
(1)
De acordo com a equação 2 (POMILIO, 2007), é possível verificar a razão cíclica do conversor determinada pela razão entre o tempo e alta e o tempo de comutação do conversor.
(2)
Assim, a tensão média na saída deste conversor é dada pela equação 3 (POMILIO, 2007):
Por associação de fórmulas, obtem-se que a tensão de saída do conversor é dada em função da razão cíclica e da tensão de entrada, demonstrada na equação 4 (POMILIO, 2007):
(4) Logo, a razão cíclica, equação 5 (POMILIO, 2007), pode ser determinada pela razão entre a tensão de saída e pela tensão de entrada do conversor:
(5)
3.3 CONVERSOR BOOST
O conversor Boost é um sistema de elevação de tensão, utilizado quando se deseja obter uma tensão média na saída maior que a tensão de entrada do conversor. Na Figura 12 pode-se observar o esquemático de um conversor Boost.
Figura 12 - Conversor Boost (step up)
Fonte: (ELMANO, 2011).
Da mesma maneira que o conversor buck, o conversor boost, opera de maneira contínua e descontínua. No modo de operação contínuo, este possui duas etapas de operação, como pode ser visto na Figura 13. Na primeira etapa, com a chave fechada, o indutor L se carregará e assumirá uma tensão no valor da fonte. Quando a chave for aberta, o indutor estará com uma carga que produzirá uma tensão que se soma à tensão oferecida pela fonte para fazer a carga do capacitor com uma tensão mais alta que a oferecida somente pela fonte. Ao retornar para o primeiro estágio, o diodo será reversamente polarizado, fazendo com que o capacitor descarregue sobre a carga (BANDEIRA, 2015).
Figura 13 - Princípio de operação do Conversor Boost
Fonte: (ELMANO, 2011).
Figura 14 - Princípio de operação do Conversor Boost
A equação 6 (ELMANO, 2011) mostra o cálculo de corrente de saída do conversor para uma determinada potencia. A corrente de saída é definida pela razão entre a potência do conversor pela tensão de saída: (ELMANO, 2011):
(6)
A Razão cíclica neste tipo de conversor, máxima e mínima, depende da tensão de entrada máxima e mínima conforme demonstrado na equação 7 (ELMANO, 2011):
(7)
Para este tipo de conversor o valor mínimo de indutância pode ser calculado através da equação 8, 9 e 10 (ELMANO, 2011), demonstradas a seguir:
(8)
(9)
(10)
Para este tipo de conversor o valor mínimo de indutância pode ser calculado através da equação 11, 12 e 13 (ELMANO, 2011), demonstradas a seguir:
(11)
(12)
3.4 CONVERSOR BUCK-BOOST
O conversor Buck-Boost apresentado na Figura 15 combina as características de entrada do conversor Buck com as características de saída do conversor Boost. No conversor Buck-Boost pode-se abaixar ou elevar a tensão, porém a polaridade é invertida. Não pode ocorrer transferência direta de energia da entrada para a saída, sendo necessária a inclusão de um componente acumulador (com característica de fonte de corrente) para transferir a energia da entrada para a saída (RECH, CASSIANO).
Figura 15 - Conversor Buck-Boost
Fonte: (RECH, C.)
Em regime permanente, o valor médio da tensão no indutor é nulo como demonstrado na equaçao 14 (ELMANO, 2011):
(14) Assim obtém-se a equação 15 (ELMANO, 2011), capaz de determinar o valor da razão cíclica deste conversor. Esta razão é o que define se o conversor se comportará como um rebaixador de tensão ou como um elevador de tensão:
(15)
D < 0,5 → Quando a razão cíclica de operação for menor que 0.5, o conversor opera como rebaixador de tensão ou buck.
D > 0,5 → Quando a razão cíclica de operação for maior que 0.5, o conversor opera como elevador de tensão ou boost.
Pode-se obter os valores do capacitor e indutor pelas fórmulas 16,17 e 18 (ELMANO, 2011), que consideram a corrente média no indutor além da variação de corrente definida em projeto par o calculo do indutor e a corrente de saída, razão cíclida, variação de tensão definida em projeto e a frequência para o calculo do capacitor:
(16)
(17)
(18)
3.5 CONVERSOR CÚK
É possível notar no conversor Cúk apresentado na Figura 16, com entrada CC que o mesmo possui um indutor e um capacitor a mais em relação aos conversores buck e boost. Assim como no conversor Buck-Boost que é elevador ou abaixador, ocorre uma inversão de polaridade entre o sinal de entrada e de saída deste conversor.
Figura 16 - Conversor Cuk com entrada CC
Fonte: (POMILIO, 2007).
A tensão que as chaves devem suportar é igual à soma das tensões de entrada e de saída. Durante a condução do transistor, a corrente cresce por ambas indutâncias. Ao final do ciclo de trabalho, as correntes passam a circular pelo diodo (POMILIO, 2007).
Figura 17 - Formas de onda dos conversores Cuk, Sepic e Zeta em condição contínua e descontínua
Fonte: (POMILIO, 2007).
A partir das tensões sobre as indutâncias pode-se obter a característica de transferência estática. Para larguras de pulso inferiores a 50% o circuito funciona como abaixador de tensão e acima de 50%, como elevador assim como mostra a equação 19 (POMILIO, 2007):
(19)
Para condução descontínua, como demostrado na equação 20 e 21 (POMILIO, 2007):
(20)
Onde:
(21)
3.6 CONVERSOR SEPIC
O conversor Sepic, apresentado na Figura 18, possui as mesmas características do conversor Cuk, com as mesmas formas de onda de corrente
(Figura 17). O capacitor C1, no entanto, deve suportar apenas a tensão de entrada. Neste conversor a corrente de saída é recortada (POMILIO, 2007).
Figura 18 - Conversor Sepic
Fonte: (POMILIO, 2007).
3.7 CONVERSOR ZETA
Figura 19 - Topologia do conversor Zeta
Fonte: (POMILIO, 2007).
Na verdade, a diferença entre este conversor, o Ćuk e o SEPIC, apresentado na Figura 19, é apenas a posição relativa dos componentes (POMILIO, 2007). O conversor Zeta possui as mesmas características dos conversores Cúk e Sepic.