12.Intodução ao estudo de conversores ressonantes PDF
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ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES CONVERSORES RESSONANTES L + - iL LS + - vL n:1 iC D ideal S CS C + R - vO(t) Circuitode depotência potência Circuito Circuitode de Circuito controlo controlo IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges Fonte Quase Ressonante ZVS “Zero Voltage Switching” CC-CAhf-CC Frequência: [1MHz] Pot<50W η<95% ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES CONVERSORES RESSONANTES ConversoresCom ComCarga CargaRessonante Ressonante Conversores Topologias: Conversores Quasi Quasi Ressonantes Ressonantes Conversores ConversoresMulti MultiRessonantes Ressonantes Conversores ConversoresPWM PWMRessonantes Ressonantes Conversores Conversorescom comTransição TransiçãoRessonante Ressonante Conversores Princípio de operação: Inserçãode deuma umabobine bobineeede deum umcondensador condensador Inserção Oscilaçãodas dasgrandezas grandezaseléctricas eléctricas Oscilação Comutaçãodo dodispositivo dispositivonos nospontos pontosde deanulamento anulamento Comutação datensão tensãoou ouda dacorrente corrente da IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES Comutação Comutaçãonos nospontos pontosde deanulamento anulamentoda datensão tensão ZVS ZVS“Zero “ZeroVoltage VoltageSwitching” Switching” o dispositivo passa à condução a tensão nula Condensador em paralelo com o dispositivo Comutaçãonos nospontos pontosde deanulamento anulamentoda dacorrente corrente Comutação ZCS“Zero “ZeroCurrent CurrentSwitching” Switching” ZCS o dispositivo passa ao corte a corrente nula Bobine em série com o dispositivo IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES Comparação entre comutação forçada e comutação resonante COMUTAÇÃO RESSONANTE IT Id COMUTAÇÃO FORÇADA SEM SNUBERS ON- OFF OFF-ON OFF-ON ON- OFF Vd VT COMUTAÇÃO FORÇADA COM SNUBERS IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES COMUTAÇÃO FORÇADA VT IT frequência rendimento PCOM= K.IT.VT.f COMUTAÇÃORESSONANTE RESSONANTE COMUTAÇÃO ZVS ZCS IT VT PCOM IST-DEEC 2003 ≈0 VT PCOM Profª Beatriz Vieira Borges IT ≈0 ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES Conversores Ressonantes Inversores ressonantes CC-CA Conversores quasi ressonantes Conversores com carga ressonante Conversores com andar ressonante CC-CA CC-CC CA-CA CRSérie CRParalelo CRSérie-Paralelo CC-CC Definição de interruptores quasi ressonantes com ZCS ou ZVS Conversores PWM com CC-CC comutação ressonante Definição de interruptores de PWM com comutação ressonante ZCS ou ZVS Operação a muito alta frequência (MHz) – baixa potência (50W) Todas as topologias operam com ZVS ou ZCS utilizando os componentes parasitas do circuito IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges Operação a alta frequência (<500kHz) – potência (<2kW) ZVS (PWM) ZCS (PWM) ZVS (MF) ponte completa ZCS (MF) ponte completa ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES VANTAGENS: Operação a alta frequência Perdas de comutação são reduzidas (devido à existência de ZVS ou de ZCS). Comutação suave com geração de EMI reduzida, contrariamente ao que acontece nas topologias comutadas (devido aos valores elevados de di/dt e de dv/dt). Redução de dimensões (volume e peso). Grande densidade de potência IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES INCONVENIENTES: Difícil previsão das grandezas eléctricas Controlo mais complexo Perdas de condução não desprezáveis IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES Conversores Quasi - Ressonantes Alta integração de potência Alta frequência de operação Capacidades parasitas dos transistores MOS de potência (CS) Indutâncias parasitas dos transformadores de potência (LS) TopologiasQuasi-Ressonantes Quasi-Ressonantes Topologias Semelhantesàs àstopologias topologiasde dePWM PWMcom comoomesmo mesmoprincípio princípiode de Semelhantes transferênciade deenergia energiaonde ondese seinclui incluium uminterruptor interruptorressonante ressonante transferência (interruptorque queengloba englobauma umabobina bobina(L (LS))eeum umcondensador condensador(C (CS))adicionais) adicionais) (interruptor S S IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES Interruptores ressonantes ZVS Meia onda ZVS LS CS LS CS Onda completa ZCS LS ZCS LS CS CS IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges Meia onda Onda completa ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES Família de conversores quasi-ressonantes com comutação no Zero da Corrente Redutor Ampliador Redutor-ampliador IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES Família de conversores quasi-ressonantes com comutação no Zero da Tensão Redutor Ampliador Redutor-ampliador IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES Conversor quasi-ressonante redutor com Comutação no Zero da Corrente ZCS LF s1 vs iL Ls CS D1 iO CF Esquema eléctrico IST-DEEC 2003 s1 vs Ls CS IO D1 Circuito equivalente Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES Análise de regime permanente ONDA COMPLETA Fase I – Carga da bobina T0<t<T1 S1 ON e D1 ON s1 Ls D1 vs i L (t ) = Td 1 = T1 − T0 = IST-DEEC 2003 IO iO T0 Td 1 T1 t vC (t ) VS t LS i L ( T0 ) = 0 iL (t ) vC ( t ) = 0 e i L ( T1 ) = I O t VGS (t ) t LS I O VS Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Fase II – Ressonante T1<t<T2 s1 vs Ls iO CS v C CONVERSORES RESSONANTES S1 ON e D1 OFF iL (t ) = I o + VS sin ω 0t ZO vC (t ) = VS (1 − sin ω 0t ) “ZCS” VS ZO iL (t ) T0 i L ( T1 ) = I O IO Td 1 T1 Td 2 T2 t i L ( T2 ) = 0 Td 2 = T2 − T1 = α ω ZO IO VO α = arcsin − v C ( T2 ) = VCB = VS (1 − cosα ) Condição de comutação IST-DEEC 2003 vC (t ) t α ωO VGS (t ) VS > IO ZO Profª Beatriz Vieira Borges t ZO = LS CS ω0 = 1 LS C S ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Fase III– Descarga do condensador T2<t<T3 vs iO CONVERSORES RESSONANTES S1 OFF e D1 OFF iL (t ) CS IO T0 vC (t ) = VCB I − O t CS Td 1 i L (t ) = 0 T2 T1 Td 2 Td 3 T3 T t Td 4 vC (t ) vC ( T3 ) = 0 Td 3 = T3 − T2 = CSVCB CSVS (1 − cos α ) = IO IO Fase IV– Roda Livre T3<t<T4 I VGS (t ) II t III IV t vs iO D1 IST-DEEC 2003 S1 OFF e D1 ON Td 4 = T − Td 1 − Td 2 − Td 3 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES A curva caracteristica VoN (fs/fo) é obtida considerando o balanço energético na entrada e na carga energiadebitada debitadapela pelafonte fonteVVS AAenergia WS = WO S igualààenergia energiarecebida recebidapela pelacarga carga ééigual Cálculoda daenergia energiadebitada debitadapela pelafonte: fonte: Cálculo T1 T2 T0 T1 WS = ∫ VS iL (t )dt + ∫ VS iL (t )dt T1 T 2 V VS WS = ∫ VS tdt + ∫ VS ( I O + S sin ω 0t )dt LS ZO T0 T1 V V WS = VS S T12 + I O (T2 − T1 ) + S [cos ω 0 (T2 − T1 ) − 1] Z Oω 0 2L T WS = VS I O 1 + (T2 − T1 ) + (T3 − T2 ) 2 Cálculoda daenergia energiaabsorvida absorvidapela pelacarga: carga: Cálculo (1) TS WO = ∫ VO I O dt =VO I OTS (2) T0 Igualando (1) e (2): VO 1 T1 = + (T2 − T1 ) + (T3 − T2 ) VS TS 2 IST-DEEC 2003 − Z O I O CVS VO 1 LI O 1 [1 − cos ω 0 (T2 − T1 )] = + sin −1 + VS TS 2VS ω 0 VS IO Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES Ganho de tensão em função da frequência de operação VO 1 LI O 1 CVS −1 − Z O I O [1 − cos ω 0 (T2 − T1 )] = + + sin VS TS 2VS ω 0 VS IO M= Q= VO VS RO ZO IO = VO RO fN = fS fO fN M= 2π M Q + α + [1 − cos α ] M 2Q Curvas Características Von/VS(fs/fo) Quanto maior é a corrente de carga mais difícil é obter ZCS IST-DEEC 2003 ZCS Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES ANÁLISE NO PLANO DE ESTADOS: Trajectória no plano de estados Estado 1 i L (t ) = ZCS VS t LS vCN (t ) = vC ( t ) =0 VS (onda completa) i LN (2) Estado 2 V iL (t ) = I o + S sin ω 0t ZO vC (t ) = VS (1 − sin ω 0t ) Estado 3 vC (t ) = VCB − IO t CS 2 i IO 2 L − + (vCN − 1) = 1 VS VS ZO ZO i (t ) iLN (t ) = L =0 VS ZO (4) vCN (3) (meia onda) iLN (2) (1,ION) (1) Estado 4 i LN ( t ) = 0 v CN ( t ) = 0 IST-DEEC 2003 (1,ION) (1) (4) Profª Beatriz Vieira Borges (3) vCN ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES (operação em meia onda) MODO I i LN (2) (1) (4) O condensador descarrega até zero e a corrente anula-se (1,ION) vCN (3) Quando ω tende para ωO Td4 tende para zero: fronteira entre o Modo I e o Modo II i LN MODO II i LN i LN (2) MODO III ION (1) (4) ION R1=1 (3) vCN O condensador não chega a descarregar totalmente, ω IST-DEEC 2003 (1,ION) (3) (2) (1,ION) ION ION R1<1 R1=1 R2>1 MODO IV (2) (2) (1,ION) i LN vCN Fronteira entre o MODO II e o MODO III 1 A tensão anula-se pontualmente Profª Beatriz Vieira Borges (1,ION) R1=1 R1<1 vCN 1 Perde-se ZCS vCN ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA iLN MODO II iLN MODO III (2) iLN (2) (1,ION) ION (1) (4) ION (1,ION) R1=1 (2) (1,ION) ION vCN (3) O condensador não chega a descarregar totalmente (3) iLN MODO IV (2) (1,ION) ION R1=1 R1<1 R1=1 R2>1 MODO II CONVERSORES RESSONANTES vCN Fronteira entre o MODO II e o MODO III ZCS pontualmente R1<1 vCN 1 A tensão anula-se pontualmente, perde-se ZCS 1 vCN Perde-se ZCS O condensador não descarrega até zero (i LN − I ON ) + (vCN − 1) > 1 2 D1 sempre no corte (i LN Fronteira entre o MODO II e o MODO III 2 − I ON ) + (v CN − 1) = 1 2 2 MODO III Fronteira entre o MODO III e o MODO IV MODE IV IST-DEEC 2003 I ON = 1 I ON > 1 a trajectória é tangente aos dois eixos IO > VS Zn Profª Beatriz Vieira Borges ZCS perde-se ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES Variação da corrente de saída com a frequência (operação em meia onda) ION MODO II 0.80 MODO I 0.60 0.40 0.20 MODO III 0.20 IST-DEEC 2003 0.40 0.60 0.80 fs/f0 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA (operação em onda completa) iLN iLN iLN (2) (4) (3) MODO I O condensador descarrega até zero e a corrente anula-se e tornase negativa IST-DEEC 2003 ION R1=1 (1) vCN R1=1 (1,ION) ION R1=1 (1) (2) iLN (2) (2) (1,ION) ION CONVERSORES RESSONANTES vCN MODO II O condensador não chega a descarregar totalmente, ω (1,ION) ION R1<1 R1<1 R1>1 (3) (1,ION) 1 vCN MODO III A tensão anula-se pontualmente Profª Beatriz Vieira Borges R1=1 1 MODO IV Perde-se ZCS vCN ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Curva Caracteristica Von (fs/fo) (ganho de tensão em função da frequência de operação) CONVERSORES RESSONANTES Variação da corrente de saída com a frequência (operação em onda completa) MODO II ION VON ION=0 0.80 0.80 ION=1 MODO I 0.60 0.60 ION 0.40 MODO III 0.40 0.20 0.20 0.20 IST-DEEC 2003 0.40 0.60 0.80 fs/f0 0.20 Profª Beatriz Vieira Borges 0.40 0.60 0.80 fs/f0 ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA IST-DEEC 2003 CONVERSORES RESSONANTES Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA IST-DEEC 2003 CONVERSORES RESSONANTES Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES Conversor quasi-ressonante redutor com Comutação no Zero da Tensão LF s1 Ls CS vs iL D1 iO CF Esquema eléctrico IST-DEEC 2003 “ZVS” Profª Beatriz Vieira Borges s1 vs Ls CS IO D1 Circuito equivalente ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES Análise de regime permanente MEIA ONDA Fase I – Carga do condensador T0<t<T1 S1 OFF e D1 OFF s1 Ls iO vs vs iO iL (t ) T0 vC (t ) = IO t CS i L (t ) = I O iL (T0 ) = I O Td 1 = T1 − T0 = IST-DEEC 2003 e iL (T1 ) = I O Td 1 T1 t vC (t ) vC (T1 ) = VS vC (T0 ) = 0 VS t VGS (t ) t C S VS IO Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Fase II – Ressonante T1<t<T2 D2 s1 Is vs vC Ls Is iO vs D1 iL (t ) = I o cos ω 0 (t − T1 ) vC (T1 ) = VS CONVERSORES RESSONANTES S1 OFF, D2 OFF D1 ON vC Ls “ZVS” iO D1 vC (t ) = VS + Z O I O sin ω 0 (t − T1 ) iL (t ) T0 T1 Td 1 vC (T2 ) = 0 α ω iL (T2 ) = I O cos α IO ZO IO IST-DEEC 2003 VS < Z n I O Profª Beatriz Vieira Borges VS t α ωO VGS (t ) Condição de comutação t Td 2 vC (t ) Td 2 = T2 − T1 = T2 t ZO = LS CS ω0 = 1 LS C S ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Fase III – Carga da bobina T2<t<T3 D2 s1 Is vs vC Ls CONVERSORES RESSONANTES S1 ON ou D2 ON D1 ON IO iL (t ) iO D1 T2 T1 T3 T0 Td 1 Ls Is vs iO T4 t Td 2 Td 3 vC (t ) D1 t vC (T2 ) = 0 iL (t ) = VGS (t ) VS (t − T2 ) + I O cos α LS IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges α ωO t ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES Fase IV – Transferência de energia T3<t<T4 “ZVS” S1 ON e D1 OFF IO iL (t ) Is Ls T1 iO T2 T3 T4 T0 vs Td 1 t Td 2 Td 3 Td 4 vC = 0 vC (t ) iL = I O t VGS (t ) α ωO t IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES A curva caracteristica VoN (fs/fo) é obtida considerando o balanço energético na entrada e na carga energiadebitada debitadapela pelafonte fonteVVS AAenergia W =W S S igualààenergia energiarecebida recebidapela pelacarga carga ééigual O Cálculoda daenergia energiadebitada debitadapela pelafonte: fonte: Cálculo T1 T2 T3 T4 T0 T1 T2 T3 WS = ∫ iL (t )VS dt + ∫ iL (t )VS dt + ∫ iL (t )VS dt + ∫ iL (t )VS dt V 2 WS = VS I OT1 + I O LC sin ω 0 (T2 − T1 ) + S (T3 − T2 ) + I O sin α (T3 − T2 ) + I O (TS − T3 ) 2L − Q ML ML α ML − + TS + + WS = VS I O cos α − cos 2 α ω 0 RO 2 RO Mω 0 2 RO (1) TS Cálculoda daenergia energiaabsorvida absorvidapela pelacarga: carga: Cálculo Igualando (1) e (2): IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges WO = ∫ VO I O dt =VO I OTS T0 (2) ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES Ganho de tensão em função da frequência de operação f M = 1− N 2π M= Q= VO VS RO ZO IO = VO RO fN = fS fO M Q + α + [1 − cos α ] M 2Q Curvas Características Von /VS(fs/fo) Quanto menor é a corrente de carga mais difícil é obter ZVS IST-DEEC 2003 “ZVS” Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES ZCS Comutação no zero da corrente Paragarantir garantirZCS ZCSaacarga cargaelevada elevadatem temque quese severificar verificaraa •• Para condiçãoVVS/Z /Z >I logo Z terá que diminuir. condição S OO>IOO logo ZOOterá que diminuir. SeZZOOdiminui, diminui,aumenta aumentaoopico picode decorrente correnteno nodispositivo dispositivo •• Se VSS/Z /ZOO+I +IOO iiQpico Qpico==V ZVS Comutação no zero da tensão Paragarantir garantirZVS ZVSaacarga cargabaixa baixatem temque quese severificar verificaraa •• Para condiçãoIIOOZZOO>V >VSS logo logo ZZOOterá teráque queaumentar aumentar condição SeZZOaumenta, aumenta,aumenta aumentaoopico picode detensão tensãono nodispositivo dispositivo •• Se O ZOO+V +VSS DSpico==IIOOZ vvDSpico IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES RESSONANTES CONCLUSÕES ZCS ZVS Controlo Tempo de condução constante Tempo de corte constante Tensão no dispositivo Aprox. rectangular Quase-sinusoidal Corrente no dispositivo Quase-sinusoidal Aprox. rectangular Gama de variação da carga Rmin a Vazio 0 a Rmax M aumenta quando A frequência aumenta A frequência diminui M aumenta quando R aumenta R diminui Onda completa Diodo em anti-paralelo com S Diodo em série com S Meia onda Diodo em série com S Diodo em anti-paralelo com S IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges
