conversor duplo forward pwm a duas chaves principais e duas

CONVERSOR DUPLO FORWARD PWM A DUAS CHAVES PRINCIPAIS E DUAS
CHAVES AUXILIARES COM COMUTAÇÃO SUAVE
ALEXANDRE M. ANDRADE, LUIZ C. DE FREITAS, JOÃO BATISTA V. JUNIOR, ERNANE A. A. COELHO,
VALDEIR J. FARIAS E LUIZ C. G. FREITAS
Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP)
Faculdade de Engenharia Elétrica (FEELT)
Universidade Federal de Uberlândia (UFU)
Av. João Naves de Ávila, 2160 - Bloco 3N - Campus Santa Mônica CEP: 38400-902
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Resumo - Converter uma tensão constante em outra
tensão de valor constante é necessário em inúmeras
aplicações tecnológicas, desde carregar uma bateria de
celular, até alimentar um motor de corrente contínua de
aplicação industrial. Este trabalho apresenta mais uma
forma de se converter uma tensão constante com base
numa topologia de circuito elétrico.Essa topologia tem o
seu embrião na mais simples configuração abaixadora de
tensão,o conversor Buck.Este conversor evoluiu para o
conversor Forward que em essência é um conversor Buck
no qual a carga e a alimentação são isoladas
galvanicamente por um transformador.É apresentada
uma evolução do conversor Forward fazendo uso de
quatro enrolamentos do transformador e de comutação
não-dissipativa através de circuitos ressonantes.
Palavras-Chave – Conversor, Forward, Comutação
Suave, CC/CC, PWM.
DOUBLE FORWARD PWM CONVERTER
WITH TWO MAIN AND AUXILIARY
SWITCHES AND SOFT SWITCHING
Abstract - Converting a constant voltage in another
constant voltage is necessary in many technological
applications, starting from charging a cell phone battery
to feed a DC motor in industrial plants. This work
presents one more way to convert a constant voltage
based on a new circuit topology. This topology has its
embryo in the simplest step-down configuration, the buck
converter. This converter has evolved to the Forward
converter that is essentially Buck converter in which load
and source are isolated by a transformer. It´s presented
an evolution of the Forward converter making use of four
windings at the transformer and of non-dissipative
commutation through resonant circuits.
1
Keywords – Converter, Forward, Soft Switching,
DC/DC, PWM.
I. INTRODUÇÃO
A cada dia, intensifica-se o uso de técnicas
desenvolvidas pela Eletrônica de Potência no processamento
da energia elétrica.
A principal motivação é a obtenção de conversores com
elevada densidade de energia e aumento da eficiência global
da estrutura, associado a redução do tamanho e do peso das
estruturas. O tamanho e peso de fontes chaveadas de
alimentação podem ser reduzidos principalmente pelo
aumento da freqüência de chaveamento, tornando possível a
redução do transformador de potência e de filtros LC de
saída [1].
Entretanto, o aumento da freqüência de
chaveamento também contribui para o aumento das perdas
por chaveamento, tanto na entrada quanto na saída de
condução dos interruptores, bem como a interferência
eletromagnética (EMI).
Portanto, operar em alta freqüência requer uma
preocupação adicional com as características de comutação
dos interruptores, tanto na entrada quanto na saída de
condução, no intuito de mitigar as perdas por chaveamento
ou comutação.
Neste contexto, no início dos anos oitenta, as primeiras
topologias de conversores quase-ressonantes (QRCs –
quasiresonant converters) foram apresentadas. Basicamente,
estes conversores foram obtidos através da associação de
circuitos LC com os interruptores, forçando as correntes a se
tornarem senoidais ao invés de quadradas. Assim, os
interruptores podem ser ativados e desativados no instante
em que a corrente sobre eles passa por zero, eliminando o
cruzamento entre tensão e corrente, que causam perdas por
comutação. Esta técnica foi denominada “zero current
switching – ZCS” [1], [2], [3] e [4].
Com o surgimento dos transistores bipolares de potência
e posteriormente dos MOSFET´s de potência, percebeu-se
que a comutação suave reduzia as perdas por comutação e
permitia a operação das chaves em freqüências superiores às
obtidas em circuitos convencionais [5] e [6].
Percebendo-se este notável efeito, foram desenvolvidas
diferentes células de comutação não dissipativas, sempre
visando à operação em altas freqüências.
A aplicação de técnicas de controle PWM em
conversores quase-ressonantes tornou possível o aumento da
freqüência de chaveamento sem comprometer a eficiência
destes conversores. Outra grande vantagem alcançada com o
desenvolvimento de conversores PWM quase-ressonantes foi
a redução de ruídos irradiados e/ou conduzidos em fontes
chaveadas de alimentação, tornando possível o aumento da
frequência de chaveamento sem comprometer a operação dos
circuitos de controle utilizados, assim como a operação de
equipamentos eletrônicos operando nas imediações [2], [6],
[7], [8], [9] e [10].
É nesse cenário que este artigo propõe uma nova célula
de comutação aplicada a um duplo Forward. A célula de
comutação é composta por duas chaves principais e duas
auxiliares cuja operação ocorre sem perdas de comutação,
uma vez que as auxiliares são comutadas no fechamento com
corrente nula (ZCS) e na abertura com tensão e corrente
nulas, enquanto as principais são comutadas no fechamento e
na abertura sob tensão nula (ZVS).
II. CONVERSOR DUPLO FORWARD COM
COMUTAÇÃO NÃO DISSIPATIVA
quando se aciona a chave principal, com tensão nula em seus
terminais.
Figura 2. Primeira Etapa
3.2. Segunda Etapa [ ,
Indutor de Ressonância
]: Estágio de Carregamento do
Este estágio começa com o acionamento de
em
ZVS. Assim sendo, começa a se estabelecer uma corrente no
indutor de ressonância, através do enrolamento primário do
transformador. Essa corrente cresce linearmente até que se
atinja a corrente de carga, encerrando a etapa.
A topologia duplo Forward, é resultado de uma
combinação entre duas estruturas Forward, ligadas ao mesmo
transformador, e opera como um conversor Full-Bridge,
apresentado na Fig. 1.
Neste conversor é incluída uma célula de comutação não
dissipativa, que promove o chaveamento ZVS das chaves
principais
e
. As chaves auxiliares,
e
, são
fechadas em modo ZCS e abertas em modo ZCS e ZVS.
Figura 3. Segunda Etapa
3.3. Terceira Etapa [ ,
largura de pulso
]:Estágio de modulação por
Este estágio se inicia quando a corrente no primário do
transformador atinge a corrente de carga e termina quando a
chave principal, por comando do controle do sistema, é
desligada.
Figura 1. Conversor Proposto
III. ETAPAS DE FUNCIONAMENTO
Considerando um único período de chaveamento, o
princípio de operação da célula não dissipativa no conversor
duplo Forward pode ser ilustrado através de sete etapas de
funcionamento. Para simplificar a análise, o filtro de saída é
uma fonte de corrente. As principais formas de onda nos
elementos do circuito de potência são apresentadas na Fig. 9.
3.1 Primeira Etapa [ ,
]: Estágio Ressonante
Inicialmente, a tensão no capacitor
é 2 , a tensão
no secundário é nula e a corrente de carga circula pelos dois
enrolamentos secundários do transformador. Este estado
inicial é oriundo do estágio anterior (sétima etapa). Este
estágio se inicia com o acionamento da chave auxiliar de
e
. A corrente de
modo que ocorra a ressonância entre
ressonância flui até que a tensão no capacitor
vá à zero,
Figura 4. Terceira Etapa
3.4. Quarta Etapa [ ,
capacitor de ressonância
]: Carregamento Linear de
Essa etapa se inicia quando a chave principal
é
desligada ZVS. Com isso, a corrente passa a fluir pelo
elevando sua tensão
capacitor de ressonância
linearmente até o valor de , encerrando a etapa.
3.7. Sétima Etapa [ ,
]: Livre Circulação
Essa etapa se inicia quando a corrente no indutor
vai
a zero. O bloqueio do diodo
evita a ressonância entre
e
através do primário antes do acionamento da chave
. Esse estágio se encerra com o acionamento da chave
do subconversor forward inferior e todas essas sete
etapas se repetem quando, finalmente, retorna-se para o
subconversor superior.
Figura 5. Quarta Etapa
3.5. Quinta Etapa [ , ]: Carregamento Ressonante do
capacitor de ressonância
Essa etapa se inicia quando a tensão no capacitor
atinge
. Cessa-se a transferência de energia para o
secundário remanescendo um circuito
e
, o primário
eleva a tensão no capacitor
de
a 2
de forma
ressonante. A etapa se encerra com a entrada em condução
do diodo
que limita a tensão no capacitor
a2 .
Figura 8. Sétima Etapa
A análise qualitativa do conversor dá a base para se
obter as formas de ondas ideais e teóricas para o circuito. A
Fig. 9 mostra as formas de ondas teóricas.
Figura 6. Quinta Etapa
3.6. Sexta Etapa [ ,
Indutor de Ressonância
]: Descarregamento Linear do
Essa etapa se inicia com a entrada em condução do
diodo
. Como ainda há energia no indutor
, o
,
,
descarregamento flui pelo circuito composto por
e o enrolamento primário
. No secundário a corrente
de carga esta em livre circulação. Essa etapa se encerra com
e bloqueio do diodo
o término da corrente no indutor
, mantendo o capacitor
carregado em
Figura 9. Formas de onda
Figura 7. Sexta Etapa
O primeiro gráfico mostra a tensão no capacitor de
ressonância que também é a tensão na chave principal.
Observa-se que a almejada característica ZVS nas chaves
principais é alcançada.
O segundo gráfico apresenta a corrente no indutor de
ressonância. O terceiro, a corrente na chave principal. O
quarto, a tensão na chave auxiliar.
O quinto gráfico mostra a forma de onda na chave
auxiliar que ocorre apenas em uma única etapa. Observa-se
que as chaves auxiliares entram em condução com corrente
nula, ZCS, e param de conduzir tanto com corrente e tensão
nula, ZCS e ZVS.
No sexto gráfico, a corrente que descarrega a energia
remanescente no indutor de ressonância e na indutância de
magnetização sobre o capacitor de entrada idealizada como
fonte de tensão é apresentada. O sétimo gráfico, mostra a
tensão no enrolamento primário. O oitavo e o nono, os
comandos de disparo da chave auxiliar e da chave principal.
A partir das formas de onda do circuito, pode-se obter o
plano de fases evidenciando as etapas de operação,
apresentado na figura a seguir.
do circuito ressonante e freqüência de ressonância,
respectivamente
(1)
(2)
(3)
4.1. Etapas de Operação em Cálculos
Primeira Etapa [ , ]: A partir da análise qualitativa já
desenvolvida, sabe-se, para essa etapa
(4)
(5)
A corrente no indutor de ressonância durante a etapa de
ressonância é descrita na equação
(6)
Figura 10. Plano de fases do circuito
A equação que descreve a tensão do capacitor no tempo
é
(7)
Assim sendo, para a primeira etapa, a tensão no
capacitor é zero. Fazendo
, obtém-se
(8)
Figura 11. Gráfico do ganho em função da condutância
normalizada
O gráfico do ganho estático é uma forma de se ver o
comportamento do conversor quanto ao aumento de carga. O
gráfico da Fig. 11 ilustra o ganho estático em função da
carga.
Segunda etapa [ ,
]: Sabe-se que para essa etapa
(9)
(10)
Equacionando o circuito no lado primário temos a
equação
IV. ANÁLISE MATEMÁTICA
A modelagem matemática permite obter a expressão que
determina o ganho estático do conversor, a análise desse
ganho em função de várias situações de carga e as bases para
o desenvolvimento do controle. Para simplificar as
expressões que serão obtidas, três parâmetros são
introduzidos. São eles condutância normalizada, impedância
(11)
(12)
(13)
O ganho estático é definido como
(14)
(26)
Terceira etapa [ , ]: A partir da análise qualitativa
desenvolvida no capítulo anterior, sabe-se que, para essa
etapa
.
V. ESTRATÉGIA DE CONTROLE
(15)
Finalmente, inicia-se a transferência de energia para a
carga do sistema.
(16)
(17)
Quarta etapa [ , ]: Com a abertura da chave principal,
o capacitor Cr carrega-se com a corrente de carga, e a tensão
em seus terminais se eleva de forma linear.
(18)
Para um funcionamento seguro do conversor, é
necessário implementar um circuito de controle que comande
as quatro chaves do circuito principal baseado na potência e
na tensão de saída desejada para o sistema. O controle é
implementado através do circuito integrado KA3525 que
realiza modulação por largura de pulso segundo uma tensão
de controle gerada por um compensador proporcionalintegral.
O pulso gerado é levado a dois circuitos disparadores
que aciona os transistores no momento correto e na duração
certa para o chaveamento da tensão de entrada e conversão
na tensão de saída. O atraso do disparo da chave principal foi
implementado através do CI monoestável CDA4528BC.
Esses conceitos podem ser expressos num diagrama de
blocos, a seguir
(19)
(20)
Figura 12. Diagrama de Blocos
(21)
Quinta etapa [ ,
]: Na quinta etapa a tensão no
capacitor de ressonância se eleva de
para 2 .
(22)
Nessa etapa, a tensão aplicada na saída é zero.
Sexta etapa [ ,
saída é zero.
]: Nessa etapa, a tensão aplicada na
(23)
Sétima etapa [ ,
etapa também é zero.
]: A tensão aplicada na saída nessa
(24)
A tensão média na saída é descrita pela equação
(25)
VI. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Após um detalhado estudo realizado por simulação
utilizando-se o software PSpice, um protótipo do conversor
duplo Forward com uma nova célula não dissipativa foi
construído e analisado experimentalmente em laboratório no
intuito de comprovar as vantagens que a célula de comutação
proposta proporciona.
TABELA I
PARÂMETROS DO CIRCUITO
Tensão de Entrada VE
180 V
Tensão de Saída
50 V
Frequencia de chaveamento f
100 kHz
On-Off ZCS Double Forward
Capacitores de Ressoância Cr1,
Cr2
Indutores de Ressonância Lr1, Lr2
Resonant inductors Lr2, Lr4
Indutância do Primário Lp1, Lp2
Indutância do Secundário Ls1, Ls2
Indutor de Filtro Lf
Capacitor de Filtro Cf
Transistor (Chave Principal)
Capacitor de Filtro Cf
Transistor (Chave Auxiliar)
6,8 nF
5 uH
20 uH
1 mH
180 uH
25 uH
9,7 uF
IRF32N50K
9,7 uF
IRF740
A figura 13 mostra a tensão e a corrente na chave
principal para uma potência de saída de 920W Verifica-se o
crescimento em rampa da corrente na chave antes de atingir o
valor de regime. É de se esperar que a tensão na chave se
eleve rapidamente para 2 . A Fig. 14 ilustra a tensão e a
corrente na chave auxiliar para uma potência de saída de
920W.
A tensão no capacitor de ressonância não varia muito
com a carga, só o intervalo de tempo em que ela é zero é que
varia conforme a razão cíclica. A corrente no indutor de
ressonância é mais sensível, pois uma parte dela é a corrente
de carga. Quanto à parte ressonante dessa corrente, também
não varia com a carga. A figura 15 apresenta as formas de
onda da tensão e corrente de ressonância.
VII. CONCLUSÃO
O artigo apresenta uma nova topologia de conversor
Forward, PWM a duas chaves principais e duas chaves
auxiliares com comutação suave. São apresentadas as etapas
de funcionamento da topologia proposta bem como as formas
de onda de interesse para compreensão do seu
funcionamento. Expressões analíticas para definição do
ganho estático são obtidas a partir da análise matemática
apresentada.
A partir do protótipo desenvolvido em laboratório são
colhidos os resultados experimentais que sustentam a análise
teórica apresentada.
A principal vantagem do conversor estudado, além da
redução do estresse de tensão nas chaves principais e o uso
de um número menor de semicondutores, é a operação “soft”
para toda faixa de carga (0% - 100%).
O protótipo desenvolvido converteu uma potência de
920W, quase o dobro da potência de 500W destacada como
característica importante do conversor de (Kyrrä, 1998).
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o suporte financeiro conseguido
junto aos órgãos de fomento, CNPq, FAPEMIG e CAPES.
REFERÉNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Figura 13. Tensão e corrente na chave principal
Figura 14: Tensão e corrente na chave auxiliar
Figura 15. Tensão e corrente de ressonância para potência de 920W.
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[10] Freitas, L.C.; Coelho Gomes, P.R., A high-power high
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