Inversor full

Eletrônica de Potência II
Prof. Alessandro Batscahuer
Prof. Cassiano Rech
1
Inversores alimentados em tensão
• Inversores monofásicos
Meia-ponte (half-bridge)
Ponte-completa (full-bridge)
Push-pull
• Inversores trifásicos
2
Inversor em ponte completa (full-bridge):
Estrutura básica
•
Possui dois braços inversores, compostos por um par de interruptores conectados em
anti-paralelo com diodos
•
Os interruptores S1 e S2, assim como S3 e S4, devem operar de forma complementar
•
Com a mesma tensão do barramento CC, a máxima tensão de saída do inversor em
ponte completa é o dobro do máximo valor obtido com inversor em meia ponte;
•
Assim, normalmente é aplicado em maiores níveis de potência, quando comparado ao
inversor meia-ponte
S1
S3
io +
E
vo
-
CARGA
S2
S4
3
Inversor em ponte completa (full-bridge):
Estados de comutação
Estado
1
2
3
4
S1
ON
ON
OFF
OFF
Estado 1
S2
OFF
OFF
ON
ON
S3
OFF
ON
OFF
ON
S4
ON
OFF
ON
OFF
io > 0
io < 0
S1
S1
S3
io
R
E
S2
E
S3
io +
L
E
+
Tensão
E
0
0
-E
E
-
CARGA
S4
S2
S4
4
Inversor em ponte completa (full-bridge):
Estados de comutação
Estado
1
2
3
4
Estado 2
S1
ON
ON
OFF
OFF
S2
OFF
OFF
ON
ON
S3
OFF
ON
OFF
ON
S4
ON
OFF
ON
OFF
io > 0
io < 0
S1
S3
S1
io + 0 V E
S3
io + 0 V -
CARGA
S2
Tensão
E
0
0
-E
E
S4
CARGA
S2
S4
5
Inversor em ponte completa (full-bridge):
Estados de comutação
Estado
1
2
3
4
Estado 3
S1
ON
ON
OFF
OFF
S2
OFF
OFF
ON
ON
io > 0
S3
OFF
ON
OFF
ON
S4
ON
OFF
ON
OFF
Tensão
E
0
0
-E
io < 0
S1
S3
io + 0 V -
E
CARGA
S2
S4
6
Inversor em ponte completa (full-bridge):
Estados de comutação
Estado
1
2
3
4
Estado 4
S1
ON
ON
OFF
OFF
S2
OFF
OFF
ON
ON
io > 0
S4
ON
OFF
ON
OFF
Tensão
E
0
0
-E
io < 0
S1
S3
io +
E
S3
OFF
ON
OFF
ON
-E
-
CARGA
S2
S4
7
Inversor em ponte completa (full-bridge):
Etapas de operação (Carga RL)
1ª etapa: Os interruptor S1 e S4 são acionados, enquanto S2 e S3
permanecem bloqueados. A tensão nos terminais da carga RL é E. Durante
esta etapa a fonte CC entrega energia à carga. A corrente de saída io cresce
exponencialmente.
E = Ri o ( t ) + L
S1
S3
io
R
L
E
+
S2
E
S4
di o ( t )
dt
T
−

 E  1− e 2τ
E
io ( t ) =  1 − e  −
T

−
R
R

 1 + e 2τ

t
−
τ
onde:
τ=
 t
 e− τ



L
R
8
Inversor em ponte completa (full-bridge):
Etapas de operação (Carga RL)
2ª etapa: Em t = T/2, os interruptores S1 e S4 são bloqueados e os
interruptores S2 e S3 são acionados. A indutância da carga não permite
variações bruscas na corrente io, então a polaridade da tensão na indutância
inverte-se para manter a corrente no mesmo sentido. A inversão da
polaridade da tensão na indutância polariza diretamente os diodos D2 e D3,
transferindo a energia armazenada no indutor para a fonte CC. A tensão nos
terminais da carga RL é -E. A corrente io decresce exponencialmente.
S1
S3
io
R
L
E
+
S2
-E
S4
−E = Rio ( t ) + L
di o ( t )
dt
T
−

 E  1 − e 2τ
E
io ( t ) = −  1 − e  +
T

−
R
R

 1+ e 2τ

t
−
τ
 t
 e− τ



9
Inversor em ponte completa (full-bridge):
Etapas de operação (Carga RL)
3ª etapa: Esta etapa inicia quando a corrente io se anula, provocando a
entrada em condução dos interruptores S2 e S3. A partir deste instante, a
corrente io inverte de sentido e continua sua variação exponencial. A tensão
nos terminais da carga RL permanece igual a -E. Nesta etapa a carga recebe
energia da fonte de alimentação CC.
−E = Rio ( t ) + L
di o ( t )
dt
T
−

 E  1 − e 2τ
E
io ( t ) = −  1 − e  +
T

−
R
R

 1+ e 2τ

t
−
τ
 t
 e− τ



10
Inversor em ponte completa (full-bridge):
Etapas de operação (Carga RL)
4ª etapa: Em t = T, os interruptores S2 e S3 são bloqueados e S1 e S4 são
acionados. Os diodos D1 e D4 entram em condução devido à presença da
indutância na carga. Durante esta etapa a carga transfere energia para a
fonte de alimentação CC. A corrente io decresce exponencialmente,
mantendo o mesmo sentido da etapa anterior. A tensão na carga é agora
igual à E. Esta etapa finaliza com a anulação da corrente na carga e a
entrada em condução dos interruptores S1 e S4, iniciando um novo ciclo.
E = Ri o ( t ) + L
di o ( t )
dt
T
−

 E  1− e 2τ
E
io ( t ) =  1 − e  −
T

−
R
R

 1 + e 2τ

t
−
τ
 t
 e− τ



11
Inversor em ponte completa (full-bridge):
Formas de onda (Carga RL)
12
Inversor em ponte completa (full-bridge):
Estratégias de modulação – Onda quadrada
ONDA
QUADRADA
0 < t < T/2 ⇒ S1 e S4 estão ligadas, e S2 e S3 estão desligadas (vo = E)
T/2 < t < T ⇒ S1 e S4 está desligadas, e S2 e S3 estão ligadas (vo = -E)
Razão cíclica (D) de todas os
interruptores é igual à 0,5;
Operação em baixa freqüência;
Harmônicos em baixa freqüência;
Amplitude da componente
fundamental da tensão:
4
(v o )1 = E = 1,2732E
π
( v o )h =
(v o )1
h
THDv (%) = 48,34%
13
Inversor em ponte completa (full-bridge):
Estratégias de modulação
Modulação por largura de
pulso único ou quase
quadrada
S1
vAN
S3
180º
io +
E
A
vo
-
S2
vBN
B
CARGA
S4
N
vo
Razão cíclica (D) de todas os
interruptores é igual à 0,5;
Operação em baixa freqüência;
Harmônicos em baixa freqüência;
14
Inversor em ponte completa (full-bridge):
Estratégias de modulação
Coeficientes em seno:
Vab
E
T
2
b n = . f ( t ).sen ( n.ωt ) dωt
T
∫
α
α
α
-E
0
α
ωt
1 
b n = .
π 
bn =
∫
π−α
α
E .sen ( n.ωt ) dωt +
2 π−α

− E.sen ( n.ωt ) dωt 
π+α

∫
1 E
E

(
(
(
)
)
)
(
(
(
)
)
(
)
)
.
−
cos
n
.
π
−
α
+
cos(
α
.
n
)
−
−
cos
n
.
2
π
−
α
+
cos
n
.(
π
+
α
)

π  n
n

bn =
4.E
. cos (α .n )
π.n
b1 =
4.E
π
.cos (α )
Inversor em ponte completa (full-bridge):
Estratégias de modulação
% harmônico em relação a tensão E
150
fundamental
harm.de ordem 3
harm. de ordem 5
harm. de ordem 7
135
120
105
90
%
75
 πnb n
a cos 
 4.E
α=
n
60
45
30
15
0
0
10
20
30
40
α
50
60
70
80
90
100
1 ,571
α=
n



Inversor em ponte completa (full-bridge):
Estratégias de modulação – PWM dois níveis
PWM SENOIDAL
DOIS NÍVEIS
vref > vtri ⇒ vo = E (S1 e S4 ON)
vref < vtri ⇒ vo = -E (S2 e S3 ON)
S1
S3
io +
E
A
vo
B
CARGA
S2
(v o )1 = maE
-
(para ma ≤ 1)
S4
vref
N
1/fs
vtri
onde:
ma =
Vref
Vtri
fs
mf =
f
17
Inversor em ponte completa (full-bridge):
Estratégias de modulação – PWM dois níveis
vref
vref > vtri ⇒ vo = E (S1 e S4 ON)
vtri
vref < vtri ⇒ vo = -E (S2 e S3 ON)
(vo)1
18
Inversor em ponte completa (full-bridge):
Estratégias de modulação – PWM dois níveis
ma = 0,95
fs = 1200 Hz
mf = 20
Harmônicas dominantes da tensão de
saída estão concentradas em torno da
freqüência de comutação
19
Inversor em ponte completa (full-bridge):
Estratégias de modulação – PWM três níveis
PWM SENOIDAL
TRÊS NÍVEIS
vref > vtri ⇒ vAN = E (S1 ON)
vref < vtri ⇒ vAN = 0 (S2 ON)
S1
S3
io +
E
A
vo
(-vref) > vtri ⇒ vBN = E (S3 ON)
(-vref) < vtri ⇒ vBN = 0 (S4 ON)
B
CARGA
(v o )1 = maE
v o = v AN − v BN
S2
S4
vref
N
1/fs
vtri
-vref
(para ma ≤ 1)
20
Inversor em ponte completa (full-bridge):
Estratégias de modulação – PWM três níveis
vAN
vBN
vo
(vo)1
21
Inversor em ponte completa (full-bridge):
Estratégias de modulação – PWM três níveis
ma = 0,95
fs = 1200 Hz
mf = 20
Harmônicas dominantes da tensão de
saída estão concentradas em torno do
dobro da freqüência de comutação
22
Bibliografia
• D. C. Martins, I. Barbi, “Introdução ao Estudo dos
Conversores CC-CA”
• M. H. Rashid, “Eletrônica de Potência: Circuitos,
Dispositivos e Aplicações”
• Mohan et. all., “Power Electronics: Converters,
applications and design”, Second edition
• A. Ahmed, “Eletrônica de Potência”
23