Fonte: Da Camara, et AL (2009).

U n i ve r s i d a d e T e c n o l ó g i c a F e d e r a l d o P a r a n á
Departamento Acadêmico de Eletrotécnica
Curso de Engenharia Elétrica
C u r s o d e E n g e n h a r i a d e C o n t r o l e e Au t o m a ç ã o
PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UM CONVERSOR CC-CC SEPIC
COM ISOLAÇÃO GALVÂNICA EM ALTA FREQUÊNCIA
Prof. Dr. Roger Gules, [email protected]¹
Carlos Eduardo Ferreira Pimentel, [email protected]²
Thayani Togoe Cavalcante, [email protected]³
¹UTFPR / 3165, Sete de Setembro Avenue / Zip Code: 80.230-901 / Curitiba-PR
²UTFPR / 3165, Sete de Setembro Avenue / Zip Code: 80.230-901 / Curitiba-PR
³UTFPR / 3165, Sete de Setembro Avenue / Zip Code: 80.230-901 / Curitiba-PR
Resumo: Este artigo pretende mostrar o projeto e desenvolvimento de um conversor CC-CC SEPIC de 200 W com
isolação galvânica da carga, em condução descontínua e com alto fator de potência, cuja utilização é como préregulador de fator de potência para fontes ininterruptas de energia. O conversor SEPIC em modo descontínuo se
mostra vantajoso em relação às topologias mais usuais de baixas potências, como flyback, por possibilitar a
manutenção do alto fator de potência na entrada, por ter entrada do conversor semelhante a um boost, aliada à
isolação galvânica e simplicidade na forma de controle, por ter saída do conversor semelhante a um flyback. Os
resultados experimentais mostram um conversor com alto fator de potência e com controle simples através da tensão
de saída.
Palavras-chave Isolação em alta frequência, Pré-reguladores de fator de potência, SEPIC isolado, Fontes
ininterruptas de energia.
1. INTRODUÇÃO
Com a crescente demanda por fontes ininterruptas de energia (UPS – Uninterruptible Power Supply), tem sido
exigida uma maior confiabilidade dos inversores senoidais utilizados em UPS, e transformadores de baixa frequência
(60 Hz) são amplamente utilizados na saída destes inversores para fornecer isolação galvânica do circuito a ser
alimentado pela fonte (BORUP; ENJETI; N., BLAABJR, 2001). A preferência pelo uso desses transformadores é
justificada pela isolação galvânica existente inclusive quando a UPS estiver no modo bypass, onde o inversor não é
utilizado e a tensão na saída da fonte é própria tensão na entrada refletida no secundário do transformador (BRANCO;
CRUZ; BASCOPÉ; ANTUNES).
Por outro lado, para uma dada tensão, é possível obter uma maior densidade de fluxo o transformador
aumentando a frequência da tensão de entrada (KOSOW, 1982). Em termos físicos, respeitando os limites de dispersão
no núcleo e o diâmetro dos enrolamentos, é possível extrair uma maior densidade de potência de um transformador caso
ele seja operado em alta frequência (TORRICO-BASCOPÉ; TORRICO-BASCOPÉ; BRANCO, 2008).
Para uma maior confiabilidade de alimentação de cargas críticas, a UPS do tipo online é a mais utilizada, pois
realiza dupla conversão de energia, retificando a tensão alternada proveniente do sistema elétrico, e transformando-a
novamente em uma senóide, porém com menor distorção harmônica e conseqüentemente de melhor qualidade. UPS do
tipo online têm tipicamente um transformador isolador em um de seus estágios de conversão, cuja finalidade é isolar
galvanicamente a carga da fonte, fato que aumenta a confiabilidade e a segurança da UPS. A figura 1 mostra a topologia
usual de UPS do tipo online, com transformador isolador de baixa frequência na saída do conversor.
Figura 1. UPS online com transformador isolador em baixa frequência.
Fonte: Da Camara, et AL (2009).
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Desde 1995 a IEC (International Eletrotechnical Comission) publicou a norma IEC 61000-3-2, que limitou a
distorção harmônica inserida por equipamentos eletrônicos na rede elétrica, o que exigiu dos retificadores de fontes
ininterruptas de energia a preocupação com a manutenção do alto fator de potência na entrada de seus retificadores.
Para níveis intermediários de potência (entre 100 W e 10 kW) é comum a utilização de pré-reguladores de fator
de potência chaveados (SPIAZZI; TENTI; MATAVELLI, 1995), dentre os quais se destacam aqueles que possuem
apenas um estágio de retificação e isolação galvânica, conhecidos como pré-reguladores de fator de potência. A
característica básica de pré-reguladores é a permissão de ondulação em baixa freqüência (tipicamente 120 Hz
proveniente de retificação de onda completa), que no caso de UPS é aceitável, uma vez que essa ondulação pode ser
suprimida através do controle das chaves no estágio de inversão do barramento CC, representados pelas chaves Si1, Si2,
Si3 e Si4 na figura 1.
Como opção de pré-regulação de fator de potência com isolação galvânica em alta frequência, existem
basicamente os conversores da família S²IP² (YAZDANIAN; FARHANGI; ZOLGHADRI, 2007), os conversores
baseados no efeito Dither (TAKASHI; IGARASHI, 1991), os retificadores com correção paralela de fator de potência
[JIANGI, et AL, 1993], os conversores BIFRED e BIBRED (SPIAZZI; TENTI; MATAVELLI, 1995), o conversor
Boost isolado (SPIAZZI; TENTI; MATAVELLI, 1995), os retificadores ressonantes (SCHUTTEN; STEIGERWALD;
KHERALUWALA, 1991), o conversor Flyback (DE SOUSA; CRUZ; BRANCO; BEZERRA; TORRICO-BASCOPE,
2009) e os conversores Cük e SEPIC isolados (SIMONETI, SEBASTIÁN, DOS REIS, 1993). Destes, o Flyback é a
topologia mais difundida, principalmente por possuir apenas um componente magnético e ter controle relativamente
simples.
A topologia Flyback, porém, não apresenta facilidade de obtenção de fator de potência alto, por possuir a chave
de potência em série com o componente magnético, exigindo circuitos mais complexos para obtenção de bom fator de
potência. Como alternativa para essa topologia, o SEPIC isolado se mostra uma opção interessante, uma vez que possui
estágio de entrada tipo Boost, que pode drenar corrente não pulsada da rede, e possui estágio de saída tipo Flyback, com
a mesma facilidade de controle. A figura 2 mostra a topologia SEPIC isolado.
Figura 2. Conversor SEPIC isolado como pré-regulador de fator de potência.
Fonte: Simoneti; Sebastián; Dos Reis (1993).
2. METODOLOGIA
Em condução descontínua, a corrente média drenada pelo conversor SEPIC isolado pode ser calculada como
(SIMONETI; SEBASTIÁN; DOS REIS, 1993):
𝑖𝑚1
𝑑2 ∙ 𝑉𝑔 ∙ |𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡)| ∙ 𝑇𝑠
=
2 ∙ 𝐿𝑒𝑞
(1)
Onde d é o valor do duty cycle, Vg é o valor de pico da senóide de entrada, Ts é o período de chaveamento e Leq
é o valor da indutância equivalente, dado por:
𝐿𝑒𝑞 =
𝐿2
(2)
𝐿1 + 𝐿2
Onde L1 é o valor da indutância de entrada do conversor e L2 é o valor da indutância do primário do indutor
acoplado.
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Como pode ser visto em (1), em condução descontínua a corrente drenada da rede é proporcional a senóide
retificada, de forma que é possível obter alto fator de potência somente controlando a tensão no barramento CC de saída
do conversor, considerando que o controle da razão cíclica fique limitado na região de condução descontínua do
conversor.
Para garantir condução descontínua, foi utilizada a metodologia de cálculo proposta por (SIMONETI;
SEBÁSTIAN; DOS REIS, 1993), que calcula as indutâncias de entrada L1 e a indutância do primário do transformador
L2 através das equações:
𝐿2
𝑑 ∙ Δ𝑖𝑖𝑛
=
(3)
𝐿1 + 𝐿2 2 ∙ 𝑖𝑚é𝑑𝑖𝑜
𝐿1 ∙ 𝐿2
𝐾𝑎 ∙ 𝑅 ∙ 𝑇𝑠
=
(4)
𝐿1 + 𝐿2
2
𝐾𝑎 <
1
2 ∙ (𝑀 + 𝑛)2
(5)
Onde imédio é a corrente média no indutor L1, Δiin é a ondulação da corrente no indutor L1, Ts é o período de
chaveamento, d é o valor da razão cíclica em p.u., K a é o fator de descontinuidade, M é a razão entre a tensão de saída e
a tensão de pico da senóide retificada na entrada e n é a relação de espiras do indutor acoplado.
Por fim, o capacitor C1 deve satisfazer a inequação (SIMONETI; SEBÁSTIAN; DOS REIS, 1993):
𝜔2 >
1
(6)
𝐶1 ∙ (𝐿1 + 𝐿2 )
Sendo ω a frequência angular.
3. RESULTADOS
Para testar o SEPIC isolado como pré-regulador com alto fator de potência, primeiramente foram realizadas
simulações em PSPICE para validação do modelo proposto, mostrado na figura 3b. O circuito montado é mostrado na
figura 3a.
O modo de controle da chave escolhido para implementação é através do UC3525, que é um CI PWM que
trabalha em modo de controle por tensão, escolhido pela sua simplicidade de implementação, uma vez que o controle
feito somente pela tensão do barramento CC será suficiente para garantir o alto fator de potência. O circuito de controle
montado com o UC3525 é mostrado na figura 4.
Figura 3. a) Placa montada.
b) Circuito proposto.
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Figura 4. Placa do circuito de controle com o UC3525.
Figura 5. Circuito de controle com o UC3525.
Os testes foram realizados utilizando um VARIAC ajustado para tensão de 127 V, com uma carga de duas
lâmpadas de 100 W. As formas de onda do conversor, obtidas através de osciloscópio, são mostras das figuras abaixo.
Figura 6. Tensão (amarelo), corrente (rosa) na entrada do conversor e tensão na saída da fonte auxiliar (verde).
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.
Figura 6. Tensão na chave (amarelo), corrente (rosa) na entrada do conversor, tensão de chaveamento no gate do IGBT
(verde) e tensão no barramento CC (azul) em baixa frequência.
Figura 7. Tensão na chave (amarelo), corrente (rosa) na entrada do conversor, tensão de chaveamento no gate do IGBT
(verde) e tensão na fonte auxiliar (azul) em frequência de chaveamento.
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Figura 3. Tensão no barramento CC de saída.
4. DISCUSSÃO E CONCLUSÕES
Pelos resultados obtidos, foi possível verificar que o SEPIC isolado é uma alternativa interessante em baixas e
médias potências para ser utilizado como um pré-regulador de fator de potência, uma vez que nessa configuração ele
não necessita de circuitos dissipativos para limitação de tensão na chave, tem implementação como pré-regulador de
fator de potência simples principalmente pela facilidade de controle quando em condução descontínua e seu estágio de
saída é de relativa facilidade de controle, bastando que a malha seja realizada pela tensão no barramento, pois é
semelhante a um Flyback.
Do ponto de vista de isolação galvânica, o conversou projetado e construído mostrou que a isolação galvânica
em alta frequência é vantajosa do ponto de vista econômico,conforme previsto, pois notadamente o transformador usado
para isolação galvânica possui menor volume e peso que um transformador de mesma potência porém de frequência
industrial.
5. AGRADECIMENTOS
Ao professor Doutor Roger Gules, orientador do trabalho de conclusão de curso, pela oportunidade de
desenvolvimento desse projeto e pelo conhecimento transmitido, a Harime Tauchert Mokdese, pela paciência,
compreensão e apoio imprescindíveis para que este projeto fosse finalizado, ao amigo Rafael Collar Gonçalves pela
ajuda e apoio no desenvolvimento do conversor, a UTFPR por disponibilizar seus laboratórios para as montagens e
testes do protótipo, e a todos que de alguma forma ajudaram a possibilitar a realização desse trabalho.
6. REFERÊNCIAS
BRANCO Carlos G. C., CRUZ Cícero M. T., BASCOPÉ René P. Torrico, ANTUNES Fernando L. M., “A Nonisolated
Single-Phase UPS Topology With 110-V/220-V Input-Output Voltage Ratings”, IEEE – Transactions on Industry
Electronics, 2008.
BORUP Uffe, ENJETI Prasad N., BLAABJR Frede, “A New Space – Vector – Based Control Method for UPS Systems
Powering Nonlinear and Unbalanced Loads”, IEEE –Transaction on Industry Applications, 2001.
KOSOW, I. L. Máquinas Elétricas e Transformadores. 4. Ed. Porto Alegre: Editora Globo, 1982.
TORRICO-BASCOPÉ, René P., TORRICO-BASCOPÉ, Grover V., BRANCO, Carlos G. C., “High Frequency
Isolation On-line UPS System for Low Power Applications”, IEEE – APEC´ 2008.
YAZDANIAN, M.; FARHANGI, S.; ZOLGHADRI, M.R. A novel control strategy for power factor corrections based
on predictive algorithm. Power Electronic & Drive Systems & Technologies Conference (PEDSTC), 2010.
TAKAHASI, I.; IGARASHI, R.Y. A switching power supply of 99% power factor by the dither rectifier.IEEE
InternationalTelecommunications Energy Conf. (INTELEC) Proc., 1991.
SPIAZZI, G.; TENTI, P; MATAVELLI, P. High Quality Rectifiers with high-frequency Insulation – An Oveview.
IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 1995.
SCHUTTEN, M.J.; STEIGERWALD, R.L.; KHERALUWALA,M.H.;Characteristics of load resonant converters
operated in a high power factor mode. Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1991
DE SOUSA, G.J.M; CRUZ, C.M.T; BRANCO, C.G.C; BEZERRA, L.D.S; TORRICO-BASCOPE, R.P. A low cost
flyback-based high power factor battery charger for UPS applications.Power Electronics Conference, 2009.
SIMONETI D. S. L.; SEBASTIÁN J.; DOS REIS F. S.; UCEDA J. Design Criteria for SEPIC and Cük Converters as
Power Factor Preregulators in Discontinuous Conduction Mode. IEEE PESC’ 1993.
DAE LT – Depar tam ento Acadêm ico de E letr otécnica / UTFP R – Univer sidade Tecnológic a Feder al do P araná
DA CAMARA, R.A. et AL. Voltage doubler boost rectifier based on three-state switching cell for UPS
applications.IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2009.
7. DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído neste trabalho.