Conversor SEPIC

Ilustração do conversor CC-CC SEPIC

O conversor SEPIC (Single-Ended Primary-Inductance Converter) é um conversor CC/CC capaz de elevar ou abaixar a tensão. Além disso, o conversor SEPIC possui característica de fonte de corrente na entrada e característica de fonte de tensão em sua saída. A característica de fonte de corrente se dá pelo indutor em série com uma fonte de tensão, e a característica de fonte de tensão se deve ao capacitor paralelo à saída, que por motivos de análise, pode ser vista como uma fonte de tensão .

Outro ponto relevante do conversor SEPIC, é sua facilidade do seu isolamento, ou seja, inserir um transformador. Sua isolação galvânica é facilitada devido ao indutor "paralelo" à saída .

O conversor SEPIC, assim como outros conversores CC/CC, utiliza a modulação por largura de pulso ou PWM (Pulse Width Modulation). O que permite maior eficiência na transferência de energia para a carga, quando comparado à um regulador linear. Na modulação por largura de pulso, o chaveamento dos conversores pode ser visto como uma forma de controlar a tranferencia de energia elétrica . Com isso, na literatura da eletrônica de potencia, frequentemente encontra-se termos como a razão cíclica ou duty cycle. A razão cícica, neste contexto, pode ser vista como uma fração do período de chaveamento em que a chave permanece fechada, sendo assim

$t_{on}=DT_{s}$

em que $t_{on}$ corresponde ao período em que a chave está fechada, $D$ é a razão cíclica (que varia entre 0 e 1) e $T_{s}$ é o período da frequência de chaveamento. Por outro lado, pode-se tambem definir o complemento da expressão anterior .

$t_{off}=(1-D)T_{s}=D'T_{s}$

O qual $t_{off}$ corresponde ao período em que a chave está aberta, portanto

$D+D'=1$

Tendo em vista o uso do PWM, os conversores normalmente podem operar em três modos, o modo de condução contínua (MCC), modo de condução descontínua (MCD) ou no modo de condução crítica. Os modos de operação estão ligados à continuidade da corrente no indutor durante um período de chaveamento.

Resumo das equações do conversor SEPIC no MCC

O quadro a seguir contém algumas das equações do conversor SEPIC no MCC.

Equações do conversor SEPIC no MCC

Variável	Equação
Ganho estático	$G={\frac {D}{1-D}}$
Corrente média do indutor $L_{1}$	$I_{L_{1}}=I_{in}$
Corrente média do indutor $L_{2}$	$I_{L_{2}}=I_{o}$
Ondulação de corrente do indutor $L_{1}$	$\Delta I_{L_{1}}={\frac {V_{S}}{L_{1}}}DT_{s}={\frac {V_{S}-V_{C}-V_{o}}{L_{1}}}(1-D)T_{s}$
Ondulação de corrente do indutor $L_{2}$	$\Delta I_{L_{2}}={\frac {V_{C}}{L_{2}}}DT_{s}={\frac {V_{o}}{L_{2}}}(1-D)T_{s}$
Ondulação de tensão no capacitor intermediário $C$	$\Delta V_{C}={\frac {V_{o}D}{RCf_{s}}}$
Ondulação de tensão no capacitor de saída $C_{o}$	$\Delta V_{o}={\frac {I_{o}DT_{s}}{C_{o}}}={\frac {V_{o}DT_{s}}{RC_{o}}}$
Corrente média na chave	$I_{S_{W}}=I_{o}{\frac {D}{1-D}}=I_{in}$
Corrente média na diodo	$I_{D}=I_{o}$

Conversor SEPIC no Modo de Condução Contínua (MCC)

O conversor SEPIC no MCC opera com duas etapas, em que a primeira etapa consiste no período $t_{on}$ com a chave fechada, e a segunda etapa o período $t_{off}$ com a chave aberta.

Primeira etapa de operação

Primeira etapa de operação do conversor SEPIC

Durante a primeira etapa de operação do conversor SEPIC, há a magnetização dos indutores $L_{1}$ e $L_{2}$. Aplicando a lei de Kirchhoff das tensões, é possível encontrar que, o indutor $L_{1}$ é magnetizado pela tensão de entrada

$L_{1}{\frac {di_{L_{1}}}{dt}}=V_{S}$

e o indutor $L_{2}$ é magnetizado pela tensão do capacitor $C$.

$L_{2}{\frac {di_{L_{2}}}{dt}}=V_{C}$

Pelas equações anteriores é possivel encontrar a corrente dos indutores. A corrente instantânea dos indutores podem ser dadas por:

$i_{L_{1}}(t)={\frac {V_{S}}{L_{1}}}t+I_{L_{1_{min}}}$

$i_{L_{2}}(t)={\frac {V_{C}}{L_{2}}}t+I_{L_{2_{min}}}$

Pelas equações das correntes nos indutores, é possivel determinar a ondulação de correntes ou ripple nos mesmos, pois a corrente cresce linearmente de seu valor mínimo ($I_{L_{min}}$) até seu valor máximo ($I_{L_{max}}$). O valor máximo é atingido no tempo $t=DT_{s}$.

$\Delta I_{L_{1}}=I_{L_{1max}}-I_{L_{1min}}={\frac {V_{S}}{L_{1}}}DT_{s}$

$\Delta I_{L_{2}}=I_{L_{2max}}-I_{L_{2min}}{\frac {V_{C}}{L_{2}}}DT_{s}$

Durante a primeira etapa, o capacitor de intermediário $C$ é descarregado, transferindo sua energia ao indutor $L_{2}$, sendo assim pode-se escrever a corrente no capacitor $C$ como:

$C{\frac {dv_{C}}{dt}}=-i_{L_{2}}(t)$

Por sua vez, o capacitor de saída $C_{o}$ é descarregado na carga, e por simplificação da análise, a corrente no capacitor $C_{o}$ pode ser considerada constante e dada por:

$C_{o}{\frac {dv_{o}}{dt}}=-I_{o}$

Segunda etapa de operação

Segunda etapa de operação do conversor SEPIC

A segunda etapa de operação do conversor SEPIC consiste no período em que a chave está aberta $(1-D)T_{s}$, que ocasiona a polarização direta do diodo. Durante a segunda etapa há a desmagnetização dos indutores. Na segunda etapa, o indutor $L_{1}$ é desmagnetizado com a expressão mostrada a seguir.

$L_{1}{\frac {di_{L_{1}}}{dt}}=V_{S}-V_{C}-V_{o}$

Já o indutor $L_{2}$ é desmagnetizado pela tensão de saída.

$L_{2}{\frac {di_{L_{2}}}{dt}}=-V_{o}$

Sendo assim, a corrente dos indutores pode ser escrita como:

$i_{L_{1}}(t)={\frac {(V_{S}-V_{C}-V_{o})}{L_{1}}}t+I_{L_{1max}}$

$i_{L_{2}}(t)=-{\frac {V_{o}}{L_{2}}}t+I_{L_{2max}}$

Ao término da segunda etapa, a corrente dos indutores atinge o valor mínimo em $t=(1-D)T_{s}$, portanto pode-se escrever

$I_{L_{1min}}=-{\frac {(V_{S}-V_{C}-V_{o})}{L_{1}}}(1-D)T_{s}+I_{L_{1max}}$ $I_{L_{2min}}=-{\frac {V_{o}}{L_{2}}}(1-D)T_{s}+I_{L_{2max}}$

Por meio das equações acima, também é possível determinar as ondulações de corrente nos indutores, sendo:

$\Delta I_{L_{1}}=I_{L_{1max}}-I_{L_{1min}}={\frac {(V_{S}-V_{C}-V_{o})}{L_{1}}}(1-D)T_{s}$

$\Delta I_{L_{2}}=I_{L_{2max}}-I_{L_{2min}}=-{\frac {V_{o}}{L_{1}}}(1-D)T_{s}$

Em relação aos capacitores, durante a segunda etapa, a corrente no capacitor $C$ pode ser descrita como:

$C{\frac {dv_{C}}{dt}}=i_{L_{1}}(t)$

E a corrente no capacitor de saída pode ser dada por:

$C_{o}{\frac {dv_{o}}{dt}}=i_{L_{1}}(t)+i_{L_{2}}(t)-I_{o}$

Ganho estático, tensões e correntes médias

Antes de prosseguir com os demais itens, é necessário determinar a tensão média no capacitor $C$. O valor de tensão média neste componente pode ser encontrado através da lei de Kirchhoff das tensões, sendo aplicada à malha que envolve os indutores e o próprio capacitor, tal como destacado na figura.

Desenho auxiliar do conversor SEPIC para encontrar a tensão média no capacitor

Pela análise, encontra-se a seguinte soma das tensões:

$-V_{S}+V_{L_{1}}+V_{C}-V_{L_{2}}=0$

Sendo assim, sabendo que a tensão média em regime permanente dos indutores é nula, a tensão média em $C$ para o regime permanente pode ser dada por:

$V_{C}=V_{S}$

O ganho estático do conversor SEPIC pode ser encontrado pela relação de tensão média no indutor, pois a tensão média no indutor em regime permanente é nula, desta forma pode-se escrever:

$V_{L_{2}}={\frac {1}{T_{s}}}\left(\int _{0}^{DT_{s}}V_{C}\,dt+\int _{0}^{(1-D)T_{s}}-V_{o}\,dt\right)=0$

$V_{L_{2}}=V_{C}D-V_{o}(1-D)=0$

$V_{S}D-V_{o}(1-D)=0$

Rearranjando-se os termos encontra-se o ganho estático.

$G={\frac {V_{o}}{V_{S}}}={\frac {D}{1-D}}$

O ganho estático também pode ser obtido do mesmo modo através da relação de tensão no inditor $L_{1}$.

Dada a característica de fonte de corrente na entrada do conversor Cuk, ou seja um indutor em séria com a entrada, a corrente no indutor $L_{1}$ é a própria corrente média de entrada.

$I_{L_{1}}=I_{in}$

A corrente média do indutor $L_{2}$ será a corrente média de saída, pois a corrente média no capacitor $C$ é nula, portanto a corrente média no indutor deverá ser a própria corrente média de saída .

$I_{L_{2}}=I_{o}$

A corrente média no diodo ($I_{D}$) pode ser encontrada através de sua integral:

$I_{D}={\frac {1}{T_{s}}}\int _{0}^{(1-D)T_{s}}i_{L_{1}}(t)+i_{L_{2}}(t)\,dt$

$I_{D}={\frac {1}{2}}{\frac {(V_{S}-V_{C}-V_{o})}{L_{1}}}(1-D)^{2}T_{s}+I_{L_{1max}}(1-D)-{\frac {1}{2}}{\frac {V_{o}}{L_{2}}}(1-D)^{2}T_{s}+I_{L_{2max}}(1-D)$

$I_{D}={\frac {1}{2}}{\frac {(V_{S}-V_{C}-V_{o})}{L_{1}}}(1-D)^{2}T_{s}+\left(I_{L_{1}}+{\frac {\Delta I_{L_{1}}}{2}}\right)(1-D)-{\frac {1}{2}}{\frac {V_{o}}{L_{2}}}(1-D)^{2}T_{s}+\left(I_{L_{2}}+{\frac {\Delta I_{L_{2}}}{2}}\right)(1-D)$

É possível simplificar a equação substituindo $V_{C}=V_{S}$ e deixar em função da ondulação de corrente ($\Delta I_{L}$), deste modo encontra-se:

$I_{D}={\frac {1}{2}}{\frac {(-V_{o})}{L_{1}}}(1-D)^{2}T_{s}+\left(I_{L_{1}}+{\frac {\Delta I_{L_{1}}}{2}}\right)(1-D)-{\frac {1}{2}}{\frac {V_{o}}{L_{2}}}(1-D)^{2}T_{s}+\left(I_{L_{2}}+{\frac {\Delta I_{L_{2}}}{2}}\right)(1-D)$

$I_{D}=-{\frac {1}{2}}\Delta I_{L_{1}}(1-D)+\left(I_{L_{1}}+{\frac {\Delta I_{L_{1}}}{2}}\right)(1-D)-{\frac {1}{2}}\Delta I_{L_{2}}(1-D)+\left(I_{L_{2}}+{\frac {\Delta I_{L_{2}}}{2}}\right)(1-D)$

$I_{D}=(I_{L_{1}}+I_{L_{2}})(1-D)=(I_{in}+I_{o})(1-D)$

$I_{D}=\left(I_{o}{\frac {D}{1-D}}+I_{o}\right)(1-D)$

$I_{D}=I_{o}$

A corrente média na chave ($I_{sw}$) também pode ser encontrada pela sua integral:

$I_{S_{W}}={\frac {1}{T_{s}}}\int _{0}^{DT_{s}}i_{L_{1}}(t)+i_{L_{2}}(t)\,dt$

$I_{S_{W}}={\frac {1}{2}}{\frac {V_{S}}{L_{1}}}D^{2}T_{s}+I_{L_{1_{min}}}D+{\frac {1}{2}}{\frac {V_{C}}{L_{2}}}D^{2}T_{s}+I_{L_{2_{min}}}D$

$I_{S_{W}}={\frac {1}{2}}{\frac {V_{S}}{L_{1}}}D^{2}T_{s}+\left(I_{L_{1}}-{\frac {\Delta I_{L_{1}}}{2}}\right)D-{\frac {1}{2}}{\frac {V_{C}}{L_{2}}}D^{2}T_{s}+\left(I_{L_{2}}-{\frac {\Delta I_{L_{2}}}{2}}\right)D$

De forma semelhante à realizada para a corrente média no diodo, fazendo as substituições dos termos, deixando em função da ondulção de corrente ($\Delta I_{L}$), a corrente média na chave pode ser dada por:

$I_{S_{W}}={\frac {1}{2}}{\frac {V_{S}}{L_{1}}}D^{2}T_{s}+\left(I_{L_{1}}-{\frac {\Delta I_{L_{1}}}{2}}\right)D-{\frac {1}{2}}{\frac {V_{S}}{L_{2}}}D^{2}T_{s}+\left(I_{L_{2}}-{\frac {\Delta I_{L_{2}}}{2}}\right)D$

$I_{S_{W}}={\frac {1}{2}}\Delta I_{L_{1}}D+\left(I_{L_{1}}-{\frac {\Delta I_{L_{1}}}{2}}\right)D+{\frac {1}{2}}\Delta I_{L_{2}}D+\left(I_{L_{2}}-{\frac {\Delta I_{L_{2}}}{2}}\right)D$

$I_{S_{W}}=(I_{L_{1}}+I_{L_{2}})D=(I_{in}+I_{o})(D$

$I_{S_{W}}=\left(I_{o}{\frac {D}{1-D}}+I_{o}\right)D$

$I_{S_{W}}=I_{o}{\frac {D}{1-D}}=I_{in}$

A ondulação de tensão no capacitor de intermediário pode ser encontrada por meio da variação de carga no capacitor. A variação pode ser determinada através da integral da corrente durante uma das etapa, neste caso optou-se pela segunda etapa, sendo assim a corrente no capacitor é igual à corrente $i_{L_{1}}$.

$\Delta Q_{C}=\int _{0}^{(1-D)T_{s}}i_{L_{1}}(t)\,dt$

$\Delta Q_{C}={\frac {1}{2}}{\frac {(V_{S}-V_{C}-V_{o})}{L_{1}}}(1-D)^{2}{T_{s}}^{2}+I_{L_{1_{max}}}(1-D)T_{s}={\frac {1}{2}}{\frac {(-V_{o})}{L_{1}}}(1-D)^{2}{T_{s}}^{2}+\left(I_{L_{1}}+{\frac {\Delta I_{L_{1}}}{2}}\right)(1-D)T_{s}$

$\Delta Q_{C}=-{\frac {1}{2}}\Delta I_{L_{1}}(1-D)T_{s}+I_{L_{1}}(1-D)T_{s}+{\frac {\Delta I_{L_{1}}}{2}}(1-D)T_{s}$

$\Delta Q_{C}=I_{L_{1}}(1-D)T_{s}$

A plicando na equação:

$\Delta V_{C}={\frac {\Delta Q_{C}}{C}}$

$\Delta V_{C}={\frac {I_{L_{1}}(1-D)T_{s}}{C}}={\frac {I_{in}(1-D)T_{s}}{C}}={\frac {I_{o}{\frac {D}{1-D}}(1-D)T_{s}}{C}}$

$\Delta V_{C}={\frac {I_{o}DT_{s}}{C}}={\frac {V_{o}D}{RCf_{s}}}$

Por fim, a ondulação de tensão de saída pode ser determinada da mesma forma como feita para o conversor boost. Sendo assim, a ondulação de tensão no capacitor de saída pode ser encontrada pela variação de carga, sabendo que:

$\Delta Q_{C_{o}}=\Delta V_{o}C_{o}$ → $\Delta V_{o}={\frac {\Delta Q_{C_{o}}}{C_{o}}}$

sendo $\Delta Q$ a variação de carga no capacitor, $\Delta V_{o}$ é a variação de tensão de saída e $C_{o}$ é a capacitância. A variação de carga no capacitor pode ser considerada a integral da corrente no capacitor durante uma das etapas de operação. Desta forma, optando pela primeira etapa, que por simplificação da análise, pode-se considerar a corrente constante, a integral da corrente neste período será

$\Delta Q_{C_{o}}=I_{o}DT_{s}$

Aplicando este resultado na equação anterior

$\Delta V_{o}={\frac {I_{o}DT_{s}}{C_{o}}}={\frac {V_{o}DT_{s}}{RC_{o}}}$