Olá pessoal.

Essa é minha primeira postagem por aqui. É ruim começar já querendo sugar o conhecimento de vocês... mas, com o tempo, espero contribuir também.

VAMOS AO PROBLEMA

Já desenvolvi alguns conversores CC/CC durante a faculdade. 

Em nível de graduação, esses conversores são do tipo não isolados, Buck, Boost ou Buck-Boost. Na imagem abaixo está meu último projeto do tipo, é um buck boost com controle digital PID e MOSFET canal P.

Agora, estou projetando um inversor senoidal de potência para o meu TFC. O componente principal para gerar a senoide será exatamente um buck boost. Desta forma,  "apenas" um elemento será responsável por aumentar a tensão e inverte-la senoidalmente. O segredo pra isso está no controlador. Eu não tenho conhecimento teórico (que no caso é nível de mestrado ou doutorado) para implementar isso de forma analógica, então vou usar controle digital também.

O driver será um ir2110.

Umas de minhas dúvidas está no ruido gerado pelo chaveamento de um MOSFET em alta frequência. Sempre que o PWM muda de estado, um ruido aparece na saída. Esse ruído é composto principalmente por um impulso para cima e, ao mesmo tempo, para baixo, como mostra a figura abaixo.

Esses ruídos não são um problema quanto as notas nos trabalhos, e pouco interferem nos valores médios da onda de saída. Mas existem, e se tratando de um inversor com propósito de alimentar cargas 127rms, podem danificar os equipamentos.

Por análise prática, e uma vez que eles são causados pela mudança de estado da chave, suavizar essas mudanças, reduz o ruído, mas obviamente, aumenta consideravelmente  as perdas causadas por tensões e corrente não nulas nos MOSFETs, A figura abaixo mostra como a suavização das bordas do PWM reduz o ruído.

Essa "técnica" reduz o ruído mas é desastrosa na eficiência do conversor. 

Se possível, gostaria de dicas para diminuir esse ruído de forma eficiente e também informações sobre a causa dele que se apliquem ao buck boost.

Até mais.

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Respostas a este tópico

olá Murta.

    Agradeço, mas estamos apenas passando as coisas para a frente, não é?

    Procuro nos posts mostrar as coisas como são. Não exatamente como seria numa aula convencional, mas de uma forma realística e acessível, pois fórmulas e equações escondem muita coisa, o que dificulta muito para o pessoal enxergar o que realmente precisa ser enxergado. E depois que se enxergou a "mecânica" das coisas, então podemos usar as equações e fórmulas a nosso favor, não como escravos delas, mas como Ferramentas que ajudam a alcançar as especificações dos nossos Projetos.

    Não é algo fácil, devido à imensa quantidade de informações, e por isso mesmo também acaba sendo um pouco exaustivo, mas vamos indo, e esperando que todos possam tirar o melhor proveito disso.

    Abrçs

    Elcids

Olá Elcids,

Agradeço por sempre colocar o seu nome nos finais dos posts, assim fica mais fácil para escreve-lo sem errar. :D

Sua explicação foi sensacional e o mínimo que eu posso fazer é complementá-la com alguns resultados práticos.

Minha intensão aqui não realizar experimentos científicos, mas apenas elucidar alguns dos conceitos discutidos nesse tópico. 

Infelizmente estou sem acesso aos laboratórios da Universidade no momento, então precisei medir as formas de onda em um osciloscópio USB que pode ser comprado pelo preço de um bom multímetro. Ele é, obviamente, muito inferior aos outros osciloscópios já mostrados nesse tópico (principalmente com relação ao TPS2024), mas ele se esforçou bastante e mostrou o melhor de si nas leituras dos sinais.

Um link para mais informações sobre ele: http://www.hantek.com/en/productdetail_2_31.html

O que eu vou fazer é montar um conversor Buck, e testá-lo sob 4 condições: 1_Normal; 2_Com capacitor de 564nF na saída; 3_com um circuito snubber sobre o MOSFET e 4_Com os dois anteriores.

O circuito completo, incluindo o driver está mostrado abaixo.

O conversor vai trabalhar com ciclo de trabalho de 26% em todas as condições, o que significa uma tensão de saída IDEAL de 5,2V. A tensão de entrada e os componentes também serão os mesmos.

Todos os valores mostrados na imagem são reais. Observe que D3 é um diodo Schottky. C3 é um capacitor eletrolítico normal de 63V, infelizmente eu não tenho capacitores de alumínio. Naturalmente ele já possuiria uma alta resistência série, mas além disso, ele também já foi utilizado em muitos outros testes, então já deve estar um pouco comprometido.

L1 é um indutor toroidal bastante eficiente. E a carga R3 por ser de aproximadamente 4,7 ohms, consome uma corrente 1,1A.

Abaixo, está a forma de onda do PWM antes e depois de passar pelo driver. Onde (1) é a onda na saída do microcontrolador e (2) é a onda no gate do MOSFET, todas com relação ao GND.

Nota-se um pequeno defasamento normal entre elas, dado pelo tempo para que os sinais sejam "processados" pelo IR2110. 

Na imagem abaixo, está as formas de onda da primeira condição, ou seja, com o circuito funcionando exatamente como na primeira imagem. O sinal (2) nesse caso é a tensão sobre a carga com relação ao GND.

Veja que infelizmente esse osciloscópio não tem velocidade suficiente para medir os picos com precisão como os outros. Isso não é exatamente um problema já que a intensão aqui é fazer uma comparação entre os circuitos e todas eles serão medidas pelo mesmo osciloscópio. 

Ele não mede os picos para cima e para baixo ao mesmo tempo quando pausado, mas basta imaginar uma sobreposição das imagens para ver que os picos estão entre os traços azuis. Em tempo real, na tela do computador, é possível ver essa sobreposição.

O valor pico a pico da tensão de saída nessa condição foi de aproximadamente 13Vpp. Trata-se de um valor muito ruim. 

Agora partindo para a condição 2, onde um capacitor de 564nF foi adicionado em paralelo com a carga como mostra a imagem a seguir.

A forma de onda tensão de saída nessa condição está na imagem abaixo.

Veja que nesse caso o valor pico a pico da oscilação da saída foi bastante reduzido, sendo medido agora: 5,33Vpp. Ainda se trata de um valor alto, isso significa que a tensão varia entre 7,5 e 2,5 V aproximadamente.

É importante de lembrar, que essa é a variação pico a pico dos overshoots, a variação pico desconsiderando isso, ou seja, a variação calculável pelas equações básicas do buck são extremamente baixas devido aos valores do capacitor, indutor, carga e frequência.

Condição 3:

Nesse caso sem o capacitor e com um circuito snubber sobre o MOSFET como mostra imagem a seguir.

O cálculo dos valores de R4 e C5 é bastante complexo e depende de toda a dinâmica do conversor. É preciso saber, quanta energia precisa ser absorvida dos overshoots, e esse cálculo não é simples. Utilizei nesse caso valores com os quais eu obtive os melhores resultados dentro dos valores de capacitores e resistores que eu tinha a disposição. 

Para saber mais sobre circuitos Snubbers e como calcula-los: https://ufsj.edu.br/portal2-repositorio/File/ppgel/175-2018-08-29-D...

Trata-se de uma dissertação de mestrado bem recente da minha universidade, o trabalho não trata exatamente sobre isso, mas foi preciso calcular um circuito snubber, então existem algumas informações.

A imagem a seguir mostra a forma de onda nessa condição.

Vemos uma redução bastante considerável da tensão pico a pico, em torno de 2,32Vpp (note a mudança de escalado osciloscópio). O circuito se mostra eficiente, mas é importante lembrar que ele consome energia, o que reduz a eficiência global do conversor. 

Como pode ser visto na dissertação, existem diversas topologias de snubbers para conversores CC/CC, essa topologia (dissipativa) é uma das mais simples.  

E por último..

Condição 4:

Aqui o capacitor e o snubber foram implementados juntos como mostra a imagem abaixo.

O resultado:

E aqui, um valor pico a pico da oscilação de 700mVpp. Note a elevação da tensão média nos casos dos snubbers que eu, infelizmente, não sei explicar.

Enfim, espero que tenha servido para mostrar o que foi dito pelo Elcids.

Claro que isso ainda não é, sequer, a ponta do iceberg de circuitos chaveados, afinal de conta a fonte do seu computador tem centenas componentes. mas tempos aqui uma bela introdução ao assunto.

Obrigado a todos que ajudaram com essa minha dúvida e espero que esse tópico possa ajudar outras pessoas também.

Até mais.

Dário bom dia, 

Posso dar os meu pitacos?

Comparando o seu circuito com os circuitos do meu Blog, sugiro um capacitor de 1000uF ao invés de apenas 220uF. 

O seu circuito é um step-down, mas não efetua regulagem. Se a tensão de entrada variar, a tensão de saída vai variar também. Só falta a tensão de realimentação (feedback) para o Microcontrolador poder controlar . Mesmo caso do meu circuito:

https://jgamblog.wordpress.com/2017/03/20/circuito-regulador-cc-ste...

olá Murta, bom dia.

Muito interessante seu blog!!

C3 na verdade é de 2,2 mF e conforme você leu, minha intenção aqui era apenas de provar a teoria. Talvez um controle de tensão e/ou corrente em malha fechada fique para outro tópico.

Até mais.

oi Dário.

      Atente para isto: além da topologia do seu Sistema ser realmente importante, também é essencial a escolha adequada dos componentes usados nesta topologia (como vc mesmo concluiu). Aqui os elementos chaves são: o Indutor, o Mosfet, o Diodo e os capacitores na saída.

     Sobre isso, eu chamaria a atenção novamente para o Diodo:  se possível, utilize um diodo "Schottky" devido à maior velocidade de chaveamento, à menor capacitância "reversa", e também à menor resistência ôhmica de corpo (diminui as perdas por efeito Joule - Lei de Ohm).

      Mas também não posso deixar de falar sobre seu Capacitor de "564nF" (mesmo que vc esteja fazendo isso apenas em teoria). Na prática, ele seria impraticável, por motivos de custo e eventualmente ajustes produtivos. Além disso, ali fica a carga, a qual certamente corromperá qualquer excelente tolerância desse capacitor. E um capacitor desse valor ("564nF"), é um prato cheio pra professores pegarem no seu pé em uma apresentação, e ainda questionarem se vc estava com os "pés no chão" quando usou isso.

     Na prática, além do Eletrolítico de Alumínio de 2200uF, use em paralelo com este, combinação de Tântalo e Cerâmico, ambos na faixa entre 10uF e 22uF. Note que em uF, será um percentual pequeno de capacitância acrescentado ao 2200uF. Mas o efeito desses capacitores no mundo real será impactante. Se sua tensão for muito alta, considere colocar estes capacitores em série, até que a tensão equivalente seja suficiente, mas a capacitância resultante também deverá estar na faixa que mencionei (ou seja, uma combinação de série e paralelo consegue tudo isso). Se possível, veja os datasheets de conversores integrados, como a linha TPS61xxx da Texas (a linha TPS é imensa) e mesmo o "XL6009", além de uma enormidade de outros existentes por aí, com a intenção de ver o efeito desses capacitores.

      E lembre-se:  a maioria dos Simuladores, utiliza modelos "reais" mesmo para elementos simples (chamados de primitivas: resistores, capacitores, indutores). Logo, se seu Simulador também estiver fazendo isso, o Capacitor de 2200uF provavelmente terá comportamento de um Eletrolítico de Alumínio, e não conseguirá eliminar o "overshoot" na saída (conforme disse em post anterior). Já o "564" embora seja o tipo adequado, tem uma capacitância insuficiente, pois a Constante de Tempo que ela traz, é muito pequena para filtrar o overshoot.

     Abrçs,

     Elcids

Boa noite, 

Eu gosto e me interesso por isso . Veja os tópicos no meu Blog. 

https://jgamblog.wordpress.com/2017/03/20/circuito-regulador-cc-ste...

https://jgamblog.wordpress.com/2017/06/18/fonte-step-down-como-func...

Não entendi por que usar transistor Bipolar para controlar Mosfet, já que pretende usar o Mosfet driver IRL2111 ?

Poderia explicar ? 

Dando uma olhada no seu circuito, uma coisa parece estar bem fora do padrão.

Os indutores de circuitos reguladores chaveados usam valores da ordem de micro Henrys.

Seu indutor tem o valor de 5,33 mili Henrys ! 

Sugiro que faça os cálculos dos documentos citados pelo colega Elcids. 

 "  2) slva721a - Basic Calculation of an Inverting Buck-Boost Power Stage

Olá José. 

Obrigado pelas dicas no seu site.

O circuito da imagem é um conversor de um trabalho passado. O IR2110 será utilizado para o inversor, que é o que pretendo desenvolver agora.

Sobre o valor do indutor. 

Ele é calculado levando em conta a mínima oscilação de corrente em um ponto de operação específico.

Isso significa que esse é um conversor estático. Mudar a corrente de saída, ou a tensão de entrada, ou ainda o próprio ciclo de trabalho, faz com que o ponto de operação mude, e o valor calculado deixe de ser o ideal. O indutor foi calculado levando em conta que o conversor em questão possui um controle automático e pode fornecer valores bem discretos de potência, então, quanto maior fosse o indutor, melhor seria. Contudo, quanto maior o indutor maior a resistência sobre ele, e maior as perdas. Esse valor é um valor intermediário que garante a operação para vários níveis de potência de saída.

O valor parece alto de fato, mas conversores buck boost são um pouco mais problemáticos mesmo. Proporcionalmente, eles precisam de indutores maiores que o de um buck por exemplo.

Outro ponto, esse conversor era capaz de executar um algorítimo de MPPT, que é o rastreamento de máxima potência de painéis fotovoltaicos. O ciclo de trabalho também sobre intensa variação quando isso é executado. É impossível encontrar um valor perfeito de indutância, portanto.

Ela foi calculado para uma variação de tensão e corrente de no máximo 5% e para uma corrente baixa. Dessa forma, 5% de algo pequeno, é algo ainda menor.

Enfim, aqui está uma parte do relatório final do projeto.

Até mais e obrigado.

Eu não usaria esses transistores bipolares no circuito do seu diagrama. 

Usaria somente Mosfets. Talvez seja essa a causa dos ripples. 

Os ripples estão bem ruins mesmo. Os valores são significativos e intoleráveis numa fonte de boa qualidade. 

Você quer melhorar o ripple do diagrama para começar a sua nova montagem. É isso ?

José,

É isso mesmo, minha intenção aqui era aprender mais sobre esses overshoots, para que mesmo que eu não pudesse resolver, pudesse explicar.

Sobre o driver com TBJs, de fato eu tenho que concordar, esse não é tipo ideal de driver pra chavear um MOSFET, sobretudo nessa frequência de 62kHz.

Mas vou puxar um pouco o saco dele.. ele também tem suas vantagens.

Veja, ele não necessita de uma alimentação especial para operar. A própria tensão de entrada pode ser usada para o chaveamento, os limites do driver são de 50 e poucos volts, mas o limite precisa ser menor porque MOSFET em questão não pode ser chaveado com essa tensão.

Isso significa que esse conversor podia ser conectado diretamente em um painel fotovoltaico que ele funcionária sem nenhuma fonte adicional. 

Outro ponto interessante e essencial é que ele é capaz de dar um ganho de tensão e também um ganho de corrente no PWM. O PWM nesse caso poderia até ser usado para alimentar uma pequena carga dentro dos limites de corrente dos TBJs.

Esse ganho de corrente permite um chaveamento correto. Já que sabemos que apesar de ser implícito, ele precisa de corrente pra "ligar" o GATE e não apenas tensão.

Sobre ser a causa dos overshoots, como nosso amigo Elcids explicou, quanto mais amortecida for a onda do PWM, menor será a sobretensão, e como nesse caso, a velocidade de comutação está bem próxima dos limites deles, o PWM não fica tão perfeito quanto o que sai do microcontrolador. O que reduz os picos, nesse caso. 

Abraços. 

Até mais.

olá Dário, boa noite.

     Não sei se chegou a ver, mas em um post de ontem em resposta a aquele que vc mostrou um print mais antigo do PWM (e também postou o link para o trabalho do Marcin Walczak), eu enumerei alguns pontos importantes com uma visão geral (tipo um resumo) dos conversores e o overshoot resultante do efeito de um impulso no circuito tanque LC "parasítico".

     Também enumerei pontos fundamentais a serem considerados para controle do overshoot.

     Caso não tenha visto, se possível dê uma olhada, principalmente em relação aos cuidados a serem tomados no projeto desses conversores e controle dos overshoots.

   Abrçs,

   Elcids

Boa noite Elcids.

Eu já li e reli todo o post.

Ainda não respondi porque considero que responder uma explicação daquele nível com um simples obrigado é muito pouco.

Até o final de semana eu vou montar de forma controlada os circuitos em bancada e fazer umas análises práticas do que foi explicado.

Vamos ter um tópico bastante proveitoso para outros estudantes que passarem por aqui.

Até mais.

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