apresentação dissertação de mestrado - anÁlise, projeto e implementaÇÃo de um retificador...

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)1

Análise, projeto e implementação de um retificador Boost monofásico com alto fator de potência e comutação ZCS das chaves

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

ANÁLISE, PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM RETIFICADOR BOOST MONOFÁSICO COM ALTO FATOR DE POTÊNCIA E COMUTAÇÃO ZCS

DAS CHAVES

FEELT-UFU

Luiz Carlos Gomes de FreitasOrientador

Fabrício Alves BorgesMestrando

1




2

1Introdução

2Análise qualitativa e quantitativa do conversor

3 Procedimento de projeto

4Estratégia de controle

5Resultados de simulação e experimentais

6Conclusão




Introdução





6Conclusão

1




1 Introdução

Evolução dos conversores chaveados

Baixo fator de potência

EMI

Perdas por chaveamento

Redução do volume e peso

Alta frequência de chaveamento




1 Introdução

Alta frequência de chaveamento e altas potências

Conversores Ressonantes (FM, PWM)




1 Introdução

Proposta:

Conversor chaveado com comutação não dissipativa ZCS;

Simplicidade e robustez;

Pré-regulador do fator de potência;

Corrente de entrada com baixo THDI ;




Introdução




6Conclusão

1





2 Análise Qualitativa e Quantitativa do Conversor

Comutação ZCS em todas as chaves e toda faixa de carga

Cr

D3

D2 S2S3

S1D1

Lr2

Lr1

a

c

p

Frequência de chaveamento fixa em altos valores

Melhor distribuição de corrente nos semicondutores

Ausência de sobretensão nas chaves




Melhor distribuição de corrente nos semicondutores






Etapas de Operação:





α – Condutância normalizada.I0 – Corrente de entrada.Vo – Tensão de saída.Lr1 – Indutor ressonante.Lr2 – Indutor ressonante.Cr – Capacitor ressonante.Z01 – Impedância característica do circuito ressonante formado por Lr1 e Cr.Z02 – Impedância característica do circuito ressonante formado por Lr2 e Cr.f01 – frequência de ressonância entre o indutor Lr1 e o capacitor Cr.f02 – frequência de ressonância entre o indutor Lr2 e o capacitor Cr.

Etapas de Operação:





Primeira Etapa: ∆t1 (t0-t1)

iLr1 (t1)

iLr2 (t1) I0

IS3 (t1) 0

Vcr (t1)

∆t1

0101

Vo .sen(ω .(t))Z

01.cos( .( ))Vo Vo t

02





Segunda Etapa: ∆t2 (t1-t2)

iLr1 (t2) 0

iLr2 (t2) I0

IS3 (t2) 0

Vcr (t2) 2Vo

∆t2 012.





Terceira Etapa: ∆t3 (t2-t3)

iLr1 (t3) 0

iLr2 (t3) I0

IS3 (t3) 0

Vcr (t3) 2Vo

∆t3 02 012D T





Quarta Etapa: ∆t4 (t3-t4)

iLr1 (t4) 0

iLr2 (t4) 0

IS3 (t4) I0

Vcr (t4)

∆t4

21 1Vo

02

( )arcsen





Quinta Etapa: ∆t5 (t4-t5)

iLr1 (t5) 0

iLr2 (t5) 0

IS3 (t5) 0

Vcr (t5) 0

∆t5 202

1 1 1 1





Sexta Etapa: ∆t6 (t5-t6)

iLr1 (t6) 0

iLr2 (t6) 0

IS3 (t6) 0

Vcr (t6) 0

∆t6 1 2 3 4 5( )T t t t t t





Planos de Fases:





Ganho Estático:

0( )D med

VoGVo V

Etapas VD0(t) ∆t

1ª Etapa 0

2ª Etapa -Vo

3ª Etapa -Vo

4ª Etapa

5ª Etapa

6ª Etapa 0

02( ) cosvCr t Vo Vo t

2 0( ) . 1 1 .I

vCr t Vo tCr

102

t

2012.

t

302 012

t D T

402

( )arcsent

5 202

1 1 1 1t

6 1 5( ... )t T t t

2 2

02

1

1 112

GfD





Gráficos do Ganho Estático:






2 2

02

1 1 112

fDG





Equações das Correntes nos Interruptores do Conversor:

Correntes nos

indutores ressonantes

Tempos ∆t de cada etapa de operação

Equações correntes

nas chaves e diodos




Introdução



6Conclusão

1






3 Procedimento de Projeto

Retificador monofásico ZCS Boost PFC

Vin

Vo

I0

Po

Aplicação Industrial





Aplicação industrial

Fontes de alimentação de imãs corretores (CMPS – Corrector Magnets Power Supplies) utilizados em síncrotrons (aceleradores de partículas cíclicos);

Os CMPS geralmente são bipolares com baixas tensões e potências e alta precisão de regulação;

Eram utilizadas fontes lineares e hoje estão sendo substituídas por fontes chaveadas;

São utilizados em dezenas ou até centenas de unidades dependendo do tamanho do síncrotron.





(CMPS -> ±20V/15A)





Especificações de ProjetoPotência de saída, Po 450WTensão de saída, Vo 102Vdc

Tensão de Entrada, Vin 40VacCorrente de carga, IL 4,41A

Resistência de carga, RL 23ΩFrequência de chaveamento, fs 53kHz

Eficiência esperada, η 90%Variação de corrente de entrada ∆I0 9%

Ripple da tensão de saída ∆Vo 9%

Variação da tensão de entrada Vin ±11%

102 49,42 35102 264 270

53000 0,09 20,22fVin DL H Hfs I

450 12702 2 60 0,09 102 102

PoCo Ffs Vo Vo





Componentes da célula ressonante On-Off ZCS

max11

CriLr VoLr

max22

CriLr VoLr

011

2 1f

Lr Cr

021

2 2f

Lr Cr

f02 >> fs

iLr2max > I0

iLr1max menor possível

Tf01/2 < Dmin.Ts

Lr1, Lr2, Cr






Tf01/2 < Dmin.Ts

min102 60 0,41102

pVo VinD

Vo

01minmin

64,632

sff kHzD

Lr1

01max2 1 1

VofLr iLr

Deseja-se iLr1max = 0,6.I0






Lr1

01 max

12 1

VoLrf iLr

01minmin

64,632

sff kHzD

01 01min2f f

1 12Lr H






Cr

2 2 2 2 601

1 1 147 1504 1 4 120000 12 10

Cr nF nFf Lr






Lr2

02min 3,5 sf f

2 3,5Lr H

max 0max2iLr I

0max 18,6I A






Lr1 - Lr2 - Cr

9

max 6

150 101 102 11,41 12 10

CriLr Vo ALr

9

max 6

150 102 102 21,112 3,5 10

CriLr Vo ALr

01 6 9

1 1 118,622 1 2 12 10 150 10

f kHzLr Cr

02 6 9

1 1 219,62 2 2 3,5 10 150 10

f kHzLr Cr





Especificação dos semicondutores

Diodo D0

HFA30TA60CID0_pico = I0 18,4 A

ID0_RMS 12,4 A

ID0_med 8,47 A

PD0_total 11,35W

Diodo D1

HFA30TA60CID1_pico 11,4 A

ID1_RMS 3,8 A

ID1_med 0,9 A

PD1_total 1,08W

Diodo D2


ID2_RMS 12,3 A

ID2_med 8,31 A

PD2_total 9,9W

Diodo D3


ID3_RMS 4,57 A

ID3_med 0,92 A

PD3_total 1,1W





Especificação dos semicondutores

Chave S1

IRFP4668IS1_pico 11,4 A

IS1_RMS 3,8 A

IS1_med 0,9 A

PS1_total 0,2W

Chave S2

IRFP4668IS2_pico 18,4 A

IS2_RMS 12,3 A

IS2_med 8,31 A

PS2_total 2,15W

Chave S3

IRFP4668IS3_pico = I0 18,4 A

IS3_RMS 4,57 A

IS3_med 0,92 A

PS3_total 0,3W

Retificador

TB358IPR_pico = I0 18,4 A

IPR_RMS 7,1 A

IPR_med 6,4 A

PPR_total 30,5W





Análise das perdas totais

1 2 3 1 2 3 0 71,45Totais Lf S S S D D D D PR RSP P P P P P P P P P P W





Análise das perdas totais

450(%) 100 100 86%450 71,45Totais

PoPo P





Introdução


6Conclusão

1


Estratégia de controle4




4 Estratégia de controle

Pulsos para acionamento das chaves

CI UC3854N (1 pulso de controle)

Função Pré-regulador (PFC) Função ZCS

3 pulsos de controle

S1,S2,S3





Pulso para a chave S1

Não necessidade de pulsos diferentes para as chaves S1 e S2 Tensão (2Vo - Vo) sobre o diodo D1 A tensão sobre S1 só aparecerá a partir da quinta etapa






Abertura no instante em que a corrente iLr2 passar por zero (quarta etapa)

Quarta etapa é ressonante onde f02 da corrente iLr2 é conhecida

O tempo em que iLr2 atinge zero depende do seu valor inicial

Variação do período permitido para a abertura da chave S2

Ajuste correto da abertura desta chave no instante de pico máximo

negativo de iLr2. Este tempo é Tr2/2 e pode ser calculado

0 0202

2( ) s nVoiLr t I e tZ






O pulso para a chave S3 deve ser enviado ∆t = Tr2/2 s antes da abertura da

chave S2.





Correção do fator de potência – PFC

Controle por corrente média no indutor Lf

CI UC3854N – Texas Instruments





Correção do fator de potência – PFC





Circuito de controle da célula On-Off ZCS

Defasagem ∆t do pulso “Vm” vindo do pino 16 do UC3854N através de um

circuito comparador utilizando o CI LM311.

Pulso complementar de “Vm” através de um circuito inversor a transistor.






1 11 1202

12 ln(0,5)

C R Rf





Circuitos de gatilho

Os terminais “Source” das chaves S1 e S2 estão conectados no mesmo

ponto e no terra do sistema.

Circuito simples (push-pull) e de baixo custo.





Circuitos de gatilho

Para a chave S3 o pulso deve ser isolado.

SKHI-10op da Semikron





Introdução

6Conclusão

1



Resultados de simulação e experimentais5




5 Resultados de simulação e experimentais

Resultados de simulação

Simulações realizadas no software PSIM®

Circuito de potência:






Circuito de controle:






Tensão e corrente na chave principal S2






Tensão e corrente na chave S1






Tensão e corrente na chave S3






Tensões no capacitor ressonante Cr e no diodo D0






Planos de fase






Corrente no indutor Lf






Tensão de controle gerada pelo CI UC3854






Correção do fator de potência





Resultados experimentais






Boost PFC sem a célula On-Off ZCS






Boost PFC com a célula On-Off ZCS






Análise do rendimento do Boost PFC com a célula On-Off ZCS





Introdução1



Resultados de simulação e experimentais5

Conclusão6




5 Conclusão

Análise qualitativa e quantitativa completa do conversor Boost

On-Off ZCS;

Comutação com corrente nula (ZC) em todas as chaves;

Ausência de sobrecorrente e sobretensão nas chaves;

Redução do nível de EMI;

Melhor distribuição de corrente nos semicondutores;

Análise do ganho estático frente a variação de carga;

Guia de projeto simples;




5 Conclusão

Controle do fator de potência com imposição de corrente de

entrada senoidal com baixo conteúdo harmônico;

Técnica de controle por corrente média no indutor boost

utilizando o CI UC3854N da Texas Instruments®;

Circuito de controle simples, robusto e de baixo custo;

Resultados experimentais em conformidade com a análise

teórica e simulação computacional;

Curva de rendimento;




5 Conclusão

Utilização do conversor proposto para tensão de alimentação

universal (80-270Vac);

Ensaios de emissões de EMI;

Utilização de IGBT’s para aplicações em alta frequência de

chaveamento e grande potências;

Utilização de tiristores;

Trabalhos futuros

apresentação dissertação de mestrado - anÁlise, projeto e implementaÇÃo de um retificador...

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