conversor ac/dc com construÇÃo modular para fins … · conversor ac/dc com construção modular...

ANDRÉ DE SANTA GABRIEL

CONVERSOR AC/DC COM CONSTRUÇÃO MODULARPARA FINS DIDÁTICOS UTILIZANDO A TOPOLOGIA

HALF-BRIDGEPARTE INTEGRANTE DO PROJETO DE ENSINO 633

Londrina2018




Trabalho de Conclusão de Curso apresentado aoDepartamento de Engenharia Elétrica da Universi-dade Estadual de Londrina.

Orientador: Prof. Dr. Carlos Henrique GonçalvesTreviso

Coordenador: Prof. Me. Jaime Laelson Jacob

Londrina2018

FICHA CATALOGRÁFICA

André de Santa Gabriel

Conversor AC/DC com construção modular para fins didáticos utilizando atopologia half-bridge - Parte integrante do projeto de ensino 633 - Londrina,2018 - 74 p., 30 cm.

Orientador: Prof. Dr. Carlos Henrique Gonçalves Treviso.

1. Conversor AC/DC. 2. Plataforma didática. 3. Conversor half-bridge. 4.Implementação modular.

Universidade Estadual de Londrina. Curso de Engenharia Elétrica. II. Conversor

AC/DC com construção modular para fins didáticos utilizando a topologiahalf-bridge - Parte integrante do projeto de ensino 633.




Trabalho de Conclusão de Curso apresentado aoDepartamento de Engenharia Elétrica da Universi-dade Estadual de Londrina.

BANCA EXAMINADORA

Prof. Dr. Carlos Henrique Gonçalves TrevisoOrientador

Prof. Dr. Aziz Elias Demian JuniorConvidado

Prof. Dr. Walter GermanovixConvidado

Londrina, 14 de dezembro de 2018.

Dedico este trabalho à minha mãe, ao meu pai e

ao meu irmão.

AGRADECIMENTOS

A Deus, pela saúde, sabedoria e coragem para enfrentar os desafios de cada dia.Aos meus pais, pelo apoio incondicional, pelos momentos reconfortantes e por sempre

me proporcionarem as melhores oportunidades.Ao meu irmão, por acreditar em mim mesmo quando a noite era traiçoeira.À Nicole, pois, com sua presença, carinho e amor, o caminho se mostrou muito mais

belo.Aos amigos que me acompanharam durante esta caminhada. Ao Omar, em especial,

pela contribuição essencial para o desenvolvimento deste trabalho.À Universidade Estadual de Londrina, seus funcionários e corpo docente, pelo suporte

e conhecimento ofertados durante a minha formação acadêmica.Aos técnicos de laboratório Luís Carlos Mathias e Luiz Fernando Schmidt, pelo suporte

oferecido ao longo do desenvolvimento deste trabalho. Ao meu orientador Carlos HenriqueGonçalves Treviso, pelo seu empenho, apoio e confiança.

"– Algo terminou – Jaskier afirmou com voz alte-

rada.

– Algo começa – Yarpen Zigrin o acompanhou.

Um galo cantou alto em algum lugar na cidade.

A bruma começou a dissipar-se rapidamente."

(The Witcher - Andrzej Sapkowski)

GABRIEL, André de Santa. Conversor AC/DC com construção modular para fins didáticosutilizando a topologia half-bridge - Parte integrante do projeto de ensino 633. 2018. 74 p.Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) - Universidade Estadualde Londrina, Londrina, 2018.

RESUMO

Este Trabalho de Conclusão de Curso apresenta o desenvolvimento e a implementação de umconversor AC/DC com construção modular utilizando-se a topologia half-bridge. Os módu-los construídos incluem circuitos de driver, retificadores, circuitos snubbers e outros, com osmesmos voltados para o uso em laboratórios didáticos e a sua implementação direcionada parafins educacionais. De modo a realizar a interligação dos módulos, foi projetada uma matriz deconexões genérica, a qual possibilitará a montagem de diferentes topologias de conversores einversores em projetos futuros. Inicialmente, após a implementação dos componentes consti-tuintes do conversor AC/DC de topologia half-bridge projetado, verificou-se separadamente ofuncionamento dos módulos e, em seguida, conectou-se os mesmos à matriz de conexões de-senvolvida e à base de montagem, de maneira a formar o conversor completo. Avaliando-seas formas de onda em diferentes pontos do conversor AC/DC e a tensão obtida na sua saída,validou-se o funcionamento do mesmo ao verificar a concordância dos resultados alcançadoscom os previstos em teoria.

Palavras-chave: Conversor AC/DC. Plataforma didática. Conversor half-bridge. Implementa-ção modular.

GABRIEL, André de Santa. AC/DC converter with modular construction for didactic pur-poses using the half-bridge topology - Part of the Project 633. 2018. 74 p. Electrical Engine-ering undergraduate thesis - State University of Londrina, Londrina, 2018.

ABSTRACT

This undergraduate thesis presents the development and the implementation of an AC/DC con-verter with modular construction using the half-bridge topology. The modules constructed in-clude driver circuits, rectifiers, snubbers circuits and others, intended for use in didactic la-boratories and its implementation intended for educational purposes. In order to perform theinterconnection of the modules, a generic connection matrix was designed, which will allowthe assembly of different topologies of converters and inverters in future projects. Initially, afterthe implementation of the constituent components of the designed half-bridge topology AC/DCconverter, the operation of the modules was separately checked and then they were connectedto the developed connection matrix and to the mounting base to constitute the complete con-verter. By evaluating the waveforms at different points of the AC/DC converter and the voltageobtained at its output, the operation of the AC/DC converter was validated by verifying theagreement of the results achieved with those predicted in theory.

Keywords: AC/DC converter. Didactic platform. Half-bridge topology. Modular implementa-tion.

LISTA DE FIGURAS

2.1 Diagrama de blocos de uma fonte chaveada genérica. . . . . . . . . . . . . . . 192.2 Esquemático de um retificador monofásico de onda completa a diodo com filtro

capacitivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.3 Sinal de tensão sobre o capacitor equivalente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.4 Modelo simplificado de um conversor DC/DC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.5 Circuito do conversor DC/DC isolado com topologia half-bridge. . . . . . . . . 232.6 Primeira etapa de operação do conversor DC/DC isolado com topologia half-

bridge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.7 Segunda etapa de operação do conversor DC/DC isolado com topologia half-

bridge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.8 Terceira etapa de operação do conversor DC/DC isolado com topologia half-

bridge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.9 Principais formas de onda para o conversor half-bridge. . . . . . . . . . . . . . 252.10 Corrente verificada no indutor L1 durante a operação do conversor half-bridge. 262.11 Excursão no 1o e 3o quadrantes da curva B-H. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.12 Circuito série equivalente do capacitor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.13 Snubbers passivos dissipativos implementados em semicondutores de potência. 32

3.1 Visualização em 3D da base de montagem dos módulos eletrônicos. . . . . . . 343.2 Circuito do conversor DC/DC isolado com topologia half-bridge com quatro

diodos retificadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.3 Placa de circuito impresso do indutor e sua visualização em 3D. . . . . . . . . 393.4 Placa de circuito impresso dos capacitores conectados ao primário do transfor-

mador e sua visualização em 3D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.5 Placa de circuito impresso do filtro capacitivo de saída do conversor DC/DC

com topologia half-bridge e sua visualização em 3D. . . . . . . . . . . . . . . 423.6 Visualização em 3D da placa de circuito impresso da matriz de conexões desen-

volvida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.7 Esquemático da matriz de conexões desenvolvida. . . . . . . . . . . . . . . . . 443.8 Esquemático do bloco retificador modular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.9 Visualização em 3D do bloco retificador modular. . . . . . . . . . . . . . . . . 463.10 Esquemático do circuito snubber desenvolvido. . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.11 Placa de circuito impresso do circuito snubber. . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.12 Visualização em 3D do circuito snubber. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.13 Esquemático do circuito de geração do sinal de controle PWM. . . . . . . . . . 493.14 Esquemático do circuito de driver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.15 Visualização em 3D do circuito de driver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.16 Esquemático do circuito da fonte de alimentação modular. . . . . . . . . . . . . 523.17 Visualização em 3D do circuito da fonte de alimentação modular. . . . . . . . . 523.18 Visualização em 3D da montagem do conversor AC/DC com topologia half-

bridge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.19 Conjuntos das peças de alumínio utilizadas para interligar os módulos do con-

versor AC/DC com topologia half-bridge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.20 Circuito do conversor projetado com instruções para a sua implementação na

matriz de conexões. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.21 Representação das ligações dos transistores e diodos na matriz de conexões uti-

lizando barras de alumínio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.22 Modelos em 3D dos moldes confeccionados para a construção das barras de

alumínio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.1 Base de montagem com os rebites implementados. . . . . . . . . . . . . . . . . 584.2 Bloco retificador e filtro capacitivo de entrada implementados. . . . . . . . . . 594.3 Sinal obtido na saída do filtro capacitivo de entrada para uma tensão alternada

de entrada de valor eficaz igual a 32 V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.4 Placas de circuito impresso montadas dos circuitos de driver. . . . . . . . . . . 604.5 Forma de onda obtida na saída do circuito de driver. . . . . . . . . . . . . . . . 604.6 Placas de circuito impresso montadas de circuitos snubbers. . . . . . . . . . . . 614.7 Indutor construído e posicionado em sua placa de circuito impresso. . . . . . . 614.8 Transformador construído e posicionado em sua placa de circuito impresso. . . 624.9 Filtro capacitivo de saída implementado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.10 Fonte de alimentação modular implementada por (SANTOS, 2017). . . . . . . 634.11 Avaliação do funcionamento da fonte de alimentação modular sem carga. . . . 634.12 Conversor AC/DC com topologia half-bridge implementado. . . . . . . . . . . 644.13 Vista lateral do conversor AC/DC implementado. . . . . . . . . . . . . . . . . 644.14 Ligações entre os módulos do conversor AC/DC realizadas por meio de peças

de alumínio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.15 Tensão contínua de 50 V na saída do filtro capacitivo de entrada. . . . . . . . . 654.16 Tensão contínua de 12 V avaliada na saída da fonte de alimentação modular

com os circuitos de controle e de driver conectados. . . . . . . . . . . . . . . . 664.17 Sinais de controle obtidos nas saídas do circuito integrado SG3524 para um

ciclo ativo de 40%. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664.18 Sinais obtidos nas saídas dos circuitos de driver com os sinais de controle do

circuito integrado SG3524 conectados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.19 Forma de onda presente no enrolamento primário do transformador. . . . . . . 674.20 Forma de onda presente no enrolamento secundário do transformador. . . . . . 68

4.21 Sinal retificado pelos quatro diodos do secundário do transformador. . . . . . . 684.22 Tensão de saída presente entre os terminais do reostato. . . . . . . . . . . . . . 694.23 Sinal fornecido por um dos circuitos de driver para um ciclo ativo de 29%. . . . 69

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

3D Três DimensõesAC Alternate Current

DC Direct Current

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

PEBB Power Eletronics Building Blocks

PVC Policloreto de PolivinilaPWM Pulse Width Modulation

SMD Surface-Mount Device

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.1 Utilização de protótipos didáticos na disciplina de Eletrônica de Potência . . . . 151.1.1 Trabalhos sobre módulos didáticos em Eletrônica de Potência . . . . . . . . . . 161.1.2 Blocos de construção modulares em Eletrônica de Potência . . . . . . . . . . . 171.2 Aplicação da estratégia de protótipos modulares no projeto do conversor AC/DC

com topologia half-bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.3 Estrutura do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.1 Retificador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.2 Conversores DC/DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.2.1 Conversor DC/DC com topologia half-bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.3 Circuito Snubber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.4 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3 DESENVOLVIMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.1 Base para montagem do sistema modular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.2 Conversor DC/DC com topologia half-bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.2.1 Indutor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.2.2 Transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.2.3 Capacitores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.2.4 Semicondutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.3 Matriz de conexões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.4 Bloco retificador de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.5 Filtro capacitivo de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.6 Circuito Snubber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.7 Circuito de geração do sinal de controle PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.8 Circuito de Driver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.9 Fonte de Alimentação Modular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.10 Implementação do conversor AC/DC modular . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.10.1 Configuração das ligações na matriz de conexões . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.11 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4 RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.1 Base de montagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.2 Bloco retificador e filtro capacitivo de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.3 Circuito de driver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.4 Circuito snubber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.5 Indutor e transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.6 Filtro capacitivo de saída . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.7 Fonte de alimentação modular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.8 Implementação do conversor AC/DC com topologia half-bridge . . . . . . . . . 644.8.1 Verificação do funcionamento do conversor para V imin = 50 V . . . . . . . . . 654.8.2 Verificação do funcionamento do conversor para V imax = 80 V . . . . . . . . . 694.9 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5 CONCLUSÃO GERAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

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1 INTRODUÇÃO

A Eletrônica de Potência consiste no estudo dos circuitos eletrônicos responsáveis pelocontrole do fluxo de energia elétrica, sendo a área da Engenharia Elétrica na qual os tópicosde sistemas de energia, eletrônica e controle convergem e se combinam (RASHID, 2011). Oscircuitos eletrônicos de potência são estabelecidos utilizando chaves semicondutoras, as quaisrealizam o processo de controle do fluxo de potência modificando as características de tensãoe corrente elétrica. Deste modo, sua importância é fundamentada pela grande quantidade deaplicações existentes, incluindo desde equipamentos de conversão de alta potência em sistemasde transmissão de energia até utensílios utilizados no cotidiano, como fontes de alimentaçãode computadores domésticos. Com os avanços desenvolvidos na capacidade de comutaçãodas chaves semicondutoras e a combinação destes com o aprimoramento da eficiência e dodesempenho dos dispositivos elétricos, a Eletrônica de Potência se tornou uma das áreas maisimportantes e de maior foco de investimentos da Engenharia Elétrica (HART, 2011).

As fontes chaveadas representam um dos principais focos de estudo da Eletrônica dePotência, sendo as mesmas sistemas constituídos por elementos passivos e ativos associadossegundo uma topologia pré-estabelecida para a conversão de energia. Sendo as fontes chaveadasdispositivos compactos e de alto rendimento, o desenvolvimento das mesmas possibilitou asubstituição das fontes reguladas lineares em suas aplicações, pois estas, mesmo possuindomenor complexidade em seu projeto, apresentam grande volume e baixo rendimento (BARBI,2006).

O conversor eletrônico de potência torna-se um sistema complexo quando são conside-rados os módulos eletrônicos necessários para garantir o seu correto funcionamento. Para que ocircuito opere da forma desejada, deve-se considerar uma estratégia de chaveamento das chavessemicondutoras por meio de um circuito de comando. Como a operação dos circuitos eletrô-nicos de potência introduz componentes harmônicas no sistema de alimentação e na saída, hátambém a necessidade de incluir filtros na entrada e na saída para reduzir o nível de harmônicosa uma amplitude aceitável (RASHID, 1999).

Diante do que foi exposto, é indiscutível a importância do fomento de pesquisas emEletrônica de Potência e do desenvolvimento de seu ensino dentro dos cursos de engenharia.A formação de engenheiros com uma base sólida de conhecimento nesta área é essencial napreparação dos mesmos para exercer sua profissão na atualidade.

1.1 UTILIZAÇÃO DE PROTÓTIPOS DIDÁTICOS NA DISCIPLINA DE ELETRÔNICA DE POTÊN-CIA

O uso de plataformas didáticas no ensino da disciplina de Eletrônica de Potência emlaboratório auxilia o estudante no entendimento dos conceitos apresentados nas aulas teóricas,

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visto que, por meio da utilização e da realização de experimentos com a plataforma, haverá apossibilidade de implementar circuitos eletrônicos de potência, realizar testes e analisar resul-tados.

A plataforma utilizada neste trabalho teve seu desenvolvimento iniciado por (SANTOS,2017) e (SILVA, 2017) no projeto de ensino 633, a qual tem como principal proposta a flexi-bilidade de uso e a possibilidade de implementar fontes chaveadas com diferentes topologias.Como as ligações podem ser realizadas de diversas formas pelo usuário utilizando protótiposmodulares, a montagem e a prototipagem de circuitos de potência se torna bastante flexível.

A utilização de protótipos modulares em plataformas didáticas para o ensino de Eletrô-nica de Potência foi proposta por outros trabalhos, sendo que os mesmos serão apresentados aseguir.

1.1.1 Trabalhos sobre módulos didáticos em Eletrônica de Potência

O trabalho apresentado por (ROLIM, 1993) propõe um laboratório didático para o en-sino de Eletrônica de Potência com uma implementação a partir de uma estrutura modularbaseando-se na ideia de matriz-chaveamento. Esta matriz é composta por semicondutores, osquais tem seu chaveamento controlado por meio de um software interfaceado. O funciona-mento do sistema é determinado pela estratégia adotada na interligação dos módulos, sendo osmesmos: módulo de alimentação, módulo de controle, módulo de interfaces, módulo de fontes,módulo de chaves e módulo de cargas.

O trabalho de (CABRAL, 2008), baseando-se em (ROLIM, 1993), apresenta um labo-ratório modular de Eletrônica de Potência microprocessado, o qual também possui módulosindependentes e controle feito por software, mas, por outro lado, propõe a alocação do mó-dulo de interfaces em um software embarcado, sendo este residente em um microcontroladorcom funções de processamento digital de sinais. Desta maneira, é proposta a transferência dasfunções temporizadas para o microprocessador do microcontrolador.

Outro trabalho relacionado foi apresentado por (MACHADO, COSTA e CARMO, 2012),no qual é proposta uma plataforma laboratorial modular multifuncional para o ensino de Ele-trônica de Potência. A plataforma é composta por módulos diversos, sendo estes formadospor circuitos de proteção, conversores AC/DC (do inglês Alternate Current / Direct Current),retificadores e outros.

No trabalho apresentado por (SUSIN et al., 1999), houve o desenvolvimento de kitsdidáticos para o laboratório de Eletrônica de Potência, os quais auxiliam o estudante no apren-dizado dos conceitos relacionados a retificadores, conversores duais e cicloconversores, alémde possibilitar a familiarização com as topologias clássicas de conversores DC/DC existentes.

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1.1.2 Blocos de construção modulares em Eletrônica de Potência

O conceito de blocos modulares para Eletrônica de Potência (do inglês Power Electro-

nics Building Blocks - PEBB) foi desenvolvido inicialmente pelo escritório de pesquisa navaldos Estados Unidos na década de 1990. Esse sistema de composição de circuitos de potênciaincorpora módulos de potência reutilizáveis com interfaces padronizadas, de modo que a suareutilização em diferentes projetos promova a diminuição de custos, tamanho, peso e perdas.Deste modo, um PEBB é apresentado como uma solução integrada para a montagem de siste-mas de potência, sendo que, de acordo com (ERICSEN e TUCKER, 1998), diversos PEBBs emconjunto podem constituir a maioria dos trabalhos em Eletrônica de Potência.

Como apresentado por (ADEDIRAN, 2003), a Marinha dos Estados Unidos promoveem suas embarcações o uso de blocos modulares para soluções em Eletrônica de Potência. Emrazão da necessidade de se adaptar aos diferentes cenários de missões e emergências, o sistemade potência da embarcação deve possibilitar reconfiguração em um nível elevado, sendo estauma das principais características de um sistema baseado em PEBBs.

1.2 APLICAÇÃO DA ESTRATÉGIA DE PROTÓTIPOS MODULARES NO PROJETO DO CONVER-SOR AC/DC COM TOPOLOGIA half-bridge

A implementação do conversor AC/DC com topologia half-bridge proposto neste tra-balho será realizada por meio da elaboração de estruturas modulares e didáticas de maneirasemelhante ao realizado nos trabalhos citados previamente. Os blocos constituintes do pro-jeto representarão circuitos com contribuição específica para o funcionamento do conversor,podendo os mesmos serem reutilizados em projetos futuros. Os módulos integrantes do con-versor AC/DC com topologia half-bridge serão apresentados e descritos neste trabalho, assimcomo o procedimento matemático necessário para a realização do dimensionamento de seuscomponentes.

Como o desenvolvimento deste trabalho está vinculado ao projeto de pesquisa em en-sino 633 da Universidade Estadual de Londrina, as tarefas atreladas à elaboração dos módulose equipamentos serão realizadas em conjunto pelos participantes do projeto, sendo que os mes-mos são também apresentados por (ISSA, 2018) em razão da sua cooperação neste projeto.Serão utilizados na composição do trabalho equipamentos construídos previamente, os quaissão produtos deste projeto de ensino.

1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO

Este documento está organizado em cinco capítulos, por meio dos quais serão descritoso projeto proposto, a fundamentação dos conceitos de Eletrônica de Potência utilizados, o equa-cionamento desenvolvido, os resultados alcançados e as conclusões obtidas sobre o trabalho.

No presente capítulo é apresentada uma introdução aos objetivos do trabalho, os con-

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ceitos gerais relacionados ao seu desenvolvimento e a estrutura utilizada para a sua execução.São apresentadas a relevância e a importância do projeto dentro da Engenharia Elétrica, comotambém outros trabalhos relacionados ao assunto tratado.

No segundo capítulo, são apresentados os fundamentos teóricos necessários para o de-senvolvimento do projeto e as expressões matemáticas que regem o seu funcionamento. Sãoexplanados os conceitos relacionados à operação do conversor AC/DC com topologia half-

bridge, assim como os princípios de funcionamento dos circuitos eletrônicos que constituem osmódulos desenvolvidos.

Em seguida, no terceiro capítulo, é apresentado o desenvolvimento dos módulos consti-tuintes do conversor. O procedimento de realização do projeto é detalhado a partir dos cálculosnecessários para o dimensionamento dos componentes, tomando como base os requisitos deoperação preestabelecidos. São apresentados também os esquemáticos e as placas de circuitoimpresso dos circuitos eletrônicos desenvolvidos.

As montagens dos equipamentos projetados e os resultados alcançados a partir dos tes-tes realizados são apresentados no quarto capítulo. São exibidas as imagens reais dos módulosconstruídos e as formas de onda tomadas a partir da experimentação com os circuitos. Os re-sultados obtidos são confrontados com a teoria desenvolvida anteriormente e com os requisitosdo projeto, explicando o desempenho prático atingido.

Por fim, no quinto capítulo, discute-se à respeito da relevância dos resultados apresen-tados pelo projeto. São apresentadas as conclusões sobre o trabalho a partir da comparação dosvalores obtidos durante a experimentação com os previstos anteriormente, propondo possíveismelhorias em algumas características do projeto e sugerindo propostas para trabalhos futuros.

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2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Os sistemas eletrônicos modernos requisitam fontes de tensão de alta qualidade, pe-queno volume e boa eficiência. Para satisfazer os requisitos das aplicações, são utilizados basi-camente os modelos de fonte de tensão por regulação linear e as fontes chaveadas. As fontes detensão lineares são dispositivos com o princípio de operação baseado na presença de um trans-formador operando na frequência da rede, circuitos de retificação, filtros e um regulador linear.Mesmo apresentando uma tensão de alta qualidade em sua saída, as fontes de tensão linearessão limitadas a operação em baixa potência devido ao seu grande volume e uma eficiência entre30% e 60% (RASHID, 2011).

Para a operação com alta potência e eficiência elevada, são utilizadas as fontes cha-veadas, as quais operam com base em dispositivos semicondutores de chaveamento. Essesdispositivos podem realizar a comutação em altas frequências, o que garante componentes me-nores na constituição desse modelo de fonte e respostas dinâmicas mais rápidas às variaçõesde corrente e tensão da carga (RASHID, 2011). A grande vantagem apresentada pelas fonteschaveadas consiste em sua alta eficiência energética, visto que uma menor perda de potência noseu funcionamento implica em menores sistemas de dissipação de calor, proporcionando, destemodo, uma fonte de tensão mais compacta (ERICKSON, 2004).

As fontes chaveadas são compostas essencialmente por um filtro retificador de entrada,um conversor de potência DC/DC, um filtro de saída e um circuito gerador do sinal de controlede chaveamento. A Figura 2.1 apresenta o diagrama de blocos de uma fonte chaveada genérica.

Figura 2.1: Diagrama de blocos de uma fonte chaveada genérica.

Fonte: o autor, 2018.

Primeiramente, a tensão alternada proveniente da fonte de alimentação é retificada pelofiltro de entrada, de forma a produzir uma tensão contínua, a qual é aplicada ao conversorde potência DC/DC. Em seguida, é realizado o chaveamento da tensão DC pelo dispositivocomutador de potência, produzindo uma onda retangular que é filtrada e retificada pelo filtro desaída. O controle da tensão de saída é feito tomando-se uma amostra da mesma e comparando-a

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com um determinado valor, de forma a gerar um sinal de erro que será utilizado para regular atensão na saída. Além da retificação do sinal de tensão, a introdução de filtros na entrada e saídade uma fonte chaveada é necessária devido à geração de componentes harmônicas decorrenteda operação de chaveamento dos dispositivos semicondutores constituintes dos conversores depotência DC/DC (TREVISO, 2017).

2.1 RETIFICADOR

Está representado na Figura 2.2 o esquemático de um modelo de filtro retificador deentrada de uma fonte chaveada, o qual é constituído por quatro diodos e dois capacitores. Afiltragem do sinal é realizada pelos capacitores C1 e C2, sendo que o posicionamento dos diodosD1, D2, D3 e D4 configura um retificador monofásico de onda completa. A chave S permitea utilização da fonte chaveada em dois níveis de tensão alternada de entrada, configurando-acomo aberta para 220 V e fechada para 110 V , com o circuito operando como dobrador detensão neste último estado (HART, 2011).

Figura 2.2: Esquemático de um retificador monofásico de onda completa a diodo com filtrocapacitivo.


Considerando o funcionamento com tensão alternada de entrada de 220 V (chave Saberta), os capacitores C1 e C2 ficam em série e a capacitância equivalente é dada pela Equação2.1.

C =C1 × C2

C1 + C2

(2.1)

O sinal de tensão sobre o capacitor equivalente está representado na Figura 2.3. No in-tervalo de tempo entre t1 e t2 ocorre o descarregamento do capacitor equivalente com a transfe-rência de energia para o conversor DC/DC. Entre os instantes t2 e t3, verifica-se o carregamentodo capacitor equivalente, com a tensão do mesmo se igualando à tensão de alimentação em t3

(HART, 2011).

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Figura 2.3: Sinal de tensão sobre o capacitor equivalente.

Fonte: (HART, 2011). Adaptado pelo autor, 2018.

Utilizando-se a Equação 2.2, é possível obter um valor de capacitância equivalentetomando-se uma determinada especificação de oscilação da componente alternada da saída,sendo Pin a potência de entrada, f a frequência da tensão de entrada e Vmin e Vpk os valores datensão no capacitor nos instantes t2 e t3 respectivamente.

C =Pin

f × (V 2pk − V 2

min)(2.2)

Considerando uma tensão alternada de entrada de 110 V (chave S fechada), o circuitofunciona como dobrador de tensão, apresentando na saída uma tensão duas vezes maior queo valor de pico da tensão da fonte de alimentação. Com o início da operação, o capacitor C1

é carregado com Vpk por meio de D1 quando a tensão da fonte é positiva e o capacitor C2 écarregado com Vpk por meio de D3 quando a tensão da fonte é negativa (HART, 2011).

Utilizando-se a Equação 2.3, é possível obter os valores de C1 e C2 dada uma deter-minada oscilação da componente alternada da saída, tomando-se a potência de entrada Pin, afrequência de entrada f , o valor VC1pk

da tensão de pico no capacitor C1 e o valor VC1minda

tensão mínima no capacitor C1.

C1 = C2 =Pin

f × (V 2C1pk− V 2

C1min)

(2.3)

2.2 CONVERSORES DC/DC

O elemento principal no estudo da Eletrônica de Potência é o conversor chaveado, vistoque o mesmo possui a propriedade de regular o fluxo de potência por meio de uma estratégiade controle específica. Deste modo, a energia elétrica em sua entrada é processada de maneiraque a tensão de saída possua características pré-determinadas. Em um conversor DC/DC, a

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tensão contínua de entrada é convertida em uma tensão contínua de saída de menor ou maiormagnitude, com polaridade oposta ou com isolação entre as tensões de referência da entrada eda saída (ERICKSON, 2004). Um modelo simplificado do conversor DC/DC está representadona Figura 2.4.

Figura 2.4: Modelo simplificado de um conversor DC/DC.


A razão entre a tensão de saída (V o) e a tensão de entrada (V i) de um conversor DC/DCé denominada ganho estático (G), sendo dada pela Equação 2.4 (TREVISO, 2017).

G =V o

V i(2.4)

2.2.1 Conversor DC/DC com topologia half-bridge

Na Figura 2.5 está representado o esquemático do conversor DC/DC isolado com topo-logia half-bridge. Na implementação do mesmo, cria-se um ponto médio na alimentação pormeio de um divisor capacitivo, o que faz com que a tensão sobre os transistores seja igual àtensão de entrada.

O conversor half-bridge pode operar como um circuito elevador ou abaixador de tensão.Sua função de transferência é proporcional ao ciclo de trabalho, sendo, deste modo, derivadodo conversor buck. Mesmo possuindo um ciclo de trabalho teórico máximo de 50%, na práticaeste valor deve ser menor devido à necessidade de se considerar um intervalo de tempo no qualambos os transistores estão cortados, de modo a não haver condução simultânea (KAZIMIERC-ZUK, 2015).

Funcionamento do conversor half-bridge

Pode-se dividir o conversor em três estágios de funcionamento: o estágio inversor, noqual a tensão de entrada é dividida pela metade e entregue ao transformador na forma alternada;o estágio do transformador, que garante a isolação elétrica do sistema e entrega uma tensãocontínua e chaveada ao próximo estágio; por fim, tem-se o estágio de saída que funciona comoum conversor buck (ERICKSON, 2004).

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Figura 2.5: Circuito do conversor DC/DC isolado com topologia half-bridge.


Em seguida, serão analisadas as quatro etapas de operação do conversor. Na primeiraetapa, representada na Figura 2.6, o transistor T1 é acionado, a tensão no enrolamento primáriose torna igual a V i/2 e o diodo D2 é polarizado diretamente, o que possibilita o carregamentolinear do indutor L1 e a transferência de energia para a carga. Neste momento, o diodo D1 estábloqueado.

Figura 2.6: Primeira etapa de operação do conversor DC/DC isolado com topologia half-bridge.


Na segunda etapa, representada na Figura 2.7, os dois transistores são bloqueados e atensão no primário do transformador se torna igual a zero. Deste modo, os diodos D1 e D2 sãopolarizados diretamente e cada um passa a conduzir metade da corrente elétrica IL do indutor(etapa de roda livre).

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Figura 2.7: Segunda etapa de operação do conversor DC/DC isolado com topologia half-bridge.


Na terceira etapa, representada na Figura 2.8, o transistor T2 é acionado, a tensão noenrolamento primário se torna igual a−V i/2 e o diodo D1 é polarizado diretamente, ocorrendoo carregamento do indutor L1 e a transferência de energia para a carga. Neste momento, o diodoD2 está bloqueado. A operação do conversor na quarta etapa é semelhante à segunda.

Figura 2.8: Terceira etapa de operação do conversor DC/DC isolado com topologia half-bridge.


As principais formas de onda para o conversor half-bridge estão representadas na Figura2.9. O primeiro gráfico apresenta a queda de tensão Vce1 em um dos transistores do circuito,sendo a mesma a queda de tensão entre coletor e emissor de um transistor de junção bipolar,correspondendo, nos MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), aos ter-minais drain e source. O segundo e o terceiro gráfico apresentam as correntes em cada um dos

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transistores. O quarto gráfico apresenta a tensão obtida após a retificação realizada pelos diodosD1 e D2. O quinto gráfico apresenta a corrente no indutor L1.

Figura 2.9: Principais formas de onda para o conversor half-bridge.

Fonte: (TREVISO, 2017).

A Equação 2.5 representa a expressão utilizada para se determinar a tensão de saída V ono conversor half-bridge, na qual D é o ciclo de trabalho, V i é a tensão de entrada, VCE é aqueda de tensão nos transistores, V d é a queda de tensão nos diodos e N é a relação de espirasentre os enrolamentos primário e secundário do transformador.

V o = D ×(V i− 2VCE

N

)− V d (2.5)

Dimensionamento do indutor

Durante o intervalo de tempo em que os transistores T1 e T2 estão acionados, ocorre oarmazenamento de energia na forma de campo magnético por parte do indutor em seu núcleo,sendo que a mesma é fornecida à carga nas etapas em que os transistores estão em corte. Destemodo, deve-se projetar um indutor com robustez suficiente para que a corrente elétrica fornecida

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à carga do conversor esteja acima de um valor mínimo e abaixo de um valor máximo, de maneiraque o funcionamento contínuo seja mantido.

Está representada na Figura 2.10 a forma de onda de corrente no indutor considerandoa operação do conversor half-bridge no modo contínuo. Observa-se que a corrente possui umvalor mínimo e um valor máximo, de modo que, para o correto funcionamento do conversor, oprojeto do indutor deve ser realizado visando a obtenção de uma corrente de saída situada entreesses dois valores.

Figura 2.10: Corrente verificada no indutor L1 durante a operação do conversor half-bridge.


Portanto, para que o indutor possua um valor mínimo de indutância que garanta o arma-zenamento de energia necessário, deve-se utilizar a Equação 2.6 para obter esse valor, na qualDmin é o ciclo de trabalho mínimo do conversor, V imax é a tensão de entrada máxima, Iomin é acorrente de saída mínima e fs é a frequência de comutação dos transistores (TREVISO, 2017).

L ≥ Dmin(1−Dmin)V imax

4Iomin(2fs)N(2.6)

Para realizar o projeto do indutor, há a necessidade de se considerar outros parâmetrosalém do valor da indutância. A indutância está relacionada à energia armazenada no indutor deacordo com a Equação 2.7, na qual E é o valor da energia, Io é a corrente elétrica de saída eIomin é o valor da variação da corrente de saída.

E =L(Io+ Iomin)2

2(2.7)

O núcleo de um indutor pode ser descrito com relação às suas dimensões pela sua áreaefetiva Ae, a qual representa a área por onde flui o campo magnético, e pela área de janela Aj,sendo esta o espaço onde estarão posicionadas as espiras do indutor. O produto desses doisparâmetros é denominado Ap e está representado na Equação 2.8 (MELLO, 1986).

Ap = Ae× Aj (2.8)

O fator de indutância Al é um parâmetro característico de um determinado núcleo deferrite, sendo comumente fornecido pelos fabricantes. Sua relação com o número de espiras deum indutor NL e com a indutância L é representada pela Equação 2.9 (TREVISO, 2017).

Al =L

N2L

(2.9)

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A capacidade máxima de armazenamento de energia na forma de campo magnético deum núcleo de ferrite pode ser calculada tomando-se a área efetiva Ae do núcleo, o valor má-ximo da densidade de fluxo magnético Bmax e o fator de indutância Al. A relação entre essesparâmetros é apresentada pela Equação 2.10. O parâmetro Bmax corresponde a um valor dedensidade de fluxo magnético no qual a permeabilidade do material do núcleo se mantém cons-tante mesmo com a ocorrência de determinadas variações na temperatura e no campo magnéticoaplicado.

E =Ae2 ×B2

max

2Al(2.10)

Para que se possa relacionar a energia máxima a ser armazenada no indutor com a ca-pacidade do núcleo e suas dimensões, é utilizada a Equação 2.11. Nesta equação, Ku é o fatorde utilização das janelas e Kj é o coeficiente de densidade de corrente nos fios. De acordo com(TREVISO, 2017), o fator de utilização das janelas pode ser utilizado como Ku = 0, 4, sendoque o mesmo é definido como a razão entre a somatória dos produtos entre o número de espirase a área de ocupação das mesmas e a área total disponível na janela do núcleo. O valor de Zvaria com o tipo de núcleo, sendo que, para o núcleo EE, Z = 1, 136.

Ap =

(2E × 104

Ku×Kj ×Bmax

)Z

(2.11)

O coeficiente de densidade de corrente nos fios Kj pode ser calculado para o núcleo EEpor meio da Equação 2.12, sendo que ∆T é o acréscimo de temperatura esperado no indutordesconsiderando o uso de ventilação forçada.

Kj = 63, 35×∆T 0,54 (2.12)

A densidade de corrente nos fios J é obtida a partir da relação entre Kj e Ap, comomostra a Equação 2.13, sendo X = 0, 12 para o núcleo EE.

J = Kj × Ap−X (2.13)

De modo a se obter o fio de cobre mais adequado para o enrolamento do indutor, calcula-se a partir da Equação 2.14 a área de cobre ACu. Nesta equação, Ieficaz é a corrente eficaz quecircula pelo indutor.

ACu =IeficazJ

(2.14)

Visto que a permeabilidade magnética varia com o campo magnético e que em fonteschaveadas os indutores de filtragem conduzem corrente contínua que pode variar com a cargade saída, há a necessidade de se adicionar um entreferro no núcleo do indutor. Deste modo, épossível se obter permeabilidade constante e um aumento da relutância do circuito magnético,

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tornando previsível o valor da indutância. A utilização do entreferro também permite a passa-gem de valores maiores de corrente pelo indutor sem ocasionar saturação do núcleo (MELLO,1986).

O cálculo do comprimento total do entreferro pode ser realizado a partir da Equação2.15, sendo µ0 = 4π× 10−7 a permeabilidade magnética do vácuo, Ae a área efetiva do núcleoe Al o fator de indutância. Considerando o núcleo EE, o valor obtido com esta equação deveser dividido entre os seus dois braços laterais, visto que o fluxo magnético também percorre obraço central (BARBI, FONT e ALVES, 2002).

G =µ0 × AeAl

(2.15)

Dimensionamento do transformador

O chaveamento do transformador para o conversor half-bridge é realizado por dois tran-sistores de potência, de modo que o transformador é magnetizado durante o tempo ativo de umdos transistores e, quando o outro transistor conduz, uma corrente de desmagnetização flui pelomesmo. Como a corrente de magnetização depende da largura do pulso de controle dos transis-tores, os dois semicondutores devem possuir tempos de ativação iguais, de forma que a excursãodo campo magnético seja simétrica e o núcleo do transformador não sature (TREVISO, 2017).

Como pode ser observado na Figura 2.11, o campo magnético no transformador excur-siona no 1o e 3o quadrantes da curva B-H, o que permite um melhor aproveitamento do volumeefetivo do núcleo e um dimensionamento mais eficiente do mesmo.

Figura 2.11: Excursão no 1o e 3o quadrantes da curva B-H.


O produto das áreas Ap para o conversor half-bridge é dado pela Equação 2.16, na qualPS é a potência máxima na saída, Kj é o coeficiente de densidade de corrente, B é a excursão

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total do campo magnético no 1o e 3o quadrantes e fs é a frequência de chaveamento. A potênciade saída pode ser obtida por meio do produto entre a tensão de saída e a corrente de saída(TREVISO, 2017).

Ap =

(2, 22× PS × 104

Kj ×B × fs

)Z

(2.16)

O valor da excursão total do campo magnético B depende de seu valor máximo e davariação da tensão de entrada, assim como relacionado na Equação 2.17.

B =V imin

V imax

×Bmax (2.17)

O número de espiras do enrolamento primário do transformador pode ser calculado pormeio da Equação 2.18, na qual V imin é o valor mínimo da tensão de entrada, Dmax é o valormáximo do ciclo de trabalho e Ae é a área efetiva do núcleo.

Np =V imin ×Dmax

2× Ae×B × fs(2.18)

A partir do conhecimento do número de espiras do enrolamento primário, é possível serdeterminado o número de espiras do enrolamento secundário por meio de N , de acordo com arelação estabelecida pela Equação 2.19.

N =Np

Ns(2.19)

Obtido o valor do produto das áreas Ap, pode-se determinar o núcleo adequado para otransformador e as dimensões dos condutores a serem utilizados nos enrolamentos. Para o cál-culo dos condutores, deve-se considerar o valor eficaz da corrente elétrica em cada enrolamento,de modo que seus valores para o primário e o secundário são determinados pelas Equações 2.20e 2.21 respectivamente, sendo Io a corrente de saída, N a relação de transformação e D o ciclode trabalho.

IpRMS =Io×

√2D

N(2.20)

IsRMS = Io×√

2D (2.21)

Dimensionamento dos capacitores

Os capacitores de filtragem representados por C2 e C3 na Figura 2.5 possuem valoresidênticos de capacitância e configuram um divisor de tensão, sendo que, em um cenário ideal,a tensão sobre os mesmos corresponderá à metade da tensão de entrada. Diante do fato de quea corrente no primário do transformador circulará por esses capacitores, é necessário que osmesmos possam suportar esta corrente. Além disso, o valor dos capacitores deve ser tal que

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não ocasione perda de tensão devido à descarga pela corrente máxima no primário (TREVISO,2017).

O dimensionamento dos capacitores C2 e C3 é realizado a partir da Equação 2.22, su-pondo uma variação máxima de 5% na tensão do capacitor durante a operação do conversor.

C2 = C3 =10× Io

N × V i× fs(2.22)

O posicionamento de um capacitor em paralelo com a carga do conversor tem o objetivode diminuir a ondulação na tensão de saída. Na Figura 2.12 está representada a modelagemreal do capacitor a partir de seu circuito série equivalente, na qual C é a capacitância, RSE é aresistência série equivalente e LSE é a indutância série equivalente.

Figura 2.12: Circuito série equivalente do capacitor.

Fonte: (BARBI, 2001). Adaptado pelo autor, 2018.

Em baixas frequências, o capacitor tem o seu comportamento determinado pela capa-citância, sendo que, na operação em altas frequências, a influência do elemento indutivo docapacitor torna-se dominante. Nessa situação, a resistência série equivalente (a qual varia ex-pressivamente com a temperatura) possui um efeito significativo na ondulação da tensão docapacitor e na dissipação de calor (POMILIO, 1995). Deste modo, é recomendado no projetodo filtro de saída de fontes chaveadas o uso de capacitores eletrolíticos de alumínio, os quaispossuem baixas indutância e RSE, sendo aptos para a operação em altas frequências (BARBI,2001).

Com o objetivo de se obter durante a operação do conversor um determinado valor paraa variação na tensão de saída ∆V o, calcula-se, por meio da Equação 2.23, o número de capa-citores n necessários. Esta equação leva em consideração os efeitos capacitivos e a resistênciasérie equivalente RSE, sendo que cada termo possui um significado que pode ser analisadoseparadamente (TREVISO, 2017).

∆V o =2Dmin(1− 2Dmin)V imax

N

8 · L · n · Cbase · (2fs)2+

(1− 2Dmax)L∆Io2

2Dmax · n · Cbase · V o+2Iomin

RSE

n+∆Io

RSE

n(2.23)

Os dois primeiros termos da equação anterior estão relacionados à situação de capacitân-cia ideal e os dois últimos ao efeito da resistência série equivalente. O primeiro termo refere-seà ondulação da tensão ocasionada pela carga e descarga do capacitor, esta causada pela magne-tização e desmagnetização do indutor. O segundo termo determina a variação de tensão causadapor transitórios de corrente na carga.

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O terceiro termo da Equação 2.23, relacionado à presença da resistência série equiva-lente, refere-se à carga e descarga do capacitor, assim como o primeiro termo. O último termoestá relacionado com a variação de tensão na RSE causada pela variação de corrente na carga,semelhante ao determinado pelo segundo termo da equação.

Dimensionamento dos semicondutores

Os semicondutores constituintes do conversor half-bridge são os dois transistores res-ponsáveis pelo chaveamento da tensão no primário do transformador e os diodos de retificaçãono secundário do mesmo. Para que se possa realizar o dimensionamento desses componentes,é necessário analisar as correntes que circulam pelos mesmos e as tensões que se estabelecemem seus terminais durante o funcionamento do conversor.

Considerando o dimensionamento dos transistores, considera-se a tensão máxima sobreos mesmos, sendo esta igual à tensão máxima de entrada V imax, e utiliza-se para se obter ascorrentes nos transistores as Equações 2.24 e 2.25, nas quais IpRMS é a corrente eficaz e Ippicoé a corrente de pico.

IpRMS =Io×

√2D

N(2.24)

Ippico =Io+ Iomin

N(2.25)

Para dimensionar os diodos, utiliza-se as Equações 2.26, 2.27 e 2.28, nas quais V dreversaé a tensão reversa máxima, IdRMS é a corrente eficaz e Idpico é a corrente de pico.

V dreversa =V imax

2N− V d (2.26)

IdRMS = Io×√

2D (2.27)

Idpico = Io+ Iomin (2.28)

2.3 CIRCUITO Snubber

Os snubbers são circuitos inseridos em conversores de potência com o objetivo de con-trolar as reatâncias intrínsecas dos semicondutores e trilhas, de forma a amortecer as oscilaçõesde alta frequência geradas durante o processo de comutação, controlar as taxas de variação detensão e corrente e grampear picos de tensão. Com a inserção adequada do snubber, a potênciamédia dissipada nos semicondutores do conversor será menor, resultando em maior confiabili-dade na operação deste, menor volume, maior eficiência e níveis de interferência eletromagné-tica reduzidos (TREVISO, 2017).

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Os snubbers podem ser circuitos passivos ou ativos, sendo que os passivos são com-postos por resistores, capacitores, indutores ou diodos e os ativos incluem transistores e outroselementos ativos. Os snubbers também podem ser classificados em dissipativos ou regenerati-vos, com os dissipativos dissipando a energia em um resistor e os regenerativos transferindo amesma para a entrada e/ou para a saída (HART, 2011). A Figura 2.13 apresenta dois snubbers

passivos dissipativos implementados em semicondutores de potência.

Figura 2.13: Snubbers passivos dissipativos implementados em semicondutores de potência.

Fonte: (TREVISO, 2017). Adaptado pelo autor, 2018.

Para que se possa dimensionar um snubber passivo dissipativo, deve-se verificar inicial-mente a tensão máxima sob a qual o semicondutor de potência irá operar, assim como escolherum resistor que dissipe entre 0,1% e 0,5% da potência nominal do conversor (calculando-separa a tensão máxima) (TREVISO, 2017). A Equação 2.29 apresenta o dimensionamento doresistor, sendo Vmax a tensão máxima sobre o semicondutor de potência e P a potência a serdissipada pelo resistor.

RS =V 2max

P(2.29)

Em seguida, com o valor do resistor, dimensiona-se o capacitor de modo que a tensãocaia para 90% da tensão máxima. A Equação 2.30 apresenta o cálculo da capacitância, sendo to tempo de descarga do capacitor.

CS =−t

RS × ln(0, 9)(2.30)

2.4 CONCLUSÃO

Neste capítulo, foi apresentada a teoria necessária para o desenvolvimento do projetoe sua implementação. Primeiramente, foram expostas as principais características das fonteschaveadas e o seu funcionamento, apresentando as etapas de retificação da tensão alternadae a conversão DC/DC. Posteriormente, foi explanado o funcionamento básico do conversor

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DC/DC isolado half-bridge e as etapas fundamentais do seu desenvolvimento, relacionando asdiferentes metodologias e equações necessárias para o dimensionamento dos seus componentes.Por fim, foram abordados os princípios do funcionamento dos circuitos snubbers e as equaçõesdo seu projeto.

No próximo capítulo, serão utilizadas as técnicas previamente expostas para o desenvol-vimento e implementação de cada estágio do processo de conversão AC/DC com a topologiahalf-bridge.

34

3 DESENVOLVIMENTO

3.1 BASE PARA MONTAGEM DO SISTEMA MODULAR

Como base para o posicionamento dos módulos eletrônicos constituintes do conversorAC/DC, foi utilizada a bancada proposta por (SILVA, 2017) e (SANTOS, 2017) devido à ne-cessidade de se haver uma padronização das características de montagem dos conversores doprojeto de ensino 633, possibilitando a reutilização dos módulos dos mesmos em projetos futu-ros. A base de montagem, representada na Figura 3.1, possui dimensões de 333 mm por 363mm e é formada por uma matriz de 22 por 20 rebites (440 furos), com espaçamento de 15 mmentre cada rebite tanto na horizontal quanto na vertical. Desta forma, os módulos eletrônicosserão desenvolvidos e interligados de acordo com as especificações de encaixe da bancada demontagem.

Figura 3.1: Visualização em 3D da base de montagem dos módulos eletrônicos.

Fonte: (SILVA, 2017) e (SANTOS, 2017).

De acordo com (SANTOS, 2017), o material utilizado na confecção da base de monta-gem foi o policloreto de polivinila (PVC) expandido, sendo o mesmo rígido e isolante elétrico.Os rebites posicionados nos furos da bancada são rosqueáveis, o que possibilita a colocação deparafusos para fixar os módulos.

3.2 CONVERSOR DC/DC COM TOPOLOGIA half-bridge

Os parâmetros definidos para o projeto do conversor com topologia half-bridge estãoreunidos na Tabela 3.1. Todos os componentes do circuito do conversor foram determinadoscom base nos parâmetros definidos nesta tabela.

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Tabela 3.1: Parâmetros do projeto do conversor com topologia half-bridge.

Parâmetro Valor

Tensão contínua de entrada mínima (V imin) 50 VTensão contínua de entrada máxima (V imax) 80 V

Ciclo de trabalho máximo (D) 0, 45Tensão contínua de saída (V o) 30 V

Corrente de saída (Io) 10 ACorrente de saída mínima (Iomin) 1 AFrequência de chaveamento (fs) 50 kHzQueda de tensão nos diodos (V d) 1, 5 V

Queda de tensão nos transistores (VDSsat) 1, 0 VVariação da ponte retificadora (∆V o) 10%


Analisando o circuito do conversor apresentado na Figura 2.5, verifica-se que a topologiahalf-bridge apresenta um transformador com derivação central no enrolamento secundário, deforma que a tensão no secundário é retificada pelos diodos D1 e D2. Deste modo, realizou-seuma modificação no circuito do conversor para evitar a implementação de um transformadorcom derivação central, sendo posicionados quatro diodos para efetuar a retificação de ondacompleta na tensão do secundário.

O circuito do conversor com quatro diodos conectados ao secundário do transformadorestá representado na Figura 3.2.

Figura 3.2: Circuito do conversor DC/DC isolado com topologia half-bridge com quatro diodosretificadores.


Verifica-se a necessidade de se alterar a equação da tensão de saída do conversor half-

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bridge com a inclusão de novos componentes no circuito, pois as quedas de tensão sobre osdiodos adicionados influenciam ligeiramente a saída do conversor. Desta maneira, a Equação3.1 representa a relação matemática para calcular a tensão de saída do circuito apresentado naFigura 3.2, na qual D é o ciclo de trabalho, V i é a tensão de entrada, VCE = VDSsat é a quedade tensão nos transistores, V d é a queda de tensão nos diodos e N é a relação de espiras entreos enrolamentos primário e secundário do transformador.

V o = D ×(V i− 2VCE

N

)− 2V d (3.1)

Para que se possa iniciar o dimensionamento dos componentes do conversor, é neces-sário conhecer a relação de transformação N do transformador e o valor do ciclo de trabalhomínimo Dmin. Analisando o funcionamento do circuito, verifica-se que a tensão de entradadeve ser mínima quando o valor do ciclo de trabalho for máximo. Deste modo, utilizando aEquação 3.1 com os valores relacionados na Tabela 3.1, obtém-se N = 0, 6545. Os cálculosrealizados para se obter este valor estão demonstrados a seguir.

30 = 0, 45×(

50− 2× 1

N

)− 2× 1, 5

N = 0, 6545

Considerando o valor máximo da tensão de entrada, utiliza-se a Equação 3.1 e o va-lor da relação de transformação N obtido para se calcular o ciclo de trabalho mínimo Dmin.Os cálculos foram realizados novamente com os valores relacionados na Equação 3.1 e estãodemonstrados a seguir. Obteve-se o valor Dmin = 0, 2769 para o ciclo de trabalho mínimo.

30 = Dmin ×(

80− 2× 1

0, 6545

)− 2× 1, 5

Dmin = 0, 2769

3.2.1 Indutor

Utiliza-se a Equação 2.6 para calcular o valor mínimo para a indutância e iniciar odimensionamento do indutor, considerando-se o valor do ciclo de trabalho mínimo Dmin =

0, 2769 e a relação de transformaçãoN = 0, 6545. São considerados nos cálculos os parâmetrosreunidos na Tabela 3.1, sendo a tensão contínua de entrada máxima V imax = 80 V , a correntede saída mínima Iomin = 1 A e a frequência de chaveamento fs = 50 kHz. O equacionamentorealizado está representado a seguir, por meio do qual obteve-se o valor L = 61, 1845 µH paraa indutância mínima.

37

L ≥ 0, 2769× (1− 0, 2769)× 80

4× 1× (2× 50000)× 0, 6545

L ≥ 61, 1845 µH

Em seguida, calcula-se a energia elétrica que o indutor será capaz de armazenar utilizando-se a Equação 2.7, sendo Io = 10 A a corrente de saída e Iomin = 1 A a corrente de saídamínima. A partir dos cálculos realizados e demonstrados abaixo, encontrou-se o valor deE = 3, 7017 mJ para a energia armazenada no indutor.

E =61, 1845 µ× (10 + 1)2

2

E = 3, 7017 mJ

A expressão matemática para calcular o coeficiente de densidade de corrente nos fiosKjé dada pela Equação 2.12, sendo que o mesmo é determinado pelo acréscimo de temperaturaprevisto no indutor. Considerando no equacionamento um acréscimo de temperatura de ∆T =

30 oC, obteve-se o valor Kj ≈ 397 como demonstra o cálculo a seguir.

Kj = 63, 35× 300,54 → Kj ≈ 397

Utilizando-se a Equação 2.11 com os valores da energia elétrica do indutor E e o co-eficiente de densidade de corrente Kj obtidos anteriormente, calcula-se o valor do produtodas áreas Ap, o qual é necessário para determinar o núcleo do indutor. Para a realização doscálculos, tomou-se Bmax = 0, 3 T para o valor máximo da densidade de fluxo magnético eKu = 0, 4 para o fator de utilização das janelas. Considerando a utilização de um núcleo EEpara o projeto do indutor, tomou-se Z = 1, 136. Como é demonstrado pelo equacionamento aseguir, obteve-se o valor de Ap = 1, 6501 cm4 para o produto das áreas.

Ap =

(2× 3, 7017× 10−3 × 104

0, 4× 397× 0, 3

)1,136

= 1, 6501 cm4

A partir do valor calculado de Ap, é possível selecionar o núcleo de ferrite a ser utili-zado. Escolheu-se o núcleo EE 42/21/15, pois o mesmo atende às especificações do produtodas áreas calculado e, além disso, permite que o transformador implementado possua um nú-mero de espiras menor em relação à utilização de um núcleo de ferrite menor. De acordo com(TREVISO, 2017), o núcleo de ferrite EE 42/21/15 apresenta o valor de Ap = 4, 66 cm4 para oproduto das áreas, além de área efetiva igual a Ae = 1, 81 cm2.

Utilizando-se a Equação 2.10, calcula-se o fator de indutância Al. Como é demonstradopelo equacionamento abaixo, obteve-se o valor de Al = 398, 2616 nH/esp2.

38

Al =(1, 81× 10−4)2 × 0, 32

2× 3, 7017× 10−3= 398, 2616 nH/esp2

Em seguida, adapta-se a Equação 2.9 para calcular o número de espiras NL no enro-lamento do indutor. Como é demonstrado pelo equacionamento abaixo, obteve-se o valor deNL = 12, 39 espiras para o indutor.

NL =

√61, 1845× 10−6

398, 2616× 10−9= 12, 39 espiras

Para que o indutor apresente o funcionamento desejado, é necessário ser posicionado oentreferro entre os dois braços laterais do núcleo de ferrite tipo EE. Utilizando-se a Equação2.15, calcula-se o valor do entreferro pretendido, de modo que cada braço lateral do núcleoconsiderado possuirá um entreferro com a metade do valor calculado. Sendo a permeabilidademagnética no vácuo igual a µ0 = 4π × 10−7, obteve-se o valor de G = 0, 571 mm por meiodos cálculos demonstrados a seguir.

G =4π × 10−7 × 1, 81× 10−4

398, 2616× 10−9= 0, 571 mm

Utilizando-se a Equação 2.13 e tomando-se o coeficiente de densidade de corrente Kjcalculado anteriormente e Ap = 4, 66 cm4, calcula-se a densidade de corrente nos fios J .Considerou-se X = 0, 12 para o núcleo de ferrite do tipo EE. De acordo com os cálculosabaixo, obteve-se J = 330, 0534 A/cm2.

J = 397× 4, 66−0,12 = 330, 0534 A/cm2

Utilizou-se a Equação 2.14 com o objetivo de se obter o valor da área de cobre ACu paraos condutores do indutor, considerando-se no equacionamento a corrente eficaz como Ieficaz ≈Io = 10 A, ou seja, aproximadamente igual à corrente de saída. Como demonstrado noscálculos desenvolvidos a seguir, obteve-se o valor de ACu = 0, 0303 cm2 para a área de cobreno indutor.

ACu =10

330, 0534= 0, 0303 cm2

O indutor será implementado na construção do conversor com topologia half-bridge pormeio de uma placa de circuito impresso com tamanho modular de 5x5 rebites, correspondendoa dimensões de 72 mm por 72 mm. A placa possui três conexões de entrada e três conexões desaída, possibilitando, deste modo, diferentes combinações para as ligações. A placa de circuitoimpresso e sua visualização em 3D está representada na Figura 3.3.

39

Figura 3.3: Placa de circuito impresso do indutor e sua visualização em 3D.


3.2.2 Transformador

Utiliza-se a Equação 2.17 para iniciar o dimensionamento calculando-se o valor da ex-cursão total do campo magnético B no transformador. Tomou-se no equacionamento os valoresde tensão contínua máxima de entrada V imax = 80 V e tensão contínua mínima de entradaV imin = 50 V . Considerou-se o valor máximo do campo magnético como Bmax = 0, 2 T paraa realização dos cálculos, assim como especificado por (THORNTON, 2015) para o núcleo deferrite com material do tipo IP6 para evitar a saturação do núcleo. Por meio do desenvolvimentodo equacionamento mostrado abaixo, obteve-se o valor de B = 0, 125 T para a excursão totaldo campo magnético.

B = 0, 2× 50

80= 0, 125 T

Em seguida, calcula-se por meio da Equação 2.16 o produto das áreas Ap para o trans-formador com o objetivo de se determinar o núcleo de ferrite a ser utilizado em sua constitui-ção. Tomando-se o produto entre a tensão contínua de saída V o = 30 V e a corrente de saídaIo = 10 A, encontra-se a potência de saída PS . Como demonstrado nos cálculos desenvolvidosa seguir, obteve-se o valor de Ap = 3, 069 cm4 para o produto das áreas.

Ap =

(2, 22× (30× 10)× 104

397× 0, 125× 50× 103

)1,136

= 3, 069 cm4

Deste modo, escolheu-se o núcleo de ferrite EE 42/21/15, sendo que o mesmo apresentao valor deAp = 4, 66 cm4 para o produto das áreas e área efetiva igual aAe = 1, 81 cm2, sendoadequado para o projeto do transformador.

Em seguida, utiliza-se a Equação 2.18 para se obter o número de espiras do enrolamentoprimário do transformador. Como demonstrado a seguir, obteve-se o número de espiras comoNp = 10 espiras.

40

Np =50× 0, 45

2× 1, 81× 10−4 × 0, 125× 50× 103= 9, 9 ≈ 10 espiras

A partir da Equação 2.19, utiliza-se a relação de transformaçãoN para calcular o númerode espiras do enrolamento secundário do transformador. Com o desenvolvimento do equacio-namento apresentado abaixo, obteve-se Ns = 15 espiras para o enrolamento secundário.

Ns =9, 9

0, 6545= 15, 1 ≈ 15 espiras

Em seguida, calcula-se a densidade de corrente nos fios J para realizar o dimensiona-mento dos condutores dos enrolamentos do transformador. Utilizando a Equação 2.13 e to-mando Kj = 397, Ap = 4, 66 cm4 e X = 0, 12 para o núcleo de ferrite do tipo EE, obteve-sea densidade de corrente como J = 330, 0534 A/cm2, assim como demonstrado pelos cálculosa seguir.

J = 397× 4, 66−0,12 = 330, 0534 A/cm2

Para que se possa realizar o dimensionamento adequado dos condutores, é necessáriotambém conhecer as correntes que circularão nos enrolamentos do transformador. Utilizandoas Equações 2.20 e 2.21, obteve-se para a corrente eficaz no enrolamento primário o valor deIpRMS = 14, 4948 A e para a corrente eficaz no enrolamento secundário o valor de IsRMS =

9, 4868 A.

IpRMS =10×

√2× 0, 45

0, 6545= 14, 4948 A

IsRMS = 10×√

2× 0, 45 = 9, 4868 A

Finalizando o dimensionamento dos condutores, calcula-se a área de cobre ACu mínimaa ser utilizada nos enrolamentos por meio da Equação 2.14. Deste modo, como apresentadopelos equacionamentos a seguir, obteve-se a área de cobre para os condutores do enrolamentoprimário como ACu,p = 0, 0439 cm2 e para os condutores do enrolamento secundário comoACu,s = 0, 0287 cm2.

ACu,p =14, 4948

330, 0534= 0, 0439 cm2

ACu,s =9, 4868

330, 0534= 0, 0287 cm2

O transformador será implementado em uma placa de circuito impresso semelhante aapresentada pela Figura 3.3. A presença na mesma de três conexões de entrada e três conexõesde saída permite a utilização de transformadores com tap central em projetos futuros.

41

3.2.3 Capacitores

O cálculo dos capacitores conectados ao primário do transformador é realizado a partirda Equação 2.22. Tomou-se V i = V imin = 50 V no equacionamento, sendo este o pior casopara a obtenção da capacitância. Deste modo, obteve-se C2 = C3 = 61, 11 µF , como demons-trado pelo cálculo abaixo. Considerando os valores comerciais disponíveis, serão utilizados namontagem capacitores de 100 µF por 100 V .

C2 = C3 =10× 10

0, 6545× 50× 50× 103= 61, 11 µF

Os capacitores C2 e C3 serão implementados na construção do conversor AC/DC pormeio da placa de circuito impresso proposta por (SILVA, 2017), a qual possui dimensões de 72mm por 72 mm, ocupando um espaço de 5x5 rebites na base de montagem modular. A placade circuito impresso e sua visualização em 3D está representada na Figura 3.4.

Figura 3.4: Placa de circuito impresso dos capacitores conectados ao primário do transformadore sua visualização em 3D.

Fonte: (SILVA, 2017).

Foi escolhido um valor base de Cbase = 1000 µF para o capacitor situado no filtro desaída do conversor, sendo que o mesmo possui resistência série equivalente igual a RSE =

0, 17 Ω. Deste modo, considerando o valor de ∆V o = 0, 6 V para a variação permissívelna tensão de saída, utiliza-se a Equação 2.23 para se obter o número de capacitores a seremposicionados em paralelo. A partir do isolamento no equacionamento do termo n referente aonúmero de capacitores, obteve-se o número de n = 3, 15 capacitores. Consequentemente, serãoutilizados n = 4 capacitores em paralelo.

∆V o =2 · 0, 2769(1− 2 · 0, 2769) 80

0,6545

8 · 61, 1845µ · n · 1000µ · (2 · 50k)2+

+(1− 2 · 0, 45) · 61, 1845µ · (9)2

2 · 0, 45 · n · 1000µ · 30+ 2 · 1 · 0, 17

n+ 9 · 0, 17

n

42

n = 3, 15→ n = 4 capacitores

Os quatro capacitores em paralelo do filtro de saída do conversor DC/DC com topologiahalf-bridge serão montados em uma placa de circuito impresso específica, sendo esta de carátermodular e proposta por (SILVA, 2017), contendo dimensões idênticas às apresentadas pela placada Figura 3.4. Sua representação e visualização em 3D são apresentadas na Figura 3.5.

Figura 3.5: Placa de circuito impresso do filtro capacitivo de saída do conversor DC/DC comtopologia half-bridge e sua visualização em 3D.


3.2.4 Semicondutores

O dimensionamento dos semicondutores constituintes do conversor half-bridge é rea-lizado a partir do cálculo das tensões e correntes que os mesmos deverão suportar durante aoperação. Considerando os esforços sobre os transistores, os quais são os mesmos para todos,e de acordo com os cálculos realizados a seguir utilizando as Equações 2.24 e 2.25, obteve-se acorrente eficaz como IpRMS = 14, 4848 A e a corrente de pico como Ippico = 16, 8067 A. Atensão máxima sobre os transistores é igual à tensão máxima de entrada V imax = 80 V .

IpRMS =10×

√2× 0, 45

0, 6545= 14, 4848 A

Ippico =10 + 1

0, 6545= 16, 8067 A

Considerando também que os esforços de tensão e corrente sobre os diodos são os mes-mos para todos, utilizou-se as Equações 2.26, 2.27 e 2.28 para calculá-los. Como demonstradoa seguir, obteve-se a tensão reversa máxima como V dreversa = 59, 61 V , a corrente eficaz comoIdRMS = 9, 4868 A e a corrente de pico como Idpico = 11 A.

43

V dreversa =40

0, 6545− 1, 5 = 59, 61 V

IdRMS = 10×√

2× 0, 45 = 9, 4868 A

Idpico = 10 + 1 = 11 A

3.3 MATRIZ DE CONEXÕES

A matriz de conexões foi projetada de forma a possibilitar o seu uso em diversas topo-logias de circuitos de potência, permitindo, a partir de sua arquitetura, a alteração do circuitode comutação e dos componentes conectados à mesma, sendo eles transformadores, diodos etransistores. O seu projeto foi desenvolvido de modo a ser coerente com as especificações damatriz de conexões apresentada por (SANTOS, 2017), de maneira a permitir a utilização dosmódulos já construídos com as atividades do projeto de ensino 633. A Figura 3.6 apresentaa visualização em 3D da placa de circuito impresso da matriz de conexões desenvolvida e aFigura 3.7 apresenta o seu esquemático.

Figura 3.6: Visualização em 3D da placa de circuito impresso da matriz de conexões desenvol-vida.


A matriz de conexões possui dimensões modulares de 22x10 rebites, correspondendo auma placa de 328 mm por 154 mm. As ligações de entrada e saída da matriz com dispositi-vos externos são realizadas através dos rebites localizados nos lados esquerdo e direito, sendocinco para a entrada e cinco para a saída. Os rebites posicionados no centro da placa formama matriz de ligações em si, sendo que os mesmos foram setorizados em três regiões, de modo

44

Figura 3.7: Esquemático da matriz de conexões desenvolvida.


45

que seja possível montar um circuito com regiões eletricamente isoladas. As ligações são esta-belecidas por meio de uma lógica envolvendo linhas e colunas, utilizando-se barras de alumínioparafusadas nos rebites para conectar os dispositivos e realizar o circuito desejado.

Na extremidade superior da placa da matriz, foram instalados seis conjuntos de bornesparafusáveis para o encaixe de transistores e diodos. Ao lado dos bornes, foram posicionadosespaços para a conexão de placas de circuitos snubbers. Na extremidade inferior, foram posi-cionados pontos de aferição e entrada de sinais, capacitores para filtragem e conectores molex

para o encaixe das placas de circuito do tipo driver. Além dos rebites para ligações de entradae saída, nas extremidades esquerda e direita foram reservadas conexões para capacitores depotência.

3.4 BLOCO RETIFICADOR DE ENTRADA

Para a retificação da tensão alternada de entrada proveniente de um regulador de tensão,será utilizado o bloco retificador modular proposto por (SANTOS, 2017), cujo circuito esque-mático está representado na Figura 3.8. A partir de uma chave seletora, é possível selecionar omodo de operação do retificador como dobrador de tensão ou como ponte completa, sendo que,para o conversor AC/DC proposto neste trabalho, será utilizada a operação em ponte completa.

Figura 3.8: Esquemático do bloco retificador modular.

Fonte: (SANTOS, 2017).

O circuito apresentado pela Figura 3.8 possui bornes para a avaliação de sinais em de-terminados pontos, o que garante o caráter didático do módulo retificador. Foram posicionadostambém resistores para a limitação da corrente de partida, assim como capacitores CX e CY

para a filtragem de ruídos de alta frequência.Está representada na Figura 3.9 a visualização em 3D do bloco retificador modular. A

placa de circuito impresso apresenta dimensões modulares de 7x5 rebites, totalizando 100 mm

por 72 mm.

46

Figura 3.9: Visualização em 3D do bloco retificador modular.


No projeto apresentado por (SANTOS, 2017), a retificação do sinal senoidal é realizadapelo circuito integrado TU808, o qual possui a capacidade de fornecer uma corrente retificadamáxima de 8 A e apresenta tensão eficaz máxima de operação de 560 V . De maneira a ser pos-sível se obter na entrada do conversor DC/DC de topologia half-bridge maiores valores de cor-rente elétrica, o circuito integrado TU808 foi substituído pela ponte retificadora IR25XB08H, aqual consegue fornecer uma corrente retificada máxima de 25 A sob uma tensão eficaz máximade 560 V .

3.5 FILTRO CAPACITIVO DE ENTRADA

O filtro capacitivo de entrada, posicionado após o bloco retificador de entrada, seráutilizado para diminuir a ondulação presente na tensão proveniente do circuito retificador. Ovalor mínimo para a capacitância é obtido a partir das Equações 2.2 e 2.3. Considerou-se, deacordo com os parâmetros do projeto presentes na Tabela 3.1, a variação máxima de 10% paraa tensão de saída da ponte retificadora.

Tomando a tensão alternada de entrada no filtro capacitivo com valor de pico igual a80 V , dimensiona-se o mesmo considerando o valor máximo da tensão de operação do conversorDC/DC. Considerando o valor de 10% da ondulação no circuito retificador, o valor mínimo datensão de pico será de 72 V . O cálculo da capacitância está demonstrado a seguir, por meio doqual foi encontrado o valor de C = 4, 1 mF , considerando f = 60 Hz a frequência da tensãode entrada do filtro e Pin = 300 W para a potência de entrada.

C =300

60× (802 − 722)= 4, 1 mF

47

Realiza-se agora o mesmo procedimento para a tensão de entrada do filtro com valorde pico de 50 V , considerando o valor mínimo da tensão de operação do conversor DC/DC.Tendo em vista o valor de 10% da ondulação no circuito retificador, o valor mínimo da tensãode pico será de 45 V . Como demonstrado pelo cálculo abaixo, obteve-se a capacitância mínimade C = 10, 5 mF . Considerando o pior caso de operação, deve-se tomar no projeto o valor decapacitância obtido para a tensão de entrada com valor de pico de 50 V .

C =300

60× (502 − 452)= 10, 5 mF

A placa de circuito impresso a ser utilizada para a montagem do filtro de entrada ésemelhante à utilizada para o filtro de saída do conversor DC/DC com topologia half-bridge,sendo que esta está representada na Figura 3.5.

3.6 CIRCUITO Snubber

O projeto do circuito snubber é realizado utilizando-se as Equações 2.29 e 2.30 paradimensionar o resistor e o capacitor que o constituem. A tensão máxima sobre os transistores depotência para a topologia half-bridge é Vmax = 80 V , sendo que foi considerada uma dissipaçãode 0,2% da potência nominal do conversor sobre o resistor. Tomando a Equação 2.29, obteve-seo valor de R = 10066, 67 Ω para o resistor, assim como demonstrado pelo equacionamentoabaixo, sendo que na montagem será utilizado o valor comercial de 10 kΩ.

R =802

0, 002× 300= 10666, 67 Ω

Considerando a Equação 2.30, calcula-se o valor do capacitor para o circuito snubber.Tomou-se o tempo de descarga do capacitor levando em consideração o período de comutaçãodo conversor half-bridge, sendo o mesmo t = 20 µs para uma frequência de comutação defs = 50 kHz. Como apresentado pelos cálculos realizados abaixo, obteve-se a capacitância deC = 17, 8 nF , sendo que na montagem será utilizado o valor comercial de 22 nF .

C =−20 µ

10666, 67× ln(0, 9)= 17, 8 nF

O esquemático e a placa de circuito impresso do circuito snubber projetado estão repre-sentados nas Figuras 3.10 e 3.11 respectivamente. O projeto foi realizado de maneira que cadaplaca possua dois snubbers, sendo que, com a disposição de chaves seletoras de sentido para osseus circuitos (P2, P3, P4 e P5), há a possibilidade de posicionar os semicondutores na matrizde conexões de diferentes formas.

A placa de circuito impresso projetada possui dimensões de 20 mm por 17 mm. Foramreservados espaços para o posicionamento de componentes tanto do tipo through-hole quantoSMD (Surface Mounting Device), garantindo a usabilidade para diferentes esquemas de monta-gem. Os conectores a serem utilizados são do tipo macho, de forma que os mesmos possam ser

48

Figura 3.10: Esquemático do circuito snubber desenvolvido.


Figura 3.11: Placa de circuito impresso do circuito snubber.


soldados nos espaços destinados na matriz de conexões. A Figura 3.12 apresenta a visualizaçãoem 3D da placa de circuito impresso.

Figura 3.12: Visualização em 3D do circuito snubber.


49

3.7 CIRCUITO DE GERAÇÃO DO SINAL DE CONTROLE PWM

O circuito de geração do sinal de controle PWM é responsável, em conjunto com ocircuito de driver, pelo acionamento dos transistores de potência do conversor DC/DC comtopologia half-bridge. Será utilizado o circuito integrado SG3524 para a geração do sinal PWM,o qual apresenta duas saídas com sinais de controle complementares, com a possibilidade deregulação da frequência dos sinais de saída e controle do ciclo ativo dos mesmos. Não seráimplementada a estratégia de controle por realimentação neste trabalho.

O esquemático do circuito desenvolvido para a geração do sinal de controle com frequên-cia de 50 kHz está representado na Figura 3.13. Para a configuração desta frequência nos sinaisde saída do SG3524, deve-se calcular os valores do resistor e do capacitor a serem conectadosaos terminais 6 e 7 do circuito integrado. Utilizando a Equação 3.2, obtida a partir do datasheet

do SG3524 (TEXAS INSTRUMENTS, 1977), tomou-se o valor de CT = 10 nF para o capa-citor e obteve-se o valor de RT = 2, 6 kΩ para o resistor, sendo que, considerando os valorescomerciais, escolheu-se para a implementação RT = 2, 2 kΩ.

f =1, 3

RT × CT

(3.2)

RT =1, 3

50000× 10× 10−9= 2, 6 kΩ

Figura 3.13: Esquemático do circuito de geração do sinal de controle PWM.


50

3.8 CIRCUITO DE Driver

O circuito de driver utilizado no conversor AC/DC com topologia half-bridge apresen-tado neste trabalho foi proposto por (SILVA, 2017), sendo o mesmo responsável pela interfaceentre o circuito de controle e o circuito de potência, ou seja, o driver tem a função de amplificaro sinal de controle para possibilitar o chaveamento dos semicondutores de potência.

A placa de circuito impresso apresentada por (SILVA, 2017) está representada na Figura3.15 em sua visualização em 3D. A placa possui dimensões de 39mm por 27mm e contém doiscircuitos de driver, possibilitando, deste modo, o uso de apenas uma placa para o acionamentodos dois transistores presentes na topologia half-bridge. Sua conexão será feita por meio deconectores molex situados na extremidade inferior da matriz de conexões.

3.9 FONTE DE ALIMENTAÇÃO MODULAR

De modo a prover a alimentação do circuito de driver e do circuito de geração do sinal decontrole PWM, será utilizada a fonte de alimentação modular proposta por (SANTOS, 2017),a qual fornece uma tensão contínua de 12 V a partir da inserção em sua entrada de tensõesalternadas de valores eficazes iguais a 127 V ou 220 V . A fonte de tensão em questão é do tipolinear, sendo que seu transformador possui potência de 1,4 VA.

O esquemático do circuito da fonte de alimentação modular está representado na Figura3.16. Foi utilizado o circuito integrado LM7812 para a regulação da tensão proveniente dotransformador, o qual apresenta saída de 7,5 V + 7,5 V . A seleção da tensão de entrada érealizada por meio de uma chave em paralelo com um relé. O circuito apresenta pontos paraa aferição de sinais, nomeados como S1 a S6 no esquemático, um fusível para a proteção doscomponentes contra curto-circuito e uma entrada destinada à conexão de fontes externas decorrente elétrica.

A visualização em 3D do circuito da fonte de alimentação modular está representada naFigura 3.17. A placa possui dimensões de 72 mm por 57 mm, ocupando um espaço de 5x4rebites na base de montagem modular.

3.10 IMPLEMENTAÇÃO DO CONVERSOR AC/DC MODULAR

O conversor AC/DC modular com topologia half-bridge será implementado por meio dainterligação dos módulos apresentados na base de montagem. Está representada na Figura 3.18a visualização em 3D do sistema completo.

A tensão alternada de entrada, proveniente de um regulador de tensão, será retificadapelo bloco retificador de entrada e filtrada em seguida pelo conjunto de capacitores do filtro deentrada. Deste modo, será entregue uma tensão contínua à entrada do conversor DC/DC comtopologia half-bridge, a qual é composta pelos capacitores C2 e C3.

51

Figura 3.14: Esquemático do circuito de driver.


52

Figura 3.15: Visualização em 3D do circuito de driver.


Figura 3.16: Esquemático do circuito da fonte de alimentação modular.


Figura 3.17: Visualização em 3D do circuito da fonte de alimentação modular.


53

Figura 3.18: Visualização em 3D da montagem do conversor AC/DC com topologia half-bridge.


Seguidamente, o processo de conversão DC/DC terá continuidade a partir da estruturaelétrica estabelecida na região da matriz de conexões destinada aos transistores de potência,acionados pelos dois circuitos de driver contidos na placa posicionada no conector molex damatriz. A ligação entre a região dos transistores e a região dos diodos será realizada por meiodo transformador, com o seu secundário conectado aos diodos do conversor e ao indutor. Co-nectado à matriz de conexões, o filtro capacitivo de saída gerará a tensão que alimentará a carga.A fonte de tensão linear, a qual alimentará os circuitos de controle e de driver, será posicionadalogo abaixo do filtro de saída. No centro da base de montagem será localizada a matriz decontatos contendo o circuito de controle do acionamento dos transistores.

Os módulos constituintes do conversor AC/DC com topologia half-bridge serão interli-gados por meio de peças de alumínio parafusadas sob a base de montagem, de modo a se terum melhor aproveitamento do espaço da mesma. De maneira a auxiliar a construção das peças,foram desenvolvidos modelos em 3D de conjuntos das mesmas, os quais estão representados naFigura 3.19.

54

Figura 3.19: Conjuntos das peças de alumínio utilizadas para interligar os módulos do conversorAC/DC com topologia half-bridge.


3.10.1 Configuração das ligações na matriz de conexões

A lógica do circuito do conversor DC/DC com topologia half-bridge relacionada às liga-ções entre os transistores situados no primário do transformador e entre os diodos do secundárioserá estabelecida a partir da matriz de conexões desenvolvida. Está representado na Figura 3.20o circuito do conversor DC/DC considerado neste trabalho com determinados nós numerados,de maneira a auxiliar a montagem das ligações entre transistores e diodos.

Figura 3.20: Circuito do conversor projetado com instruções para a sua implementação na ma-triz de conexões.


A matriz de conexões com as ligações efetuadas por meio de barras de alumínio para-fusadas está representada na Figura 3.21. Cada um dos cinco rebites situados nas laterais damatriz, destinados a realizar a comunicação com outros módulos do conversor AC/DC, estáconectado eletricamente à sua respectiva linha.

As barras de alumínio utilizadas para realizar as conexões foram confeccionadas a partirde moldes de corte e de furação, sendo que os modelos em 3D dos mesmos estão representadosna Figura 3.22.

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Figura 3.21: Representação das ligações dos transistores e diodos na matriz de conexões utili-zando barras de alumínio.


Figura 3.22: Modelos em 3D dos moldes confeccionados para a construção das barras de alu-mínio.


Na matriz, os terminais gate e source dos transistores estão conectados aos rebites si-tuados ao lado dos conectores de seis pinos, de modo que os mesmos possam ser ligados aoscircuitos de driver. Essa conexão é realizada por meio do curto-circuito dos terminais dosconectores de seis pinos. Caso os dois terminais da extremidade superior esquerda sejam curto-circuitados, por exemplo, o rebite à esquerda do conector de seis pinos será responsável pelacomunicação do sinal do gate do transistor.

Tomando como exemplo as ligações do transistor T1, além das conexões realizadas parapossibilitar a comunicação com o circuito de driver, a barra de alumínio ligada ao drain está

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parafusada ao rebite da linha 1 (referente ao nó 1 do circuito da Figura 3.20), assim como abarra ligada ao source está conectada à linha 3 (referente ao nó 3 do mesmo circuito).

O funcionamento das ligações das barras de alumínio com os diodos é semelhante aoexemplificado para os transistores, diferenciando-se apenas na questão de não haver comunica-ção com um circuito de driver. Considerando como exemplo os diodos D1 e D4, o catodo deD1 está ligado ao nó 5 do circuito, o anodo de D1 e o catodo de D4 estão ligados ao nó 3 e oanodo de D4 está ligado ao nó 1.

Como pode ser observado na Figura 3.18, a placa de circuito impresso contendo o trans-formador realizará a comunicação entre as regiões dos transistores e dos diodos. O primáriodo transformador será conectado aos rebites das linhas 3 e 4 da região dos transistores, e o seusecundário será conectado aos rebites das linhas 3 e 4 da região dos diodos.

A placa de circuito impresso do indutor realizará a comunicação entre a região dosdiodos e a região de saída. O terminal de entrada do indutor será conectado à linha 5 da regiãodos diodos, sendo que o seu terminal de saída será conectado à linha 5 da região de saída.

3.11 CONCLUSÃO

Neste capítulo, foi apresentado o desenvolvimento dos módulos constituintes do con-versor AC/DC com topologia half-bridge proposto, de acordo com os objetivos do trabalho.Primeiramente, foi apresentada a base de montagem do sistema modular, sobre a qual serãoposicionados os componentes do conversor de potência. Em seguida, foram apresentados osparâmetros definidos para o conversor AC/DC e iniciou-se o dimensionamento dos seus com-ponentes a partir dos conceitos apresentados no segundo capítulo. Calculou-se o número deespiras dos enrolamentos do transformador, definiu-se o núcleo a ser utilizado, obteve-se aárea de cobre necessária aos condutores e foi apresentada a sua placa de circuito impresso.Para o indutor, calculou-se o valor da indutância mínima necessária e seu número de espiras,selecionou-se o núcleo, obteve-se a área de cobre dos condutores e apresentou-se a placa decircuito impresso na qual o mesmo será implementado. Para os semicondutores de potência doconversor, tomando os piores casos de operação, calculou-se os esforços de corrente e tensãoaos quais os mesmos serão submetidos.

Foi apresentada a matriz de conexões projetada para o estabelecimento da lógica do con-versor DC/DC, na qual serão posicionados os componentes calculados anteriormente. Apresentou-se sua placa de circuito impresso e esquemático, evidenciando-se as suas características de fun-cionamento e pontos de conexão de dispositivos externos. Foi exposto o bloco de retificação,com seu esquemático e sua placa de circuito impresso, e dimensionou-se o filtro capacitivo deentrada. Em seguida, apresentou-se o circuito snubber, demonstrando o equacionamento do seuprojeto e as representações de sua placa de circuito impresso e esquemático.

Foram apresentados o circuito de geração do sinal de controle PWM e o circuito dedriver, ambos utilizados no processo de chaveamento dos transistores do conversor DC/DC,

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como também a fonte de alimentação modular. Por fim, foi analisada a implementação doconversor AC/DC modular, evidenciando as peças que serão utilizadas para a interligação dosmódulos e a configuração da lógica do conversor.

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4 RESULTADOS

4.1 BASE DE MONTAGEM

A interligação dos módulos constituintes do conversor AC/DC com topologia half-

bridge será realizada por meio da base de montagem projetada por (SILVA, 2017) e (SANTOS,2017). Foram posicionados e colados rebites rosqueáveis de 5, 9 mm de diâmetro nos furosda base, de modo que será realizada por meio dos mesmos a fixação dos módulos e das peçasconectoras metálicas. A base de montagem com os rebites implementados está representada naFigura 4.1.

Figura 4.1: Base de montagem com os rebites implementados.


4.2 BLOCO RETIFICADOR E FILTRO CAPACITIVO DE ENTRADA

O conjunto representado pelo bloco retificador e pelo filtro capacitivo de entrada estárepresentado na Figura 4.2. Este conjunto é responsável pelo fornecimento da tensão contínuade entrada do conversor DC/DC isolado com topologia half-bridge a partir da retificação efiltragem da tensão alternada proveniente de um regulador variac. Para a filtragem do sinalproveniente dos terminais de saída do bloco retificador, foram utilizados quatro capacitores de2200 µF por 100 V em paralelo.

De modo a ser avaliado o funcionamento do conjunto, foi conectado um regulador detensão alternada na entrada do bloco retificador. A Figura 4.3 apresenta o sinal obtido na saídado filtro capacitivo para uma tensão alternada de entrada de valor eficaz igual a 32 V .

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Figura 4.2: Bloco retificador e filtro capacitivo de entrada implementados.


Figura 4.3: Sinal obtido na saída do filtro capacitivo de entrada para uma tensão alternada deentrada de valor eficaz igual a 32 V .


4.3 CIRCUITO DE driver

As seis placas de circuito impresso montadas dos circuitos de driver estão representa-das na Figura 4.4. Cada uma das placas tem a capacidade de realizar o acionamento de doistransistores de maneira distinta. Deste modo, será utilizada apenas uma placa na montagemdo conversor AC/DC com topologia half-bridge, sendo que as outras poderão ser utilizadas emprojetos futuros.

Para a verificação do funcionamento dos drivers montados, foi utilizado um sinal retan-gular de amplitude 12 V , frequência igual a 50 kHz e ciclo ativo de aproximadamente 40%proveniente de um gerador de funções, com a alimentação do circuito sendo realizada por umafonte reguladora de tensão contínua. A forma de onda obtida na saída do circuito de driver

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Figura 4.4: Placas de circuito impresso montadas dos circuitos de driver.


está representada na Figura 4.5, com a mesma apresentando amplitudes de +13 V e −5 V

aproximadamente.

Figura 4.5: Forma de onda obtida na saída do circuito de driver.


4.4 CIRCUITO snubber

Foram montadas vinte e sete placas de circuito impresso de circuitos snubbers de acordocom o projeto realizado, de modo que as mesmas possam ser utilizadas em projetos futuros. NaFigura 4.6 estão representadas algumas das placas confeccionadas, com o restante já utilizadonas matrizes de conexões implementadas.

4.5 INDUTOR E TRANSFORMADOR

Para a confecção do indutor presente na saída do conversor DC/DC com topologia half-

bridge, foi utilizado o núcleo de ferrite do modelo EE 42/21/15 e sua bobina foi enrolada com

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Figura 4.6: Placas de circuito impresso montadas de circuitos snubbers.


fios do tipo 17 AWG de acordo com o número de espiras projetado. Para a implementação doentreferro, foi posicionada uma pequena folha de papel sulfite em cada braço externo do núcleode ferrite. A indutância foi avaliada por meio de uma ponte LCR, obtendo-se o valor de 118µH , sendo este condizente com o valor mínimo necessário. O indutor construído e posicionadoem sua placa de circuito impresso está representado na Figura 4.7.

Figura 4.7: Indutor construído e posicionado em sua placa de circuito impresso.


O transformador do conversor DC/DC com topologia half-bridge foi implementado apartir de um núcleo de ferrite EE 42/21/15, sendo que suas bobinas foram enroladas com fio de

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cobre esmaltado do tipo 17 AWG de acordo com o número de espiras projetado. O transforma-dor confeccionado e posicionado em sua placa de circuito impresso está representado na Figura4.8.

Figura 4.8: Transformador construído e posicionado em sua placa de circuito impresso.


4.6 FILTRO CAPACITIVO DE SAÍDA

O filtro capacitivo de saída foi implementado a partir do projeto realizado no capítuloanterior. Foram utilizados quatro capacitores em paralelo, com cada um apresentando capaci-tância de 1000 µF por 63 V . Os capacitores montados em sua placa de circuito impresso estãorepresentados na Figura 4.9.

Figura 4.9: Filtro capacitivo de saída implementado.


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4.7 FONTE DE ALIMENTAÇÃO MODULAR

A fonte de alimentação modular que será utilizada para garantir o funcionamento doscircuitos de controle e de driver foi projetada e implementada por (SANTOS, 2017), sendo quea mesma está representada na Figura 4.10.

Figura 4.10: Fonte de alimentação modular implementada por (SANTOS, 2017).


Conectando-se a rede elétrica em 127 V na sua entrada, avaliou-se o seu funcionamentosem carga. Como pode ser visualizado na Figura 4.11, a fonte modular apresentou em sua saídauma tensão contínua de aproximadamente 12 V , assim como especificado em seu projeto.

Figura 4.11: Avaliação do funcionamento da fonte de alimentação modular sem carga.


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4.8 IMPLEMENTAÇÃO DO CONVERSOR AC/DC COM TOPOLOGIA half-bridge

Foi realizada a construção do conversor AC/DC com topologia half-bridge de acordocom o planejado e exposto na Figura 3.18, utilizando-se os módulos implementados e apresen-tados anteriormente. Está representada na Figura 4.12 a implementação na base de montagem.Os MOSFETs e diodos utilizados foram os modelos IRF540 e MUR815 respectivamente, poisos mesmos possuem características que atendem aos requisitos de tensão e corrente do conver-sor DC/DC projetado.

Figura 4.12: Conversor AC/DC com topologia half-bridge implementado.


Está representada na Figura 4.13 a vista lateral do conversor AC/DC implementado.

Figura 4.13: Vista lateral do conversor AC/DC implementado.


As ligações entre os módulos do conversor AC/DC realizadas por meio de peças dealumínio estão representadas na Figura 4.14.

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Figura 4.14: Ligações entre os módulos do conversor AC/DC realizadas por meio de peças dealumínio.


4.8.1 Verificação do funcionamento do conversor para V imin = 50 V

Para a verificação do funcionamento do conversor, conectou-se um reostato de 1 kΩ

entre os terminais de saída do filtro capacitivo de saída, de maneira a utilizar o mesmo comocarga. O primeiro teste realizado foi a avaliação da tensão contínua produzida pelo bloco deretificação em conjunto com o filtro capacitivo de entrada. Conectou-se uma fonte de tensãoalternada nos terminais de entrada do bloco de retificação e ajustou-se a tensão de modo que seobtivesse na saída do filtro capacitivo uma tensão contínua de 50 V . O resultado alcançado estárepresentado na Figura 4.15.

Figura 4.15: Tensão contínua de 50 V na saída do filtro capacitivo de entrada.


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Em seguida, foi avaliado o funcionamento do conjunto formado pela fonte de alimen-tação modular, pelo circuito de controle e pelo circuito de driver. Verificou-se inicialmentea saída da fonte de alimentação com o osciloscópio, a qual está representada na Figura 4.16,obtendo-se 12 V de tensão contínua com os circuitos de controle e de driver conectados.

Figura 4.16: Tensão contínua de 12 V avaliada na saída da fonte de alimentação modular comos circuitos de controle e de driver conectados.


Posicionando as pontas de prova do osciloscópio em cada uma das saídas do circuitointegrado SG3524 (terminais 11 e 14), verificou-se os sinais de controle PWM gerados. Comopode ser visualizado na Figura 4.17, foi configurado um ciclo ativo de 40% e uma frequênciade aproximadamente 50 kHz para ambos os sinais, sendo os mesmos defasados de modo agarantir a correta operação dos transistores.

Figura 4.17: Sinais de controle obtidos nas saídas do circuito integrado SG3524 para um cicloativo de 40%.


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Ligando as saídas do SG3524 aos terminais de entrada da placa de circuito impressodos circuitos de driver, verificou-se os sinais responsáveis pelo acionamento dos transistores.Como pode ser observado na Figura 4.18, obteve-se nas saídas dos circuitos de driver sinais comfrequência e ciclo ativo semelhantes ao observado nos sinais da Figura 4.17, além de amplitudespróximas a +13 V e −5 V para o chaveamento dos transistores.

Figura 4.18: Sinais obtidos nas saídas dos circuitos de driver com os sinais de controle docircuito integrado SG3524 conectados.


Em seguida, foi verificada a forma de onda presente no enrolamento primário do trans-formador, a qual é resultante da comutação dos transistores do conversor. O resultado obtidoestá representado na Figura 4.19. A tensão no enrolamento primário, desconsiderando perdas nocircuito, deve ser igual a V i/2 = 25 V durante o acionamento de um transistor e nula enquantoeste está bloqueado, repetindo o ciclo para o outro transistor. Considerando o resultado obtidoe apresentado na Figura 4.19, verificou-se pulsos no primário do transformador com amplitudede aproximadamente 24 V .

Figura 4.19: Forma de onda presente no enrolamento primário do transformador.


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A forma de onda obtida no enrolamento secundário do transformador está representadana Figura 4.20. Como o transformador projetado é do tipo elevador, a amplitude dos pul-sos de tensão presentes no secundário é maior em comparação com os pulsos do enrolamentoprimário. Tomando as amplitudes observadas no primário e no secundário respectivamentecomo aproximadamente 24 V e 36 V , obtém-se a relação de transformação experimental comoNexp = 24/36 = 0, 6667, a qual é suficientemente próxima da relação de transformação proje-tada N = 0, 6545.

Figura 4.20: Forma de onda presente no enrolamento secundário do transformador.


Em seguida, foi verificado o sinal retificado pelos quatro diodos do secundário do trans-formador, o qual está representado na Figura 4.21. A retificação realizada é de onda completa,com o sinal apresentando frequência duas vezes maior que a frequência de operação do conver-sor DC/DC. A amplitude dos pulsos de tensão observada é de aproximadamente 35 V , sendoa mesma dada pela amplitude do sinal do enrolamento secundário do transformador menos asquedas de tensão em dois diodos.

Figura 4.21: Sinal retificado pelos quatro diodos do secundário do transformador.


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Avaliando a tensão de saída presente entre os terminais do reostato, verificou-se o valorde 34, 8 V , o qual é próximo do especificado para o conversor, como pode ser visualizado naFigura 4.22.

Figura 4.22: Tensão de saída presente entre os terminais do reostato.


4.8.2 Verificação do funcionamento do conversor para V imax = 80 V

De modo a se avaliar o funcionamento do conversor DC/DC para a tensão contínua deentrada de 80 V , foi utilizado novamente o reostato de 1 kΩ conectado entre os terminais desaída do filtro capacitivo de saída. Por meio do ajuste do potenciômetro presente no circuito decontrole, selecionou-se para os sinais de controle um ciclo ativo de 29% aproximadamente. Osinal fornecido por um dos circuitos de driver está representado na Figura 4.23.

Figura 4.23: Sinal fornecido por um dos circuitos de driver para um ciclo ativo de 29%.


Ao ajustar o regulador variac elevando-se suavemente a tensão contínua presente nosterminais de entrada do conversor DC/DC, foi verificada a ocorrência de um arco elétrico entre

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os terminais do secundário do transformador quando a tensão estava próxima de 70 V . Aavaliação do funcionamento do conversor AC/DC foi interrompida neste momento, de maneira aevitar a incidência de danos ao circuito com a ocorrência de arcos elétricos em outras localidadese suprimir potenciais riscos à saúde do utilizador.

4.9 CONCLUSÃO

Neste capítulo, foram apresentados os módulos construídos, a montagem do conversorAC/DC realizada e os resultados obtidos com os testes executados. Foi verificado inicialmenteo funcionamento do bloco de retificação em conjunto com o filtro capacitivo de entrada, docircuito de driver e da fonte de alimentação modular.

Em seguida, analisou-se o funcionamento do conversor AC/DC com topologia half-

bridge a partir de sua montagem completa. Foram verificados os sinais de controle do aciona-mento dos transistores, as formas de onda presentes nos enrolamentos primário e secundário dotransformador e o sinal retificado pelos quatro diodos em ponte, assim como as tensões con-tínuas da fonte de alimentação modular, da entrada do conversor DC/DC e sobre o reostatoconectado à saída. Verificou-se que as formas de onda avaliadas estão em concordância como previsto em teoria para a situação com tensão mínima de entrada e que a tensão obtida nasaída do conversor AC/DC é próxima do especificado no projeto do mesmo. Não foi possívelverificar o funcionamento para a tensão máxima de entrada do conversor.

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5 CONCLUSÃO GERAL

Por meio da implementação do conversor AC/DC com topologia half-bridge foi cons-tatada a versatilidade das estruturas modulares elaboradas, assim como o caráter didático quea montagem de um circuito de potência por meio de módulos apresenta, garantindo ao aluno oentendimento de cada etapa do processo de conversão AC/DC. A estrutura de implementaçãodo conversor de topologia half-bridge se mostrou flexível e robusta, possibilitando ao utiliza-dor diferentes formas de conexão dos módulos e das ligações na matriz de conexões, além daelaboração de outros tipos de circuitos de potência. Como o projeto dos módulos foi realizadoconsiderando a compatibilidade com os equipamentos construídos previamente no projeto depesquisa em ensino 633, foi possível utilizar estes na montagem do conversor e garantiu-se areutilização futura dos módulos desenvolvidos e apresentados neste trabalho em outros projetos.

O desenvolvimento da matriz de conexões com um bom espaçamento entre os rebitescentrais garantiu a facilidade no estabelecimento das ligações com as barras de alumínio. Oposicionamento dos rebites para a concepção de ligações de entrada e saída com outros módulosna extremidade inferior da placa da matriz possibilitou uma utilização mais eficiente do espaçodisponível na base de montagem. A presença de três regiões isoladas para a realização da lógicado circuito de potência viabiliza a implementação de diferentes topologias, seja de conversoresou de inversores, incluindo as variantes trifásicas.

Durante a montagem dos módulos, encontrou-se dificuldade ao se trabalhar com as pla-cas de circuito impresso do circuito de driver devido à necessidade de soldagem de componentesdo tipo through-hole em locais destinados a componentes SMD. O posicionamento de disposi-tivos nestas condições reduz a resistência mecânica da placa implementada, de modo que, emtrabalhos futuros, sugere-se o desenvolvimento de um novo circuito de driver.

Analisando o resultado obtido com as tensões de entrada do conversor AC/DC avaliadas,e levando em consideração os sinais aferidos ao longo do circuito do conversor e o ciclo ativoespecificado para a operação, o comportamento apresentado está suficientemente próximo doprevisto na teoria e do parametrizado na proposta do projeto. A disparidade entre a tensãode saída teórica e a obtida experimentalmente para a situação com tensão mínima de entradado conversor DC/DC é explicada pela diferença entre a relação de transformação teórica dotransformador em comparação com a avaliada empiricamente, assim como a divergência entreas quedas de tensão teóricas e práticas nos semicondutores. Ainda que tenha sido observadaa ocorrência de arco elétrico ao avaliar o conversor com sua tensão máxima de operação, omesmo poderá ser utilizado em laboratórios didáticos com a tensão de entrada situada em seuvalor mínimo.

Por fim, sugere-se, em trabalhos futuros, a construção de outras topologias de converso-res DC/DC com a plataforma desenvolvida, de modo que a teoria exposta nas aulas de Eletrônicade Potência possa ser verificada experimentalmente de forma integral em laboratório.

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REFERÊNCIAS

ADEDIRAN, A. T. A study of power electronic building block (PEBB) - Based integrated

shipboard power systems during reconfiguration. Texas AM University, Texas - USA, 2003.Citado na página 17.

BARBI, I. Eletrônica de Potência: Projetos de Fontes Chaveadas. 3a ed. Florianópolis: Ediçãodo autor, 2001. Citado na página 30.

BARBI, I. Eletrônica de Potência. 5a ed. Florianópolis: Edição do autor, 2006. Citado napágina 15.

BARBI, I.; FONT, C. H. I.; ALVES, R. L. Projeto físico de indutores e transformadores.Instituto de Eletrônica de Potência, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis -SC, 2002. Citado na página 28.

CABRAL, D. S. de O. Laboratório modular de eletrônica de potência microprocessado.Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro - RJ, 2008. Citado na página 16.

ERICKSON, R. W.; MAKSIMOVIC, D. Fundamentals of Power Electronics. 2a ed. KluwerAcademic Publishers, 2004. Citado nas páginas 19, 22 e 23.

ERICSEN T.; TUCKER, A. Power electronics building blocks and potential power modulator

applications. Registro IEEE do Vigésimo Terceiro Simpósio Internacional de EnergiaModulada, 1998. Citado na página 17.

HART, D. Power Electronics. McGraw-Hill, 2011. Citado nas páginas 15, 20, 21 e 32.

ISSA, O. A. Projeto de um conversor CA/CC do tipo Push-Pull com construção modular

para fins didáticos como parte integrante do projeto de ensino 633. Universidade Estadual deLondrina, Londrina - PR, 2018. Citado na página 17.

KAZIMIERCZUK, M. K. Pulse-Width Modulated DC-DC Power Converters. 2a ed. JohnWiley Sons, 2015. Citado na página 22.

MACHADO, P. C. F.; COSTA, I. A.; CARMO, M. J. do. Desenvolvimento de laboratório

modular para aprimoramento de competências e habilidades em eletrônica de potência.Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia, Belém - PA, 2012. Citado na página 16.

MELLO, L. F. P. de. Projetos de Fontes Chaveadas. São Paulo: Érica, 1986. Citado nas páginas26 e 28.

73

POMILIO, J. A. Fontes chaveadas. Faculdade de Engenharia Elétrica e de Compu-tação, Universidade Estadual de Campinas, Campinas - SP, 1995. Disponível em:<http://www.dsce.fee.unicamp.br/antenor/fontchav.html>. Acesso em:18 de julho de 2018. Citado na página 30.

RASHID, M. H. Eletrônica de potência: circuitos, dispositivos e aplicações. 1a ed. São Paulo:Makron, 1999. Citado na página 15.

RASHID, M. H. Power Electronics Handbook. 3a ed. Elsevier, 2011. Citado nas páginas 15 e19.

ROLIM, L. G. B. Laboratório modular de eletrônica de potência. Universidade Federal do Riode Janeiro, Rio de Janeiro - RJ, 1993. Citado na página 16.

SANTOS, Í. S. dos. Projeto de um conversor AC/DC do tipo forward a dois transistores

distribuído em módulos para fins didáticos como parte integrante do projeto de ensino 633.Universidade Estadual de Londrina, Londrina - PR, 2017. Citado nas páginas 16, 34, 43, 45,46, 50, 52, 58 e 63.

SILVA, G. V. da. Projeto de um conversor AC/DC com construção modular para fins

didáticos utilizando a topologia Full-Bridge Como parte integrante do projeto de ensino 633.Universidade Estadual de Londrina, Londrina - PR, 2017. Citado nas páginas 16, 34, 41, 42,49, 51, 52 e 58.

SUSIN, R. M. et al. Laboratório de ensino da eletrônica de potência: Uma experiência

construída para e pelos estudantes. Congresso Brasileiro de Eletrônica de Potência, Foz doIguaçú - PR, 1999. Citado na página 16.

TEXAS INSTRUMENTS. SGx524 Regulating Pulse-Width Modulators. SG3524 datasheet,1977. Revisado em 01/2015. Citado na página 49.

THORNTON ELETRÔNICA LTDA. Catálogo de Ferrite. Materiais, 2015. Revisado em11/2015. Citado na página 39.

TREVISO, C. H. G. Apostila: Eletrônica de potência. Universidade Estadual de Londrina,Londrina - PR, 2017. Citado nas páginas 20, 22, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 32 e 37.

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