XVIII Congresso Brasileiro de Automática / 12 a 16-setembro-2010, 16-setembro-2010, Bonito-MS
CONVERSOR DUPLO CONVERSOR DUPLO FORWARD PWM A DUAS CHAVES PRINCIPAIS E DUAS CHAVES AUXILIARES COM COMUTAÇÃO SUAVE ALEXANDRE M. A NDRADE, 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 UBERLÂNDIA, MG, BRASIL E- MAILS :
[email protected] ,
[email protected] 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. topology. This topology has its embryo 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. The resonance is started by an auxiliary switch which allows controlling the output voltage by pulse width modulation that has as benefit the use of a constant switching frequency. frequency. Keywords
Converter, Forward, Soft Switching, DC/DC, PWM.
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 a presenta 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. A ressonância é iniciada com o comando de uma chave auxilar e o controle da tensão de saída é por modulação por largura de pulso que tem como benefício o uso de uma freqüência de chaveamento constante. Palavras-chave
Conversor, Forward Comutação suave, CC/CC, PWM.
1 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. 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 (Lee, 1988). Entretanto, o aumento da freqüência 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. comutação. Neste contexto, no início dos anos oitenta, as primeiras topologias de conversores quaseressonantes (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 ” (Lee, 1988), (Liu, 1987), (Meynard, 1987) e (Freitas, 1995). 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 (Barbi, 1989) e (Kutkut, 1997). 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 com prometer a eficiência destes conversores. Outra grangra nde 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
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como a operação de equipamentos eletrônicos operando nas imediações (Kutkut, 1997), (Liu, 1987) e (Brown, 1990). 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).
2 Conversor Duplo Forward com Comutação Não Dissipativa 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 1 e 2 . As chaves auxiliares, 1 e 2 , são fechadas em modo ZCS e abertas em modo ZCS e ZVS.
Figura 2. Primeira Etapa
3.2. Segunda Etapa [ 1 , 2 ]: Estágio de Carregamento do Indutor de Ressonância
Este estágio começa com o acionamento de 1 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.
Figura 3. Segunda Etapa
]:Estágio de modulação
3.3. Terceira Etapa [ 2 , por largura de pulso
3
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
3 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 [ 0 , 1 ]: Estágio Ressonante
Inicialmente, a tensão no capacitor 1 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 modo que ocorra a ressonância entre 1 e 1 . A corrente de ressonância flui até que a tensão no capacitor 1 vá à zero, quando se aciona a chave principal, com tensão nula em seus terminais.
Figura 4. Terceira Etapa
3.4. Quarta Etapa [ 3 , 4 ]: Carregamento Linear de capacitor de ressonância
Essa etapa se inicia quando a chave principal 1 é desligada ZVS. Com isso, a corrente passa a fluir pelo capacitor de ressonância 1 , elevando sua tensão linearmente até o valor de , encerrando a etapa.
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acionamento da chave 1 . Esse estágio se encerra com o acionamento da chave 2 do conversor forward inferior e todas essas sete etapas se repetem quando, finalmente, retorna-se para o conversor superior.
Figura 5. Quarta Etapa
3.5. Quinta Etapa [ 4 , 5 ]: 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 a 2 . 1
1
1
1
1
1
Figura 6. Quinta Etapa
3.6. Sexta Etapa [ 5 , 6 ]: Descarregamento Linear do Indutor de Ressonância Essa etapa se inicia com a entrada em condução do diodo 1 . Como ainda há energia no indutor 1 , o descarregamento flui pelo circuito composto por 1 , 1 , 2 e o enrolamento primário 1 . No secundário a corrente de carga esta em livre circulação. Essa etapa se encerra com o término da corrente no indutor 1 e bloqueio do diodo 1 , mantendo o capacitor 1 carregado em 2 .
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. 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.
Figura 7. Sexta Etapa
3.7. Sétima Etapa [ 6 , 7 ]: Livre Circulação Essa etapa se inicia quando a corrente no indutor 1 vai a zero. O bloqueio do diodo 1 evita a ressonância entre 1 e 1 através do primário antes do
Figura 9. Formas de onda
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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.
4.1. Etapas de Operação em Cálculos
Primeira Etapa [ 0 , 1 ]: A partir da análise qualitativa já desenvolvida, sabe-se, para essa etapa
= 0 0 = 2
(4) (5)
1
A corrente no indutor de ressonância durante a etapa de ressonância é descrita na equação
= − . . ( ) 1
1
Figura 10. Plano de fases do circuito
1.
1
(6)
1
A equação que descreve a tensão do capacitor no tempo é
= . ( 1 + ) 1
1.
(7)
1
Assim sendo, para a primeira etapa, a tensão no capacitor é zero. Fazendo 1 1 = 0, obtém-se
= . . 1
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.
4 Análise Matemática
.
= = 2. . = 1
.
tapa
1
=
=
2
1
2.
(8)
]: Sabe-se que para essa e-
Segunda etapa [ 1 ,
2
= 0 = = 0 1
(9) (10)
1
Equacionando o circuito no lado primário temos a equação
− + . ΔΔ = 0 ∆ = ∆ = . = = + ∆ = + 1
1
A modelagem matemática permite obter a ex pressão 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 do circuito ressonante e freqüência de ressonância, respectivamente
= .
1
1
2
1
.
2. .
1
2
1
(11)
2
2
2.
2. .
(12) (13) (14)
(1)
Terceira etapa [ 2 , 3 ]: A partir da análise qualitativa desenvolvida no capítulo anterior, sabe-se que, para essa etapa
(2)
=
(3)
(15)
Finalmente, inicia-se a transferência de energia para a carga do sistema.
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∆ = = +
(16)
1
3
(17)
2.
Quarta etapa [ 3 , 4 ]: 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.
= . ∆ = − = − . ∆ = − . ∆ ∆ = 1
.
1
1
4
1
2.
.
4
1
4
1
1
4
.2. .
(18) (19)
∆
5
1
.2. .
=
Figura 12. Diagrama de Blocos
(20)
6 Resultados Experimentais
(21)
Quinta etapa [ 4 , 5 ]: Na quinta etapa a tensão no capacitor de ressonância se eleva de para 2 .
largura de pulso segundo uma tensão de controle gerada por um compensador proporcional-integral. 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
(22)
Nessa etapa, a tensão aplicada na saída é zero.
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 pro porciona.
]: Nessa etapa, a tensão apli-
Sexta etapa [ 5 , cada na saída é zero.
∆
6
2. .
=
(23)
Sétima etapa [ 6 , 7 ]: A tensão aplicada na saída nessa etapa também é zero.
7
=
(24)
2
A tensão média na saída é descrita pela equação
=
TABELA I PARÂMETROS DO CIRCUITO
6
( − ( − 1 )) 2. 4. .
2.
(25)
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
O ganho estático é definido como
= ( − ( 2. − 4.1. )) 1
(26)
5 Estratégia de Controle 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
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, com exceção do intervalo de tempo em que ela assume valor zero, variando 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
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corrente, também não varia com a carga. A figura 15 apresenta as formas de onda da tensão e corrente de ressonância.
V Ch1
sões analíticas para definição do ganho estático são obtidas a partir da análise matemática apresentada. A partir do protótipo de 920W desenvolvido em laboratório foram obtidos resultados experimentais que corroboram com 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 c arga (0% - 100%).
Agradecimentos I Ch1
Figura 13. Tensão e corrente nas chaves principais.
V Cha1
I Cha1
Figura 14: Tensão e corrente nas chaves auxiliares.
V Cr1
I Cr1
Figura 15. Tensão e corrente de ressonância para potência de 920W.
7 Conclusão Este 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. Expres-
Os autores agradecem o suporte financeiro conseguido junto aos órgãos de fomento, CNPq, FAPEMIG e CAPES.
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