conversor forward com comutação verdadeira sob corrente nula

PIBIC-UFU, CNPq & FAPEMIG
Universidade Federal de Uberlândia
Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação
DIRETORIA DE PESQUISA
CONVERSOR FORWARD COM COMUTAÇÃO VERDADEIRA SOB
CORRENTE NULA: ANÁLISE E SIMULAÇÃO
Alexandre Motta de Andrade
Universidade Federal de Uberlândia – Faculdade de Engenharia Elétrica
Av. João Naves de Ávila, 2121
CEP:38400-902 Uberlândia, MG, Brasil
[email protected]
Luiz Carlos de Freitas
Universidade Federal de Uberlândia – Faculdade de Engenharia Elétrica
Av. João Naves de Ávila, 2121
CEP:38400-902 Uberlândia, MG, Brasil
[email protected]
Resumo: Este trabalho apresenta uma proposta de uma nova célula de comutação não dissipativa
aplicada à conversor Forward. A célula opera sob corrente nula na entrada e na saída de
condução em todas as chaves. Simulações comprovam os estudos feitos.
Palavras-chave: célula de comutação, conversor CC-CC, corrente, semicondutor, tensão.
1. INTRODUÇÃO
Com o objetivo de se reduzir o tamanho e peso desses conversores torna-se necessário o uso
de freqüências de chaveamento cada vez mais elevadas. Contudo as perdas por chaveamento
impedem que freqüências muito elevadas possam ser utilizadas no funcionamento dos conversores.
A comutação não dissipativa reduz as perdas por comutação, permitindo elevar a freqüência de
chaveamento e assim reduzir o peso e o volume das fontes chaveadas, além de diminuir a geração
de interferência eletromagnética (EMI), devido aos elevados di/dt e dv/dt, inerentes ao chaveamento
dos dispositivos semicondutores controlados, durante a operação das chaves em comutação
dissipativa (DIAS, E.C. Uma nova família de conversores com comutação ZCS na abertura e
fechamento das chaves. – Uberlândia, FEELT-UFU, 2008.).
Este trabalho propõe a inserção de uma nova célula de comutação no conversor Forward,
objetivando ter corrente nula na entrada e na saída das chaves, diminuindo as perdas por
chaveamento e possibilitando freqüências mais elevadas.
Em 2008 Dias, apresentou uma nova célula On-Off ZCS aplicada à um conversor Buck,os
elementos do circuito são associados de maneira a possibilitar a comutação sob corrente nula em
todas as chaves. Assim sendo a nova célula pode operar em alta freqüência, processar grande
quantidade de energia com elevada eficiência. Estas características podem proporcionar a
elaboração de um desejado conversor com pequeno tamanho e baixo peso. Porém a desvantagem
desse conversor é a necessidade de se utilizar uma chave auxiliar a mais do que as topologias usuais
(DIAS, E.C. Uma nova família de conversores com comutação ZCS na abertura e fechamento das
chaves. – Uberlândia, FEELT-UFU, 2008.).
Tal conversor foi a base para este trabalho que propôs a inserção dessa nova célula On-Off
ZCS em um conversor Forward.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
A nova célula consiste de dois indutores , Lr1 e Lr2, três diodos D1, D2 e D3, três chaves S1, S2
e S3 e um capacitor Cr, ilustrada na figura 1.
1 – Acadêmico do curso de engenharia elétrica; 2 - Orientador
Lr1
D1
S1
c
S3
a
Lr2
D2
D3
S2
Cr
p
Figura 1: Célula de comutação proposta.
Este trabalho propõe a inserção da uma nova célula no conversor Forward, capaz de
promover tanto o acionamento, quanto o desligamento de todos os dispositivos semicondutores sob
corrente nula. A célula aplicada ao conversor Forward é apresentada na figura 2.
Figura 2: Célula On-Off ZCS aplicado ao conversor Forward.
A associação da técnica de modulação por largura de pulso aos conversores ressonantes e quaseressonantes, trouxe grandes contribuições à eletrônica de potência, promovendo o uso de
freqüências mais elevadas e, sobretudo, garantindo elevado rendimento a essas novas estruturas.
Outra vantagem obtida com a utilização de chaves quase-ressoanantes PWM foi à redução do nível
de EMI irradiado ou conduzido, permitindo aumentar a freqüência de chaveamento sem que seu
circuito de controle operasse incorretamente ou mesmo que equipamentos próximos fossem
afetados (DIAS, E.C. Uma nova família de conversores com comutação ZCS na abertura e
fechamento das chaves. – Uberlândia, FEELT-UFU, 2008.).
A abordagem da nova célula de comutação apresenta uma vantagem em relação aos conversores
quase-ressonantes, pois a nova célula tem como principal característica o fato da corrente circulante
na chave principal ser composta somente pela corrente de carga. Visto que na topologia quaseressonante ZCS, há uma sobreposição do semi-ciclo senoidal da corrente ressonante sobre a
corrente de carga (DIAS, E.C. Uma nova família de conversores com comutação ZCS na abertura e
fechamento das chaves. – Uberlândia, FEELT-UFU, 2008.).
A topologia proposta apresenta duas desvantagens, primeiro é a necessidade de se utilizar
uma chave auxiliar a mais do que as topologias usuais. Outra desvantagem é devido à presença do
transformador, que ao desmagnetizar-se, faz com que a tensão chegue até 3 Vin em alguns
componentes do circuito.
2.1 Etapas de Funcionamento
Para um estudo simples e objetivo do conversor Forward com a nova célula de comutação,
será feito uma divisão, em etapas de funcionamento, baseando-se nas variações das formas de ondas
da tensão e da corrente ao longo de um único período, causado principalmente pela mudança de
estado dos semicondutores utilizados no conversor.
Algumas suposições de idealidades serão adotadas para esse estudo, dentre elas:
• Os elementos semicondutores são considerados ideais, ou seja, a resistência em estado de
condução é nula, e em estado de bloqueio é infinita e os tempos de acionamento e
desligamento são infinitamente pequenos.
2
•
O filtro de saída é considerado uma fonte de corrente constante, com valor I 0 .
A tensão de entrada Vin é considerada uma fonte de tensão livre de ondulação.
Baseado nas considerações acima descritas, o estudo será feito para um único período de
chaveamento.
•
2.2.1 Primeira etapa: ∆t1 [t0- t1]
Esta etapa tem início quando as chaves S1 e S 2 são colocadas em condução e termina
quando a corrente iLr1 = 0. Durante esta etapa de funcionamento a corrente no indutor Lr1 cresce
linearmente. O circuito série ressonante composto pela fonte Vin , o indutor Lr2 e o capacitor Cr,
começa a oscilar, fazendo com que a corrente iLr2 cresça senoidalmente. Dessa forma, conclui-se
que a entrada em condução de ambas as chaves ocorre sem perdas por comutação. A figura 3
apresenta o circuito equivalente dessa etapa.
Figura 3: Primeira etapa.
2.2.2. Segunda etapa: ∆t2 [t1- t2]
Esta etapa se inicia quando iLr1 = I 0 e termina quando iLr2 = 0 . Durante essa etapa,
representada na figura 4, o circuito série ressonante citado na primeira etapa, continua a oscilar,
fazendo com que a corrente iLr2 cresça, passe por um máximo e decresça senoidalmente até se
anular. O diodo D2 não permite a circulação do semi-ciclo negative da corrente iLr2 . O capacitor
Cr fica com uma tensão de 3Vin , devido à ressonância e também à energia inicial armazenada. A
chave S 2 é desligada com corrente nula.
Figura 4: Segunda etapa.
2.2.3 Terceira etapa: ∆t3 [t2- t3]
A terceira etapa tem início com a corrente iLr2 = 0 e termina com o fechamento da chave
S 3 . Durante esta etapa de funcionamento, caracterizada como uma etapa de transferência de
energia, a fonte Vin fornece energia para a carga. A chave S 3 entra em condução sob corrente nula,
3
uma vez que a mesma conduzirá a corrente ressonante entre Lr1 e Cr. A figura 5 mostra a
característica do circuito nesta etapa de funcionamento.
Figura 5: Terceira etapa.
2.2.4 Quarta etapa: ∆t4 [t3- t4]
A quarta etapa, representada pelo circuito equivalente da figura 6, tem início com o
fechamento da chave S 3 e termina com a abertura da chave S1 . Durante essa etapa de
funcionamento a corrente iLr1 decrese cossenoidalmente até se anular. A chave S1 é dessa forma,
desligada com corrente nula.
Figura 6: Quarta etapa.
2.2.5 Quinta etapa: ∆t5 [t4- t5]
A quinta etapa se inicia com a abertura da chave S1 e termina com Cr= - Vin. Durante essa
etapa de funcionamento o capacitor Cr se descarrega linearmente até a tensão anular, a partir desse
momento, o capacitor Cr conduz a corrente de desmagnetização ate atingir o valor de –Vin. O
circuito equivalente é mostrado na figura 7.
Figura 7: Quinta etapa.
2.2.6 Sexta etapa: ∆t6 [t5- t6]
A sexta etapa mostrada na figura 8 se inicia com Cr= -Vin e termina com a abertura da
chave S 3 . Durante essa etapa de funcionamento o diodo Ddm entra em condução e passa a conduzir
4
r
a corrente de desmagnetização. A corrente iS 3 decrese linearmente ate atingir zero. Assim a chave
S 3 é desligada com corrente nula.
Figura 8: Sexta etapa.
2.2.7 Sétima etapa: ∆t7 [t6- t7]
Tem início com a abertura da chave S 3 e termina com o fechamento das duas chaves S1 e
S 2 . Nesta etapa de funcionamento, a corrente de carga circula pelo diodo de roda livre Do. A
corrente de desmagnetização decrese linearmente até atingir zero. O circuito equivalente é
apresentado na figura 9.
Figura 9: Sétima etapa.
Acima foram mostradas todas as etapas de funcionamento existentes no conversor Forward
com a nova célula de comutação. Todas as chaves utilizadas entram e saem de condução sem
perdas, em modo não dissipativo.
A figura 10 mostra as principais formas de onda teóricas do conversor Forward com a nova
célula de comutação.
5
Figura 10: Formas de onda do conversor Forward com a nova célula de comutação.
2.3 Parâmetros do Circuito
Inicialmente dever ser especificados os dados básicos relativos ao novo conversor tais como
tensão de entrada, tensão de saída, freqüência de chaveamento, potência de saída e corrente de
carga.
Tensão de entrada - Vin
180 V
Tensão de saída - Vout
60 V
Freqüência de chaveamento - f
100 kHz
Potência de Saída - P0
800 W
Corrente de carga - I 0
13,5 A
6
2.3.1 Freqüência de chaveamento e Freqüências de Ressonância f 01 e f 02
O primeiro parâmetro a ser definido para o circuito é a freqüência. Como a intenção desse
trabalho é usar alta freqüência de chaveamento, escolheu-se o valor de 100kHz. O período
correspondente é de 10µs.
O segundo passo é definir as freqüências de ressonância do circuito. Existem dois circuitos
ressonantes no conversor, o primeiro é composto pela fonte Vin , pelo indutor Lr1 e pelo capacitor
Cr. O segundo circuito ressonante é composto pela fonte Vin , pelo indutor Lr2 e pelo capacitor Cr.
A escolha de uma freqüência de ressonância f 01 superior à freqüência f 02 , garante uma menor
relação de dependência do ganho perante a variação de carga f 01 (DIAS, E.C. Uma nova família de
conversores com comutação ZCS na abertura e fechamento das chaves. – Uberlândia, FEELT-UFU,
2008.).
Como a freqüência de chaveamento é de 100kHz, as freqüências de ressonância devem ser
escolhidas para valores superiores a este. Dessa forma, optou-se pela escolha de valores próximos a
400kHz para a freqüência f 02 e 700kHz para a freqüência f 01 .
A freqüência de ressonância próxima a 400kHz indica uma corrente de pico ressonante
pequena, se relacionada à corrente de carga I 0 , o que implica na escolha de uma chave S 2 com
reduzido custo.
Os valores sugeridos para as duas freqüências de ressonância não serão exatamente utilizados,
dado os valores comerciais que se encontram para o capacitor e aos valores dos indutores que são
muito difíceis de obter em escala contínua, uma vez que o numero de espiras do enrolamento em
torno do núcleo magnético é uma variável discreta. As freqüências de ressonância serão definidas
exatamente, portanto, quando se definirem os valores do indutor e do capacitor de ressonância.
O indutor de ressonância Lr1 foi escolhido para um valor de 5,7 µH e o indutor de
ressonância Lr2 para um valor de 20 µH. O capacitor de ressonância não apresenta importantes
restrições em sua escolha. Na verdade o mesmo é definido segundo o valor escolhido para os
indutores e conseqüentes freqüências de ressonância.
Adotou-se, finalmente, o valor de 10 nF para o capacitor de ressonância. As freqüências de
ressonância f 01 e f 02 então encontradas:
1
f 01 =
= 666,627kHz
2π . Lr1.Cr
1
f 02 =
= 355,882kHz
2π . Lr 2.Cr
3. RESULTADOS
3.1 Simulação do circuito proposto
Para completar o estudo do conversor proposto será feita uma simulação do mesmo para
confirmação dos parâmetros do circuito analisado. Será feita a simulação no software SPICE de
simulação de circuitos elétricos, através do pacote Orcad.
De acordo com os parâmetros escolhidos anteriormente, para uma potência de saída de 800
W e uma tensão de 60V, têm-se uma carga de 4,5 Ω .
Abaixo seguem os resultados de simulação para o conversor Forward com a nova célula de
comutação. A forma de onda observada na figura 11 mostra a corrente circulante e a tensão sobre a
chave S1 , S 2 e S 3 , respectivamente . A desejada comutação sob corrente nula nas chaves é obtida
tanto na entrada, quanto na saída de condução.
7
Figura 11: O corrente e tensão nas a chave S1 , S 2 e S 3 .
A figura 12 apresenta a tensão no capacitor Cr, observa-se que o capacitor entra em
ressonância com o indutor Lr2 e atinge um valor de 3Vin e entra em ressonância com o indutor Lr1 ,
forçando a corrente na chave S1 ir a zero. A tensão no capacitor Cr vai a –Vin, devido à condução
da corrente de desmagnetização.
Figura 12: Tensão no capacitor de ressonância Cr.
4. CONCLUSÃO
A abordagem da célula criada trouxe como principal característica, o fato da corrente
circulante na chave principal ser composta somente pela corrente de carga. A nova célula de
comutação opera sob corrente nula na abertura e no fechamento das chaves, e o semi-ciclo senoidal
da corrente do tanque ressonante é desviado para uma chave auxiliar, o que garante uma
distribuição unifrome da corrente nos semicondutores utilizados.
Assim, listam-se resumidamente as principais vantagens observadas:
• Comutação não dissipativa para todas as chaves envolvidas, sendo as mesmas operando sob
corrente nula na entrada e na saída de condução;
• Eliminação do pico de corrente na chave principal;
• A comutação não dissipativa para toda faixa de carga;
8
Alta freqüência de chaveamento com alto rendimento;
Baixo nível de ruído;
Como desvantagem da célula, observa-se o uso de mais componentes se comparado aos
conversores quase-ressonantes e no caso do conversor Forward apresenta uma tensão de 3Vin nas
chaves S1 , S 2 e no capacitor Cr devido a presença do transformador.
•
•
5. AGRADECIMENTOS
Pessoas importantes colaboraram para a conclusão deste trabalho. Gostaria de agradecer ao
professor Luiz Carlos de Freitas, pela orientação ao longo deste trabalho, à CNPq, pelo apoio
financeiro, a Universidade Federal de Uberlândia, pela estrutura oferecida para o desenvolvimento
deste projeto e aos meus colegas de laboratório, por compartilharem os conhecimentos necessários
para conclusão deste trabalho.
6. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICAS
Oliveira Jr., D. S.: “Análise e Desenvolvimento do Conversor Duplo Forward com uma Célula de Comutação
não Dissipativa”. Universidade Federal de Uberlândia, 2001.
Borges, A.J.N. Conversor duplo forward pwm a duas chaves principais e duas chaves auxiliares
com comutação suave – Uberlândia, FEELT-UFU, 2006, 108p.
DIAS, E.C. Uma nova família de conversores com comutação ZCS na abertura e fechamento das
chaves. – Uberlândia, FEELT-UFU, 2008.
Grigore, V., Kyyrä, J.: “A 500W (50V@10A) ZVT Forward Converter”. Applied Power Electronics Conference
and Exposition, 1998. Pages 614-619.
Mello, Luiz F. P. – “Análise e Projetos de Fontes Chaveadas”, Edit. Érica
Mohan, N., Undeland, T. M., Robbins, W. P.: “Power Electronics: Converters, Applications, and
Design”. John Wiley and sons, inc. Second edition, 1995.
FREITAS, Luiz Carlos de; COSTA, A. V. A New Zcs-Zvs-Pwm Boost Converter With Unity Power Factor
Operation. In: APEC94, IEEE Applied Power Eletronics Conference and Exposition. USA: 1994. v. 1, p. 404-411.
FREITAS, Luiz Carlos de; P., Filho N.; FARIAS, Valdeir José. A Novel Family Of Dc-Dc Pwm Converter Using
The Self Resonant Principle. In: PESC94, 1994, Taiwan. IEEE Power Eletronics Specialists Conference. CHINA:
1994. v. 2, p. 1385-1391.
FORWARD CONVERTER WITH ZERO CURRENT COMMUTATION:
ANALYSIS AND SIMULATION
Alexandre Motta de Andrade
Universidade Federal de Uberlândia – Faculdade de Engenharia Elétrica
Av. João Naves de Ávila, 2121
CEP:38400-902 Uberlândia, MG, Brasil
[email protected]
Luiz Carlos de Freitas
Universidade Federal de Uberlândia – Faculdade de Engenharia Elétrica
Av. João Naves de Ávila, 2121
CEP:38400-902 Uberlândia, MG, Brasil
[email protected]
Abstract: This work presents a proposal of a new non-dissipative commutation cell applicable to a
Forward converter. The cell operates with zero current turn on and off. Simulations confirmed the
study.
Keywords: Commutation cell, DC-DC converter, current, semiconductor, voltage.
9