Universidade Federal do Ceará Centro de Tecnologia Departamento Engenharia Elétrica TÉCNICA DE COMUTAÇÃO SUAVE BASEADA NA CORRENTE DE MAGNETIZAÇÃO APLICADA À CONVERSORES CC-CC OPERANDO COM FREQUÊNCIA VARIÁVEL Gean Jacques Maia de Sousa Fortaleza Dezembro de 2010
74
Embed
Universidade Federal do Ceará Centro de Tecnologia ... JACQUES MAIA DE SOUSA.pdf · Gv Ganho de tensão do conversor - I Valor nominal da fonte de corrente A io Corrente de saída
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Universidade Federal do Ceará
Centro de Tecnologia
Departamento Engenharia Elétrica
TÉCNICA DE COMUTAÇÃO SUAVE BASEADA NA CORRENTE DE
MAGNETIZAÇÃO APLICADA À CONVERSORES CC-CC OPERANDO
COM FREQUÊNCIA VARIÁVEL
Gean Jacques Maia de Sousa
Fortaleza
Dezembro de 2010
ii
Gean Jacques Maia de Sousa
TÉCNICA DE COMUTAÇÃO BASEADA NA CORRENTE DE
MAGNETIZAÇÃO SUAVE APLICADA À CONVERSORES CC-CC
OPERANDO COM FREQUÊNCIA VARIÁVEL
Monografia submetida à Universidade Federal
do Ceará como parte dos requisitos para
obtenção do grau de Graduado em Engenharia
Elétrica.
Orientador: Prof. Dr. René Pastor Torrico
Bascopé.
Fortaleza
Dezembro de 2010
iii
iv
“O estudo em geral, a busca da verdade e da beleza são domínios em que nos
é consentido ficar crianças toda a vida.” Albert Einstein
“Entendo por razão, não a faculdade de raciocinar, que pode ser bem ou mal utilizada, mas o encadeamento das verdades que
só pode produzir verdades, e uma verdade não pode ser contrária a outra.” Gottfried Leibniz
“O homem é feito visivelmente para pensar; é toda a sua dignidade e todo o seu mérito;
e todo o seu dever é pensar bem.” Blaise Pascal
v
AGRADECIMENTOS
À Deus.
Aos meus pais, Ana e Gerardo, e a toda a minha família, por me apoiarem em todos
os momentos.
Ao professor René por sua ótima orientação e amizade, sempre disponível para
sugestões, explicações e boas idéias. Aos professores do LCE Cícero, Gustavo, Daniel e
Kleber pela amizade e confiança durante anos de trabalho conjunto. Aos professores
Fernando, Demercil, Sérgio, Laurinda e outros pelas oportunidades e disponibilidade durante
a graduação.
Aos amigos e colegas do LCE, Levy, Pedro, Ronny, Israel e Jéssica, e aos amigos
dos outros laboratórios e graduação, Luiz Fernando, Luiz Paulo, Décio, Eduardo, Dalton,
Carlos Alberto, Wellington e Júlio pela grande amizade e bons momentos.
Aos professores da banca avaliadora pela atenção na revisão desta monografia.
À MICROSOL tecnologia S/A pelo apoio financeiro durante a graduação.
Aos muitos outros que não mencionei.
vi
de Sousa, G. J. M. “Técnica de comutação suave baseada na corrente de magnetização aplicada à conversores cc-cc operando com frequência variável”, Universidade Federal do Ceará – UFC, 2010, 74p. Este trabalho apresenta uma técnica que utiliza a corrente de magnetização de transformadores ou indutores para se conseguir comutação suave em todos os interruptores do conversor. A técnica pode ser aplicada em alguns conversores isolados ou não que tenham de algum modo, uma indutância em paralelo com o interruptor controlado durante a etapa de transferência. Para que a comutação suave ocorra em toda a faixa de operação, o conversor deverá ser operado sob freqüência variável e razão cíclica constante. Neste trabalho é realizada a análise e projeto de um conversor boost intercalado com integração de magnéticos utilizando a técnica proposta, que mostrou-se bastante compacto, de acordo com os componentes especificados. Resultados de simulação foram apresentados, comprovando a análise realizada. Palavras-Chave: Eletrônica de Potência, Conversores cc-cc, comutação suave, freqüência
variável, conversor Boost.
vii
de Sousa, G. J. M. “Técnica de comutação suave baseada na corrente de magnetização aplicada à conversores cc-cc operando com frequência variável”, Universidade Federal do Ceará – UFC, 2010, 74p.
This work presents a technique that uses magnetizing current of transformers or inductors to achieve soft-switching for all switches of the converter. The technique can be applied in some converters, isolated or not, that have in some way an inductance in parallel with the controlled switch during energy transfer intervals. For the soft-switching occurs at the entire range of operation, the converter should be operated under variable frequency and duty cycle constant. This work presents the analysis and design of an interleaved boost converter with magnetic integration using the proposed technique, which proved to be very compact in accordance with the specified components. Simulation results are presented, confirming the theoretical analysis.
Keywords: Power electronics, DC-DC Converters, Soft-commutation, Variable frequency,
1 Revisão Sobre Topologias de Conversores CC-CC com Comutação Suave e Proposta de Trabalho................................................................................................................................1
1.2 Principais Famílias de Conversores com Comutação Suave............................................ 2 1.2.1 Conversores CC-CC Isolados com Comutação Suave .................................................................... 2 1.2.2 Conversores CC-CC Não Isolados com Comutação Suave............................................................. 4
1.3 Técnica de Comutação Suave Proposta.............................................................................. 7 1.3.1 Aplicação da Técnica Proposta em Conversores Isolados. .............................................................. 9 1.3.2 Aplicação da Técnica Proposta em Conversores Não Isolados. .................................................... 12
1.4 Proposta de Trabalho......................................................................................................... 13
4.2 Resultados de Simulação ................................................................................................... 47 4.2.1 Circuito de Simulação.................................................................................................................... 47 4.2.2 Formas de Onda............................................................................................................................. 48
Figura 1.1 - Conversor série ressonante [3]................................................................................2 Figura 1.2 - Conversor paralelo ressonante. ...............................................................................3 Figura 1.3 - Conversor LLC. ......................................................................................................3 Figura 1.4 - Conversor em ponte completa com modulação por deslocamento de fase e comutação sob tensão nula [13]. ................................................................................................4 Figura 1.5 - Chaves ressonantes ZCS e ZVS. ............................................................................5 Figura 1.6 - Conversor Buck quase-ressonante ZCS..................................................................5 Figura 1.7 - Conversor Buck quase-ressonante ZVS. ................................................................5 Figura 1.8 - Conversor Buck quase-ressonante ZVS bidirecional com limitação de sobre-tensão..........................................................................................................................................6 Figura 1.9 - Conversor Boost ZCS-PWM proposto por[19]. .....................................................7 Figura 1.10 - Os conversores onde a técnica proposta pode ser utilizada devem ter o circuito equivalente da etapa de transferência semelhante ao circuito acima . .......................................7 Figura 1.11 - Formas de onda hipotéticas para o circuito da figura anterior .............................8 Figura 1.12 - A técnica proposta pode ser aplicada no conversor intercalado isolado proposto em [20]........................................................................................................................................9 Figura 1.13 - A técnica proposta aplicada ao conversor Push-Pull alimentado em corrente [21]. ..........................................................................................................................................10 Figura 1.14 - A técnica proposta aplicada ao conversor full bridge isolado alimentado em corrente [22]. ............................................................................................................................10 Figura 1.15 - A técnica proposta aplicada ao conversor Push-Pull modificado [23]. ..............11 Figura 1.16 - A técnica proposta aplicada ao conversor Sepic isolado [24]. ...........................11 Figura 1.17 - A técnica proposta aplicada ao conversor Sepic não isolado. ............................12 Figura 1.18 - A técnica proposta aplicada ao conversor Boost com célula de comutação de três estados. .....................................................................................................................................12 Figura 1.19 - Técnica de comutação suave aplicada ao conversor proposto em [26]. .............13 Figura 2.1 – Topologia escolhida para estudo..........................................................................15 Figura 2.2 – Conversor Boost intercalado com indutâncias não acopladas. ............................16 Figura 2.3 – Primeira etapa de operação. .................................................................................16 Figura 2.4 – Segunda etapa de operação. .................................................................................17 Figura 2.5 – Terceira etapa de operação...................................................................................17 Figura 2.6 – Quarta etapa de operação. ....................................................................................18 Figura 2.7 – Quinta etapa de operação. ....................................................................................18 Figura 2.8 – Sexta etapa de operação. ......................................................................................19 Figura 2.9 – Sétima etapa de operação. ....................................................................................19 Figura 2.10 – Oitava etapa de operação. ..................................................................................20 Figura 2.11 – Nona etapa de operação. ....................................................................................20 Figura 2.12 – Décima etapa de operação..................................................................................21 Figura 2.13 – Formas de onda básicas......................................................................................22 Figura 2.14 – Formas de onda das correntes nos diodos D1 e D2, e da corrente de saída.......24
xi
Figura 2.15 – Tensão e corrente no interruptor S1...................................................................29 Figura 3.1 – Indutores não acoplados usados na modelagem do conversor.............................36 Figura 3.2 – Circuito com os indutores acoplados. ..................................................................36 Figura 3.3 – Formato do núcleo EE usado para confecção dos indutores................................37 Figura 3.4 – Disposição dos enrolamentos no núcleo magnético. ...........................................39 Figura 4.1 – Circuito usado para simulação do conversor. ......................................................47 Figura 4.2 – Forma de onda da corrente de entrada Ii..............................................................48 Figura 4.3 – Correntes iLra e iLrb............................................................................................48 Figura 4.4 – Corrente e tensão no interruptor S1. ....................................................................49 Figura 4.5 – Detalhe da entrada em condução do diodo intrínseco do interruptor S1. ............49 Figura 4.6 – Detalhe do desligamento do interruptor S1..........................................................50 Figura 4.7 – Corrente e tensão no diodo D1.............................................................................50 Figura 4.8 – Tensão de saída do conversor. .............................................................................51 Figura 4.9 – Corrente através do capacitor de filtro. ................................................................51 Tabela I – Comparação entre parâmetros calculados e simulados. ..........................................52 Figura 4.10 – Comparação entre a freqüência de comutação calculada e simulada para uma tensão de saída de 400V. ..........................................................................................................52 Figura 4.11 – Comparação entre a ondulação da corrente de entrada calculada e simulada. ..53
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela I – Comparação entre parâmetros calculados e simulados. ..........................................52
xiii
SIMBOLOGIA
Símbolo Significado Unidade BD Variação da densidade de fluxo magnético T
iLbD Ondulação de corrente no indutor de entrada do
conversor A
Δt10, Δt21, Δt32, Δt43, Δt54, Δt65, Δt76,
Δt87, Δt98, Δt109, Δt1110, Δt97,
Intervalos de tempo definidos pelas várias etapas de operação
s
2tfD Variação do fluxo na perna externa 2 do núcleo Wb
2 1t tf Fluxo gerado por Lt2 que concatena Lt1 Wb
1 1t tf Fluxo gerado por Lt1 que concatena Lt1 Wb
1itf Fluxo gerado por Li que concatena Lt1 Wb
1t if Fluxo gerado por Lt1 que concatena Wb iif Fluxo gerado por Li que concatena Li Wb
2t if Fluxo gerado por Lt2 que concatena Li Wb
1 2t tf Fluxo gerado por Lt1 que concatena Lt2 Wb
2 2t tf Fluxo gerado por Lt2 que concatena Lt2 Wb
2itf Fluxo gerado por Li que concatena Lt2 Wb
0m Permeabilidade do vácuo H/m
33Acu Área da seção transversal do fio AWG 33 desconsiderando a isolação
2cm
33Aiso Área da seção transversal do fio AWG 33 considerando a isolação
2cm
maxBi Fluxo máximo na perna central do núcleo T
maxBt Fluxo máximo na perna externa do núcleo T Co Capacitor de saída do conversor F Cr Capacitor ressonante F
D1, D2 Diodos de transferência -
200kDp Profundidade de penetração no cobre a 200kHz mm fs Freqüência de comutação Hz Gv Ganho de tensão do conversor - I Valor nominal da fonte de corrente A io Corrente de saída A
iCo Corrente através do capacitor de saída A
efoIC Corrente eficaz através do capacitor de saída A
ppoIC Corrente pico a pico através do capacitor de saída A
iCr Corrente através do capacitor ressonante A iD1 Corrente através de D1 A iD2 Corrente através de D2 A
efIDSC Corrente eficaz através do canal do MOSFET A
medIDSD Corrente média através do diodo intrínseco do A
xiv
MOSFET
efID Corrente eficaz nos diodos de transferência A
medID Corrente média nos diodos de transferência A
iLb Corrente na Indutância de entrada do modelo desacoplado
A
iLb1, iLb3 Corrente na Indutância de entrada do modelo desacoplado em tempos distintos
A
iLi Corrente através da indutância Li A iLm Corrente de magnetização A
ILm0, ILm1, ILm3 Valor inicial da corrente de magnetização em cada intervalo de tempo
A
iLr0, iLr1, iLr2, iLr3, iLr4, iLr5,
iLr6
Corrente nas indutâncias ressonantes em tempos distintos A
iLra, iLrb Corrente nas indutâncias ressonantes A iLt1 Corrente através da indutância Lt1 A iLt2 Corrente através da indutância Lt2 A
efiLi Corrente eficaz no indutor Li A
mediLi Corrente média no indutor Li A
efiLt Corrente eficaz no indutor Lt A
J Densidade de corrente 2/A cm ku Fator de utilização da janela do núcleo -
L1, L2 Indutâncias Boost H Lb Indutância de entrada do modelo desacoplado H Lf Indutâncias de filtro H lg Comprimento do entreferro cm
Li Indutância de entrada do conversor com magnéticos acoplados
H
Lm Indutância de magnetização H Lr Indutância ressonante H Lt Indutância montada na perna externa do núcleo H Lt2 Indutância montada na perna externa 1 do núcleo H Lt1 Indutância montada na perna externa 2 do núcleo H Mit Indutância mútua entre Li e Lt H
Mtt Indutância mútua entre os enrolamentos enrolados nas pernas externas do núcleo
H
iNf Número de fios do indutor Li -
tNf Número de fios do indutor Lt - Ni Número de espiras da indutância Li - Nt Número de espiras da indutância Lt - Ri Relutância vista pelo enrolamento da perna central A esp Wb× RL Resistência de carga Ω Rm Relutância do entreferro da perna central A esp Wb×
Rt Relutância vista pelo enrolamento da perna externa A esp Wb× S1, S2, S3, S4 Interruptores controlados -
T1 Transformador de alta freqüência -
xv
V1 Fonte de tensão que representa a saída do conversor V
maxoVC Tensão máxima sobre o capacitor de filtro de saída. V vD1, vD2 Tensão sobre os diodos de transferência V
maxVD Tensão máxima sobre os diodos de transferência V
Vg1, Vg2 Tensão de gate dos interruptores controlados V Vi Tensão de entrada do conversor V
VLbh Tensão máxima na indutância de entrada do modelo
desacoplado V
VLbl Tensão mínima na indutância de entrada do modelo
desacoplado V
vLr0, vLr1, vLr2 Tensao sobre as indutâncias ressonantes em tempos distintos
V
vLra, vLrb Tensão sobre as indutâncias ressonantes V Vo Tensão de saída do conversor V vs Tensão no ponto de interligação entre Lb e Lr V
vS1, vS2 Tensões sobre os interruptores controlados V Vsh Tensão máxima no ponto de interligação entre Lb e Lr V Vsl Tensão mínima no ponto de interligação entre Lb e Lr V
maxVS Tensão máxima sobre o interruptor V
0w Freqüência angular de ressonância rad/s
0Z Impedância característica Ω
xvi
ACRÔNIMOS E ABREVIATURAS
Símbolo Significado FB-PS-ZVS Full Bridge, Phase Shift, Zero Voltage Switching – Ponte completa,
deslocamento de fase, comutação sob tensão nula PWM Pulse width modulation – Modulação por largura de pulso ZCS Zero current switching – Comutação sob corrente nula ZVS Zero voltage switching – Comutação sob tensão nula
ZVZCS Zero voltage zero current switching – Comutação sob tensão e corrente nulas
1
Capítulo 1
1 Revisão Sobre Topologias de Conversores CC-CC com Comutação Suave e Proposta de Trabalho
1.1 Introdução
A crescente miniaturização dos computadores e equipamentos ligados a tecnologia da
informação exige também da eletrônica de potência um menor volume e peso para os
conversores que alimentam tais sistemas. Além disso, as novas diretivas mundiais
relacionadas à energia requerem conversores com eficiência cada vez mais próxima da
unidade.
Desde 1970, a densidade de potência dos conversores em eletrônica de potência tem
dobrado a cada 10 anos. O fator determinante que possibilita esse aumento é a freqüência de
comutação dos interruptores, que praticamente tem sido multiplicada por um fator de 10 a
cada década [1],[2]. A principal limitação no uso de uma alta freqüência de comutação é a
redução da eficiência do conversor, principalmente devido ao aumento das perdas
relacionadas à comutação dos dispositivos semicondutores. Assim, nas últimas décadas,
grandes esforços tem sido empreendidos na geração de novas topologias de conversores que
possibilitem a diminuição, ou mesmo anulação, das perdas por comutação nos
semicondutores.
Existem basicamente duas formas de se conseguir comutação suave num interruptor.
A primeira ocorre quando o interruptor comuta sob tensão nula (ZVS – Zero Voltage
Switching), e a segunda se dá quando o interruptor comuta sob uma condição de corrente nula
(ZCS – Zero Current Switching). Em ambos os casos, o produto VxI é nulo durante a
comutação, não existindo perdas durante tal evento. Em alguns conversores também é
possível a existência de ZVZCS, quando a comutação ocorre sob tensão e corrente nulas.
Durante os últimos anos, um grande número de topologias empreganda comutação
suave foi apresentado pela comunidade científica. Este capítulo tem como objetivo a
apresentação de algumas topologias, distinguindo suas principais vantagens e desvantagens.
2
1.2 Principais Famílias de Conversores com Comutação Suave
1.2.1 Conversores CC-CC Isolados com Comutação Suave
Os primeiros conversores isolados que apresentavam comutação suave utilizavam um
circuito LC em série (conversor série ressonante) ou em paralelo (conversor paralelo
ressonante) com a carga, tornando a tensão e/ou a corrente de saída quase senoidais. Esse
formato permite a comutação dos interruptores sob tensão e/ou corrente nulas. Tais
conversores são denominados conversores ressonantes. O conversor ressonante tipo série é
mostrado na Figura 1.1:
Vi
Cr/2S1
Lr
S2
Co
RL
Vo
Tr
D2
D1
Cr/2
Figura 1.1 - Conversor série ressonante [3].
O controle da tensão ou corrente de saída nos conversores ressonantes convencionais é
realizado através da freqüência de comutação, de modo que correntes e tensões no circuito LC
(tanque ressonante), e conseqüentemente na carga, dependem da relação entre essa freqüência
e a freqüência natural do tanque ressonante [3].
Este conversor pode operar em três modos com relação a freqüência de comutação [4].
O modo descontínuo ocorre quando a freqüência de comutação é menor que metade da
freqüência de ressonância do circuito LC, e caracteriza-se principalmente pela entrada e saída
de condução suave de todos os transistores e diodos. No entanto, este modo caracteriza-se por
altos picos de corrente que aumentam as perdas por condução.
Quando o conversor funciona com freqüência de comutação maior que metade da
freqüência de ressonância e menor que a própria, a corrente no indutor Lr torna-se contínua, e
uma das comutações passa a ser dissipativa. Se a freqüência de comutação é feita maior que a
freqüência de ressonância, uma comutação dissipativa continua existindo. No entanto, se
capacitores são usados em paralelo com os interruptores S1 e S2, o desligamento destes passa
a ser sob tensão nula e todos os transistores e diodos passam a comutar suavemente.
Enquanto o conversor ressonante do tipo série apresenta uma característica de saída de
fonte de tensão, o conversor ressonante paralelo apresentado na Figura 1.2 apresenta uma
característica de fonte de corrente.
3
Figura 1.2 - Conversor paralelo ressonante.
Assim como o conversor ressonante do tipo série, o conversor da Figura 1.2 também
apresenta três modos de operação, determinados pela relação entre a freqüência de comutação
e a freqüência de ressonância do circuito tanque. Maiores detalhes da operação desses
conversores podem ser encontrados em [4], [5].
Embora apresentem comutação suave, os conversores ressonantes apresentam algumas
desvantagens, como os altos esforços de corrente nos semicondutores, e em algumas
circunstâncias, tensões elevadas sobre o capacitor ressonante. Além disso, para que haja
regulação numa ampla faixa de potência de saída, uma grande variação na freqüência de
comutação é necessária, resultando em dificuldades no projeto do filtro de saída.
Muitas topologias foram derivadas a partir dos conversores paralelo e série ressonante
na tentativa de minimizar suas desvantagens. As principais variações apresentam
grampeamento da tensão sobre o capacitor ressonante [6], [7], ou operação sob freqüência
constante [8], [9]. Essas topologias tem como principal desvantagem o acréscimo de
interruptores.
Dentre as topologias derivadas do conversor ressonante série, um dos conversores de
maior destaque é o conversor LLC [10], [11]. Este difere do conversor serie ressonante
original apenas por possuir um baixo valor para a indutância de magnetização Lm. O nome
LLC advém do fato do circuito ressonante possuir um capacitor e dois indutores, o capacitor
ressonante Cr, o indutor ressonante Lr, e a indutância de magnetização do transformador Lm.
A Figura 1.3 mostra o diagrama esquemático do conversor.
Figura 1.3 - Conversor LLC.
4
A principal vantagem deste conversor em relação ao conversor serie ressonante da
Figura 1.1 é a menor faixa de freqüência de operação necessária para manter a regulação de
saída sob correntes de carga adversas. Freqüências de operação na faixa dos MHz tem sido
atingidas com essa topologia [12], [13].
Embora apresentem alta eficiência, os conversores ressonantes tem como principal
desvantagem a operação em freqüência variável. Uma das topologias mais populares que
permite a operação com freqüência de comutação fixa é o conversor FB-PS-ZVS (Full
Bridge, Phase Shift, Zero Voltage Switching) [14]. Tal topologia é mostrada na Figura 1.4.
Figura 1.4 - Conversor em ponte completa com modulação por deslocamento de fase e comutação sob tensão
nula [14].
Embora o conversor acima consiga operar sob ZVS numa grande faixa de carga e com
freqüência fixa, os conversores ressonantes ainda apresentam, em geral, um maior rendimento
[15].
1.2.2 Conversores CC-CC Não Isolados com Comutação Suave
Várias propostas de conversores não isolados com comutação suave também foram
apresentadas pela comunidade científica nas últimas décadas. Dentre esses, os primeiros a
serem apresentados foram os conversores quase-ressonantes[16], que tem como idéia
principal de funcionamento a adição de um circuito ressonante à chave PWM convencional,
proporcionando, assim como nos conversores ressonantes, comutação suave ao interruptor
controlado.
Os conversores quase-ressonantes dividem-se em dois grandes grupos, sendo o
primeiro aquele onde o interruptor principal comuta em condições de corrente nula (ZCS), e o
segundo sob tensão nula (ZVS).
A Figura 1.5 mostra as chaves ZCS e ZVS que podem ser empregadas em estruturas