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CONVERSOR ELEVADOR CC-CC FLYBACK INTERCALADO DE ALTO GANHO PARA

APLICAÇÃO EM MICROGRIDS CC

RENATO G. SCORTEGAGNA, CARLOS MARCELO DE O. STEIN

Universidade Tecnológica Federal do Paraná

Via do Conhecimento, km 1

E-mails: [email protected], [email protected]

Abstract The aim of this paper is to present a study of an Interleaved Flyback converter of high step-up voltage to connect mi-cro plants of renewable energy, power up to 1kw/48V, with a DC microgrid of 400V. Initially, it is presented a brief introduction

of the concept of Microgrids and high step-up isolated converters, which analyses the real performance of static gain and effi-

ciency. Furthermore, a review of the interleaved converters is presented emphasizing the Flyback isolated converter. It is pro-posed a converter integration to create a DC Mainframe. The simulation and the experimental results are presented in the end of

this paper.

Keywords Interleaved Flyback, Step-up, DC microgrid, DC Mainframe, renewable energy.

Resumo Este artigo apresenta um estudo de um conversor Flyback Intercalado de alto ganho de tensão para conexão de micro

plantas de energias renováveis, de potência de até 1kW/48V, com um microgrid CC de 400V. Inicialmente é apresentada uma

breve introdução ao conceito de Microgrids e de conversores isolados elevadores de alto ganho, que são analisados com relação ao seu comportamento real em se tratando de ganho estático e rendimento. Além disso, uma revisão com relação aos conversores

intercalados é apresentada, com ênfase ao conversor isolado do tipo Flyback. Uma integração de conversores para a formação de

um DC Mainframe é proposta. Os resultados de simulação e os resultados experimentais são apresentados ao final deste artigo.

Palavras-chave Flyback Intercalado, Elevador, Microgrid CC, Mainframe CC, Energias Renováveis.

1 Introdução

Atualmente, existem aplicações onde fontes de

energias renováveis de pequeno porte são conectadas

diretamente à rede elétrica. Contudo, o crescente

interesse em fontes de energia renováveis mudou a

operação clássica do sistema de distribuição para

uma evolução no uso de Microgrids (Darbyshire,

2007). O conceito de microgrid é uma das soluções

para integrar uma mistura de fontes de energias re-

nováveis. Um microgrid tem como vantagem uma

maior flexibilidade, controlabilidade, eficiência de

funcionamento e o fluxo bidirecional de energia entre

a rede e o microgrid em modo de funcionamento

(Kakigano, 2010).

Os microgrids são classificados como microgrid

AC (ACMG) e microgrid DC (DCMG). Na Figura 1,

é mostrado um esquema de um microgrid genérico.

BARRA

400V

CC

CARGA

REDE DE

DISTRIBUIÇÃO

CARGA

CC/CC

CC/CA

CC/CC

Micro Eólica

Fotovoltaico

Gerador Diesel

CC/CC

CC/CA

FUEL CELL

CC/CC

CC/CC

Conversor

Investigado

Figura 1. Esquema genérico de um Microgrid CC

O DCMG é preferível sobre o ACMG por causa

das seguintes vantagens (Zhang, 2011), (Kyohei,

2011):

1) maior qualidade do fornecimento de energia;

2) maior confiabilidade e fonte de alimentação inin-

terrupta;

3) devido à falta de energia reativa, que leva a uma

melhor utilização e reduzida perdas totais;

4) maior eficiência;

5) cada Geração Distribuída (GD) ligada ao DCMG

pode ser facilmente operada pois é necessário o con-

trole apenas da tensão CC.

O trabalho consiste no estudo e aperfeiçoamento

um conversor isolado para a conexão de pequenas

plantas de energias renováveis com potência de até

1kW e tensão de saída de 48V a um DCMG com

tensão de 400V.

2 Conversores Elevadores de Tensão

O conversor elevador de tensão mais simples é o

do tipo Boost, por outro lado, quando há necessidade

de isolação entre as fontes, o conversor Flyback e

outros conversores isolados que fazem o uso de um

transformador são mais apropriados para aplicações

com altos ganhos de tensão (Dreher, 2012). O con-

versor Flyback pode ser modelado de forma a serem

incluídos os componentes parasitas e assim derivar a

equação para o ganho de tensão de CC e de eficiência

(Kazimierczuk, 1992). Um dos principais limitadores

de rendimento deste tipo de conversor é a potência a

ser processada, sendo que neste critério, os converso-

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

3061

mailto:[email protected]

res intercalados tem grande vantagem com relação à

diminuição de perdas por efeito Joule e significativa

diminuição dos núcleos magnéticos dos transforma-

dores. (Stein, 2002).

2.1 Estudo do Conversor Flyback

O conversor flyback se utiliza de um indutor

para armazenar energia quando a chave está fechada

e transfere-a para a carga quando a chave está aberta.

A grande vantagem deste conversor é que se pode

trabalhar com uma razão cíclica próxima a 0.5 e

obter o ganho de tensão por meio da relação de

espiras do transformador. A tensão de saída de um

conversor flyback pode ser calculada por meio da

Equação (1).

(

) (

) (1)

Onde:

O conversor Flyback pode ser modelado de for-

ma a serem incluídos os componentes parasitas para

derivar a equação do ganho de tensão de e de eficiên-

cia (Liang, 2005)

O circuito equivalente do conversor Flyback é

representado na Figura 2.

Vi

+

_

r1

rL

LN1 N2

r2

VD

rD

rC

CVORL

RDS

S1

+

_

Figura 2. Circuito equivalente do conversor flyback com os com-ponentes parasitas (Liang, 2005).

Onde:

r1= RSE do enrolamento primário do transformador;

rL= resistência em série do núcleo magnético;

L= indutância do transformador de magnetização;

RDS= resistência de condução da chave S1;

r2= resistência do enrolamento secundário do trans-

formador;

vD= queda de tensão do diodo;

rD= resistência de condução do diodo;

rC= resistência série do capacitor;

RL= resistência da carga;

n:1= relação de espiras do transformador.

A partir do circuito equivalente, o ganho estático

e a eficiência do conversor Flyback podem ser ex-

pressos pelas Equações (2) e (3), respectivamente.

[ ] [ ] (

) (2)

[ ]

[ ] [ ] (

) (3)

Onde a resistência série equivalente é dada por

(4).

(4)

A Equação (2) mostra o efeito aproximado da

RSE sobre o ganho de tensão do conversor flyback.

A resistência do indutor também tem um efeito sobre

a eficiência energética do conversor flyback, como

mostrado em (3).

Na Tabela 1, são apresentados os valores caracte-

rísticos dos componentes necessários para a imple-

mentação de um conversor com as especificações

requeridas.

Tabela 1. Valores dos parâmetros dos componentes

Parâmetro Valor

r1 0,0382Ω

rL 0,3Ω

RDS 0,08Ω

r2 0,0057Ω

VD 1,0V

rD 10,0μΩ

rC 0,0016Ω

n:1 8,0

RL 160,0Ω

Utilizando os valores mencionados na Tabela 1,

foram gerados os ganhos do conversor Flyback para

o modelo ideal e para o modelo médio. Na Figura 3,

são apresentados os ganhos calculados utilizando-se

um transformador de relação de espiras de n=1:1.

Figura 3. Ganho estático do conversor flyback para n=1:1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Razão Cíclica (D)

M =

Vo /

Vs

Ganho Estático (M) para n = 1:1

Modelo Ideal

Modelo Médio


3062

De forma complementar à análise feita na Figura

3, também foram calculados os respectivos ganhos

utilizando-se um transformador de relação de espiras

de n=1:8, conforme Figura 4.

Figura 4. Ganho estático do conversor flyback para n=1:8

Em ambas as figuras, percebem-se as influências

das resistências parasitas que são naturais nos com-

ponentes reais dos circuitos dos conversores e que

causam efeitos negativos sobre o rendimento e o

ganho estático da estrutura. Desta forma, fica eviden-

te que no conversor flyback o ganho estático deve ser

feito por meio da relação de tensão do transformador,

procurando-se manter a razão cíclica com valores

medianos para que possam ser obtidos resultados

satisfatórios de ganho e rendimento do conversor.

2.2 Estudo do Conversor Flyback Intercalado

Os circuitos intercalados têm como principal ca-

racterística, a divisão do fluxo de potência por dois

ou mais caminhos, entre a fonte e a carga, durante as

etapas de chaveamento e de acumulação indutiva.

No caso do conversor flyback, quando são inter-

calados dois conversores, há uma significativa dimi-

nuição dos núcleos dos transformadores, redução dos

esforços elétricos das chaves e diodos e, consequen-

temente às perdas associadas a eles. Isso acontece

por conta da diminuição das correntes que circulam

por estes componentes, causando menores valores de

transitórios durante a abertura ou fechamento de

circuitos com elementos armazenadores de energia

tais como indutores e capacitores.

Com relação à saída do conversor, também se ob-

tém alguma vantagem, uma vez que como a frequên-

cia é no mínimo o dobro da frequência de chavea-

mento, haverá uma diminuição do valor do capacitor

C. O valor do capacitor de saída do conversor é espe-

cificado conforme a Equação (5).

(5)

Onde:

O circuito do conversor flyback intercalado com

os respectivos componentes resistivos parasitas pode

ser visualizado na Figura 5.

Vi

+

_

rp1

rL

LNp1

rS1

VD1

rD1

rC

CVORL

RDS1

S1

+

_

rp2

rL

LNp2

RDS2

S2

NS1

rS2

VD2

rD2

NS2

Figura 5. Circuito equivalente do conversor flyback intercalado com os componentes parasitas.

A eficiência do conversor flyback intercalado por

sua vez deve ser analisada em duas partes de interes-

se, principalmente quando da operação em modo

descontínuo. A primeira análise é feita quando não

há simultaneidade de funcionamento entre as chaves

S1 e S2, ou seja, quando o valor da razão cíclica está

entre zero e cinquenta por cento, conforme Figura 6.

t

V

t

on off on off

off offon on

T

T/2

S1

S2

Figura 6. Acionamento das chaves S1 e S2 para 0 < D ≤ 0,5.

Por conseguinte, quando o valor da razão cíclica

for maior a 0,5, significa que ambas as chaves ficarão

simultaneamente acionadas por um determinado

tempo, alterando a configuração das resistências

internas do conversor. Na Figura 7, é mostrado o

esquema de chaveamento para a razão cíclica maior a

0,5.

t

V

t

on off on off

off offon on

T

T/2

S1

S2

Figura 7. Acionamento das chaves S1 e S2 para 0,5 < D < 1.

3 Sistema Proposto

O sistema proposto neste artigo tem como princi-

pal característica a estruturação modular de conver-

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Razão Cíclica (D)

M =

Vo /

Vs

Ganho Estático (M) para n = 1:8

Modelo Ideal

Modelo Médio


3063

sores elevadores intercalados conectados a um main-

frame. Este Mainframe, por sua vez, deve reconhe-

cer, comandar e controlar a topologia do circuito

apresentado na Figura 8. A utilização de um main-

frame para que seja formada uma estrutura com ca-

pacidade de fornecer maior potência tem várias van-

tagens, das quais duas tem maior destaque. Primei-

ramente, a diminuição do custo inicial e em segundo

lugar a possibilidade de que ao menos uma fração da

energia requerida pelo sistema seja produzida duran-

te alguma intervenção de manutenção. M

ain

fra

me

CC

Barramento

CC

Atualmente

Proposta

CC/CC

CC/CC

CC/CC

CC/CC

Intercalado

CC/CC

Intercalado

Figura 8. Mainframe para conexão de até quatro microgeradores.

Na Figura 9, o circuito completo do Mainframe

proposto juntamente com o circuito do conversor e

do sistema de acionamento e controle é apresentado.

D3

PMG

Controle das variáveis do sistema (Piccolo TMS320F28069)

D1 D2

D4 D5 D6

S1 S2

D7 D8

C2

2º Conversor

Microgrid

CC

C1

L1

Figura 9. Conversor flyback intercalado conectado ao Mainframe.

4 Resultados de Simulação

O conversor flyback intercalado proposto na Fi-

gura 9, foi dimensionado para a potência requerida e

para suportar os esforços elétricos aos quais o siste-

ma é submetido. Depois de feito o dimensionamento,

o conversor foi simulado no PSIM® com os valores

obtidos e que são apresentados na Tabela 2.

Tabela 2. Valores dos parâmetros dos componentes

Parâmetro Valor

Tensão de entrada 48VCC

Tensão de Saída 400VCC

Potência de saída 600W

Relação de espiras 1:8

Indutância de Magnetização 6,48μH

Dispersão do primário 0,5μH

Dispersão do secundário 0,05μH

Frequência de chaveamento 40kHz

S1 e S2 IXTQ44N50P

D7 e D8 UF5408

Os resultados das principais formas de onda da

simulação são apresentados nas figuras a seguir. Na

Figura 10, o comando PWM intercalado aplicado aos

Gates dos Mosfets é mostrado.

Figura 10. Comando dos gatilhos dos mosfets 1 e 2. (VGS1 e VGS2).

Na Figura 11, as correntes dos diodos de saída

D7 e D8 são apresentadas.

Figura 11. Corrente dos diodos de saída do conversor (ID7 e ID8).

(Escalas: 2A/div.; 10μs/div.)

A tensão reversa a qual os diodos na saída do

conversor estão sujeitos é mostrada na Figura 12. A

tensão sobre o diodo D7 é praticamente nula quando

o mesmo está em condução, do valor da saída quan-

do ambos os diodos não estão em condução e de um

valor de pico quando da entrada em condução do

diodo D8.

Figura 12. Tensão reversa sobre o diodo de saída D7 (VrrD7). (Escalas: 200V/div.; 10μs/div.)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

VGS1 VGS2

0.01995 0.01996 0.01997 0.01998 0.01999 0.02

Time (s)

0

-5

5

10

15

20

25

30

ICs

0.00495 0.00496 0.00497 0.00498 0.00499 0.005

Time (s)

0

2

4

6

8

10ID8 ID7

0.00495 0.00496 0.00497 0.00498 0.00499 0.005

Time (s)

0

200

400

600

800

VrrD7


3064

A tensão reversa provocada pela abertura do in-

dutor Lm e medida entre os pinos Drain e Source das

chaves pode ser vista na Figura 13.

Figura 13. Tensão reversa sobre as chaves de acionamento do conversor (VDS1 e VDS2). (Escalas: 100V/div.; 10μs/div.)

Uma comparação entre a corrente da fonte e a

corrente de saída do conversor é apresentada na Fi-

gura 14.

Figura 14. Corrente de entrada e de saída do conversor, respecti-vamente - IFonte e Iout. (Escalas: 20A/div.; 2A/div.; 10μs/div.)

Na Figura 15, os valores da tensão da fonte, ten-

são de saída e da potência fornecida pelo conversor

podem ser observados.

Figura 15. Valores da tensão de entrada e da tensão e potência de saída do conversor. (Escalas: 200V/div.; 200W/div.; 1ms/div.)

Com relação à simulação do conversor em estu-

do neste artigo, cabe ressaltar, que o conversor está

operando a malha fechada e que foi simulado para

toda a faixa de potência a qual o sistema é proposto.

5 Resultados Experimentais

O conversor Flyback Intercalado apresentado

neste artigo foi implementado para a obtenção dos

resultados experimentais. O conversor montado se-

guiu o mesmo design de montagem e, também, dos

valores comerciais dos componentes segundo es-

quemas e Tabela 2, apresentados na seção anterior.

No conversor proposto, um circuito Snubber po-

larizado foi adicionado a fim de mitigar os efeitos da

sobretensão nos Mosfets, conforme apresentado na

Figura 16.

S1

VCC

DsCs

Rs

Figura 16. Circuito Snubber dissipativo polarizado

Os componentes do circuito Snubber foram di-

mensionados conforme as equações 6 e 7.

(6)

(7)

Onde:

Na Figura 17, são apresentados os resultados ex-

perimentais dos comandos das chaves do conversor

VGS1 e VGS2. Além disso, VDS1 representa a ten-

são reversa sobre a chave medida entre os pinos

Drain e Source da chave S1. Os dados experimentais

apresentados são do conversor operando com uma

potência de 600W.

0

100

VD

S1

[V

]

200

VG

S1

e V

GS

2

20

V/d

iv

Tempo: 10µs/div

Figura 17. Formas de onda da tensão de gatilho VGS e da tensão reversa sobre a chave VDS.

A corrente de entrada do conversor e a tensão

VDS sobre a chave S2 são mostradas na Figura 18.

0.00495 0.00496 0.00497 0.00498 0.00499 0.005

Time (s)

0

100

200

300

400

500VDS1 VDS2

0

20

40

60

IFonte

0.00495 0.00496 0.00497 0.00498 0.00499 0.005

Time (s)

0

4

8

Iout

0 1 2 3 4 5

Time (ms)

0

200

400

600

Vin Vout Pout


3065

Tempo: 10µs/div

VD

S [V

]

0

100

200

0

20

40

60

300C

orr

ente

na F

onte

[A

]

Figura 18. Forma de onda da tensão reversa sobre a chave S2

comparada com a corrente de entrada do conversor.

Os valores e as formas de onda da tensão reversa

sobre o diodo de saída D7 e da corrente de saída do

conversor podem ser observados na Figura 19.

0

200

400

600

800

0

2

4

Vrr

D7

[V]

Tempo: 10µs/div

Cor

rent

e de

saí

da [A

]

Figura 19. Tensão reversa sobre o diodo de saída (VrrD7) e cor-rente dos diodos de saída do conversor.

6 Conclusão

Este artigo apresentou uma proposta de aplica-

ção do conversor isolado do tipo flyback intercalado

de alto ganho de tensão para aplicação em micro

geração distribuída. Além disso, foi proposta uma

forma distinta para a conexão deste conversor a um

Microgrid CC por meio de conversores intercalados

do tipo Flyback. Com a modulação PWM intercala-

da, as correntes que passam por cada uma das chaves

foi diminuída e, por consequência, as variações da

corrente de entrada e de saída do conversor também

são diminuídas.

A possibilidade de utilização de um único mi-

croprocessador (Piccolo TMS320F28069) para con-

trolar mais de um conversor também foi proposta

com o objetivo de uma diminuição de custos.

A montagem experimental do conversor Flyback

Intercalado possibilitou a comparação com os resul-

tados de simulação, os quais se mostraram interes-

santes para aplicações onde se requer um alto ganho

de tensão, como é o caso de centrais de energia reno-

vável de baixa potência. Os resultados experimentais

também indicam que não houve a necessidade de

uma elevada razão cíclica para elevar a tensão de

entrada de 48V para 400V. Com uma razão cíclica de

aproximadamente 0,5 o requisito de tensão de saída

foi atendido e uma potência de 600W foi obtida na

saída do conversor.

Agradecimentos

Os autores agradecem à Universidade Tecnoló-

gica Federal do Paraná, FUNTEF, CNPq, CAPES,

Fundação Araucária, SETI e FINEP pelo apoio fi-

nanceiro.

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3066

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