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MIKAEL NUNES FRANCO DE OLIVEIRA

DESENVOLVIMENTO DE UM CONVERSOR BOOST QUADRTICO COM CLULA DE COMUTAO SUAVE

(ZCS - ZVT)

Londrina 2015


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


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.

Dedico este trabalho a toda minha famlia,

namorada e amigos que me deram fora para desenvolver esta dissertao.

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!

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.

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.

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

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

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

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

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

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

13

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

14

/ - 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

15

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

16

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

17

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

18

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

19

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,

20

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


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


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.


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


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


necessrias duas chaves semicondutoras para realizar os ciclos

energia corretamente. Porm foi apresentado um novo circuito para esse conversor


29

. Desse modo a sada do

2 (segundo estgio), com isso foi


reduzindo as perdas por

caracterstica essa que

apresentada e equao do ganho de

(2.2)


necessrias duas chaves semicondutoras para realizar os ciclos de converso de

orm foi apresentado um novo circuito para esse conversor


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.


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


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


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.


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.


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


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


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


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.


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



37

Quadrtico para conduo



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


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


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


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


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


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


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


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,


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,


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% (


chave ressonante (que faz parte da clula de comutao suave) a mesma da



indutor tambm ressonante.

formas de onda conversor Boost Entrelaado com Clula de


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,


clula de comutao suave) a mesma da



sor Boost Entrelaado com Clula de


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


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


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


igual ao dobro da chave principal


tenso igual zero na transio Circuito complexo

Clula de

comutao

suave (ZVT)


tenso igual zero na transio

Transio com corrente na chave

principal Circuito simplificado


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


igual a da chave principal Circuito complexo


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).


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 (


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)


que o mesmo seja igual corrente no indutor dois (L2). Quando a corre

guala a corrente em L2 o diodo DA bloqueado, encerrando


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)


uando a corrente no

bloqueado, encerrando


3.2 SEGUNDA ETAPA

Figura 3.2- Segunda etapa (


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


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


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


te (ZCS) fazendo com que as

3.4 QUARTA ETAPA.

Figura 3.4- Quarta etapa (


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 (


Quarta etapa (4

desenvolvimento de um conversor boost … · mikael nunes franco de oliveira desenvolvimento de um...

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