DESENVOLVIMENTO DE UM CONVERSOR BOOST … · MIKAEL NUNES FRANCO DE OLIVEIRA DESENVOLVIMENTO DE UM...
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MIKAEL NUNES FRANCO DE OLIVEIRA
DESENVOLVIMENTO DE UM CONVERSOR BOOST QUADRTICO COM CLULA DE COMUTAO SUAVE
(ZCS - ZVT)
Londrina 2015
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MIKAEL NUNES FRANCO DE OLIVEIRA
DESENVOLVIMENTO DE UM CONVERSOR BOOST QUADRTICO COM CLULA DE COMUTAO SUAVE
(ZCS - ZVT)
Dissertao apresentada ao Programa de Ps-graduao em Engenharia Eltrica da Universidade Estadual de Londrina como Parte dos Requisitos para a obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia Eltrica. rea de Concentrao: Sistemas Eletrnicos Especialidade: Eletrnica de Potncia Orientador: Prof. Dr. Lcio dos Reis Barbosa
Londrina 2015
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MIKAEL NUNES FRANCO DE OLIVEIRA
DESENVOLVIMENTO DE UM CONVERSOR BOOST QUADRTICO COM CLULA DE COMUTAO SUAVE (ZCS - ZVT)
Dissertao apresentada ao Programa de Ps-graduao em Engenharia Eltrica da Universidade Estadual de Londrina como Parte dos Requisitos para a obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia Eltrica.
BANCA EXAMINADORA
____________________________________ Orientador: Prof. Dr. Lcio dos Reis Barbosa
Universidade Estadual de Londrina - UEL
____________________________________ Prof. Dr. Aziz Elias Demian Junior
Universidade Estadual de Londrina - UEL
____________________________________ Prof. Dr. Sergio Augusto Oliveira da Silva
Universidade Tecnolgica Federal do Paran UTFPR
Londrina, 09 de Outubro de 2015.
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Dedico este trabalho a toda minha famlia,
namorada e amigos que me deram fora para desenvolver esta dissertao.
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AGRADECIMENTOS
Agradeo a meu orientador professor Dr. Lcio dos Reis Barbosa, pelo
tempo de relacionamento profissional entre professor e aluno, sempre se pautando
no bom senso e profissionalismo, sendo o mesmo uma pessoa humanizada que
soube apoiar, orientar e entender minhas limitaes, instigando em mim o esprito de
pesquisa e trabalho, que permitiu a concluso deste trabalho dentro dos prazos e
escopo propostos;
Agradeo aos meus pais, Aparecido e Marinete, que sempre me deram todo
suporte necessrio durante todo curso de mestrado, condio sem a qual a
obteno do ttulo no seria possvel;
A meus irmos Higor e Ksia, a meus tios, meus avs e minha namorada
Taciane, pela extrema generosidade durante todos estes anos;
Aos colegas Alex Lemes Guedes, Marcelo Fiori, Sebastian Manrique, Joo
Luiz Dallamuta, Francisco Licha, Marcus Vinicius Maia, Willian Bispo, Robledo
Carazai e Lial Chi Tung pelo esprito de parceria durante o curso, mostrando-se
sempre prestativos, trocando informaes e me incentivando;
Aos tcnicos de laboratrio do Departamento de Engenharia Eltrica, Luis
Carlos Mathias e Luiz Fernando Schmidt. Pessoas de grande competncia e
profissionalismo, cujo suporte prestado na fase de construo do prottipo, foi
fundamental para o sucesso deste trabalho;
A Deus, por todo o resto!
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OLIVEIRA, MIKAEL NUNES FRANCO DE. Desenvolvimento de um conversor boost quadrtico com clula de comutao suave (ZCS - ZVT). 2015. 142f. Dissertao de Mestrado (Ps-Graduao em Engenharia Eltrica) Universidade Estadual de Londrina, Londrina, 2015.
RESUMO Este trabalho apresenta a aplicao de uma clula de comutao suave em uma topologia de conversor elevador de tenso, com alto ganho esttico, que pode ser aplicado em fontes alternativas para a produo de energia eltrica. O objetivo reduzir as perdas por comutao a fim de obter-se um melhor rendimento do conversor e uma tenso de sada real o mais prximo possvel da terica. O conversor utilizado para isso o Boost Quadrtico e a clula de comutao suave composta por um MOSFET (chave de comutao), um indutor, um capacitor e um diodo, que juntos formam um circuito ressonante. Este circuito tem a finalidade de proporcionar chave principal uma tenso e corrente nula no momento em que ela passa do estado de no conduo para conduo, eliminando assim as perdas por interferncias eletromagnticas, resultando em um Conversor Boost Quadrtico com um alto nvel de eficincia energtica. Palavras-chave: Boost quadrtico. Clula de comutao suave. Circuito ressonante. ZVT. ZCS.
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OLIVEIRA, MIKAEL NUNES FRANCO DE. Development of a quadratic boost converter with soft switching cell (ZCS - ZVT). 2015. 142f. Dissertao de Mestrado (Ps-Graduao em Engenharia Eltrica) Universidade Estadual de Londrina, Londrina, 2015.
ABSTRACT
This paper presents the implementation of a soft-switching cell in a step-up converter topology. The used converter presents high static gain and can be applied in renewable resources for the production of electrical energy. For that matter, one of the research goals was to reduce the switching losses in order to obtain higher converter efficiency. Also, a real output voltage as close as possible to the obtained in an ideal situation is desirable. For that, a Quadratic Boost converter was used. Additionally, it has a soft-switching cell composed by a MOSFET (swiching device), an inductor, a capacitor and a diode. These components result in a resonant circuit which has the finality to provide zero current to the MOSFET during the cutoff to conduction mode transition. Thus, electromagnetic interference losses are minimized, resulting in a high efficiency Quadratic Boost Converter. Keywords: Boost quadratic. Soft switching cell. Resonant circuit. ZVT. ZCT.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Painel fotovoltaico, turbina elica, clula combustvel e
micro turbina ...................................................................................... 24
Figura 2.2 Processo de produo e utilizao da energia solar .......................... 24
Figura 2.3 Exemplos de um ciclo de sinal PWM ................................................. 26
Figura 2.4 Topologia do conversor Boost............................................................ 27
Figura 2.5 Formas de ondas do conversor Boost ............................................... 27
Figura 2.6 Curva caracterstica do ganho do conversor Boost ............................ 28
Figura 2.7 Conversor Boost em cascata ............................................................. 29
Figura 2.8 Conversor Boost Quadrtico .............................................................. 30
Figura 2.9 Curvas com o ganho do conversor Boost comum e
Quadrtico.......................................................................................... 31
Figura 2.10 Conversor Boost Quadrtico de trs nveis ........................................ 32
Figura 2.11 Formas de ondas do conversor Boost Quadrtico de trs
nveis para conduo contnua .......................................................... 33
Figura 2.12 Curva de ganho do conversor Boost Quadrtico, Boost
Quadrtico de Trs Nveis e do Boost Comum. ................................. 34
Figura 2.13 Conversor Boost Semi Quadrtico. .................................................... 35
Figura 2.14 Comparao do ganho do conversor Boost Semi
Quadrtico.......................................................................................... 36
Figura 2.15 Principais formas de onda do Conversor Boost Semi
Quadrtico para conduo contnua e d> 0,5. ................................... 37
Figura 2.16 Conversor Boost com a nova clula ZCT-PWM. ................................ 39
Figura 2.17 Formas de Onda do Conversor Boost com a nova clula
ZCT- PWM. ........................................................................................ 40
Figura 2.18 Conversor Boost com a Clula ZVT-ZCT PWM para
conversores........................................................................................ 41
Figura 2.19 Formas de ondas do Conversor Boost com a Clula ZVT
ZCT PWM. ...................................................................................... 42
Figura 2.20 Clula de comutao suave ............................................................... 42
Figura 2.21 Topologia do conversor Boost Entrelaado com Clula de comutao suave .......................................................................... 43
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Figura 2.22 Formas de onda do conversor Boost Entrelaado com Clula de Comutao Suave ............................................................. 44
Figura 2.23 - Conversor Boost Quadrtico com clula de auxlio a comutao SR-ZVS-QRC. ................................................................. 45
Figura 2.24 - Principais formas de ondas tericas do Conversor Boost Quadrtico com clula de auxlio comutao SR-ZVS-QRC. .................................................................................................. 45
Figura 2.25 - Topologia do Conversor Boost Quadrtico com a Clula de Comutao Suave. ........................................................................ 47
Figura 2.26 - Configurao final do Conversor Boost Quadrtico com Clula de Comutao Suave (ZCS-ZVT). .......................................... 47
Figura 3.1 Primeira etapa ().......................................................................... 49 Figura 3.2 Segunda etapa () ........................................................................ 50 Figura 3.3 Terceira etapa () .......................................................................... 50 Figura 3.4 Quarta etapa () ............................................................................ 51 Figura 3.5 Quinta etapa () ............................................................................ 51 Figura 3.6 Sexta etapa () .............................................................................. 52 Figura 3.7 Stima etapa () ............................................................................ 52 Figura 3.8 Oitava etapa () ............................................................................. 53 Figura 3.9 Formas de ondas tericas do conversor proposto ............................. 54
Figura 4.1 Formas de onda da primeira etapa () .......................................... 57 Figura 4.2 Formas de onda da segunda etapa () ......................................... 59 Figura 4.3 Formas de onda da terceira etapa () ........................................... 60 Figura 4.4 Formas de onda da quarta etapa () ............................................. 61 Figura 4.5 Formas de onda da quinta etapa () ............................................. 66 Figura 4.6 Formas de onda da sexta etapa () .............................................. 68 Figura 4.7 Formas de onda da stima etapa () ............................................ 69 Figura 4.8 Formas de onda da oitava etapa () ............................................. 71 Figura 5.1 Forma de onda da corrente em S1 .................................................... 74
Figura 5.2 Forma de onda da corrente em SA .................................................... 76
Figura 5.3 Forma de onda da corrente em SR .................................................... 79
Figura 5.4 Forma de onda da corrente no diodo D1 ........................................... 81
Figura 5.5 Forma de onda da corrente no diodo DA ........................................... 83
Figura 5.6 Forma de onda da corrente no diodo DB ........................................... 85
Figura 5.7 Forma de onda da corrente no diodo DR ........................................... 87
Figura 6.1 Valores pr-definidos de projeto ........................................................ 89
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Figura 6.2 Fluxo de potncia e valores de tenso e corrente intra-
estgios. ............................................................................................. 94
Figura 7.1 Layout do Conversor Boost Quadrtico com clula de
comutao suave no software de simulao. .................................... 104
Figura 7.2 Blocos utilizados no simulador para gerar o sinal PWM
para as chaves semicondutoras do conversor. .................................. 106
Figura 7.3 Amostras do sinal PWM utilizado para acionar os
elementos semicondutores controlados do conversor. ...................... 106
Figura 7.4 Formas de onda da Tenso e corrente na chave
principal do conversor que comprovam a comutao
ZCS e ZVT. ........................................................................................ 107
Figura 7.5 Forma de onda da Tenso em cima da chave principal
juntamente com a onda da corrente na mesma. ................................ 107
Figura 7.6 Ondulao da corrente em L1 juntamente com o sinal de
comando de S1 e a tenso em SR. ................................................... 108
Figura 7.7 Sinal PWM da chave ressonante juntamente com a
corrente em L2 e no indutor Ressonante. .......................................... 109
Figura 7.8 Valores RMS da corrente no momento em que a mesma
se estabiliza em LR. ........................................................................... 109
Figura 7.9 Formas de onda do momento de ressonncia entre LR e
CR ...................................................................................................... 110
Figura 7.10 Tenso entre o capacitor ressonante e a terra
juntamente com o sinal PWM de S1. ................................................. 110
Figura 7.11 Formas de onda na chave ressonante. .............................................. 111
Figura 7.12 Momento de conduo do diodo DB. ................................................. 112
Figura 7.13 Momento de conduo do diodo DA. ................................................. 112
Figura 7.14 Tenso de sada do conversor. .......................................................... 113
Figura 7.15 Forma de onda da tenso nos terminais de sada do
conversor. .......................................................................................... 114
Figura 8.1 Circuito de Drive. ................................................................................ 116
Figura 8.1 Esquemtico de ligao do MOSFET. ............................................... 117
Figura 8.2 Sinal PWM gerado pelo DSP. ............................................................ 117
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Figura 8.3 Esquemtico do Optodrive com diodo emissor de luz. ...................... 119
Figura 8.4 Sinal PWM na sada do Optodrive. .................................................... 119
Figura 8.5 Tenso real de sada do conversor. ................................................... 119
Figura 8.6 Corrente em L1. ................................................................................. 121
Figura 8.7 Corrente em L2. ................................................................................. 122
Figura 8.8 Tenso na chave principal. ................................................................ 123
Figura 8.9 Tenso na chave ressonante. ............................................................ 124
Figura 8.10 Corrente no indutor ressonante (LR). ................................................. 124
Figura 8.11 Tenso no Capacitor ressonante (CR) e corrente no
indutor ressonante (LR). .................................................................... 125
Figura 8.12 Tenso entre o capacitor ressonante (CR) e a terra do
circuito ................................................................................................ 126
Figura 8.13 Circuito para medio da potncia ..................................................... 127
Figura 8.14 Grfico com o rendimento do conversor ............................................ 127
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LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Comparativo das vantagens e desvantagens das
topologias de conversores apresentados no captulo 2 ..................... 38
Tabela 2.2 - Comparativo das vantagens e desvantagens das
topologias de clulas de comutao suaves
apresentados no captulo 2 ................................................................ 46
Tabela 7.1 - Componentes e Parmetros Utilizados na Simulao do
Conversor........................................................................................... 105
Tabela 8.1 Componentes Utilizados Para Montagem do Circuito de
Drives ................................................................................................. 116
Tabela 8.2 Componentes Utilizados na Entrada do MOSFET ............................. 117
Tabela 8.3 Componentes e Semicondutores Empregados no
Prottipo ............................................................................................. 120
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LISTA DE SIGLAS CC Corrente continua
CRT Cathode ray tube
DSP Digital signal processing
EMI Emisso de interferncias eletromagnticas
GTO Gate turn-off thyristor
IGBT Insulated-gate bipolar transistor
MOSFET Metaloxidesemiconductor field-effect transistor
NPN Semicondutor com juno negative, positive e negativa
QRC Circuito quase ressonante
PNP Semicondutor com juno positive, negative e positiva
PWM Pulse width modulation
SCR Silicon controlled rectifier
SIN Sistema interligado nacional
SOBRAEP Sociedade brasileira de eletrnica de potencia
SODEBRAS Solues para o desenvolvimento do pas
UPS Uninterrupted power supply
VCO Voltage-controlled oscillator
VDS Voltage drain to source
VGS Voltage gate to source
ZCS Zero current switching
ZVS Zero voltage switching
ZVT Zero voltage transition
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LISTA DE SMBOLOS
- Capacitor 1 - Capacitor de filtro um 2 - Capacitor de filtro dois , Capacitor ressonante , - Razo cclica - Diodo auxiliar de sada - Diodo auxiliar de sada do circuito ressonante , Diodo da clula ressonante 1 - Diodo Boost um 2 - Diodo Boost dois , Frequncia , Frequncia de ressonncia - Ganho - Ganho quadrtico - Ganho Boost um - Ganho Boost dois Corrente no diodo do Boost um !" - Corrente Eficaz # Corrente no indutor #, $%1 - Corrente no indutor um #, $%2 - corrente no indutor dois #& - Corrente no indutor ressonante '!(- Corrente mdia ) - Corrente na chave principal *+, $*+ - Corrente de entrada do conversor ,-., $,-. Corrente de sada do conversor ,$ - Corrente de sada do Boost um % Indutor %1 - Indutor um %2 - Indutor Boost dois %, % Indutor Ressonante
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/ - Potncia de sada do Boost um /*+ Potncia de entrada do conversor /,-. Potncia na sada do conversor 01 - Carga inicial do capacitor ressonante 2 - Chave auxiliar 2, 2 Chave do circuito ressonante 21 - Chave principal do conversor 22 - Chave Boost dois 3 - Tempo 3,+ - Tempo em nvel lgico alto 3,"" - Tempo em nvel lgico baixo 45& - Tenso no capacitor ressonante 45&68 - Tenso mxima do capacitor ressonante 45&1 - Tenso inicial do capacitor ressonante 4#& Tenso no indutor ressonante 9*+ - Tenso de entrada do conversor 9,-. - Tenso de sada do conversor 9,*+. - Tenso de sada do Boost um 4, 9 Tenso de sada do Boost um 4)& , 9)& - Tenso na chave ressonante ;1 - Impedncia do capacitor ressonante - Rendimento
? @ - Rendimento Boost um ? @@ Rendimento Boost dois A=BCDE>=E - Rendimento total do conversor 3 - Variao de tempo F& - Frequncia angular de ressonncia G - Constante de relao cclica de 21 H 22 no conversor Boost de Trs Nveis I Ondulao de ripple de corrente J - Ondulao de ripple de tenso 9 - Mxima variao de tenso no capacitor $% - Mxima variao de corrente no indutor
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SUMRIO
1 INTRODUO ............................................................................................... 19
1.1 MOTIVAO ...................................................................................................... 20
1.2 JUSTIFICATIVAS ................................................................................................. 21
1.3 OBJETIVOS ....................................................................................................... 21
1.4 TRABALHOS PUBLICADOS ................................................................................... 22
2 TOPOLOGIA PROPOSTA ............................................................................. 23
2.1 APLICAO DOS CONVERSORES CC-CC ............................................................ 23
2.2 SINAL DE COMANDO DOS MOSFET ...................................................................... 25
2.3 CONVERSOR BOOST CONVENCIONAL .................................................................. 26
2.4 CONVERSOR BOOST EM CASCATA E QUADRTICO ............................................... 28
2.5 CONVERSOR BOOST QUADRTICO DE TRS NVEIS ............................................. 31
2.6 CONVERSOR BOOST SEMI QUADRTICO ............................................................. 34
2.7 CLULA DE COMUTAO SUAVE .......................................................................... 39
2.7.1 Nova clula ZCT-PWM para conversor com reduzidas perdas por
conduo e estresse de corrente .................................................................... 39
2.7.2 Clula ZVT-ZCT PWM para conversores CC-CC. .......................................... 41
2.7.3 Clula de comutao suave utilizado no estudo. ............................................ 42
2.8 CONVERSOR BOOST QUADRTICO COM CLULA DE COMUTAO SUAVE
(ZCS-ZVT) ...................................................................................................... 46
2.9 CONCLUSES ................................................................................................... 47
3 ANLISE QUALITATIVA DO CONVERSOR BOOST QUADRTICO
COM CLULA DE COMUTAO SUAVE .................................................... 49
3.1 PRIMEIRA ETAPA ............................................................................................... 49
3.2 SEGUNDA ETAPA ............................................................................................... 50
3.3 TERCEIRA ETAPA .............................................................................................. 50
3.4 QUARTA ETAPA ................................................................................................. 51
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3.5 QUINTA ETAPA .................................................................................................. 51
3.6 SEXTA ETAPA ................................................................................................... 52
3.7 STIMA ETAPA .................................................................................................. 52
3.8 OITAVA ETAPA .................................................................................................. 53
3.9 FORMAS DE ONDAS TERICAS DO CONVERSOR PROPOSTO ................................. 53
3.10 CONCLUSES ................................................................................................... 55
4 ANLISE QUANTITATIVA DO CONVERSOR BOOST
QUADRTICO COM CLULA DE COMUTAO SUAVE ........................... 56
4.1 PRIMEIRA ETAPA () ..................................................................................... 56 4.2 SEGUNDA ETAPA () ..................................................................................... 58 4.3 TERCEIRA ETAPA () .................................................................................... 59 4.4 QUARTA ETAPA () ....................................................................................... 60 4.5 QUINTA ETAPA () ........................................................................................ 66 4.6 SEXTA ETAPA (T6) .......................................................................................... 68 4.7 STIMA ETAPA () ........................................................................................ 68 4.8 OITAVA ETAPA () ........................................................................................ 68 4.9 CONCLUSES ................................................................................................... 72
5 EQUACIONAMENTO DOS VALORES MDIOS E EFICAZES ..................... 73
5.1 CHAVE PRINCIPAL S1 ........................................................................................ 73
5.1.1 Corrente Mdia S1 .......................................................................................... 74
5.1.2 Corrente eficaz S1 .......................................................................................... 75
5.2 CHAVE AUXILIAR SA .......................................................................................... 76
5.2.1 Corrente Mdia SA ......................................................................................... 77
5.2.2 Corrente eficaz SA .......................................................................................... 77
5.3 DIODO D2 ......................................................................................................... 78
5.4 CHAVE RESSONANTE SR ................................................................................... 78
5.4.1 Corrente Mdia SR ......................................................................................... 79
5.4.2 Corrente eficaz SR ......................................................................................... 80
5.5 DIODO D1......................................................................................................... 81
5.5.1 Corrente Mdia D1 ......................................................................................... 82
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5.5.2 Corrente eficaz D1 .......................................................................................... 82
5.6 DIODO DA ........................................................................................................ 83
5.6.1 Corrente Mdia DA ......................................................................................... 83
5.6.2 Corrente eficaz DA ......................................................................................... 84
5.7 DIODO DB ........................................................................................................ 84
5.7.1 Corrente Mdia DB ......................................................................................... 85
5.7.2 Corrente eficaz DB ......................................................................................... 86
5.8 DIODO DR ........................................................................................................ 86
5.8.1 Corrente Mdia DR ......................................................................................... 87
5.8.2 Corrente eficaz DR ......................................................................................... 88
5.9 CONCLUSO ..................................................................................................... 88
6 MTODOLOGIA DE PROJETO DO CONVERSOR ...................................... 89
6.1 VALORES INICIAIS .............................................................................................. 89
6.2 CLCULO DO RENDIMENTO DO CONVERSOR ........................................................ 90
6.2.1 Mxima potncia de entrada do conversor ..................................................... 90
6.3 CORRENTE DE SADA DO CONVERSOR ................................................................. 91
6.4 GANHO EM CADA ESTGIO .................................................................................. 91
6.5 TENSO DE SADA DO BOOST I ............................................................................ 92
6.6 POTNCIA NA SADA DO BOOST I ......................................................................... 93
6.7 CORRENTE DE SADA DO BOOST I E ENTRADA DO CONVERSOR BOOST II ................ 93
6.8 CORRENTE DE ENTRADA DO BOOST I E DO CONVERSOR BOOST QUADRTICO
COM CLULA DE COMUTAO SUAVE ................................................................... 94
6.9 RAZO CCLICA DO CONVERSOR ......................................................................... 95
6.10 RAZO CCLICA CONSIDERANDO AS PERDAS ......................................................... 95
6.11 DIMENSIONAMENTO DOS INDUTORES ................................................................... 96
6.11.1 Ondulao de corrente dos indutores............................................................. 96
6.11.2 Clculo dos indutores ..................................................................................... 97
6.12 DIMENSIONAMENTO DOS CAPACITORES DE FILTRO ............................................. 98
6.12.1 Ondulao da tenso nos capacitores ........................................................... 98
6.12.2 Clculo da capacitncia do filtro do Boost I .................................................... 99
6.12.3 Clculo da capacitncia do filtro do Boost II ................................................... 99
6.13 DIMENSIONAMENTO DO CIRCUITO RESSONANTE .................................................. 100
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6.13.1 Determinando a frequncia de ressonncia ................................................... 100
6.13.2 Clculo do indutor e capacitor ressonante ..................................................... 100
6.14 CONCLUSES ................................................................................................... 103
7 RESULTADOS DE SIMULAO .................................................................. 104
7.1 LAYOUT DO CIRCUITO PROPOSTO ........................................................................ 104
7.2 GERAO DO SINAL PWM ................................................................................. 105
7.3 PRINCIPAIS FORMA DE ONDA DO CONVERSOR ...................................................... 106
7.4 CONCLUSES ................................................................................................... 114
8 RESULTADOS EXPERIMENTAIS ................................................................. 115
8.1 CIRCUITO DE CONTROLE DOS SEMICONDUTORES.................................................. 115
8.2 PROTTIPO DO CONVERSOR EM ESTUDO ............................................................. 119
8.3 RESULTADO DA COMUTAO ZCS-ZVT .............................................................. 123
8.4 ANLISE DA ETAPA DE RESSONNCIA ................................................................. 125
8.5 ANLISE DO RENDIMENTO DO PROTTIPO COM E SEM COMUTAO SUAVE ............ 127
8.6 CONCLUSES ................................................................................................... 129
9 CONCLUSES GERAIS ............................................................................... 130
REFERNCIAS .............................................................................................. 132
BIBLIOGRAFIA ............................................................................................. 134
APNDICES ................................................................................................... 136
APNDICE A Cdigo do programa do DSP que gerou o sinal PWM .......... 137
APNDICE B Circuito do Buffer de corrente e Drives de
acionamento dos Mosfet Proteus ................................................................ 139
APNDICE C Circuito do Conversor e seu Layout final Proteus .............. 141
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1 INTRODUO
O desenvolvimento dos conversores CC-CC chaveados tem alavancado
diversos setores da tecnologia, aumentando assim sua gama de aplicabilidade,
destacando-se principalmente em fontes alternativas para a produo de energia
eltrica como a energia solar, energia de clulas combustveis e energia elica
(BRITTO, 2009). Os conversores so utilizados, pois a maior parte dessas fontes de
energia dispe em sua sada de uma diferena de potencial com valores nominais
abaixo das tenses comerciais, dessa forma necessria elevao da tenso para
que os mesmos possam ser aproveitados e utilizando nas indstrias, comrcio e
residncias. As pesquisas envolvendo essa rea se desenvolveram nos ltimos
trinta anos atingindo resultados satisfatrios, sempre buscando uma melhor
eficincia energtica, maiores ganhos estticos, melhores densidades de potncia e
reduo do nmero de componentes (BARBI, 2007).
J existem vrias topologias (modelos de conversores) na literatura, porm
alguns mais simples apresentam problemas como: baixo rendimento, baixa
densidade de potncia, reduzidos ganhos estticos e elevadas taxas de
interferncias eletromagnticas. Isto abre um leque para o desenvolvimento de
novas pesquisas, a fim de melhorar esses circuitos e suas caractersticas, propondo
a conservao e a racionalizao da energia eltrica e agregando qualidade a
mesma.
Nessa dissertao estudada e analisada a topologia de conversor CC-CC
conhecida como Conversor Boost Quadrtico, que apresenta um elevado ganho de
tenso como vantagem. Basicamente, ela composta pela associao de dois
conversores Boost convencionais em cascata, ou seja, dois conversores em srie de
modo que o ganho final da tenso seja o produto do ganho em cada estgio.
Por outro lado, quando se aumenta o nmero de etapas de converso de
energia, tambm h um aumento nos componentes que trazem perdas para o
sistema. Contudo, a topologia apresentada nesse trabalho possui a integrao de
alguns componentes redundantes. Sendo assim, com um nico semicondutor
possvel modular as etapas de converso para os dois estgios, j que a razo
cclica para ambos os nveis idntica, aumentando assim eficincia do mesmo.
Na eletrnica de potncia geralmente so utilizadas altas frequncias de
chaveamento, o que possibilita uma reduo fsica nos elementos de filtro,
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proporcionando ao circuito uma alta densidade de potncia (dispositivo que
processa uma alta potncia com reduzido tamanho fsico). Porm, nessa topologia a
alta frequncia aumenta a emisso de interferncia eletromagntica (EMI), pelo fato
dessa comutao ser feita abruptamente com a presena de elevada tenso e
corrente no interruptor durante o chaveamento.
Para eliminar ou mesmo minimizar as perdas de converso necessrio
realizar a comutao com tenso ou corrente nula na chave. Esta condio
chamada na literatura de comutao em zero tenso (ZVS) e zero corrente (ZCS).
Quando a chave conduz e bloqueia sob tenso nula se tem a transio com zero de
tenso (ZVT) (BARBOSA, 1999). Nesse trabalho foi aplicada uma clula de
comutao suave com intuito de possibilitar uma comutao em (ZVS) no momento
em que a chave principal passa a conduzir bem como a chave deixa de conduzir.
Consequentemente possa ser possvel obter uma reduo no rudo gerado por
(EMI).
Aps a conferncia dos resultados simulados foi possvel observar um
resultado interessante do ponto de vista da pesquisa, pois o conversor Boost
Quadrtico com a clula de comutao teve um rendimento superior ao mesmo
conversor sem a clula de comutao suave.
1.1 MOTIVAO
Atualmente muito se fala em utilizao de novas fontes energticas para
suprir a alta demanda de energia do planeta, porm para utilizar essas fontes
alternativas geralmente a energia deve ser processada para que ela atinja os
consumidores na amplitude e na forma desejada.
O grande desafio de utilizar essas modalidades de gerao de energia que
quase sempre elas produzem a energia eltrica com baixos nveis de tenso, em
forma no senoidal e quase nunca com um valor contnuo em seus terminais de
sada. Com isso se faz necessrio meios para elevar a amplitude da tenso
utilizando-se de conversores de tenso e caso seja necessrio transform-la de um
sinal contnuo no tempo em senoidal deve-se implementar inversores de frequncia.
Com isso, evidencia-se a motivao de desenvolver e estudar topologias e
sistemas de controle desses dispositivos possibilitando a maximizao do
rendimento, aumentando a densidade de potncia e obtendo altos ganhos estticos.
-
21
Foco este que motiva as pesquisas nessa rea, para que assim possa ser
apresentando sociedade novas alternativas para explorao energtica no planeta.
1.2 JUSTIFICATIVAS
Os primeiros conversores de tenso apresentados na literatura dispunham
de baixo rendimento, diminuta densidade de potncia e reduzidos ganhos estticos,
o que limitavam suas aplicaes prticas.
Com isso, observou-se a necessidade de aumentar a frequncia de
chaveamento dos elementos semicondutores responsveis por controlar as etapas
de funcionamento desses dispositivos, pois quanto mais rpidos os ciclos de
converso acontecem menores so os componentes de filtro (capacitores e
indutores) tanto em valores nominais intrnsecos como em valores de dimenses
fsicas, melhorando assim a densidade de potncia das topologias e dessa forma
possibilitando o desenvolvimento e comercializao de equipamentos eletrnicos
menores e menos pesados no mercado consumidor.
Porm essa alta frequncia faz com que haja a emisso de rudos gerados
por interferncias eletromagnticas (EMI) que interferem no circuito, reduzindo o
rendimento final do conversor. A EMI produzida, pois as chaves so fechadas e
abertas abruptamente com corrente e tenso em seus terminais causando um o
estresse de comutao, o que justifica a utilizao da comutao suave para obter
uma comutao com zero de corrente ou tenso na chave principal do conversor.
1.3 OBJETIVOS
O objetivo principal desta dissertao :
I. Estudo, projeto e construo em laboratrio de um conversor CC-CC
com 19 V de entrada 211 V de sada, 300 W, que utiliza uma
configurao Boost quadrtica, com uma clula ressonante para
comutao ZVT;
II. Investigar o funcionamento da Topologia do conversor Boost
Quadrtico juntamente com a clula de comutao suave;
-
22
III. Comparar os dados tericos com os resultados prticos, verificar a
eficincia energtica da topologia proposta com e sem comutao
suave.
1.4 TRABALHOS PUBLICADOS
Como resultado desta pesquisa realizada durante o desenvolvimento da
Dissertao do curso de Mestrado em Engenharia Eltrica foi publicado no XXXIII
International SODEBRAS Congress, um artigo intitulado: Conversor Boost
Quadrtico com Clula de Comutao Suave, posteriormente na revista online da
SODEBRAS (Solues para o desenvolvimento do pas) Volume 10 Nmero 111 -
Maro de 2015.
-
23
2 TOPOLOGIA PROPOSTA
O desenvolvimento dos conversores chaveados s foi possvel devido ao
tambm desenvolvimento dos semicondutores, que so hoje dispositivos
fundamentais na eletrnica de potncia, funcionando como chaves automticas que
possibilitam um controle em relao carga e descarga dos elementos de filtros
como os indutores e capacitores. O primeiro semicondutor acionado por um gatilho
foi o tiristor, isso ocorreu na dcada de 60 quando tambm surgiram os primeiros
conversores de tenso, j na dcada de 70 foi desenvolvido o MOSFET, que
possibilitou o chaveamento em altas frequncias, trazendo benefcios para a
engenharia como: maior eficincia energtica e reduo no tamanho dos elementos
de filtro, dessa forma foi possvel aliar alto nvel de transferncia de energia a
circuitos menores e menos pesados.
2.1 APLICAO DOS CONVERSORES CC-CC
Como j dito anteriormente existe uma tendncia mundial para o
aprimoramento e disseminao de fontes de energia renovveis, as quais
possibilitem uma substituio gradual da matriz energtica mundial que atualmente
proveniente de combustveis fsseis.
O uso intensivo do petrleo e carvo mineral trazem alguns efeitos
colaterais ao meio ambiente e nos dois ltimos sculos este consumo excessivo fez
com que houvesse mudanas climticas no planeta terra o que acelerou o fenmeno
do aquecimento global e o efeito estufa.
As principais fontes de energia alternativas so: energia solar, energia
elica, energia proveniente das mars, clulas combustveis, micro-turbinas e a
energia produzida atravs da gaseificao de biomassas, (figura 2.1), porm o alto
valor de implementao destas tecnologias e os baixos rendimentos energticos que
as mesmas propiciam limitam a aplicao desses sistemas e devido a estes fatores
(alto custo e o baixo rendimento) tem havido um esforo dos pesquisadores
envolvidos no assunto, com o propsito de minimizar esses impactos, entretanto, a
rea da engenharia eltrica encarregada de pesquisar ferramentas e topologias de
circuitos que maximizam o rendimento do processo de gerao da energia,
processamento energtico e distribuio final aos consumidores.
-
Figura 2.1 Painel fotovoltaico, turbina elica, clula combustvel e micro turbina.
Fonte: Imagens da Internet
Para que a en
consumidor final e possa ser utilizada
nos mais diversos setores
e esse processamento implicar principa
amplitude do sinal e na ligao dela com o sistema de distribuio comercial.
Por exemplo, um painel fotovoltaico que
a energia solar em eltrica
semicondutor (clula fotovoltaica)
sada com valores entre 12
(rea e quantidade de clulas
variao na qual est estritamente ligada a temperatura e
maior variao estar na corrente)
conversor elevador para
comerciais, como os de baixa tenses que so: 127, 220 e 380V. Alm disso,
tenso e corrente sero
conversor CC-CA (inversor de frequncia
comercialmente utilizada
Figura 2.2 Processo de produo e utilizao da energia solar
Fonte: Dallamuta (2014)
Painel fotovoltaico, turbina elica, clula combustvel e micro turbina.
Para que a energia gerada por essas fontes alternativas
consumidor final e possa ser utilizada em residncias, nos comrcios e at mesmo
nos mais diversos setores industriais, ela deve ser processada ao longo do caminho
esse processamento implicar principalmente na forma de onda gerada, na
na ligao dela com o sistema de distribuio comercial.
Por exemplo, um painel fotovoltaico que possui a caracterstica de
a energia solar em eltrica atravs da incidncia dos raios solare
semicondutor (clula fotovoltaica), fabricado para produzir energia com tenses
entre 12V e 48V, valor esse que depende do processo construtivo
(rea e quantidade de clulas utilizadas), porm a tenso na sada ainda
estritamente ligada a temperatura e a radiao solar
maior variao estar na corrente), desse modo esse painel
para suspender os valores de tenso em sua sada nveis
como os de baixa tenses que so: 127, 220 e 380V. Alm disso,
nte sero contnuas no tempo sendo necessria
inversor de frequncia) para que ser convertida em
comercialmente utilizada.
rocesso de produo e utilizao da energia solar
(2014)
24
Painel fotovoltaico, turbina elica, clula combustvel e micro turbina.
alternativas chegue ao
comrcios e at mesmo
ela deve ser processada ao longo do caminho
lmente na forma de onda gerada, na
na ligao dela com o sistema de distribuio comercial.
a caracterstica de converter
atravs da incidncia dos raios solares em um material
para produzir energia com tenses na
do processo construtivo
porm a tenso na sada ainda pode sofrer
a radiao solar (porm a
painel depender de um
de tenso em sua sada nveis
como os de baixa tenses que so: 127, 220 e 380V. Alm disso, a
sendo necessrias passar por um
convertida em alternada e
-
25
A chave esttica apresentada no fluxograma da figura (2.2), tem a funo de
fazer a conexo da rede com o sistema de gerao, com intento de controlar o fluxo
de potncia entre elas. O presente trabalho ter foco nos conversores CC/CC
elevadores que so apenas uma parte desse processamento energtico.
2.2 SINAL DE COMANDO DOS MOSFET
Os MOSFET so dispositivos eletrnicos, construdos com um material
especfico (silcio, glio arsnico e diamante), que do a eles a caracterstica
semicondutora, possibilitando que os mesmos funcionem como chaves automticas
controladas. Para acionar a chave necessrio que seja injetado em seu porto
(gate) um sinal de tenso fazendo com que a resistncia no caminho entre os
terminais de entrada (dreno) e sada (source) tenha sua caracterstica alterada,
podendo ou no conduzir corrente eltrica. A principal caracterstica do MOSFET
que ele conduz e deixa de conduzir em uma faixa de tempo muito pequeno, fator
esse que faz com que sua utilizao prtica seja amplamente difundida. Existem
chaves semicondutoras de juno PN onde a mesma passa a conduzir quando o
sinal em seu terminal de acionamento esta em nvel lgico alto, e os NP que
bloqueiam quando o sinal no gate alto.
Em fontes chaveadas so utilizadas diferentes forma de modulao, sendo
que a mais comum a modulao por largura de pulso (PWM), o sinal PWM
utilizado para controlar os MOSFET uma onda quadrada de tenso (figura 2.3) que
possui dois nveis lgicos (nvel lgico mximo e nvel lgico mnimo) geralmente
so 0 e 10V (podendo variar dependendo do processo construtivo do semicondutor).
Um sinal PWM possui um tempo de durao 3 fixo variando apenas o tempo ligado denominado 3,+ que o tempo em que o sinal fica em nvel lgico alto.
-
Figura 2.
Fonte
A razo cclica
chave conduz e o tempo total de um ciclo
2.3 CONVERSOR BOOST
O conversor elevador mais utilizado
se de uma topologia simples e com baixo nmero de componentes
porm o seu ganho limitado, principalmente para razes cclicas acima de 0,7
devido s perdas por conduo
elementos de filtro.
A equao do ganho
(2.1) onde D a razo cclica
Figura 2.3 Exemplos de um ciclo de sinal PWM
Fonte: o prprio autor
a denominao dada razo entre
tempo total de um ciclo, conforme expresso (2
N O3,+3 P OOST CONVENCIONAL
O conversor elevador mais utilizado segundo BARBI (2007)
de uma topologia simples e com baixo nmero de componentes
limitado, principalmente para razes cclicas acima de 0,7
perdas por conduo e ao tempo muito pequeno para descarga dos
A equao do ganho esttico do conversor Boost mostrada na equao
.1) onde D a razo cclica do mesmo.
9,-.9*+ N O 11 Q P
26
a denominao dada razo entre o tempo em que a
expresso (2.0).
(2.0)
segundo BARBI (2007) o Boost, trata-
de uma topologia simples e com baixo nmero de componentes (Figura 2.4),
limitado, principalmente para razes cclicas acima de 0,7
ao tempo muito pequeno para descarga dos
r Boost mostrada na equao
(2.1)
-
Figura 2.4
Fonte: o prprio a
O conversor Boost possui basicamente duas etapas de funcionamento, a
primeira quando a chave
alimentada pelo capacitor 21 deixa de conduzir e o indutor transfere energia para a cargaNa figura (2.5) tm
nessa figura o conversor est configurado em um sistema de conduo contnua,
seja, a corrente no indutor nunca
Figura 2.5
Fonte: o prprio
A curva com o ganho do c
(2.6).
4 Topologia do conversor Boost
o prprio autor
O conversor Boost possui basicamente duas etapas de funcionamento, a
primeira quando a chave 21 est fechada, o indutor %1 armazena energia e a carga alimentada pelo capacitor 1, D1 est bloqueado, e a segunda quando a chave
deixa de conduzir e o indutor transfere energia para a carga atravs de D1
tm-se as formas de onda terica para o co
o conversor est configurado em um sistema de conduo contnua,
a corrente no indutor nunca se anula.
5 Formas de ondas do conversor Boost.
o prprio autor
A curva com o ganho do conversor Boost visualizada graficamente
27
O conversor Boost possui basicamente duas etapas de funcionamento, a
armazena energia e a carga
e a segunda quando a chave
atravs de D1.
as formas de onda terica para o conversor Boost,
o conversor est configurado em um sistema de conduo contnua, ou
visualizada graficamente na figura
-
28
Figura 2.6 Curva caracterstica do ganho do conversor Boost.
Fonte: o prprio autor
Nos ltimos trinta anos muito tem se trabalhado na topologia base de
conversor (MELO, 1996) buscando aprimorar o seu circuito e melhorar o seu
rendimento. Existem vrios grupos de pesquisas espalhados pelo mundo,
principalmente em pases da Europa, sia e Amrica como: ndia, China, Coria e
no Brasil, que aps anos de pesquisas j chegaram h resultados considerveis.
importante salientar que com essas pesquisas surgiram diferentes
topologias de conversores isolados e no isolados, apresentando caractersticas de
conduo contnua e conduo descontnua, comutao suave e forada,
conversores entrelaados e outros. Desta forma, todas as topologias desenvolvidas
apresentam caractersticas prprias e suas aplicaes so estabelecidas atravs
dos critrios de cada projeto, como potncia, ganho, nveis de tenso e etc.
2.4 CONVERSOR BOOST EM CASCATA E BOOST QUADRTICO
Para minimizar os problemas do conversor Boost foi desenvolvida uma
topologia que funciona com a associao de dois conversores Boost em srie
-
(BARRETO, 2003) como pode ser visto na
Boost 01 (primeiro estgio)
possvel obter um maior ganho de tenso, fazendo com que no haja a necessidade
de trabalhar com razes cclicas
comutao.
Dessa forma possvel
o destaque da topologia. N
tenso para esse circuito.
Figura 2.7 Conversores Boost em cascata
Fonte: Barreto (2003)
A dificuldade dessa topologia que seu circuito volumoso, sendo
necessrias duas chaves semicondutoras para realizar os ciclos
energia corretamente. P
onde foi possvel eliminar um dos semicondutores trocando o mesmo por um diodo,
(BARRETO, 2003) como pode ser visto na figura (2.7). Desse modo
Boost 01 (primeiro estgio) a entrada do Boost 02 (segundo estgio), com isso
possvel obter um maior ganho de tenso, fazendo com que no haja a necessidade
de trabalhar com razes cclicas tendendo a unidade, reduzindo as perdas por
Dessa forma possvel obter o ganho quadrtico, carac
a topologia. Na equao (2.2) apresentada e equao do ganho de
tenso para esse circuito.
9,-.9*+ N O 11 Q P
Conversores Boost em cascata
A dificuldade dessa topologia que seu circuito volumoso, sendo
necessrias duas chaves semicondutoras para realizar os ciclos
energia corretamente. Porm foi apresentado um novo circuito para esse conversor
onde foi possvel eliminar um dos semicondutores trocando o mesmo por um diodo,
29
. Desse modo a sada do
2 (segundo estgio), com isso foi
possvel obter um maior ganho de tenso, fazendo com que no haja a necessidade
reduzindo as perdas por
caracterstica essa que
apresentada e equao do ganho de
(2.2)
A dificuldade dessa topologia que seu circuito volumoso, sendo
necessrias duas chaves semicondutoras para realizar os ciclos de converso de
orm foi apresentado um novo circuito para esse conversor
onde foi possvel eliminar um dos semicondutores trocando o mesmo por um diodo,
-
surgindo assim o conversor Boost Quadrtico
que as duas etapas de converso so moduladas pela razo cclica de apenas uma
chave.
O conversor Boost Quadrtico
etapas de funcionamento que o Boost comu
dois conversores em srie
conduz existe apenas o armazenamento de energia por parte dos indutores
L2), a fonte transfere energia para
transfere energia para a carga e D
etapa a chave S1 deixa de conduzir e a energia armazenada em
e so fornecidas para a carga
o produto do ganho de cada estgio.
Figura 2.8 Conversor Boost Quadrtico.
Fonte: o prprio autor
Na figura (2.9) pode se observar a diferena entre o co
convencional e o Boost Q
0,7 no conversor Boost conve
Quadrtico esse ganho de aproximadamente 11 vezes
o conversor Boost Quadrtico, demonstrado na
que as duas etapas de converso so moduladas pela razo cclica de apenas uma
O conversor Boost Quadrtico (BARRETO, 2005) tambm possui as duas
etapas de funcionamento que o Boost comum detm, porm tudo acontece
dois conversores em srie (Boost I e Boost II). Na primeira etapa quando a chave S1
conduz existe apenas o armazenamento de energia por parte dos indutores
, a fonte transfere energia para %1 e 1 transfere energia para e energia para a carga e D1 e DA permanecem bloqueados; na segunda
deixa de conduzir e a energia armazenada em
e so fornecidas para a carga atravs de DA. Dessa forma o ganho de tens
cada estgio.
nversor Boost Quadrtico.
) pode se observar a diferena entre o co
convencional e o Boost Quadrtico em relao ao ganho. Para um
o conversor Boost convencional tem-se um ganho de 3,3;
de aproximadamente 11 vezes.
30
, demonstrado na figura (2.8), sendo
que as duas etapas de converso so moduladas pela razo cclica de apenas uma
tambm possui as duas
m detm, porm tudo acontece para os
apa quando a chave S1
conduz existe apenas o armazenamento de energia por parte dos indutores (L1 e
transfere energia para %2, j 2 permanecem bloqueados; na segunda
deixa de conduzir e a energia armazenada em %1 e %2 se somam . Dessa forma o ganho de tenso final
) pode se observar a diferena entre o conversor Boost
ara uma razo cclica de
3,3; j para o Boost
-
31
Figura 2.9 Curvas com o ganho do conversor Boost comum e o Boost Quadrtico.
Fonte: O prprio autor.
2.5 CONVERSOR BOOST QUADRTICO DE TRS NVEIS
A eletrnica de potncia uma rea da engenharia que est em constante
aprimoramento e o desenvolvimento de uma nova topologia faz com que novos
pontos a serem melhorados surgem constantemente. Um exemplo disso o
conversor Boost Quadrtico de Trs Nveis (NOVAES, 2006), sua topologia foi
desenvolvida baseada no conversor Boost Quadrtico (Figura 2.8), e seu objetivo foi
o de reduzir a tenso suportada durante o bloqueio da chave principal.
Para isso foi necessrio o acrscimo de uma chave semicondutora
controlada (Figura 2.10), dessa forma a tenso nos terminais dreno e source tanto
de S1 quanto de S2 menor do que a tenso de sada do conversor, o que faz com
que a potncia dissipada por esses semicondutores sejam inferiorers a do caso
anterior. A desvantagem dessa topologia que a corrente em S2 sofre um aumento
e o ganho que ele apresenta no exatamente quadrtico.
O ganho esttico mostrado na expresso (2.3) onde possvel observar a
presena de uma constante lambda MG, essa constante a relao da diferena da
-
razo cclica de S2 e S1.
comando de S2 sempre ser menor que o de S1
lambda igual a um, pois o tempo em conduo
outra, dessa forma o ganho esttico desse conversor sempre ser menor do que a
do conversor Boost Quadrtico.
Figura 2.10 Conversor Boost Quadrtico de trs
Fonte: Novaes (2006)
J na figura (2.11
possvel observar a defasagem que existe entre as duas chaves,
possvel verificar a forma de onda da corrente nos indutores
razo cclica de S2 e S1. Para o bom funcionamento da topologia
comando de S2 sempre ser menor que o de S1, entretanto
, pois o tempo em conduo das chaves sero
dessa forma o ganho esttico desse conversor sempre ser menor do que a
do conversor Boost Quadrtico.
V=S?VTB N DM Q 1 W 1MD Q 1MD Q 1 Conversor Boost Quadrtico de trs nveis.
2.11) observam-se os sinais de comando dos interruptores
possvel observar a defasagem que existe entre as duas chaves,
possvel verificar a forma de onda da corrente nos indutores.
32
ara o bom funcionamento da topologia o pulso de
, entretanto nunca se ter um
das chaves sero diferentes uma da
dessa forma o ganho esttico desse conversor sempre ser menor do que a
(2.3)
dos interruptores, nela
possvel observar a defasagem que existe entre as duas chaves, alm disso,
-
Figura 2.11 Formas de ondas do ccontnua.
Fonte: Novaes (2006)
Por sua vez na
ganho do conversor Boost Quadrtico
modulao do segundo
de 0,7 o conversor Boost Qu
vezes a tenso de entrada,
de 9 vezes.
s de ondas do conversor Boost Quadrtico de trs nveis
figura (2.12) encontra-se a comparao
o conversor Boost Quadrtico e Boost Quadrtico de
foi utilizado um G N 0,9, desse modo para uma razo cclica o conversor Boost Quadrtico obtm um ganho de aproximadamente 11
a tenso de entrada, enquanto que para o de Trs nveis essa valor
33
onversor Boost Quadrtico de trs nveis para conduo
comparao entre as curvas de
e Boost Quadrtico de trs Nveis, para a
ra uma razo cclica
um ganho de aproximadamente 11
enquanto que para o de Trs nveis essa valor prximo
-
34
Figura 2.12 Curva de ganho do conversor Boost Quadrtico, Boost Quadrtico de Trs Nveis e do Boost Comum.
Fonte: Novaes (2006)
2.6 CONVERSOR BOOST SEMIQUADRTICO
Tambm j foi apresentado na literatura um conversor denominado Boost
Semi Quadrtico (CABRAL, 2013) essa topologia foi derivada do conversor Boost
Quadrtico com apenas um interruptor e do conversor Boost Quadrtico de trs
nveis, sua proposta fazer com que a corrente na chave principal no sofra um
aumento assim como ocorre no de trs nveis, sendo o valor da corrente que passa
pelas chaves de comando exatamente a corrente de L1 e L2, alm disso, que a
tenso nas chaves de comando seja metade da tenso de sada ( 9,-.).
Para isso foi necessrio utilizar dois capacitor de filtro de sada, e assim
como no conversor de trs nveis foi implementado duas chaves semicondutoras
(figura 2.13), para que com uma modulao adequada fizessem com que todas as
etapas de converso ocorressem de forma a fornecer sada um elevado ganho
esttico. A dificuldade desse circuito de potncia que o ganho de tenso no
quadrtico e sim, semiquadrtico, pois para uma razo cclica de 0,5 o ganho desse
-
conversor ser exatamente a metade do ganho total do conversor Boost Quadrtico.
A expresso que dimensiona o ganho
conversor mostrada em (2
J para razes cclica
ganho esttico apresentada em 2
9
Figura 2.13 Conversor Boost
Fonte: o prprio autor
Tambm na figura
conversor Semi-Quadrtico e do Q
cclica d = 0,5 o ganho do Boost Semi
Quadrtico possui um ganho de
do primeiro, alm disso, no grfico esto presentes as
Boost Comum e do conversor Boost Quadrtico de Trs Nveis
conversor ser exatamente a metade do ganho total do conversor Boost Quadrtico.
nsiona o ganho para razes cclicas maiores que 0,5
em (2.4).
9,-.9*+ M Z 0,5 N 12M1 Q
J para razes cclicas menores do que 0,5 a equao
anho esttico apresentada em 2.5.
9,-.9*+ M \ 0,5 N 1M2. Q M2. W 1 Conversor Boost Semi-Quadrtico.
Tambm na figura (2.14) comparado as curvas do ganho de tenso do
Quadrtico e do Quadrtico, pode se observar que para uma razo
anho do Boost Semi-Quadrtico de duas vezes
Quadrtico possui um ganho de quatro vezes, sendo o ganho do segundo
, alm disso, no grfico esto presentes as curvas de ganho
Boost Comum e do conversor Boost Quadrtico de Trs Nveis.
35
conversor ser exatamente a metade do ganho total do conversor Boost Quadrtico.
para razes cclicas maiores que 0,5 desse
(2.4)
s menores do que 0,5 a equao que dimensiona o
(2.5)
urvas do ganho de tenso do
ar que para uma razo
uadrtico de duas vezes, j o Boost
ganho do segundo o dobro
curvas de ganho do conversor
-
36
Figura 2.14 Comparao do ganho do conversor Boost Semi Quadrtico.
Fonte: o prprio autor
J a figura (2.15) apresenta as principais forma de onda do conversor Boost
semi-quadrtico, sendo que essas ondas so para uma razo cclica superior a 0,5 e
para o sistema de conduo contnua, ou seja, a corrente nos indutores nunca
chegaram zero.
-
Figura 2.15 Principais formas de onda do Conversor Boost Semicontnua e d>0,5.
Fonte: Cabral (2013)
Dessa forma na Tabela 2.1 encontra se o comparativo entre as vantagens e
desvantagens das topologias de conversores de tenso apresentado no estudo da
arte.
Principais formas de onda do Conversor Boost Semi-Quadrtico
Dessa forma na Tabela 2.1 encontra se o comparativo entre as vantagens e
desvantagens das topologias de conversores de tenso apresentado no estudo da
37
Quadrtico para conduo
Dessa forma na Tabela 2.1 encontra se o comparativo entre as vantagens e
desvantagens das topologias de conversores de tenso apresentado no estudo da
-
38
Tabela 2.1 Comparativo das vantagens e desvantagens das topologias de conversores apresentados no captulo 2.
Tabela Comparativa
Topologia Vantagens Desvantagens
Conversor
Boost Comum
Circuito simplificado Baixo Ganho esttico
Baixa perda por estresse de
chaveamento
Ganho infinito para razes
cclicas elevadas
Perdas por conduo
Conversor
Boost em
Cascata
Alto ganho esttico
Elevadas perdas por estresse
de chaveamento
Tenso na chave principal igual
tenso de sada
Baixo rendimento
Circuito complexo
Conversor
Boost
Quadrtico
Circuito simplificado
Elevadas perdas por estresse
de chaveamento
Baixo rendimento
Alto Ganho esttico
Tenso na chave principal igual
a tenso de sada
Circuito complexo
Conversor
Boost de trs
Nveis
Alto ganho esttico Ganho inferior ao Quadrtico
devido ao Teso na chave principal menor
que a da sada
Perda por estresse de
chaveamento reduzido
Alta corrente na chave
controlada
Circuito complexo
Conversor
Boost Semi-
Quadrtico
Baixa corrente na chave controlada Ganho Semi-quadrtico
Perda por estresse de
chaveamento reduzido
Circuito complexo Tenso na chave principal igual
metade da tenso de sada
Fonte: o prprio autor
-
2.7 CLULA DE COMUTAO S
Como j foi exposto, outro fator fundamental quando
CC-CC a frequncia com que a chave comutada.
chaveamento foi possibilitada
capacidade de conduo e bloqueio, esses semicondutores so conhecidos como
MOSFET e sua frequncia de operao pode chegar
quando se trabalha com altas frequncias existe
elevadas taxas de rudo geradas por EM
Para minimizar
aplicadas em conversores Boost e
2013) como: os snubbers
limitaes de carga e dificuldade de controle
exemplos de dispositivos que auxilia
conversores.
2.7.1 Nova clula ZCT-PWM para conversor com reduzidas perdas por conduo e estresse de corrente.
Assim como os conversores
amplamente estudadas
distintas caractersticas j fora
exemplo a ilustrada na figura (2.16
por uma equipe de estudos do colgio de engenharia eltric
Zhejiang na China e aplicada em um conversor Boost
diodo dois indutores um capa
Figura 2.16 Conversor Boost com a
Fonte: Wu et al. (2010)
LULA DE COMUTAO SUAVE
Como j foi exposto, outro fator fundamental quando se fala de conversores
ncia com que a chave comutada. A
chaveamento foi possibilitada com o desenvolvimento de semicondutores com alta
capacidade de conduo e bloqueio, esses semicondutores so conhecidos como
ua frequncia de operao pode chegar casa dos MHz. Toda
quando se trabalha com altas frequncias existe um stress de chaveamento
taxas de rudo geradas por EMI.
esses problemas existem algumas tcnicas que j foram
em conversores Boost e at mesmo nos Boost Quadrticos
os snubbers e os conversores quase ressonantes,
limitaes de carga e dificuldade de controle. A seguir sero
exemplos de dispositivos que auxiliam a comutao da chave principal de
PWM para conversor com reduzidas perdas por conduo e estresse de corrente.
Assim como os conversores, as clulas de comutao suave tm sido
nas academias, sendo que diferentes configuraes
distintas caractersticas j foram apresentada a sociedade cient
plo a ilustrada na figura (2.16) (WU et al., 2010), essa clula foi desenvolvida
por uma equipe de estudos do colgio de engenharia eltrica da universidade de
e aplicada em um conversor Boost, a mesma composta por um
diodo dois indutores um capacitor e uma chave semicondutora.
Conversor Boost com a nova clula ZCT-PWM.
(2010)
39
se fala de conversores
Alta frequncia de
com o desenvolvimento de semicondutores com alta
capacidade de conduo e bloqueio, esses semicondutores so conhecidos como
casa dos MHz. Todavia
um stress de chaveamento e
esses problemas existem algumas tcnicas que j foram
at mesmo nos Boost Quadrticos (BARBOSA,
, porm apresentam
r sero citados alguns
m a comutao da chave principal de
PWM para conversor com reduzidas perdas por conduo e
as clulas de comutao suave tm sido
diferentes configuraes com
m apresentada a sociedade cientfica mundial, um
, essa clula foi desenvolvida
a da universidade de
, a mesma composta por um
-
A funo dessa clula fazer com que a corrente na chave principal
esteja com a polaridade invertida no momento em que ela passa do estado de no
conduo para o de conduo
antiparalelo interno da chave, dessa
momento da comutao
comutao sejam minimizad
Figura 2.17 Formas de Onda do Conversor Boost com a
Fonte: Wu et al. (2010)
O que torna o circuito
do semicondutor ressonante
figura (2.17), como se deseja trabalhar com uma alta frequncia
projeto para assim melhorar a de
montagem prtica e o controle do mesmo,
seria ainda maior, o que afetaria
drives de acionamento que possuem
essa clula possui dois indutores o que faz com que ele se torne robusto
pesado, reduzindo assim a densidade de potncia
a clula fazer com que a corrente na chave principal
com a polaridade invertida no momento em que ela passa do estado de no
conduo para o de conduo ou vice e versa, e que essa corrente
interno da chave, dessa forma a potncia dissipada pela chave
momento da comutao nula, fazendo com que as perda
minimizadas.
Formas de Onda do Conversor Boost com a nova clula ZCT
(2010)
o circuito no muito interessante a frequncia de chaveamento
do semicondutor ressonante, pois ela o dobro da de operao do conversor
, como se deseja trabalhar com uma alta frequncia
melhorar a densidade de potncia, isso poderia dificultar
montagem prtica e o controle do mesmo, pois a frequncia da chave ressonante
o que afetaria os componentes tanto semicondutores como
que possuem um tempo de resposta limitado
essa clula possui dois indutores o que faz com que ele se torne robusto
pesado, reduzindo assim a densidade de potncia.
40
a clula fazer com que a corrente na chave principal MS1 com a polaridade invertida no momento em que ela passa do estado de no
e que essa corrente flua pelo diodo
potncia dissipada pela chave no
as perdas pelo o stress de
nova clula ZCT-PWM.
a frequncia de chaveamento
o dobro da de operao do conversor da
, como se deseja trabalhar com uma alta frequncia na topologia em
isso poderia dificultar a
pois a frequncia da chave ressonante
tanto semicondutores como os
a limitado. Alm disso,
essa clula possui dois indutores o que faz com que ele se torne robusto, maior e
-
2.7.2 Clula ZVT-ZCT PWM para conversores CC
Tambm foi desenvolvida no departamento de engenhari
universidade tcnica de Yildiz na Turquia
simples e com um menor custo
2005), ela possui a caracterstica de proporcionar a chave principal um acionamento
com uma tenso zero (ZVT) e um desligamento com uma corrente igual
(ZCT). Esse circuito composto apenas por
chave semicondutora (Figura 2.18
Figura 2.18 Conversor Boost
Fonte: Bakan, Bodur e Aksoy (2005)
A dificuldade n
trabalhar com o dobro da frequncia para chave ressonante,
ressonante M est em paralelo com a chave principal, sendo assim ovalor de tenso aplicado na chave esta sobre ele, o que faz com que o mesmo
precise de uma maior taxa de isolao, o que implicaria no tamanho do componente
o que afetaria diretamente a densidade de potncia final
ZCT PWM para conversores CC-CC.
desenvolvida no departamento de engenhari
universidade tcnica de Yildiz na Turquia uma clula de comutao
e com um menor custo em relao anterior (BAKAN; BODUR; AKSOY,
a caracterstica de proporcionar a chave principal um acionamento
tenso zero (ZVT) e um desligamento com uma corrente igual
composto apenas por dois capacitores, um indutor e uma
(Figura 2.18).
Conversor Boost com a Clula ZVT- ZCT PWM para conversores
, Bodur e Aksoy (2005)
A dificuldade no circuito novamente passa ser a necessidade de se
trabalhar com o dobro da frequncia para chave ressonante, alm disso,
em paralelo com a chave principal, sendo assim o
valor de tenso aplicado na chave esta sobre ele, o que faz com que o mesmo
precise de uma maior taxa de isolao, o que implicaria no tamanho do componente
o que afetaria diretamente a densidade de potncia final.
41
desenvolvida no departamento de engenharia eltrica da
uma clula de comutao suave mais
(BAKAN; BODUR; AKSOY,
a caracterstica de proporcionar a chave principal um acionamento
tenso zero (ZVT) e um desligamento com uma corrente igual zero
, um indutor e uma
a conversores.
o circuito novamente passa ser a necessidade de se
alm disso, o capacitor
em paralelo com a chave principal, sendo assim o mesmo
valor de tenso aplicado na chave esta sobre ele, o que faz com que o mesmo
precise de uma maior taxa de isolao, o que implicaria no tamanho do componente
-
Figura 2.19 Formas de ondas do Conversor Boost com a Clula ZVT
Fonte: A Bakan, Bodur e Aksoy (2005)
2.7.3 Clula de comutao suave utilizado no estudo
Este trabalho prope a utilizao
desenvolvida na Universidade Federal
l no conversor Boost Quadrtico,
topologia. A clula de comutao suave composta por uma chave, um indutor e um
capacitor tendo todas as
(2.20).
Figura 2
Fonte
de ondas do Conversor Boost com a Clula ZVT ZCT PWM
Bakan, Bodur e Aksoy (2005)
de comutao suave utilizado no estudo.
Este trabalho prope a utilizao de uma clula de comutao suave
na Universidade Federal de Uberlndia (VILELA et al.
sor Boost Quadrtico, analisando os benefcios que isso
topologia. A clula de comutao suave composta por uma chave, um indutor e um
todas as caractersticas ressonantes como pode ser visto na f
Figura 2.20 Clula de comutao suave.
Fonte: Vilela et al. (1996)
42
ZCT PWM
clula de comutao suave que foi
et al., 1996), e aplica -
os benefcios que isso agrega a
topologia. A clula de comutao suave composta por uma chave, um indutor e um
como pode ser visto na figura
-
A utilizao da clula de comutao suave no co
(figura 2.25) permitir que a chave principal (S1) seja comu
nula (ZVS) ou uma corrente igual
dessa forma a chave no sofrer esforos para conduzir e deixar de conduzir
corrente eltrica, fazendo com que as perdas por comutao sejam eliminadas
minimizadas.
Essa clula j foi apresentada na literatura
Boost entrelaado (CES
Boost entrelaada (dois boost em
porm esse conversor no
sua utilizao para tenses muito elevadas em sua sada
entrada.
Figura 2.21 Topologia do conversor Boost Entrelaado com Clula de comutao suave
Fonte: Cezar (2004)
As principais formas
semelhantes a do conversor boost comum
(2.22). Uma das diferenas
A utilizao da clula de comutao suave no conversor Boost Quadrtico
permitir que a chave principal (S1) seja comutada com u
uma corrente igual zero (ZCS), ou seja, S1 ter comutao suave,
dessa forma a chave no sofrer esforos para conduzir e deixar de conduzir
corrente eltrica, fazendo com que as perdas por comutao sejam eliminadas
foi apresentada na literatura e utilizada em
(CESAR, 2004) a figura (2.21) mostra a topologia de conversor
Boost entrelaada (dois boost em paralelos) com uma comuta
porm esse conversor no apresenta um elevado ganho esttico
sua utilizao para tenses muito elevadas em sua sada ou muito baixa em sua
Topologia do conversor Boost Entrelaado com Clula de
formas de onda obtida no conversor Boost entrelaado so
semelhantes a do conversor boost comum, elas podem ser observadas na figura
das diferenas que realizando o entrelaamento a tenso processada
43
sor Boost Quadrtico
tada com uma tenso
ou seja, S1 ter comutao suave,
dessa forma a chave no sofrer esforos para conduzir e deixar de conduzir
corrente eltrica, fazendo com que as perdas por comutao sejam eliminadas ou
e utilizada em um conversor
a topologia de conversor
paralelos) com uma comutao ZVT ou ZCT,
senta um elevado ganho esttico o que impossibilita
ou muito baixa em sua
Topologia do conversor Boost Entrelaado com Clula de
de onda obtida no conversor Boost entrelaado so
elas podem ser observadas na figura
que realizando o entrelaamento a tenso processada
-
por cada brao a metade da potncia de sada, desse modo
repetem para cada brao
2014).
O interessante da clula de comutao em questo que a frequncia da
chave ressonante (que faz parte da
chave principal, o que facilitar no momento da montagem do prottipo, j o
capacitor ressonante no est em paralelo com a chave principal e sim como o
indutor tambm ressonante.
Figura 2.22 formas de onda convercomutao suave
Fonte: Cezar (2014)
No converso Boost Quadrtico que a topologia em questo neste trabalho
tambm j foram feitos alguns trabalhos para minimizar o
frequncia de chaveamento em cima da chave principal
(2.23) mostra um circuito que foi apresentado em uma dissertao de mestrado
intitulada Conversor Boost Quadrtico PWM com clula de auxilio a comutao SR
ZVS-QRC utilizando uma clula ZCS
cada brao a metade da potncia de sada, desse modo s
repetem para cada brao, porm com uma defasagem de 50% (
O interessante da clula de comutao em questo que a frequncia da
chave ressonante (que faz parte da clula de comutao suave) a mesma da
chave principal, o que facilitar no momento da montagem do prottipo, j o
capacitor ressonante no est em paralelo com a chave principal e sim como o
indutor tambm ressonante.
formas de onda conversor Boost Entrelaado com Clula de
No converso Boost Quadrtico que a topologia em questo neste trabalho
tambm j foram feitos alguns trabalhos para minimizar o stress
de chaveamento em cima da chave principal (VILEFORTE, 2011)
uito que foi apresentado em uma dissertao de mestrado
Conversor Boost Quadrtico PWM com clula de auxilio a comutao SR
ando uma clula ZCS-QRC.
44
s formas de onda se
com uma defasagem de 50% (DALLAMUTA,
O interessante da clula de comutao em questo que a frequncia da
clula de comutao suave) a mesma da
chave principal, o que facilitar no momento da montagem do prottipo, j o
capacitor ressonante no est em paralelo com a chave principal e sim como o
sor Boost Entrelaado com Clula de
No converso Boost Quadrtico que a topologia em questo neste trabalho
stress causado por alta
(VILEFORTE, 2011) a figura
uito que foi apresentado em uma dissertao de mestrado
Conversor Boost Quadrtico PWM com clula de auxilio a comutao SR-
-
A figura (2.24) mostra as principais formas de onda para o conversor, onde
possvel observar as caracterstica de modulao do mesmo e tambm a comutao
suave de S1.
Figura 2.23 Conversor Boost Quadrtico com clula de auxili
Fonte: Vileforte (2011)
Figura 2.24 Principais formas de ondas tericas do Conversor Boost Quadrtico com clula de auxilio a comuta
Fonte: Vileforte (2011)
mostra as principais formas de onda para o conversor, onde
possvel observar as caracterstica de modulao do mesmo e tambm a comutao
Conversor Boost Quadrtico com clula de auxilio a comuta
Principais formas de ondas tericas do Conversor Boost Quadrtico com clula de auxilio a comutao SR-ZVS-QRC.
(2011)
45
mostra as principais formas de onda para o conversor, onde
possvel observar as caracterstica de modulao do mesmo e tambm a comutao
o a comutao SR-ZVS-QRC.
Principais formas de ondas tericas do Conversor Boost Quadrtico com
-
46
A Tabela 2.2 mostra o comparativo entre as vantagens e desvantagens das
clulas de comutao suave apresentada no captulo dois.
Tabela 2.2 Comparativo das vantagens e desvantagens das topologias de clulas de comutao suave apresentados no captulo 2.
Tabela Comparativa
Topologia Vantagens Desvantagens
Nova clula
ZCT-PWM
Proporciona a comutao suave com
corrente zero na transio
Frequncia da chave ressonante
igual ao dobro da chave principal
Circuito complexo
Clula ZVT
ZCT PWM
Proporciona comutao suave com
corrente igual a zero na transio
Frequncia da chave ressonante
igual ao dobro da chave principal
Proporciona a comutao suave com
tenso igual zero na transio Circuito complexo
Clula de
comutao
suave (ZVT)
Proporciona a comutao suave com
tenso igual zero na transio
Transio com corrente na chave
principal Circuito simplificado
Frequncia da chave ressonante
igual a da chave principal
clula de
auxilio a
comutao
SR-ZVS-
QRC
Proporciona a conduo com tenso
igual a zero.
Transio com corrente na chave
principal
Frequncia da chave ressonante
igual a da chave principal Circuito complexo
Fonte: o prprio autor
2.8 CONVERSOR BOOST QUADRTICO COM CLULA DE COMUTAO SUAVE (ZCS-ZVT)
Atravs do estudo bibliogrfico pode-se definir a topologia que ser estuda
nesse trabalho (figura 2.25), como pode ser observado na clula apresentada nesse
projeto o capacitor ressonante esta em paralelo com o indutor tambm ressonante.
-
Figura 2.25 Topologia
Fonte: o prprio autor.
Tambm foi necessrio o acrscimo de uma chave auxiliar
diodo D2 figura (2.26). Essa chave ter a funo de evitar que haja conduo desse
diodo na etapa de ressonncia, o
principal durante sua comutao, impossibilitando uma comutao com
(ZVT).
Sendo assim, na figura (2.26) encontra
que ser analisado nesse trabalho.
Figura 2.26 Configurao final do conversor Boost Quadrtico co(ZCS-ZVT).
Fonte: o prprio autor
2.9 CONCLUSES
O captulo dois
bibliogrfica realizada durante o desenvolvimento do
Engenharia Eltrica e mostrar a
energia, atravs dele possvel identificar
Topologia do Conversor Boost Quadrtico com a Clula de comutao suave.
autor.
Tambm foi necessrio o acrscimo de uma chave auxiliar
. Essa chave ter a funo de evitar que haja conduo desse
diodo na etapa de ressonncia, o que faria com que surgisse uma tenso
principal durante sua comutao, impossibilitando uma comutao com
na figura (2.26) encontra-se a configurao final do conversor
analisado nesse trabalho.
nfigurao final do conversor Boost Quadrtico com clula de comutao Suave
tulo dois teve o intuito de demonstrar os resultados da pesquisa
bibliogrfica realizada durante o desenvolvimento do curso de mestrado
e mostrar a evoluo das tecnologias de
, atravs dele possvel identificar a metodologia de pesquisa adotada para
47
co com a Clula de comutao suave.
Tambm foi necessrio o acrscimo de uma chave auxiliar em srie com o
. Essa chave ter a funo de evitar que haja conduo desse
ria com que surgisse uma tenso na chave
principal durante sua comutao, impossibilitando uma comutao com tenso nula
configurao final do conversor
m clula de comutao Suave
demonstrar os resultados da pesquisa
rso de mestrado em
das tecnologias de processamento de
a metodologia de pesquisa adotada para
-
48
o projeto e o processo evolutivo que fez chegar a um modelo final de conversor na
qual ser analisada nos captulos subsequentes.
-
3 ANLISE QUALITATIVA
CONVERSOR BOOST QUAD
A seguir realizada
para um perodo MT de operao sendo que esse perodofrequncia de operao do mesmo
Para o projeto desse c
dessa forma o tempo de cada perodo
funcionamento descrito abaixo se repete em cada ciclo.
3.1 PRIMEIRA ETAPA
Figura 3.1- Primeira etapa (
Fonte: o prprio autor.
A primeira etapa de funcionamento comea quando a chave ressonante (SR)
fechada, dessa forma a corrente no indutor ressonante (LR) cresce linearmente at
que o mesmo seja igual corrente no indutor dois (L2)
indutor ressonante se iguala a cor
assim a primeira etapa, nessa fase a chave principal S1 e a chave auxiliar SA esto
bloqueadas.
ANLISE QUALITATIVA DAS ETAPAS DE FUNCIO
CONVERSOR BOOST QUADRTICO COM CLULA DE COMUTAO SUAVE
realizada a anlise qualitativa do conversor, e
de operao sendo que esse perodo determinado pela
o do mesmo, segundo a equao (3.1).
T N _ Para o projeto desse conversor foi utilizado uma frequ
essa forma o tempo de cada perodo T igual a 10us, e todas as etapas de funcionamento descrito abaixo se repete em cada ciclo.
Primeira etapa (
etapa de funcionamento comea quando a chave ressonante (SR)
fechada, dessa forma a corrente no indutor ressonante (LR) cresce linearmente at
que o mesmo seja igual corrente no indutor dois (L2). Quando a corre
guala a corrente em L2 o diodo DA bloqueado, encerrando
assim a primeira etapa, nessa fase a chave principal S1 e a chave auxiliar SA esto
49
DAS ETAPAS DE FUNCIONAMENTO DO
COMUTAO SUAVE
a anlise qualitativa do conversor, esse estudo feito
determinado pela
(3.1)
ilizado uma frequncia de 100kHz , e todas as etapas de
etapa de funcionamento comea quando a chave ressonante (SR)
fechada, dessa forma a corrente no indutor ressonante (LR) cresce linearmente at
uando a corrente no
bloqueado, encerrando
assim a primeira etapa, nessa fase a chave principal S1 e a chave auxiliar SA esto
-
3.2 SEGUNDA ETAPA
Figura 3.2- Segunda etapa (
Fonte: o prprio autor
Essa etapa inicializa quando a corrente em L2 se iguala
dessa forma DA bloqueado, a chave auxiliar (SA) permanece aberta para evitar
que o diodo D2 conduza o que faria com que o conversor tivesse problemas
funcionamento, LR permanece carregado com uma corrente c
alimenta a carga, nesta etapa
indutor L2, esse perodo
3.3 TERCEIRA ETAPA
Figura 3.3- Terceira etap
Fonte: o prprio autor.
A terceira etapa de funcionamento comea quando a chave principal (S1)
fechada em zero de tenso (ZVT
perdas eletromagnticas por comutao (
Segunda etapa (2
Essa etapa inicializa quando a corrente em L2 se iguala
bloqueado, a chave auxiliar (SA) permanece aberta para evitar
que o diodo D2 conduza o que faria com que o conversor tivesse problemas
funcionamento, LR permanece carregado com uma corrente c
nesta etapa inicia o estgio de armazenamento de energia no
se finda quando S1 fechada.
Terceira etapa (3
A terceira etapa de funcionamento comea quando a chave principal (S1)
fechada em zero de tenso (ZVT) e zero de corrente (ZCS) fazendo com que as
tromagnticas por comutao (EMI) sejam mnimas.
50
Essa etapa inicializa quando a corrente em L2 se iguala a corrente em LR
bloqueado, a chave auxiliar (SA) permanece aberta para evitar
que o diodo D2 conduza o que faria com que o conversor tivesse problemas em seu
funcionamento, LR permanece carregado com uma corrente constante e CF2
gio de armazenamento de energia no
A terceira etapa de funcionamento comea quando a chave principal (S1)
te (ZCS) fazendo com que as
-
3.4 QUARTA ETAPA.
Figura 3.4- Quarta etapa (
Fonte: o prprio autor
Essa fase comea
LR e o capacitor ressonante (CR), quando SR deixa de conduzir S1 assume toda a
corrente do conversor, ou seja, corrente d
transferida para CR que armazena essa
Tambm a chave
tenso em S1 no momento em que ela entrou em conduo foi necessrio que SA
estivesse aberta, portando assim que a etapa anterior
tempo para que SA volte a conduzir, dessa forma possvel garantir ZCS na chave
principal, pois somente nessa quarta etapa que o diodo D2 volta a conduzir e a
correte do indutor um (L1) e o indutor dois (L2) flui por S1.
Estgio de armazenamento de energia em L1.
3.5 QUINTA ETAPA.
Figura 3.5- Quinta etapa (
Fonte: o prprio autor.
Quarta etapa (4