Conversao Elevador DC para DC

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Conversão DC/DC. Conversor elevador
Conversores eletrónicos de potência
ÍNDICE
1. Objetivos
2. Introdução
3. Conversor elevador (boost)
4. Conversor redutor-elevador (buck-boost)
Modo de funcionamento 
contínuo Modo de 
funcionamento descontínuo
5. Conversor Cúk
6. Conversores com isolamento galvânico
7. Resumo
8. Bibliografia
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3
T
ON
TOFF
0 t
VO
t
VL
IL
ID
IS t
0 T
VS
VO
Vi 
0
o
u
Objetivos
• Abordar a configuração elevadora num 
conversor DC/DC e as suas aplicações.
• Analisar as restantes topologias de conversores DC/DC 
e os seus modos de funcionamento contínuo 
e descontínuo.
• Determinar os parâmetros de projeto para obter a
tensão de saída adequada à carga a que se destina
a aplicação.
• Apresentar configurações de reguladores CC com
isolamento galvânico.
INTRODUÇÃO
Nesta unidade, serão apresentadas as restantes 
topologias possíveis para realizar uma conversão 
DC/DC.
A unidade começa por abordar a operação de elevação 
através do conversor elevador. Em seguida, serão 
abordados os conversores redutor-elevador e de Cúk, 
sendo que ambos resultam da combinação das duas 
configurações básicas: redutora e elevadora.
Será indicada a aplicação mais comum de cada uma das 
topologias e será determinada a sua expressão de saída. 
Isto permitirá identificar os parâmetros mais 
importantes na conceção do conversor.
Conversor Elevador
(boost)
Um conversor elevador será utilizado para aplicar a 
uma carga uma tensão contínua superior à tensão 
contínua fornecida por uma fonte de energia. Este 
tipo de conversores pode ser encontrado em fontes 
de alimentação comutadas e em sistemas de travagem 
regenerativa.
Um sistema de travagem regenerativa não é mais do 
que um travão elétrico para veículos de tração 
alimentados por corrente contínua, como, por 
exemplo, um comboio ou um elétrico. Estes sistemas 
são implementados através de um conversor 
elevador que permite extrair energia do sistema 
mecânico para a devolver à rede de alimentação; a Figura 1 
mostra o circuito de um conversor elevador:
L D
R
O seu princípio de funcionamento é o seguinte:
• Quando o interruptor se fecha, o díodo fica
polarizado em inverso e não conduz. Assim, toda a
corrente proveniente da fonte de tensão fica na
bobina, fazendo com que esta armazene energia.
• Quando o interruptor comuta e se abre, o díodo
fica polarizado em sentido direto, permitindo
que a energia armazenada na bobina seja
transferida para a carga.
Tal como já acontecia com o conversor redutor, 
a configuração elevadora também dispõe de dois 
modos de funcionamento: modo contínuo e modo 
descontínuo.
Modo de FUNCIONAMENTO contínuo
É designado por modo contínuo porque a corrente que 
atravessa a bobina flui continuamente e nunca se 
anula. Pode observar-se na figura 2 que a corrente IL 
oscila entre um valor mínimo (fim do intervalo TOFF) e um 
valor máximo (fim do intervalo TON), mas nunca se torna 
zero.
Figura 2. Formas de onda num conversor elevador para o modo 
contínuo. Retirado de: CyrilB~commonswiki (2006).
Enquanto o interruptor estiver fechado (intervalo 
TON), a tensão de entrada Ve aparece nos extremos da 
bobina:
vL ON = Ve
Provocando uma variação da corrente que a 
atravessa, durante o tempo TON, até atingir o seu 
valor máximo:
Figura 1. Conversor DC/DC elevador.
+
Ve Vo
-
→
← -
+
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Quando o interruptor está aberto (intervalo TOFF), a 
corrente IL circula pelo díodo e, por conseguinte, a tensão nos 
extremos da bobina será a seguinte:
vL OFF = Vo - Ve
O díodo foi considerado ideal, sem queda de tensão.
Será no final do intervalo TOFF que a corrente no
Portanto:
Ve · D + (Vo - Ve ) · (1 - D) = 0
Resolvendo para Vo:
indutor atinge o seu valor mínimo, mas sempre 
positivo.
Referindo-se à condição de regime permanente para uma 
bobina: a tensão média ao longo de um período será de 0 
V. Portanto:
Tendo em conta que o sinal de comutação do interruptor 
é um sinal quadrado, cuja largura de impulso é igual ao 
ciclo de trabalho (duty cycle), verifica-se que:
TON = D
TOFF = 1 - D
Verifica-se que a tensão de saída será sempre 
superior à tensão de entrada (exceto para D = 0, caso em 
que Vo será igual a Ve).
O valor de D é um número compreendido entre 0 (ciclo de 
trabalho de 0 %) e 1 (ciclo de trabalho de 100 %). Portanto, 
quanto maior for o tempo de ativação do interruptor, 
maior será a tensão na saída do conversor.
Modo de FUNCIONAMENTO 
descontínuo
Por vezes, as cargas exigem pouca energia, e pode 
acontecer que toda a energia seja transferida num tempo 
inferior ao ciclo de comutação do interruptor. Nestes 
casos, a corrente na bobina chega a anular-se durante 
alguns instantes e surgem três estados distintos, 
tal como se pode observar na figura 3:
• Um primeiro estado, TON, em que o
interruptor está a conduzir.
• Um segundo estado, TOFF, no qual o díodo conduz.
• Um terceiro estado em que toda a corrente se
anula.
Figura 3. Formas de onda num conversor elevador para o modo descontínuo. Retirado de: CyrilB~commonswiki (2006).
TON TOFF
0
Off
t
VO
t
VL
Imax ID
IS
I
t
L
0 D.T T
VS
Vi - VO
VO
Vi
0
LigadoLigado
Co
rr
en
t
e
Te
ns
ão
Es
ta
do
 d
o 
in
te
rr
up
to
r
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TOn
A
B
t
iC
A
B
t
L
+ -
VL io
e i ic
O efeito da descarga total no indutor será visível na 
saída do conversor. Analisa-se a situação e conclui-se 
o seguinte:
A tensão média na bobina será 0, pelo que:
A expressão para a tensão Vo é mais complexa, mas, ao 
observar a expressão de Io, verifica-se que a saída 
no modo descontínuo depende não só do ciclo de 
trabalho D, mas também da indutância da bobina e da 
frequência de comutação.
Eliminar a ondulação
Com o objetivo de fornecer à carga uma tensão 
contínua, isenta de flutuações, o conversor incorpora
Onde D é o ciclo de trabalho, T o período de 
comutação e Δ o intervalo em que a corrente no indutor 
é nula.
Assim:
um condensador que é acoplado em paralelo à carga. 
O seu funcionamento é semelhante ao de um circuito 
de filtragem a jusante de um retificador.
Durante o tempo TOFF, a corrente flui a partir do díodo e 
atinge o condensador, permitindo a sua carga. Já no 
intervalo TON, a corrente no condensador é nula, 
provocando a libertação de toda a energia armazenada 
para a carga. Esta sequência está representada no 
gráfico da figura 4.
A expressão para a tensão de ondulação:
Io · D · T
∆V =
C
A corrente média de entrada é a mesma que atravessa 
a bobina:
Isto demonstra que é possível minimizar a ondulação 
(reduzir o valor de ΔV) através de um condensador 
de elevada capacidade.
Portanto:
Conversor redutor-
elevador (buck-boost)
O conversor redutor-elevador tem a dualidade de
fornecer à carga uma tensão que pode ser inferior ou 
superior à tensão de entrada. Além disso, a polaridade da 
tensão de saída é inversa à da entrada, razão pela qual 
também é conhecido como regulador inversor. Encontra-se 
principalmente em fontes de alimentação CC reguladas.
iD
iC V
Vo
∆V V
i
TOn
+
Vo
-
TOff
+
Vo
-
Figura 4. Carregamento e descarregamento do condensador: tensão de ondulação (esquerda), análise do circuito (direita).
+ -
VL iD io
e
ic
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A configuração básica deste conversor é obtida através da 
ligação em cascata de um conversor redutor e de 
um conversor elevador. (Ver figura 5)
R
Figura 5. Circuito do conversor redutor-elevador.
Durante o tempo de condução do interruptor (TON), o 
díodo encontra-se polarizado em inverso e, por 
conseguinte, toda a corrente de entrada é direcionada 
para a bobina, que se estará a carregar de energia. 
Entretanto, na saída, o condensador não está a receber 
corrente e descarrega a sua capacidade para a 
carga.
Durante o tempo de desligamento do interruptor (TOFF), a 
corrente armazenada na bobina é devolvida ao 
condensador, ao díodo e à carga. O condensador estará 
em modo de carga e, portanto, atensão de saída resulta da 
descarga no indutor.
Resume-se na seguinte tabela 1:
Em conclusão, a tensão de saída de um conversor buck-
boost, em modo contínuo, depende exclusivamente da 
tensão de entrada e do ciclo de trabalho (tempo de 
ativação do interruptor). Cumprindo que se o valor de D 
for:
0 ≤ D Ve
Ou, por outras palavras, para ciclos de trabalho 
inferiores a 50 %, a tensão de saída será inferior à de 
entrada. Para ciclos de trabalho compreendidos entre 50 % e 
100 %, a tensão de saída é superior à tensão de 
entrada.
Modo de funcionamento descontínuo
Quando a bobina se descarrega completamente e 
a corrente que a atravessa chega a anular-se, verifica-
se que:
vL ON · TON + vL OFF · TOFF = 0
Ve · D · T + (-Vo ) · ∆ · T = 0
Sendo T o período de comutação e Δ o intervalo em que a 
corrente no indutor é zero.
Assim:
Tabela 1. Análise do conversor redutor-elevador em função do estado do 
interruptor.
Possui os mesmos modos de funcionamento que 
os conversores redutores e elevadores.
Modo de funcionamento contínuo
Quando a corrente circula de forma contínua pela 
bobina, a sua tensão média ao longo de um período 
será 0
V. Portanto:
Transformando os tempos para o ciclo de trabalho D:
Ve · D + (-Vo ) · (1 - D) = 0
Portanto:
D
Assim, a tensão de saída não depende apenas de D, 
mas, como seria de esperar, é também afetada pelo 
tempo de não condução da bobina.
Conversor de Cúk
Em homenagem ao seu inventor, o conversor de Cúk 
também fornece uma tensão CC variável na sua saída, 
que pode ser inferior ou superior à tensão de entrada. E, tal 
como no conversor anterior, a polaridade na saída estará 
invertida.
Na figura 6 é apresentado o circuito para esta 
configuração, o condensador.
O seu modo de funcionamento é tal que ocorre o 
seguinte:
• Quando o interruptor está desligado (TOFF), a
corrente da entrada e a corrente da bobina L2 fluem
através do díodo. O condensador C1 carrega-se
através da corrente de entrada e da energia libertada
por L1. A tensão na saída durante este intervalo
provém da energia libertada por L2.
Vo = Ve · 1 - D
D
+ +
Ve L C Vo
- -
TON TOFF
• Carga da bobina
• Descarga do condensador
• Descarga da bobina
• Carregamento do
condensador
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L1 C1 L2
R
Figura 6. Circuito do conversor de Cúk.
• Quando o interruptor é ativado (TON), o condensador C1
liberta a sua energia, polarizando o díodo em
inverso. Toda a tensão VC1 é fornecida à carga e à
bobina L2, que armazenará energia. Entretanto,
Por fim, obtém-se uma expressão válida para a 
tensão de saída:
a corrente na entrada permite carregar a bobina
L1.
Para obter a expressão da saída, parte-se do princípio de 
que a tensão média nos indutores ao longo de um período é 
de 0 V. Portanto:
No VL1, a tensão durante o estado ON será Ve (VL1 = Ve). E no 
estado OFF: VL1 = Ve - VC1. Assim, a expressão para a tensão 
média será:
L1 : D · Ve + (1 - D) · (Ve - VC1 ) = 0
Resolvendo a equação L1 para a tensão no 
condensador:
Corresponde à obtida no conversor redutor-
elevador (buck-boost) para o modo contínuo. No 
entanto, a vantagem mais significativa que o 
conversor Cúk apresenta em relação ao seu 
antecessor é uma corrente de saída com muito poucas 
oscilações (baixa tensão de ondulação). Assim, o filtrado 
posterior não terá tantos requisitos.
É de salientar que a capacidade do condensador 
C1 deve ser bastante elevada.
Conversores COM isolamento 
galvânico
Todos os reguladores abordados nesta unidade e na 
unidade anterior são implementados com um único 
interruptor, construído em
• Em VL2, a tensão durante o estado ON será VL2 = ( -Vo
+ VC1). E no estado OFF: VL2 = -Vo. Assim, a
expressão para a tensão média será:
L2 : D · (-Vo + VC1 ) + (1 - D) · (-Vo ) = 0
Se se extrair da equação L2, o valor de VC1 será o 
seguinte:
Dado que, no modo contínuo, a tensão no 
condensador é constante, ambas as expressões 
obtidas igualam-se:
tecnologia BJT, MOSFET ou IGBT, apresentando na saída 
uma potência de dezenas de watts. Para correntes mais 
elevadas, são necessárias bobinas e condensadores 
maiores, o que provoca maiores perdas e reduz, por 
conseguinte, a eficiência. Mas há outro aspeto importante a 
considerar: a falta de isolamento galvânico entre a tensão 
de entrada e de saída.
Em aplicações de alta potência, realizam-se 
conversões em várias etapas ou utilizam-se 
conversores que incorporam um transformador, o qual 
proporciona isolamento galvânico entre a entrada e a 
saída. Fala-se dos conversores forward e flyback.
A. Conversor «forward»
Recebe o nome de conversor forward porque a
energia é transmitida à carga durante o intervalo de
condução do interruptor. É, portanto, equivalente ao
conversor redutor, com a vantagem do isolamento. A
figura 7 mostra o circuito básico para esta topologia,
onde o circuito de desmagnetização foi omitido.
2 1
+ -
Ve
r
D C Vo
→
←
- +
Conversão DC/DC. Conversor elevador |
Quando o interruptor é ativado, a tensão de 
entrada passa do primário do transformador para 
o secundário. O díodo D1 fica polarizado em
sentido direto, permitindo alimentar a carga e a
bobina, que se carregará de energia.
Durante o intervalo de bloqueio do interruptor, o díodo D2, em 
modo de passagem livre, permitirá que a bobina se 
descarregue na carga e no condensador.
B. Conversor flyback
Trata-se de um conversor de acumulação em que a
transferência de energia, da entrada para a carga,
ocorre em duas fases, o que permite elevar a
tensão de entrada, revelando-se muito útil em
aplicações de alta tensão e baixa potência
(televisores, monitores, etc.). Esta topologia
com isolamento deriva do conversor redutor-
elevador.
A Figura 8 mostra a configuração do
conversor flyback, em que a indutância de
magnetização do transformador (Lm) é
essencial para o seu funcionamento.
10
Durante o intervalo de condução do interruptor, a 
tensão proveniente de V permanece toda na 
bobina Lm, e a carga é alimentada pela energia 
libertada pelo condensador.
No intervalo de bloqueio, a tensão na bobina é 
transferida do primário para o secundário, 
alimentando a carga e o condensador, que se encherá de 
energia para o ciclo seguinte.
RESUMO
Nesta unidade, foram analisadas diferentes 
topologias de reguladores de corrente contínua: 
conversor elevador, conversor redutor-elevador, 
conversor de Cúk e conversores com isolamento 
galvânico. Em todas as configurações, existe uma bobina 
que atua como mediadora para realizar a transferência de 
energia para a carga. E, como já foi referido 
anteriormente, será a capacidade desta indutância que 
determinará o modo de funcionamento do regulador de 
corrente contínua, seja ele contínuo ou 
descontínuo.
BIBLIOGRAFIA
Autoria própria de Marcos de la Rosa Prada.
N1:N2 D1 L
R
VE
Figura 7. Circuito do conversor forward.
N1:N2 D L
VE
Figura 8. Circuito do conversor flyback.
+ Se
g
Se
x
-
←
→
-
C
Vo R
+
-
+
D2 C Vo
Ve
+
-
←
→