CONVERSOR ELEVADOR CC-CC FLYBACK

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática
Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
CONVERSOR ELEVADOR CC-CC FLYBACK INTERCALADO DE ALTO GANHO PARA
APLICAÇÃO EM MICROGRIDS CC
RENATO G. SCORTEGAGNA, CARLOS MARCELO DE O. STEIN
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Via do Conhecimento, km 1
E-mails: [email protected], [email protected]
Abstract The aim of this paper is to present a study of an Interleaved Flyback converter of high step-up voltage to connect micro plants of renewable energy, power up to 1kw/48V, with a DC microgrid of 400V. Initially, it is presented a brief introduction
of the concept of Microgrids and high step-up isolated converters, which analyses the real performance of static gain and efficiency. Furthermore, a review of the interleaved converters is presented emphasizing the Flyback isolated converter. It is proposed a converter integration to create a DC Mainframe. The simulation and the experimental results are presented in the end of
this paper.
Keywords Interleaved Flyback, Step-up, DC microgrid, DC Mainframe, renewable energy.
Resumo Este artigo apresenta um estudo de um conversor Flyback Intercalado de alto ganho de tensão para conexão de micro
plantas de energias renováveis, de potência de até 1kW/48V, com um microgrid CC de 400V. Inicialmente é apresentada uma
breve introdução ao conceito de Microgrids e de conversores isolados elevadores de alto ganho, que são analisados com relação
ao seu comportamento real em se tratando de ganho estático e rendimento. Além disso, uma revisão com relação aos conversores
intercalados é apresentada, com ênfase ao conversor isolado do tipo Flyback. Uma integração de conversores para a formação de
um DC Mainframe é proposta. Os resultados de simulação e os resultados experimentais são apresentados ao final deste artigo.
Palavras-chave Flyback Intercalado, Elevador, Microgrid CC, Mainframe CC, Energias Renováveis.
O DCMG é preferível sobre o ACMG por causa
das seguintes vantagens (Zhang, 2011), (Kyohei,
2011):
1) maior qualidade do fornecimento de energia;
2) maior confiabilidade e fonte de alimentação ininterrupta;
3) devido à falta de energia reativa, que leva a uma
melhor utilização e reduzida perdas totais;
4) maior eficiência;
5) cada Geração Distribuída (GD) ligada ao DCMG
pode ser facilmente operada pois é necessário o controle apenas da tensão CC.
O trabalho consiste no estudo e aperfeiçoamento
um conversor isolado para a conexão de pequenas
plantas de energias renováveis com potência de até
1kW e tensão de saída de 48V a um DCMG com
tensão de 400V.
1 Introdução
Atualmente, existem aplicações onde fontes de
energias renováveis de pequeno porte são conectadas
diretamente à rede elétrica. Contudo, o crescente
interesse em fontes de energia renováveis mudou a
operação clássica do sistema de distribuição para
uma evolução no uso de Microgrids (Darbyshire,
2007). O conceito de microgrid é uma das soluções
para integrar uma mistura de fontes de energias renováveis. Um microgrid tem como vantagem uma
maior flexibilidade, controlabilidade, eficiência de
funcionamento e o fluxo bidirecional de energia entre
a rede e o microgrid em modo de funcionamento
(Kakigano, 2010).
Os microgrids são classificados como microgrid
AC (ACMG) e microgrid DC (DCMG). Na Figura 1,
é mostrado um esquema de um microgrid genérico.
2 Conversores Elevadores de Tensão
CC/CC
Micro Eólica
Conversor
Investigado
O conversor elevador de tensão mais simples é o
do tipo Boost, por outro lado, quando há necessidade
de isolação entre as fontes, o conversor Flyback e
outros conversores isolados que fazem o uso de um
transformador são mais apropriados para aplicações
com altos ganhos de tensão (Dreher, 2012). O conversor Flyback pode ser modelado de forma a serem
incluídos os componentes parasitas e assim derivar a
equação para o ganho de tensão de CC e de eficiência
(Kazimierczuk, 1992). Um dos principais limitadores
de rendimento deste tipo de conversor é a potência a
ser processada, sendo que neste critério, os converso-
Gerador Diesel
CC/CC
CC/CA
Fotovoltaico
CC/CC
CC/CC
FUEL CELL
CARGA
BARRA
400V
CC
REDE DE
DISTRIBUIÇÃO
CC/CA
CC/CC
CARGA
Figura 1. Esquema genérico de um Microgrid CC
3061
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Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
res intercalados tem grande vantagem com relação à
diminuição de perdas por efeito Joule e significativa
diminuição dos núcleos magnéticos dos transformadores. (Stein, 2002).
A partir do circuito equivalente, o ganho estático
e a eficiência do conversor Flyback podem ser expressos pelas Equações (2) e (3), respectivamente.
[
2.1 Estudo do Conversor Flyback
[
]
[
[
O conversor flyback se utiliza de um indutor
para armazenar energia quando a chave está fechada
e transfere-a para a carga quando a chave está aberta.
A grande vantagem deste conversor é que se pode
trabalhar com uma razão cíclica próxima a 0.5 e
obter o ganho de tensão por meio da relação de
espiras do transformador. A tensão de saída de um
conversor flyback pode ser calculada por meio da
Equação (1).
(
]
)( )
[
] (
)
] (
)
(2)
]
(3)
Onde a resistência série equivalente é dada por
(4).
(4)
A Equação (2) mostra o efeito aproximado da
RSE sobre o ganho de tensão do conversor flyback.
A resistência do indutor também tem um efeito sobre
a eficiência energética do conversor flyback, como
mostrado em (3).
Na Tabela 1, são apresentados os valores característicos dos componentes necessários para a implementação de um conversor com as especificações
requeridas.
(1)
Onde:
Tabela 1. Valores dos parâmetros dos componentes
Parâmetro
r2
rD
VD
rL
N1
L
N2
rC
C
Utilizando os valores mencionados na Tabela 1,
foram gerados os ganhos do conversor Flyback para
o modelo ideal e para o modelo médio. Na Figura 3,
são apresentados os ganhos calculados utilizando-se
um transformador de relação de espiras de n=1:1.
+
RL VO
_
+
Vi
0,0382Ω
0,3Ω
0,08Ω
0,0057Ω
1,0V
10,0μΩ
0,0016Ω
8,0
160,0Ω
r1
rL
RDS
r2
VD
rD
rC
n:1
RL
O conversor Flyback pode ser modelado de forma a serem incluídos os componentes parasitas para
derivar a equação do ganho de tensão de e de eficiência (Liang, 2005)
O circuito equivalente do conversor Flyback é
representado na Figura 2.
r1
Valor
_
RDS
S1
Ganho Estático (M) para n = 1:1
20
Figura 2. Circuito equivalente do conversor flyback com os componentes parasitas (Liang, 2005).
Modelo Ideal
Modelo Médio
18
16
Onde:
r1= RSE do enrolamento primário do transformador;
rL= resistência em série do núcleo magnético;
L= indutância do transformador de magnetização;
RDS= resistência de condução da chave S1;
r2= resistência do enrolamento secundário do transformador;
vD= queda de tensão do diodo;
rD= resistência de condução do diodo;
rC= resistência série do capacitor;
RL= resistência da carga;
n:1= relação de espiras do transformador.
M = Vo / Vs
14
12
10
8
6
4
2
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Razão Cíclica (D)
0.7
0.8
0.9
Figura 3. Ganho estático do conversor flyback para n=1:1
3062
1
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De forma complementar à análise feita na Figura
3, também foram calculados os respectivos ganhos
utilizando-se um transformador de relação de espiras
de n=1:8, conforme Figura 4.
O circuito do conversor flyback intercalado com
os respectivos componentes resistivos parasitas pode
ser visualizado na Figura 5.
Ganho Estático (M) para n = 1:8
20
rp1
Modelo Ideal
Modelo Médio
18
rL
16
rL
Np1
+
Vi
14
M = Vo / Vs
rp2
rD2
VD1
VD2
rS1
rS2
NS1
NS2
rC
Np2
L
_
rD1
L
12
RDS1
RDS2
S1
S2
C
+
RL VO
_
10
8
6
Figura 5. Circuito equivalente do conversor flyback intercalado
com os componentes parasitas.
4
2
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Razão Cíclica (D)
0.7
0.8
0.9
A eficiência do conversor flyback intercalado por
sua vez deve ser analisada em duas partes de interesse, principalmente quando da operação em modo
descontínuo. A primeira análise é feita quando não
há simultaneidade de funcionamento entre as chaves
S1 e S2, ou seja, quando o valor da razão cíclica está
entre zero e cinquenta por cento, conforme Figura 6.
1
Figura 4. Ganho estático do conversor flyback para n=1:8
Em ambas as figuras, percebem-se as influências
das resistências parasitas que são naturais nos componentes reais dos circuitos dos conversores e que
causam efeitos negativos sobre o rendimento e o
ganho estático da estrutura. Desta forma, fica evidente que no conversor flyback o ganho estático deve ser
feito por meio da relação de tensão do transformador,
procurando-se manter a razão cíclica com valores
medianos para que possam ser obtidos resultados
satisfatórios de ganho e rendimento do conversor.
V
S1
on
off
on
off
t
S2
off
on
off
on
t
T/2
2.2 Estudo do Conversor Flyback Intercalado
T
Os circuitos intercalados têm como principal característica, a divisão do fluxo de potência por dois
ou mais caminhos, entre a fonte e a carga, durante as
etapas de chaveamento e de acumulação indutiva.
No caso do conversor flyback, quando são intercalados dois conversores, há uma significativa diminuição dos núcleos dos transformadores, redução dos
esforços elétricos das chaves e diodos e, consequentemente às perdas associadas a eles. Isso acontece
por conta da diminuição das correntes que circulam
por estes componentes, causando menores valores de
transitórios durante a abertura ou fechamento de
circuitos com elementos armazenadores de energia
tais como indutores e capacitores.
Com relação à saída do conversor, também se obtém alguma vantagem, uma vez que como a frequência é no mínimo o dobro da frequência de chaveamento, haverá uma diminuição do valor do capacitor
C. O valor do capacitor de saída do conversor é especificado conforme a Equação (5).
Figura 6. Acionamento das chaves S1 e S2 para 0 < D ≤ 0,5.
Por conseguinte, quando o valor da razão cíclica
for maior a 0,5, significa que ambas as chaves ficarão
simultaneamente acionadas por um determinado
tempo, alterando a configuração das resistências
internas do conversor. Na Figura 7, é mostrado o
esquema de chaveamento para a razão cíclica maior a
0,5.
V
S1
on
off
on
off
t
S2
off
on
off
on
t
T/2
T
(5)
Figura 7. Acionamento das chaves S1 e S2 para 0,5 < D < 1.
Onde:
3 Sistema Proposto
O sistema proposto neste artigo tem como principal característica a estruturação modular de conver-
3063
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sores elevadores intercalados conectados a um mainframe. Este Mainframe, por sua vez, deve reconhecer, comandar e controlar a topologia do circuito
apresentado na Figura 8. A utilização de um mainframe para que seja formada uma estrutura com capacidade de fornecer maior potência tem várias vantagens, das quais duas tem maior destaque. Primeiramente, a diminuição do custo inicial e em segundo
lugar a possibilidade de que ao menos uma fração da
energia requerida pelo sistema seja produzida durante alguma intervenção de manutenção.
Tabela 2. Valores dos parâmetros dos componentes
Parâmetro
Tensão de entrada
Tensão de Saída
Potência de saída
Relação de espiras
Indutância de Magnetização
Dispersão do primário
Dispersão do secundário
Frequência de chaveamento
S1 e S2
D7 e D8
CC/CC
CC/CC
48VCC
400VCC
600W
1:8
6,48μH
0,5μH
0,05μH
40kHz
IXTQ44N50P
UF5408
Os resultados das principais formas de onda da
simulação são apresentados nas figuras a seguir. Na
Figura 10, o comando PWM intercalado aplicado aos
Gates dos Mosfets é mostrado.
CC/CC
Atualmente
Valor
Barramento
CC
VGS1
VGS2
1
0.8
0.6
0.4
CC/CC
Intercalado
0.2
Mainframe CC
0
ICs
30
Figura
10. Comando dos gatilhos dos mosfets 1 e 2. (VGS1 e
25
20
VGS2).
15
10
5
0
-5
CC/CC
Intercalado
Na Figura 11, as correntes dos diodos de saída
D7 e D8 são apresentadas.
0.01995
0.01996
0.01997
0.01998
0.01999
0.02
Time (s)
Proposta
ID8
ID7
10
8
Figura 8. Mainframe para conexão de até quatro microgeradores.
6
Na Figura 9, o circuito completo do Mainframe
proposto juntamente com o circuito do conversor e
do sistema de acionamento e controle é apresentado.
4
2
0
0.00495
D1
D2
D8
C1
0.005
C2
S1
D5
0.00499
D3
PMG
D4
0.00497
0.00498
Time (s)
Figura 11. Corrente dos diodos de saída do conversor (ID7 e ID8).
(Escalas: 2A/div.; 10μs/div.)
L1
D7
0.00496
S2
D6
Controle das variáveis do sistema (Piccolo TMS320F28069)
Microgrid
CC
2º Conversor
Figura 9. Conversor flyback intercalado conectado ao Mainframe.
A tensão reversa a qual os diodos na saída do
conversor estão sujeitos é mostrada na Figura 12. A
tensão sobre o diodo D7 é praticamente nula quando
o mesmo está em condução, do valor da saída quando ambos os diodos não estão em condução e de um
valor de pico quando da entrada em condução do
diodo D8.
VrrD7
4 Resultados de Simulação
800
600
O conversor flyback intercalado proposto na Figura 9, foi dimensionado para a potência requerida e
para suportar os esforços elétricos aos quais o sistema é submetido. Depois de feito o dimensionamento,
o conversor foi simulado no PSIM® com os valores
obtidos e que são apresentados na Tabela 2.
400
200
0
0.00495
0.00496
0.00497
0.00498
Time (s)
0.00499
0.005
Figura 12. Tensão reversa sobre o diodo de saída D7 (VrrD7).
(Escalas: 200V/div.; 10μs/div.)
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sobretensão nos Mosfets, conforme apresentado na
Figura 16.
A tensão reversa provocada pela abertura do indutor Lm e medida entre os pinos Drain e Source das
chaves pode ser vista na Figura 13.
VDS1
VCC
VDS2
500
400
300
200
100
Rs
0
0.00495
0.00496
0.00497
0.00498
Time (s)
0.00499
0.005
S1
Figura 13. Tensão reversa sobre as chaves de acionamento do
conversor (VDS1 e VDS2). (Escalas: 100V/div.; 10μs/div.)
Ds
Cs
Uma comparação entre a corrente da fonte e a
corrente de saída do conversor é apresentada na Figura 14.
Figura 16. Circuito Snubber dissipativo polarizado
IFonte
Os componentes do circuito Snubber foram dimensionados conforme as equações 6 e 7.
60
40
20
0
(6)
Iout
8
(7)
4
0
0.00495
0.00496
0.00497
0.00498
Time (s)
0.00499
0.005
Onde:
Figura 14. Corrente de entrada e de saída do conversor, respectivamente - IFonte e Iout. (Escalas: 20A/div.; 2A/div.; 10μs/div.)
Na Figura 15, os valores da tensão da fonte, tensão de saída e da potência fornecida pelo conversor
podem ser observados.
Vin
Vout
Pout
Na Figura 17, são apresentados os resultados experimentais dos comandos das chaves do conversor
VGS1 e VGS2. Além disso, VDS1 representa a tensão reversa sobre a chave medida entre os pinos
Drain e Source da chave S1. Os dados experimentais
apresentados são do conversor operando com uma
potência de 600W.
600
400
200
0
0
1
2
3
4
5
VGS1 e VGS2
20V/div
Time (ms)
Figura 15. Valores da tensão de entrada e da tensão e potência de
saída do conversor. (Escalas: 200V/div.; 200W/div.; 1ms/div.)
Com relação à simulação do conversor em estudo neste artigo, cabe ressaltar, que o conversor está
operando a malha fechada e que foi simulado para
toda a faixa de potência a qual o sistema é proposto.
VDS1 [V]
200
5 Resultados Experimentais
100
0
Tempo: 10µs/div
O conversor Flyback Intercalado apresentado
neste artigo foi implementado para a obtenção dos
resultados experimentais. O conversor montado seguiu o mesmo design de montagem e, também, dos
valores comerciais dos componentes segundo esquemas e Tabela 2, apresentados na seção anterior.
No conversor proposto, um circuito Snubber polarizado foi adicionado a fim de mitigar os efeitos da
Figura 17. Formas de onda da tensão de gatilho VGS e da tensão
reversa sobre a chave VDS.
A corrente de entrada do conversor e a tensão
VDS sobre a chave S2 são mostradas na Figura 18.
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entrada de 48V para 400V. Com uma razão cíclica de
aproximadamente 0,5 o requisito de tensão de saída
foi atendido e uma potência de 600W foi obtida na
saída do conversor.
VDS [V]
300
200
100
Corrente na Fonte [A]
0
Agradecimentos
60
Os autores agradecem à Universidade Tecnológica Federal do Paraná, FUNTEF, CNPq, CAPES,
Fundação Araucária, SETI e FINEP pelo apoio financeiro.
40
20
0
Tempo: 10µs/div
Referências Bibliográficas
Figura 18. Forma de onda da tensão reversa sobre a chave S2
comparada com a corrente de entrada do conversor.
Os valores e as formas de onda da tensão reversa
sobre o diodo de saída D7 e da corrente de saída do
conversor podem ser observados na Figura 19.
Darbyshire J., Nayar C. V, and Member S.(2007),
“Modelling , Simulation and Testing of Grid
Connected Small Scale Wind Systems,” pp. 1–6.
Kakigano H., Miura Y., and Ise T. (2010), “LowVoltage Bipolar-Type DC Microgrid for Super
High Quality Distribution,” IEEE Transactions
on Power Electronics, vol. 25, no. 12, pp. 3066–
3075.
Zhang L., Wu T., Xing Y., and Sun K. (2011),
“Power Control of DC Microgrid Using DC Bus
Signaling,” in IEEE Applied Power Electronics
26th Annual Conference and Exposition
(APEC), Fort Worth, TX, pp. 1926–1932.
Vrr D7 [V]
800
600
400
200
Corrente de saída [A]
0
4
2
0
Kyohei Kurohane, Akie Uehara, Tomonobu Senjyu,
Atsushi Yona, Naomitsu Urasaki, Toshihisa
Funabashi, and Chul-Hwan Kim (2011), “Control strategy for a distributed DC power system
with renewable energy,” Journal Renewable Energy, vol. 36, issue 1, pp. 42-49.
Tempo: 10µs/div
Figura 19. Tensão reversa sobre o diodo de saída (VrrD7) e corrente dos diodos de saída do conversor.
6 Conclusão
Dreher J. R., Marangoni F., Jorge and L. R. (2012),
“Boost Clamped Integrated DC / DC Topologies
with High Step-Up Voltage Gain,” in IEEE / IAS
International Conference on Industry Applications, Fortaleza - Ceará - Brazil. X INDUSCON
10th, v. único. p. 1-7.
Este artigo apresentou uma proposta de aplicação do conversor isolado do tipo flyback intercalado
de alto ganho de tensão para aplicação em micro
geração distribuída. Além disso, foi proposta uma
forma distinta para a conexão deste conversor a um
Microgrid CC por meio de conversores intercalados
do tipo Flyback. Com a modulação PWM intercalada, as correntes que passam por cada uma das chaves
foi diminuída e, por consequência, as variações da
corrente de entrada e de saída do conversor também
são diminuídas.
A possibilidade de utilização de um único microprocessador (Piccolo TMS320F28069) para controlar mais de um conversor também foi proposta
com o objetivo de uma diminuição de custos.
A montagem experimental do conversor Flyback
Intercalado possibilitou a comparação com os resultados de simulação, os quais se mostraram interessantes para aplicações onde se requer um alto ganho
de tensão, como é o caso de centrais de energia renovável de baixa potência. Os resultados experimentais
também indicam que não houve a necessidade de
uma elevada razão cíclica para elevar a tensão de
Kazimierczuk D. C. and M. K.(1992), “Linear Circuit Models of PWM Flyback and Buck/Boost
Converters,” IEEE Trans. Circuits Syst. I: Fundam. Theory Appl., vol. 39, pp. 688–693.
Stein C. de O, Pinheiro J. R., and Hey H. L.(2002),
“A ZCT auxiliary commutation circuit for interleaved boost converters operating in critical conduction mode,” Power Electronics, IEEE …, vol.
17, no. 6, pp. 954–962.
Liang T. J. and Tseng K. C. (2005), “Analysis of
integrated boost-flyback step-up converter,” IEE
Proceedings - Electric Power Applications, vol.
152, no. 2, p. 217.
3066