Projeto de Conversor DC-DC Boost

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Na Eletrônica existirão ocasiões onde é necessário gerarmos uma tensão elevada, acima da fonte de alimentação principal do circuito e com a melhor eficiência possível. Quando isso ocorrer, o projeto de um conversor DC-DC do tipo boost (elevador de tensão) se faz necessário. Este é o propósito do presente artigo, ensinar ao leitor um dos métodos para projetar um elevador de tensão. A topologia típica de um conversor DC-DC boost pode ser vista na Figura 1.

Figura 1 - Conversor DC-DC Boost.
Figura 1 – Conversor DC-DC Boost.

Analisando o circuito para um sinal PWM aplicado ao MOSFET, poderemos entender como se dá a elevação de tensão. Portanto, esperamos um VOUT maior que VS. O MOSFET Q1 é canal N e ao receber um sinal em nível alto pode ser considerado como uma chave fechada, conduzindo corrente do terminal drain para o source (sentido convencional). O anodo de D1 vai para GND nesta situação, polarizando o diodo de forma reversa, onde o mesmo será considerado como uma chave aberta. Confira o circuito equivalente na Figura 2.

Figura 2 - Conversor Boost: circuito equivalente para o MOSFET ligado (chave fechada).
Figura 2 – Conversor Boost: circuito equivalente para o MOSFET ligado (chave fechada).

Nesta situação a corrente aumenta linearmente no indutor. Na situação em que o MOSFET encontra-se desligado (chave aberta), a corrente não poderá mudar de forme imediata no indutor, por isso nestas condições o diodo estará polarizado diretamente, se comportando como uma chave fechada. O circuito equivalente pode ser observado na Figura 3.

​Figura 3 - Convesor Boost: circuito equivalente para o MOSFET desligado (chave aberta).
​Figura 3 – Convesor Boost: circuito equivalente para o MOSFET desligado (chave aberta).

A análise matemática completa para o funcionamento do conversor boost pode ser apreciada na obra Eletrônica de Potência, Análise e Projeto de Circuitos do autor Daniel W. Hart, disponível em https://amzn.to/3d07Qaf, além de um amplo conteúdo sobre a área.

A equação para calcular a tensão de saída será

A tensão VS é a tensão da fonte de entrada e D é a taxa de trabalho do circuito. Se considerarmos uma taxa de trabalho constante igual a 0 (MOSFET sempre desligado) teremos

Em outras palavras, a menor tensão de saída possível para um conversor boost é a própria tensão da fonte. Aumentando o ciclo de trabalho, teremos um VS maior, visto que o parâmetro é subtraído de 1 e está presente no denominador.

Projeto de um conversor DC-DC Boost

Agora que compreendemos o conceito básico de um conversor DC-DC elevador de tensão, partiremos para o projeto. O leitor poderá realizar o projeto conforme suas necessidades, seguindo os passos do presente artigo. Para a nossa aplicação vamos considerar uma tensão de entrada Vs=15V, onde desejamos gerar uma tensão de saída de 48V capaz e acionar uma carga constante de 500mA. Logo, Io=500mA. Desejamos uma tensão de ondulação (ripple) inferior a 2%. Conhecendo-se Vo e Vs, pode-se calcular a taxa de trabalho, pois

Logo, o sinal PWM aplicado deverá apresentar um duty cycle de 68,75%.

Vamos arbitrar um valor para a frequência do PWM. Como padrão de projeto, deve-se arbitrar uma frequência na faixa kHz a MHz, que esteja acima da faixa de áudio (20kHz). Visando a utilização de circuitos mais simples de PWM, torna-se interessante utilizar frequências na faixa dos kHz. Para o nosso projeto, arbitraremos o valor de 50kHz.

O valor mínimo do indutor é calculado com a equação

Para assegurar o modo de condução contínua, daremos uma margem aumentando o valor calculado em 25%:

Você poderá construir um indutor no valor de 80µH ou mandar fabricar. Ele também deverá suportar uma corrente de 1A (margem do dobro da projetada para Io) e a frequência de 50kHz. O valor mínimo do capacitor é calculado a seguir

Aqui pode-se utilizar um valor superior, considerando valores comerciais. Utilizaremos 47µF, que assegurará um ripple ainda menor.

No circuito final, utilizaremos no lugar do diodo um segundo MOSFET, pois a tensão sobre este dispositivo em condução é menor do que a tensão no diodo, ocasionando perdas menores. Para tanto, um sinal PWM defasado em 180° deverá ser aplicado ao gate deste segundo MOSFET.

Outro detalhe importante é a geração de dead times nos PWMs, garantindo que, por um período de tempo (da ordem de nano segundos) ambos os MOSFETs encontrem-se desligados, evitando perdas ocasionadas pelo curto momentâneo entre os dispositivos. Podemos abordar métodos para gerar estes sinais PWM em artigos futuros, se for do interesse do leitor (comente). O circuito projetado está na Figura 4.

Figura 4 - Conversor DC-DC Boost projetado.
Figura 4 – Conversor DC-DC Boost projetado.

Naturalmente, a fonte de entrada Vs deverá fornecer uma corrente superior a 500mA, pois não é possível criar energia. Desprezando-se as perdas no circuito, teríamos

Portanto, Vs deverá ser capaz de fornecer no mínimo 1,6A (isso considerando um circuito ideal e o seu funcionamento em regime permanente).

Para validar o funcionamento, podemos simular o circuito da Figura 4 no LT Spice, onde comprovaremos que o circuito terá uma entrada de 15V e fornecerá uma saída de 48V sobre carga de 500mA. O resultado da simulação está explícito na Figura 5.

Figura 5 - Simulação do circuito boost no LT Spice.
Figura 5 – Simulação do circuito boost no LT Spice.

Obtivemos uma tensão de saída de 46,9V sobre uma carga de 500mA, aplicando um sinal PWM de 50kHz com duty cycle de 68,75%. Utilizamos o modelo do MOSFET IRF530 que provoca algumas perdas (na prática também ocorrerá obviamente) e esta questão poderá ser compensada pelo aumento do duty cycle do sinal PWM. O leitor interessado poderá seguir os passos deste artigo novamente, projetando um elevador de tensão para os parâmetros desejados.

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