UFSM

Dissertao de Mestrado

ANLISE COMPARATIVA DE CONVERSORES

MONOFSICOS APLICADOS CORREO DE FATOR DE

POTNCIA

Fernando Beltrame

PPGEE

Santa Maria, RS, Brasil

2009

1

ANLISE COMPARATIVA DE CONVERSORES

MONOFSICOS APLICADOS CORREO DE FATOR DE

POTNCIA

por

Fernando Beltrame

Dissertao apresentada ao Curso de Mestrado do Programade Ps-Graduao em Engenharia Eltrica, rea de Concentrao em Processamento de Energia, da Universidade Federal de Santa Maria

(UFSM, RS) como requisito parcial para a obteno do grau de Mestre em Engenharia Eltrica.

PPGEE

Santa Maria, RS, Brasil

2009

___________________________________________________________________________

2009 Todos os direitos autorais reservados a Fernando Beltrame. A reproduo de partes ou do todo deste trabalho s poder ser com autorizao por escrito do autor. Endereo: Rua do Acampamento, 599, apto 201. Santa Maria, RS, 97050-003. Fone (055)9628-7801; Endereo eletrnico: engbeltrame@yahooo.com.br___________________________________________________________________________

Universidade Federal de Santa Maria Centro de Tecnologia

Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica

A Comisso Examinadora, abaixo assinada, aprova a Dissertao de Mestrado

ANLISE COMPARATIVA DE CONVERSORES MONOFSICOS

APLICADOS CORREO DE FATOR DE POTNCIA

elaborada por Fernando Beltrame

como requisito parcial para obteno do grau de Mestre em Engenharia Eltrica

COMISSO EXAMINADORA:

_________________________________Jos Renes Pinheiro, Dr.

(Presidente/Orientador)

_________________________________Felix Alberto Farret, Dr. (UFSM)

_________________________________Mrio Lcio da Silva Martins, Dr. (UTFP)

Santa Maria, 14 de Julho de 2009.

3

Para Pblio e Elisabete, meus pais,

para Douglas e Rafael, meus irmos,

e para Algum6, minha namorada.

4

Agradecimentos

Ao professor Jos Renes Pinheiro, por sua amizade, colaborao e por me conceder a

oportunidade de realizar este trabalho sob sua orientao.

Aos professores co-orientadores, pela amizade, conhecimento e experincia

transmitidos no decorrer do Mestrado/Doutorado, contribuindo de forma relevante na

elaborao deste trabalho.

Aos colegas do GEPOC, Daniel Damasceno, Cleber Zanatta, Johninson Imhoff,

Jumar Russi, Mario Martins, Diogo Cndido, Alexandre Blows, Vanessa Colpo e Dreifus

Costa que de alguma forma colaboraram com o desenvolvimento deste trabalho e pelos fortes

laos de amizade criados entre ns.

Aos amigos do NUPEDEE e da PPGEE, em especial aos funcionrios Luiz Fernando

e Cleonice, que colaboraram na realizao desse trabalho.

Universidade Federal de Santa Maria e CAPES pelo apoio financeiro

indispensvel para a realizao de uma pesquisa de qualidade.

A Deus.

5

Se eu pudesse deixar algum sentido a voc, deixaria o acesso ao sentimento

de amor vida dos seres humanos. Deixaria para voc, o respeito quilo que

indispensvel, alm do po, o trabalho, alm do trabalho a ao. E quando

tudo, por acaso, lhe faltasse, um segredo: o de buscar no interior de si

mesmo a resposta e a fora para encontrar a sada.

(Gandhi)

8

LISTA DE FIGURASFigura 2-1: Conversor Boost aplicado a PFC, Vin - Tenso de entrada, L indutor boost, C capacitor

de sada, D diodo boost, S chave semicondutora. ............................................................................23

Figura 2-2:Conversor Boost PFC...........................................................................................................24

Figura 2-3: Ondulao de alta freqncia da corrente de entrada do conversor Boost operando em

Modo de Conduo Contnuo. ...............................................................................................................29

Figura 2-4: Conversor Boost operando em CCM - 1etapa de operao................................................30

Figura 2-5: Conversor Boost operando em CCM - 2etapa de operao. ..............................................30

Figura 2-6: Formas de onda tpicas de conversor Boost em Modo de Conduo Contnua. (a) Tenso

no indutor e corrente no capacitor. (b) Corrente no indutor, chave, diodo e tenso na chave. (c) Forma

de onda tpica da corrente do conversor Boost operando em CCM. ......................................................31

Figura 2-7: Ondulao de alta freqncia da corrente de entrada, para o modo de conduo contnua.33

Figura 2-8: Forma de onda tpica da corrente da chave do Conversor Boost. .......................................35

Figura 2-9:Ondulao de alta freqncia da corrente de entrada do conversor Boost operando em

Modo de Conduo Descontnuo. ..........................................................................................................39

Figura 2-10: Formas de onda de conversor elevador de tenso, operando como PFP no modo de

conduo descontnuo. ...........................................................................................................................39

Figura 2-11: Conversor Boost operando em DCM - 1etapa de operao. ............................................39

Figura 2-12: Conversor Boost operando em DCM - 2etapa de operao. ............................................40

Figura 2-13: Conversor Boost operando em DCM - 3etapa de operao. ............................................40

Figura 2-14: Formas de onda tpicas de conversor Boost em Modo de Conduo Descontnua.(a)

Tenso no indutor. (b) corrente de entrada em DCM e corrente no diodo. (c) Corrente na chave, no

indutor, no diodo e tenso na chave. ......................................................................................................41

Figura 3-1: Conversor boost com duas chaves semicondutoras em paralelo. ........................................45

Figura 3-2:Conversor boost com duas clulas em paralelo....................................................................46

Figura 3-3: Correntes nos indutores (IL1 e IL2) e corrente de entrada (Iin) do conversor boost

intercalado com duas clulas em paralelo. .............................................................................................47

Figura 3-4: Sinais de comando das chaves para Ds 0,5.......................................................................51

Figura 3-5: Etapas de operao do Boost intercalado em CCM na regio onde Ds 0,5......................51

Figura 3-6: Sinais de comando das chaves para Ds 0,5.......................................................................52

Figura 3-7: Etapas de operao do Boost intercalado em CCM na regio onde Ds 0,5. ....................52

Figura 3-8: Etapas de operao do Boost intercalado em DCM na regio onde Ds 0,5......................53

Figura 3-9: Etapas de operao do Boost intercalado em DCM na regio onde Ds 0,5......................54

Figura 3-10: Etapas de operao do Boost intercalado em DCM na regio onde Ds 0,5....................55

Figura 3-11: Etapas de operao do Boost intercalado em DCM na regio onde Ds 0,5....................55

Figura 4-1: Conversor Dual Boost. (a) Circuito de potncia do conversor Dual Boost simtrico. ........59

9

Figura 4-2: Conversor Dual Boost. ........................................................................................................60

Figura 4-3: Conversor Dual Boost em CCM, etapa 1, semi-ciclo positivo............................................64

Figura 4-4: Conversor Dual Boost em CCM, etapa 2, semi-ciclo positivo............................................65

Figura 4-5 - Conversor Dual Boost em CCM, etapa 1, semi-ciclo negativo..........................................65

Figura 4-6 - Conversor Dual Boost em CCM, etapa 2, semi-ciclo negativo..........................................65

Figura 4-7 - Conversor Dual Boost em DCM, etapa 1, semi-ciclo positivo ..........................................66

Figura 4-8 - Conversor Dual Boost em DCM, etapa 2, semi-ciclo positivo ..........................................66

Figura 4-9 - Conversor Dual Boost em DCM, etapa 3, semi-ciclo positivo ..........................................66

Figura 4-10 - Conversor Dual Boost em DCM, etapa 1, semi-ciclo negativo .......................................67

Figura 4-11 - Conversor Dual Boost em DCM, etapa 2, semi-ciclo negativo .......................................67

Figura 4-12 - Conversor Dual Boost em DCM, etapa 3, semi-ciclo negativo .......................................67

Figura 5-1: Curva Caracterstica ( )ce ceV xI do IGBT. (a) IRG50B60PD1, (b) IRGP30B60KD-E.

................................................................................................................................................................73

Figura 5-2: Aproximao curva caracterstica ( )ce ceV xI do IGBT. (a) IRG50B60PD1, (b)

IRGP30B60KD-E. .................................................................................................................................73

Figura 5-3: Curva Caracterstica ( )on cE xI e ( )off cE xI do IGBT. (a) IRG50B60PD1,.......74

Figura 5-4 : Aproximao das Curva Caracterstica ( )on cE xI do IGBT. (a) IRG50B60PD1, .....74

Figura 5-5: Aproximao da s Curva Caracterstica ( )off cE xI do IGBT. (a) IRG50B60PD1, .....75

Figura 5-6: Curva Caracterstica ( )f fV xI do diodo. (a) 30EPH06, (b) 10ETF06S. ......................76

Figura 5-7: Aproximao das Curvas Caracterstica ( )f fV xI do diodo. (a) 30EPH06,................76

Figura 5-8: Energia da recuperao reversa do diodo em funo da corrente de conduo. (a)

30EPH06, (b) 10ETF06S. ......................................................................................................................78

Figura 5-9: Aproximao das Curvas Caracterstica ( ) /rr fQ I xdi dt do diodo para interpolao. (a)

30EPH06, (b) 10ETF06S. ......................................................................................................................78

Figura 5-10: Curva Caracterstica do diodo 30EPH06 para clculo das perdas de recuperao reversa

do diodo na chave. (a) /rrt xdi dt , (b) /rrQ xdi dt . ..............................................................................79

Figura 5-11: Aproximao das curvas caractersticas do diodo 30EPH06 para clculo das perdas de

recuperao reversa do diodo na chave. (a) /rrt xdi dt , (b) /rrQ xdi dt . ..............................................80

Figura 5-12: Aproximao da curva caracterstica da corrente ( ) ( )f rrI xI do diodo 10ETF06S. .....81

Figura 5-13: Curva caracterstica da corrente ( ) ( )f rrI xI do diodo 10ETF06S. ................................81

Figura 5-14: Curva Caracterstica ( )f fV xI da Ponte Retificadora KBPC50. ...............................82

Figura 5-15: Aproximao da curva caracterstica ( )f fV xI da Ponte Retificadora KBPC50........82

10

Figura 5-16: Curva caracterstica ( )ce ceV xI dos diodos intrnsecos do IGBT IRGP30B60KD-E.

................................................................................................................................................................83

Figura 5-17: Aproximao da curva caracterstica ( )ce ceV xI dos diodos intrnsecos do IGBT IRGP30B60KD-E. .................................................................................................................................83

Figura 5-18: Modelo Trmico Equivalente dos semicondutores. ..........................................................83

Figura 5-19: Variao da Resistncia Trmica com a diferena de Temperatura..................................85

Figura 5-20:Comprimento do Dissipador atravs do Fator de Correo do Comprimento. ..................85

Figura 5-21: Comparao das Perdas dos conversores . ........................................................................86

Figura 5-22: Comparao do Comprimento dos dissipadores dos conversores para 5 perfis diferentes

de dissipadores. ......................................................................................................................................86

Figura 5-23: Comparao do Volume dos dissipadores dos conversores para 5 perfis diferentes de

dissipadores. ...........................................................................................................................................87

Figura 6-1: Mecanismos de acoplamento/propagao de distrbios eletromagnticos: (a) Acoplamento

galvnico, (b) Acoplamento capacitivo, (c) Acoplamento indutivo, (d) Acoplamento atravs campos

magnticos distantes...............................................................................................................................91

Figura 6-2: Interferncia Eletromagntica Conduzida: (a) Caminho para o rudo de modo diferencial,

(b) Caminho para rudo de modo comum. .............................................................................................93

Figura 6-3: Caminho de circulao do rudo de modo diferencial na etapa PFC do conversor Boost...94

Figura 6-4: Caminho de circulao do rudo de modo diferencial na etapa PFC do conversor Boost

Intercalado..............................................................................................................................................94

Figura 6-5: Caminho de circulao do rudo de modo diferencial na etapa PFC do conversor Dual

Boost no semi-ciclo positivo e negativo. ...............................................................................................95

Figura 6-6: Circuito equivalente da circulao de rudo de modo difencial para o conversor Boost e

Dual Boost..............................................................................................................................................95

Figura 6-7: Circuito equivalente da circulao de rudo de modo difencial para o conversor Boost

Intercalado..............................................................................................................................................96

Figura 6-8: Curva de Impedncia do Indutor Boost...............................................................................96

Figura 6-9: Impacto das capacitncias parasitas do Indutor Boost no rudo de modo diferencial. ........97

Figura 6-10: Efeito da recuperaao Reversa do diodo sobre o ruido de modo diferencial. ...................97

Figura 6-11: Caminho de circulao do rudo de modo comum na etapa PFC......................................98

Figura 6-12: Caminho de circulao do rudo de modo comum na etapa PFC do conversor Boost

Intercalado..............................................................................................................................................98

Figura 6-13: Caminho de circulao do rudo de modo comum na etapa PFC do conversor Dual Boost.

................................................................................................................................................................99

Figura 6-14: Circuito equivalente da circulao de rudo de modo comum para o conversor Boost ....99

11

Figura 6-15: Circuito equivalente da circulao de rudo de modo comum para o conversor Boost

Intercalado..............................................................................................................................................99

Figura 6-16: Circuito equivalente da circulao de rudo de modo comum para o conversor Dual

Boost, semi-ciclo positivo. .....................................................................................................................99

Figura 6-17: Circuito equivalente da circulao de rudo de modo comum para o conversor Dual

Boost, semi-ciclo negativo. ..................................................................................................................100

Figura 6-18: Formas de onda da tensao na chave com e sem a utilizaao de tcnicas soft-switch......102

Figura 6-19: Loop de alta di/dt. ............................................................................................................105

Figura 6-20: N com alto dv/dt. ...........................................................................................................105

Figura 6-21: Reduo das reas de irradiaao utilizando o entrelaamento dos caminhos de corrente (a)

no indutor e (b) nas trilhas do PCB. .....................................................................................................106

Figura 6-22: Diminuiao dos loops aproximando as vias. ...................................................................107

Figura 6-23: Impacto do espaamento entre a trilha e o plano de terra na capacitncia parasita.........108

Figura 6-24: Localizaao incorreta dos componentes do filtro de EMI. ..............................................108

Figura 6-25 : Correta localizaao dos componentes do filtro de EMI. ................................................108

Figura 6-26: Comportamento da interferencia eletromagntica devido ao acoplamento entre os

componentes.........................................................................................................................................109

Figura 6-27: Correta localizaao dos capacitores e indutores para evitar acoplementos. ....................109

Figura 6-28: Localizao do Indutor e do capacitor para evitar acoplamentos (a) Incorreta

posicionamento, (b) correto posicionamento. ......................................................................................109

Figura 6-29: :Capacitncia parasita entre o dispositivo semicondutor e o chassi. ...............................110

Figura 6-30: :Reduo da capacitncia parasita entre o dispositivo semicondutor e o dissipador com

insero de uma capacitancia srie entre o dispositivo semicondutor e o chassi. ................................111

Figura 6-31:Capacitncia parasita entre o dispositivo semicondutor e o dissipador............................111

Figura 6-32: Reduo da capacitncia parasita entre o dispositivo semicondutor e o dissipador com

insero de uma capacitancia srie entre o dissipador e o terra. ..........................................................112

Figura 6-33: Reduo da capacitncia parasita entre o dispositivo semicondutor e o dissipador com

insero de uma capacitancia srie entre o dispositivo semicondutor e o dissipador. .........................112

Figura 6-34: (a) Estrutura do Filtro PI que atua em ambos os tipos de rudo conduzido. (b) Circuito

equivalente do filtro PI.........................................................................................................................113

Figura 6-35: Circuitos equivalentes para o filtro PI balanceado segundo o tipo de rudo. (a) Circuito

equivalente para filtragem do rudo de modo comum. (b) Circuito equivalente para filtragem do rudo

de modo diferencial..............................................................................................................................114

Figura 6-36: Setup para medio de EMI conduzida. ..........................................................................114

Figura 6-37: Obteno das freqncias de corte do rudo de modo diferencial e comum. ..................115

Figura 6-38: Princpios do Separador de Rudo.(a) Separaao do rudo de modo diferencial, (b)

Separao do rudo de modo comum. ..................................................................................................117

12

Figura 6-39: Interferncia Eletromagntica do conversor Boost e Limites da Norma IEC 62040-2. ..117

Figura 6-40:Interferncia Eletromagntica do conversor Dual Boost, Limites da Norma IEC 62040-2.

..............................................................................................................................................................118

Figura 6-41: Interferncia Eletromagntica do conversor Boost Intercalado e Limites da Norma IEC

62040-2. ...............................................................................................................................................118

Figura 6-42: Modelo Equivalente do Indutor.......................................................................................119

Figura 6-43: Foto dos Indutores Implementados.(a) Indutor Boost, (b) Indutor Boost Intercalado, (c)

Indutor Dual Boost. ..............................................................................................................................119

Figura 6-44: Circuito equivalente do Indutor Boost Medido. ..............................................................120

Figura 6-45: Circuito equivalente do Indutor Boost Intercalado Medido. ...........................................120

Figura 6-46: Circuito equivalente do Indutor Dual Boost Medido. .....................................................121

Figura 6-47: Interferncia Eletromagntica do conversor Boost considerando o modelo do indutor e

Limites da Norma IEC 62040-2. ..........................................................................................................121

Figura 6-48: Interferncia Eletromagntica do conversor Boost Intercalado considerando o modelo do

indutor e Limites da Norma IEC 62040-2............................................................................................122

Figura 6-49:Interferncia Eletromagntica do conversor Dual Boost considerando o modelo do indutor

e os Limites da Norma IEC 62040-2....................................................................................................122

13

LISTA DE TABELAS

Tabela 3-1: Lgica de comutao .......................................................................................................50

Tabela 5-1: Semicondutores utilizados nos conversores........................................................................72

Tabela 5-2: Perfis de dissipadores escolhidos........................................................................................84

Tabela 5-3: Comprimento dos dissipadores para cada conversor para 5 perfis de dissipador. ..............86

Tabela 5-4: Volume dos dissipadores para cada conversor para 5 perfis de dissipador ........................87

Tabela 6-1: Valores obtidos nas aproximaes das curvas Indutores. ..............................................120

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SIMBOLOGIA E ABREVIATURAS

ij Desvio de cada uma das tenses de linha

Rendimento

L Fator de Potncia

n Soma dos valores normalizados das fontes CC em uma fase

Desequilbrio de Tenso

j ngulo de defasagem entre a tenso de linha do j-simo enrolamento

secundrio e a tenso de linha do n-simo enrolamento secundrio

L ngulo do fator de potncia

j Nvel de comparao usado na estratgia de modulao da j-sima clula

H-bridge

ASD Adjustable-Speed Drive (Acionamento com Velocidade Varivel)

CA Corrente alternada

CC Corrente contnua

CSI Current Source Inverter (Inversor Alimentado em Corrente)

D Diodos

DF1 First Order Distortion Factor (Fator de Distoro de Primeira Ordem)

DF2 Second Order Distortion Factor (Fator de Distoro de Segunda Ordem)

dV/dt Taxa de variao de tenso

Eoff Energia perdida em uma transio de turn-off

Eon Energia perdida em uma transio de turn-on

Erec Energia perdida na recuperao reversa do diodo

f Freqncia da tenso da rede pblica de energia

FLC Flying Capacitor (Inversor com capacitores de grampeamento)

fmax Freqncia mxima de comutao

fmin Freqncia mnima de comutao

fp Freqncia das portadoras

fr Freqncia do sinal de referncia

fs Freqncia de comutao dos interruptores da clula com a menor fonte

de tenso

f(t) Funo no domnio do tempo

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GTO Gate Turn-Off Thyristor

h h-simo componente harmnico

H-bridge Inversor monofsico em ponte completa

I Corrente

Icc Fonte de corrente contnua

Icc, j Valor mdio da corrente de entrada da j-sima clula

Id Corrente mdia do barramento CC

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

IGCT Integrated Gate-Commutated Thyristor

IL Corrente de linha da rede

Iload Corrente de carga

Im1, im2, im3 Corrente mdia na entrada das clulas H-bridge

Imax Corrente mxima

Imed Corrente mdia

IV Corrente de entrada do conversor

m Nmero de nveis

ma ndice de modulao de amplitude

mf ndice de modulao de freqncia

n Nmero de clulas conectadas em srie por fase

Conjunto dos nmeros naturais

Nmin Velocidade mnima do motor

Nmax Velocidade mxima do motor

NPC Neutral Point Clamped (Inversor com Ponto Neutro Grampeado)

N0 Velocidade nominal do motor

Pa1 Potncia ativa na sada do conversor

Pcomut Perdas de comutao

PCond Perdas de conduo

PDS Power Drive System (Sistema de acionamento de alta potncia)

PL Potncia ativa total de entrada

POD Phase Opposition Disposition (Disposio em Oposio de Fases)

Prec Perdas de recuperao reversa

Pturn-off Perdas de turn-off

Pturn-on Perdas de turn-on

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p.u. Quantidade por unidade

PWM Pulsewidth Modulation (Modulao por Largura de Pulso)

P2 Potncia ativa de sada do conversor

Conjunto dos nmeros reais

RCE Resistncia da componente resistiva de vce( )

Rf Resistncia da componente resistiva de vf ( )

RMS Root Mean Square

RPM Rotaes por minuto

S Interruptores principais

Sa Potncia aparente na sada do conversor

SCR Silicon Controlled Rectifier

SL Potncia aparente de entrada

SW Switch (Interruptor controlado)

S2 Potncia aparente de sada do conversor

T Perodo

THD Total Harmonic Distortion (Distoro Harmnica Total)

Umd Mdia das tenses de entrada

Ud Tenso mdia do barramento CC

UL Tenso de linha da rede

U12, U23, U31 Tenses de linha

va(t), vb(t), vc(t) Tenses instantneas de sada nas fases a, b e c

Vcc Tenso do barramento CC

VCE Queda de tenso direta no IGBT para iload = 0

VCMD Tenso de comando dos interruptores

VF Queda de tenso direta no diodo para iload = 0

VFD Variable Frequency Drive (Acionamento com Variao de Freqncia)

Vj Valor normalizado do degrau de tenso sintetizado pela j-sima clula

Vout Tenso de sada

VSI Voltage Source Inverter (Inversor alimentado em tenso)

VTM Queda de tenso direta no GTO para iload = 0

17

SUMRIO

Lista de Figuras ..................................................................................................................8

Lista de Tabelas ............................................................................................................... 13

Simbologia e Abreviaturas ............................................................................................. 14

Captulo 1 21

Introduo

1.1. Motivao............................................................................................................... 21

1.2. Estado-da-Arte ....................................................................................................... 21

1.3. Objetivos ................................................................................................................ 21

1.4. Organizao do trabalho ........................................................................................ 21

Captulo 2 Conversor Boost ........................................................................................ 23

2.1. Introduo.............................................................................................................. 23

2.2. Caractersticas do Conversor Boost...................................................................... 23

2.3. Modo de Conduo Contnuo do Conversor Boost ............................................. 28

2.4. Etapas de Operao Modo de Conduo Contnuo ............................................. 29

2.5. Projeto do Indutor Boost - CCM .......................................................................... 32

2.6. Projeto do Capacitor de Sada............................................................................... 34

2.7. Anlise da Corrente nos Semicondutores CCM ............................................... 35

2.8. Modo de Conduo Descontnua do Conversor Boost........................................ 38

2.8.1 Etapas de Operao - Modo de Conduo Descontnua............................ 39

2.9. Anlise e equacionamento do Conversor Boost operando em DCM.................. 42

2.9.2 Projeto do Indutor Boost - DCM ................................................................ 43

2.9.3 Anlise da Corrente nos Semicondutores - DCM...................................... 44

Captulo 3 Conversor Boost Intercaldo ..................................................................... 45

18

3.1. Introduo.............................................................................................................. 45

3.2. Etapas de Operao............................................................................................... 50

3.2.1 Modo de Conduo Contnua (CCM) ........................................................ 51

3.2.2 Modo de Conduo Descontnua (DCM)................................................... 52

3.3. Projeto do Indutor Boost Intercalado ................................................................... 56

3.4. Projeto do Capacitor de Sada............................................................................... 57

3.5. Anlise da Corrente nos Semicondutores CCM ............................................... 57

Captulo 4 Conversor Dual Boost............................................................................... 59

4.1. Introduo.............................................................................................................. 59

4.2. Caractersticas do Conversor Dual Boost............................................................. 59

4.3. Etapas de Operao............................................................................................... 64

4.3.1 Modo de Conduo Contnua (CCM) ........................................................ 64

4.3.2 Modo de Conduo Descontnua (DCM)................................................... 65

4.4. Projeto do Indutor Dual Boost.............................................................................. 68

4.5. Projeto do Capacitor Dual Boost .......................................................................... 68

4.6. Clculo da Corrente nos Semicondutores- CCM................................................. 68

4.7. Consideraes Finais............................................................................................. 70

Captulo 5 Perdas Semicondutores e Magnticos..................................................... 71

5.1. Introduo............................................................................................................... 71

5.2. Perdas nos Semicondutores ................................................................................... 71

5.2.1 Perdas por conduo ............................................................................................ 71

5.2.2 Perdas por comutao .......................................................................................... 72

5.3. Clculo das perdas.................................................................................................. 72

5.3.1 Perdas por Conduo Chaves Semicondutoras................................................ 73

5.3.2 Perdas por Comutao Chaves ......................................................................... 74

5.3.3 Perdas por Conduo Diodo ............................................................................. 75

19

5.3.4 Perdas por Comutao Diodo ........................................................................... 77

5.3.5 Perdas por Comutao Diodo/Chave ............................................................... 79

5.4. Perdas por Conduo Ponte Retificadora........................................................... 81

5.5. Projeto do dissipador.............................................................................................. 83

5.6. Projeto do Dissipador............................................................................................. 86

5.7. Consideraes Finais.............................................................................................. 87

Captulo 6 Interferncia Eletromagntica................................................................. 88

7.1. Introduo............................................................................................................... 88

7.2. Interferncia Eletromagntica................................................................................ 88

7.3. Normas e Regulamentaes para Interferncia Eletromagntica ......................... 92

7.4. Interferncia Eletromagntica Conduzida ............................................................. 93

7.5. Interferncia Eletromagntica Conduzida no PFC................................................ 94

7.6. Controle da Emisso do Rudo Eletromagntico Conduzido ............................. 100

7.6.1 Mtodo Preventivo............................................................................................. 100

7.6.2 Mtodo Corretivo............................................................................................... 112

6.6.2.1 Filtro de EMI................................................................................................... 112

6.6.2.2 Projeto do Filtro de EMI................................................................................. 114

6.6.2.3 Separador de Rudo......................................................................................... 116

7.7. Simulao de EMI Conduzida............................................................................. 117

7.7.1 Simulaes de EMI Conduzida Componentes Ideais .................................... 117

7.7.2 Simulaes de EMI Conduzida Componentes No-Ideais............................ 118

7.7.3 Modelo Equivalente do Indutor......................................................................... 119

7.7.4 Simulaes de EMI Conduzida Componentes Reais..................................... 121

7.8. Consideraes Finais............................................................................................ 122

Captulo 7 Resultados Experimentais ...................................................................... 123

7.1. Introduo............................................................................................................. 123

20

7.2. Especificaes dos prottipos.............................................................................. 123

7.3. Especificaes dos Dispositivos Semicondutores............................................... 124

7.3.1 Conversor Boost................................................................................................. 124

7.3.2 Conversor Boost Intercalado ............................................................................. 125

7.3.3 Conversor Dual Boost........................................................................................ 126

7.4. Simulaes dos Conversores ............................................................................... 126

7.5. Resultados Experimentais.................................................................................... 130

7.5.1 Modo de conduo Descontnuo ....................................................................... 130

7.5.2 Modo de Conduo Misto ................................................................................. 134

Concluses Gerais.......................................................................................................... 135

Referncias

Apndice A Instrumentao Aplicada para Medio das Grandezas ................... 141

Apndice B Controle Utilizado ................................................................................... 149

Captulo 1

INTRODUO

1.1. Motivao

1.2. Estado-da-Arte

1.3. Objetivos

1.4. Organizao do trabalho

Capitulo 1: O capitulo 1 introduz o tema conversores PFC (Power Factor Correction),

salientando sua importncia e crescente necessidade de utilizao. Tambm abordado o

problema central discutido e desenvolvido nesta dissertao, assim como a topologia adotada

e os motivos para a escolha.

Capitulo 2:.Nesse captulo realizado um estudo do conversor Boost operando como PFC,

bem como suas vantagens e desvantagens para essa aplicao. apresentado tambm suas

etapas de operao, bem como o projeto e dimensionamento de seus elementos.

Captulo 3: Nesse captulo realizado um estudo do conversor Boost Intercaldo operando

como PFC, bem como suas vantagens e desvantagens para essa aplicao, da mesma forma

que foi realizada para o conversor boost no captulo 3.

Captulo 4: Nesse captulo realizado um estudo do conversor Dual Boost operando como

PFC, bem como suas vantagens e desvantagens para essa aplicao. apresentado tambm

suas etapas de operao, bem como o projeto e dimensionamento de seus elementos..

Captulo 5: Esse captulo apresenta as perdas calculadas nos semicondutores para as trs

topologias de conversores j mencionadas. So abordadas detalhadamente as perdas na ponte

22

retificadora, nas chaves e nos diodos boost para o projeto do dissipador. O captulo

finalizado com comparao das perdas e volume dos dissipadores para as trs topologias.

Captulo 6: Esse captulo aborda o problema da interferncia eletromagntica gerada nos

conversores de potncia operando como PFC. So apresentadas as principais fontes geradoras

de rudo e as formas de atenuao das mesmas para conformidade com as normas vigentes.

Tambm so discutidas detalhadamente as etapas de projeto de filtros de EMI. O captulo

finalizado com resultados experimentais da interferncia eletromagntica conduzida com a

utilizao do filtro de EMI projetado.

Captulo 7: Esse captulo apresenta os resultados experimentais das trs topologias abordadas

neste trabalho. Primeiramente so apresentadas as especificaes de todos os dispositivos

semicondutores utilizados, bem como dos elementos passivos de cada montagem. A seguir,

resultados de simulao e para finalizar resultados experimentais.

23

Captulo 2

CONVERSOR BOOST

2.1. Introduo

As caractersticas como simplicidade, desempenho e rendimento tornaram o conversor

Boost a topologia mais popular para correo do fator de potncia. O conversor composto

por um indutor L (tambm chamado indutor boost), um capacitor de sada C e dois

dispositivos semicondutores, uma chave semicondutora S e um diodo D (tambm chamado

diodo boost), como mostrado na Figura 2.1.

Figura 2.1: Conversor Boost aplicado a PFC, Vin - Tenso de entrada, L indutor boost, C capacitor de sada, D diodo boost, S chave semicondutora.

2.2. Caractersticas do Conversor Boost

O conversor Boost, ou conversor elevador uma das topologias mais populares

entre os conversores CC aplicados correo do fator de potncia, Figura 2.2. Entre as

vantagens deste conversor que o tornaram o mais popular conversor para a correo de fator

de potencia, pode-se citar[1]:

Simplicidade, consistindo de apenas composto por um indutor L (tambm

chamado indutor boost), um capacitor de sada C , uma ponte retificadora, uma

chave e um diodo.

Boa eficincia.

24

Fcil projeto e controle, geralmente em modo de controle de corrente ou de tenso.

Baixo Custo.

Presena de um filtro inerente, filtro natural de corrente de entrada, o indutor boost

e a localizao do indutor, entre a rede eltrica e o barramento CC, no permite

que variaes bruscas de tenso na rede eltrica afetem diretamente o barramento

CC.

O indutor conectado na entrada ajuda a atenuar a emisso de alta freqncia e

facilita a obteno da forma corrente (senoidal).

Tal topologia tambm proporciona regulao da tenso de sada dc para fator de

potencia unitrio na entrada e reduz THD da corrente de entrada.

Tem como caracterstica a corrente de entrada ser contnua.

Figura 2.2:Conversor Boost PFC.

Na partida do conversor, antes dos seus componentes estarem energizados, a tenso no

capacitor C nula. Se o sistema for ligado diretamente rede eltrica, a corrente de partida

assumir valores elevados, que podero danificar o sistema. Sendo assim, o conversor boost

necessita de um circuito de partida, que fornea energia ao capacitor de sada antes de o

sistema entrar em funcionamento.

Devido a sua caracterstica de ser um conversor elevador de tenso, o conversor Boost

adequado para utilizaes com entrada universal de tenso (90~260Volts) [5]. Em regime

permanente, a tenso no capacitor C deve ser obrigatoriamente maior que o pico da tenso de

entrada, isto , para um pr-regulador com entrada universal (90~260 V) a tenso de sada

deve ser maior que 260 2, ou seja 367V.

Desta forma, para esta topologia poder operar como corretor do fator de potncia, com

entrada universal, necessrio que a tenso de sada tenha valores em torno de 380~400

Volts. Logo a tenso de sada sempre maior do que a entrada e isso em alguns casos pode

ser considerada como uma desvantagem. Dessa forma, quando esta tenso de sada

requerida ser menor do que a tenso de entrada, necessria a utilizao de outro conversor,

conversor buck, por exemplo, como segundo estgio. Isso faz com que a eficincia total do

25

nosso circuito sofre uma diminuio pelo fato do conversor agora ser composto por dois

estgios. E alm disso, este dois conversores ligados em conjunto, podem causar um

fenmeno conhecido como beat-frequency phenomenon, o que nada mais do que a

interferncia que um transiente ou distrbio de um conversor interfere no outro, o qual pode

no ser suprimido por filtro [7].

Ainda em relao a tenso de sada pode-se destacar o fato do capacitor de sada

operar em alta tenso (a tenso de sada maior do que o pico da tenso de entrada, Vo>Vin),

permitindo dessa forma valores relativamente menores de capacitncia [5], e esta alta tenso

permite ainda que o capacitor de sada armazene mais energia e com isso proporcionando um

maior hold-up time ao sistema [8].

A corrente de entrada do conversor boost possui uma forma de onda triangular, devido

comutao da S, determinando a tenso sobre o indutor L. Quando S est conduzindo, a

corrente no indutor L cresce linearmente. Quando S abre, a corrente no indutor decresce de

forma linear. Se a corrente atinge zero, antes do prximo perodo de comutao, diz-se que o

conversor est operando em modo de conduo descontnuo (DCM Discontinuous

Conduction Mode). Se a chave S entra em conduo antes da corrente no indutor atingir zero,

diz-se que o conversor est operando em modo de conduo contnuo (CCM - Continuous

Conduction Mode).

O conversor boost operando com PFC tem sido largamente empregado para atender os

requisitos exigidos pelas normas IEC 61000-3-2 e IEC 61000-3-4 que se refere a harmnicos

de baixa-frequncia. Esta soluo, contudo, aumenta a gerao de interferncia

eletromagntica conduzida da fonte de potncia na faixa das altas freqncias, pois este

conversor apresenta harmnicos de alta freqncia mltiplos da freqncia de chaveamento.

Como conseqncia, enquanto o contedo dos harmnicos de baixa-frequncia da corrente

esta de acordo com as normas com o uso do PFC, as normas referentes ao limites de EMI no

so atendidas [9].

Quanto a interferncia eletromagntica conduzida gerado por este conversor pode-se

destacar o rudo de modo diferencial que diretamente ligado a forma de onda triangular da

corrente de entrada que flui atravs do indutor boost [10]. J o rudo de modo comum

principalmente determinado pelo layout da placa e das capacitncias parasitas presentes no

circuito [10]. Logo, um projeto adequado do filtro de EMI e do circuito de layout para

minimizar os efeitos da freqncia de chaveamento do conversor na poluio da rede de

extrema importncia [9].

26

J o controle do conversor boost utilizado na correo do fator de potncia composto de

uma malha interna de corrente, a qual rpida e sofre uma atualizao a cada perodo de

chaveamento, e uma malha externa de tenso lenta, tendo uma atualizao a cada perodo da

rede. A malha de corrente faz com que a corrente de entrada e a tenso de entrada estejam em

fase, logo, tem-se fator de potencia unitrio e reduzido THD de corrente de entrada. J a

malha de tenso responsvel pela regulao da tenso de sada [11]. O controle do PFC

convencional usualmente composto de trs tipos de sensores, um para tenso AC que ser a

referncia senoidal, outro para a tenso DC, regulao da tenso de sada, e um sensor de

corrente que faro com que a corrente estaja em fase com a tenso senoidal de referncia [12].

Na prtica, para se obter bons resultados, necessrio usar pelo menos um compensador

proporcional-integral (PI) para a malha de corrente, e pelo menos um integrador para malha

de tenso para garantir erro zero em regime permanente [11].

Pode ser citado ainda algumas caractersticas da topologia Boost aplicada a correo de

fator de potncia [5]:

Apresenta fluxo de potncia unidirecional;

A chave semicondutora pode ser acionada sem a necessidade de circuitos isolados,

pois a mesma est ligada diretamente ao ponto comum do sistema.

Distoro da corrente de entrada no cruzamento por zero no existe neste conversor.

A posio dos interruptores no permite proteo contra curto-circuito na carga ou

sobre-corrente.

Em aplicaes na qual requer isolao o boost no recomendado, esta topologia no

permite isolao entre a entrada e a sada;

Nveis de EMI que se propagam para o lado da linha.

Em qualquer instante trs semicondutores esto no fluxo da potncia, aumentando

perdas [13].

Como caracterstica negativa desta topologia pode-se destacar as significativas perdas

de recuperao reversa dos diodos rpidos utilizados. Devido s elevadas tenses de sada, o

conversor boost exige a necessidade de um diodo de sada que proporcione uma rpida

recuperao e que suporte estas elevadas tenses. Em freqncias de chaveamento muito

elevadas, geralmente estes diodos com rpida recuperao provocam perdas significativas

durante a recuperao reversa, sob condies de chaveamento convencional (PWM Pulse

Width Modulated). Como resultado, a chave tem um grande pico de corrente (spikes) na

entrada em conduo, o causando elevadas perdas na entrada em conduo da chave e e o

27

diodo sofre com elevadas perdas de turn-off. Outro problema causado pela recuperao

reversa do diodo a gerao de interferncia eletromagntica [14].

Este problema pode ser significativamente reduzidas, proporcionando uma

elevada eficincia, em elevadas freqncias de chaveamento, utilizando-se tcnicas de

comutao suave, como ZCS (Zero Current Switching) e a ZVS ( Zero Voltage

Switching). Estas tcnicas consistem na utilizao de circuitos que controlam as derivadas de

corrente (di/dt) e/ou de tenses (dv/dt) durante as comutaes. Como desvantagem, o

emprego de tcnicas de auxilio a comutao, soft-switching, apresentam certa

complexidade e a adio de novos componentes acarretando em um aumento nos custos [14].

Um outro mtodo para alcanar um elevado rendimento em conversores elevadores,

empregando diodos de elevadas tenses com recuperao rpida, consiste em utilizar o

conversor operando em modo de conduo descontinuo (DCM) ou em modo de conduo

crtico CCM. Operando em DCM ou crtico, tem-se a vantagem do conversor operar sobre

ZCS (Zero Current Switching). Com isso, as chaves principais ligam naturalmente sobre zero

de corrente e as perdas da recuperao reversa do diodo so minimizadas acarretando em uma

reduo nas perdas por comutao dos diodos e chaves [15].

Alm disso, o conversor boost operando em modo de conduo descontnuo

apresenta menores valores de indutncia para especificar o indutor L, para garantir que o

conversor opere em modo de conduo descontnua em toda faixa de carga. A corrente de

entrada naturalmente segue a tenso senoidal de entrada, logo a malha de corrente pode ser

removida neste caso, simplificando o controle [16].

Entretanto, a operao em modo de conduo descontnuo ou conduo crtica

produz picos de corrente que so no mnimo duas vezes maiores que a corrente mdia de

entrada, durante um perodo de chaveamento, podendo causar perdas significativas nos

dispositivos semicondutores, indesejvel para aplicaes de PFC de altas potncias [17].

Apresenta tambm alto stress de corrente nos retificadores de entrada [8]. Alm disso,

operando em modo de conduo crtica, a freqncia de chaveamento varivel, o que exige

um circuito de controle complexo. Largos filtros de EMI so requeridos em modo de

conduo descontinuo DCM [18], logo o conversor Boost em DCM no recomendvel para

altas aplicaes de potncia devido ao fato da grande distoro da corrente de entrada,

reduzida eficincia, sendo limitado para baixas potncias (>250W) [2].

Outra caracterstica negativa desta topologia a distoro da corrente de

entrada, causada pela influencia da capacitncia parasita das chaves, a qual afeta a forma de

onda em modo de conduo descontnuo. Tal capacitncia ressona com o indutor boost, onde

28

a tenso de entrada varivel, estas oscilaes podem ser uma fonte de instabilidade para o

conversor, resultando em significativo distoro na corrente de entrada. Em modo de

conduo contnuo esta capacitncia parasita causa somente perdas de conduo [19].

No conversor boost operando em CCM, a corrente no indutor sempre maior que

zero. Nesta situao tem-se menores valores de corrente de pico, o que diminui as perdas em

conduo, em comparao com a operao DCM.. Possui melhor qualidade na forma de onda

da corrente de entrada, com menoresvalores de THD. O filtro de entrada projetado para

atenuar menores nveis de EMI conduzida pois sua corrente de entrada resulta em baixa

interferncia eletromagntica se comparado com outras topologias trabalhando como PFC,

tais como conversor buckboost e buck [20]. Operando em modo de conduo contnuo

(CCM) o conversor boost apresenta desvantagens como perdas de recuperao reversa do

diodo. Como desvantagens, alm dos problemas de recuperao reversa do diodo j

mencionados, o conversor boost operando em modo de conduo descontnuo apresenta

largos indutores se comparado com o conversor operando em DCM. E em entradas universais

o boost apresenta uma significativa degradao no desempenho sobre toda a faixa da tenso.

Em 85V muito menos eficiente do que operando em 265V, logo a densidade de potncia

usualmente limitada para a toda faixa da tenso de entrada [21].

Nesse sentido, o conversor boost operando em modo de conduo contnua se torna

mais adequado para aplicaes acima de 400W. Para valores nessa faixa de potncia, a

incluso da malha de corrente se torna vivel, onde as perdas em conduo comeam a se

tornar mais significativas, tornado a operao em DCM pouco eficiente[4].

Resumindo, o conversor boost convencional operando como PFC restrito em certa

faixa de potncia devido ao fato que para altas potencias de sada pode produzir alto stress de

tenso e corrente nos componentes do PFC, tais como a chave, diodo boost e indutor boost,

[2], [3] e [6], logo tal topologia no a mais recomendada para aplicaes de altas potncias.

2.3. Modo de Conduo Contnuo do Conversor Boost

O conversor Boost operando em modo de conduo contnuo (CCM) caracteriza-se

pelo fato de a corrente no indutor sempre ser maior que zero, Figura 2.3, e tem sida a

topologia mais utilizada como PFP devido as suas vantagens. Abaixo so citadas algumas

caractersticas do conversor Boost operando em Modo de Conduo Contnuo (CCM) Erro!

Fonte de referncia no encontrada.] e Erro! Fonte de referncia no encontrada.]:

Reduzida ondulao presente na corrente de entrada;

29

Necessidade de realimentao da tenso de sada, e uma medida do valor instantneo

da tenso de entrada a fim de permitir o adequado controle da corrente absorvida da

rede.

Menores valores de corrente de pico, o que diminui as perdas em conduo, em

comparao com a operao DCM;

O filtro de entrada projetado para atenuar menores nveis de EMI conduzida;

Possui melhor qualidade na forma de onda da corrente de entrada, com menores

valores de THD;

Problemas de estabilidade tambm so caractersticos, devido a no-lineridade do

sistema.

A operao CCM apresenta o problema da recuperao reversa do diodo Boost

Dessa forma, o conversor Boost operando em modo de conduo contnuo (CCM)

possui caractersticas que o tornam mais apropriado para correo de fator de potncia em

sistemas de mdia potncia (acima de 500Watts) Erro! Fonte de referncia no

encontrada.].

Figura 2.3: Ondulao de alta freqncia da corrente de entrada do conversor Boost operando em Modo de Conduo Contnuo.

2.4. Etapas de Operao Modo de Conduo Contnuo

1 ETAPA (0, 1t ): Inicia quando a chave S fechada no instante t = 0. O diodo D

polarizado reversamente, isolando o estgio de sada da fonte de alimentao IL, que durante

esta etapa curto circuitada. A corrente de entrada flui atravs do indutor L e da chave S.

Temos que a corrente da chave igual a corrente do indutor (iS = IL,) enquanto que a corrente

do diodo zero (iD = 0). Esta etapa termina quando a chave S aberta, Figura 2.4.

30

L D

C RSVin

Figura 2.4: Conversor Boost operando em CCM - 1etapa de operao.

V VL inVoic R

(2.1)

2 ETAPA ( 1t , T): No momento em que a chave S aberta, o diodo D entra em

conduo e a energia armazenada no indutor na etapa anterior passa para a carga. A corrente

fluir agora por L, D, C e pela carga; Nesta etapa a corrente da chave iS nula e a corrente do

diodo igual a do indutor (iD = IL.) A corrente no indutor L cai at que a chave semicondutora

entre novamente em conduo.

L D

CR

SVin

Figura 2.5: Conversor Boost operando em CCM - 2etapa de operao.

0

0

V V VL inV

i ic L R

(2.2)

Na Figura 2.6 pode ser visto as formas de onda da corrente no indutor, a corrente da

chave, a corrente de carga e a tenso sobre a chave do conversor Boost operando em modo de

conduo contnua.

31

(a) (b)

(c)Figura 2.6: Formas de onda tpicas de conversor Boost em Modo de Conduo Contnua. (a) Tenso no indutor e corrente no capacitor. (b) Corrente no indutor, chave, diodo e tenso na chave. (c) Forma de

onda tpica da corrente do conversor Boost operando em CCM.

Considerando o ripple do corrente nulo precisamos calcular a componente dc da

corrente do indutor, que dado pelo seu valor mdio. Substituindo as equaes (2.1) e (2.2)

na equao (2.3) obteremos:

0

1 ( ). ( ). ( ). ' 00sT

ss

V t dt V DT V V D TL in s inT (2.3)

onde D a razo cclica e ' (1 )D D .

Resolvendo temos que o ciclo de trabalho do conversor Boost operando em modo de

conduo contnuo varia com o valor instantneo da tenso de entrada:

. ( )( ) 1

0

V sen tpicoD tV

(2.4)

32

2.5. Projeto do Indutor Boost - CCM

Para circuitos que funcionam como uma fonte de corrente (boost, Cuk, SEPIC), aps a

ponte de diodos necessrio um indutor de entrada para o funcionamento adequado destes

conversores. Se um indutor muito grande utilizado, o ripple da corrente na entrada ser

pequeno, o que significa menor emisso de EMI conduzida de modo diferencial.

Por outro lado, se diminuirmos o tamanho do indutor boost, o ripple da corrente de

entrada aumenta, exigindo maiores dimenses para o filtro de entrada. Dessa forma deve-se

encontrar um ponto onde nem o volume do indutor de entrada, nem o volume do filtro de EMI

de modo diferencial sejam penalizados.

Por esta razo 20% do valor de pico da corrente de entrada, para freqncias acima de

25kHz, um valor comumente utilizado para especificao do ripple mximo na corrente de

entrada, pois no penaliza o volume do indutor de entrada, e mantm nveis tolerveis de

emisso de EMI conduzida Erro! Fonte de referncia no encontrada.].

Como j foi calculada a razo cclica do conversor Boost dada por:

. ( )( ) 1

0

V senpicoDV

(2.5)

A seguir, algumas equaes importantes para futuras anlises so mostras. A corrente

RMS de entrada com o conversor operando em Modo de Conduo Contnua dado por:

0_

_ .in R M S

in R M S

PIV (2.6)

O ripple pode ser calculado por:

.sin( ). .pTI V DL

(2.7)

Substituindo (2.5) em (2.7) tem-se:

0

..[sin( ) .sin ( )]p p

T V VI

L V (2.8)

A Figura 2.7 mostra a corrente de entrada em funo do tempo. Quando a chave

semicondutora do conversor est em conduo tem-se:

. ( . ) .( ).

IV sen t Lpico D Ts (2.9)

33

Figura 2.7: Ondulao de alta freqncia da corrente de entrada, para o modo de conduo contnua.

Substituindo (2.9) em (2.8) obtm-se:

0

. ( ) . ( ).

Pico

Pico

VIL sen senV T Vs

(2.10)

Rearranjando:

0

.( ) ( ( ) . ( ))Pico s PicoV T VI sen senL V

(2.11)

A ondulao mxima de corrente, em funo de , depende da relao entre as tenses de

entrada e de sada. O indutor Boost deve ser projetado para os pontos onde o ripple na corrente de

entrada mximo. Isto , o valor de L ir determinar qual a relao mxima entre IL e I.

Num conversor com entrada universal, medida que aumenta o valor eficaz da tenso de

entrada, a corrente de entrada diminui, mantendo a potncia na sada do conversor constante.

Quanto menor for o valor de pico da corrente de entrada IL, maior ter de ser L para garantir

o valor ripple mximo I.

Portanto, quanto maior a tenso de entrada do conversor menor ser a sua corrente de

entrada, e maior ser a o valor da indutncia L, para manter o nvel mximo de ripple na

corrente de entrada.

A partir da equao (2.11) pode-se determinar o valor da indutncia. Rearranjando (2.11)

tem-se: 2 2

0

. ( ) . ( )( ). . .

Pico Pico

s s

V sen V senIL f V L f (2.12)

Sabendo que:

. ( )( ) 1

0

picoV senDV

(2.13)

. ( )1 ( )

0

picoV sen DV

(2.14)

34

( ) . ( )picoVi V sen (2.15)

Logo:

( ) (1 ( )). 0Vi D V (2.16)

Substituindo a equao(2.16) em (2.12):

( ) ( )( ) .(1 ( )). .s s

Vi ViI DL f L f

(2.17)

Rearranjando (2.17) e substituindo (2.16) obtemos:

0( )( ) . ( ) .(1 ( )). ( ). .s s

VViI D D DL f L f

(2.18)

Logo para obter-se o mximo valor de uma funo deriva-se e iguala-se a zero:

[ ( ) ( )] 0d D Dd

(2.19)

1 2 ( ) 0D (2.20)

Com isso temos o mximo valor de ( )D :

1( ) 2D (2.21)

Substituindo esse valor na equao (2.18), temos a equao utilizada para se calcular a

indutncia do conversor Boost em funo da tenso de sada e do mximo ripple:

04 . . m a x

VLf is

(2.22)

2.6. Projeto do Capacitor de Sada

A determinao do capacitor de sada pode ser determinada por dois parmetros: o

ripple mximo sobre o capacitor, ou o holdup time, que o tempo mximo para o

barramento CC atingir o seu valor de regime permanente, aps distrbios de carga. O segundo

critrio foi o escolhido. Os outros parmetros que iro determinar a escolha do capacitor so a

potncia e a ondulao mxima no barramento CC Erro! Fonte de referncia no

encontrada.] Erro! Fonte de referncia no encontrada.]. A equao que determina o valor

de C :

2. .2 20 0 _ min

P to hCV V

(2.23)

35

Onde:

oP Potncia de sada do sistema;

ht - Tempo de hold-up time;

oV Tenso de sada nominal;

_o MinV Valor de tenso mnimo no barramento CC.

2.7. Anlise da Corrente nos Semicondutores CCM

Corrente na chave

Uma tpica forma de onda, como a corrente na chave do conversor Boost, Figura 2.8

modulada pela largura do pulso, com ambos a razo cclica e o pico de corrente variando com

a tenso de entrada. Quando a freqncia de chaveamento muito maior que a freqncia da

linha, o valor RMS pode ser aproximado como uma integral dupla. O quadrado da corrente

primeiro integrado para encontrar seu valor mdio sobre um perodo de chaveamento, e o

resultado ento integrado para encontrar o valor mdio sobre o perodo de linha AC.

Diversas aproximaes so desenvolvidas, a qual permite relativamente simplificar as

expresses escritas para os valores rms e mdio para as correntes dos estgios de potncia do

conversor Erro! Fonte de referncia no encontrada.].

Logo o valor rms da corrente da chave do conversor pode ser definida como:

0

1 ( ).Tac

I i t dtSrms STac (2.24)

onde Tac o perodo da forma de onda da entrada. A integral pode ser expressa

como uma soma das integrais sobre todo o perodo de chaveamento em um perodo da rede de

entrada: ./

1 ( 1)

1 1. ( ( ).n TT T sac s

n n Ts

I T i t dtSrms s ST Tac s (2.25)

onde Ts o perodo de chaveamento.

Figura 2.8: Forma de onda tpica da corrente da chave do Conversor Boost.

36

A quantia dentro dos parnteses o valor mdio de 2Si sobre n perodos de

chaveamento. O somatrio pode ser aproximado por uma integral no caso em que Ts muito

menor que Tac. Esta aproximao corresponde a tomar o limite com Ts tendendo a zero,

como segue:

./

0 1 ( 1)

0

1 1. lim ( ( ).

1 1. ( ). .

( )

s

n TT T sac s

T n n Ts

t TsTac

I T i dSrms s ST Tac s

i d dtST T tac s

i TS Ts Tac

(2.26)

Assim 2Si (t) a primeira mdia sobre um perodo de chaveamento. O resultado ento

a mdia sobre o perodo do sinal de entrada.

Para o conversor Boost, a corrente na chave ( )Si t igual a corrente de entrada

quando a chave conduz, e igual a zero quando a chave est bloqueada. Logo, o valor mdio

de 2Si (t) sobre um perodo de chaveamento :

1 . ( ). ( ). ( )t Ts Sti i t dt d t i tS acTTs s (2.27)

Se a tenso de entrada dada por:

( ) sin .V t V tac pico (2.28)

ento a corrente ser:

( ) sin .VMi t tac Re

(2.29)

onde Re a resistncia equivalente do conversor na entrada. Com a tenso de sada

constante Vo, e a razo cclica da chave obtida pela relao:

0 1( ) 1 ( )

VV t d tac

(2.30)

Substituindo a equao (2.28) em (2.30) temos que:

0

( ) 1 sin .Vpicod t t

V (2.31)

37

Substituindo a eq. (2.29) e (2.31) em (2.27) temos a seguinte expresso:

0

2 .(1 sin . ).sin ( )2

V Vpico picoi t tS VT Rs e

(2.32)

E agora substituindo em (2.26) tem-se que:

00 0

21 1 . .(1 sin . ).sin ( )._ 2

Tac T picoacV VpicoI i dt t t dtS rms ST T VTs Rac ac e

(2.33)

Simplificando, e integrando somente em um perodo de meio ciclo de rede 2acT j

que a corrente se repete no semi-ciclo positivo temos:

00

21 . [(sin ( ) .sin ( ).]_ 2

V Vpico picoI t t dtS rms VRe

(2.34)

Resolvendo a equao (2.34) temos que a corrente rms na chave:

0 0

8 81 . . 1 ._ _3. 3.2.

V VV pico picoMI IS rms ac rmsV VRe (2.35)

Segundo os mesmos passos apresentados anteriormente, mas agora para a corrente

media na chave, temos a seguinte equao:

0

2 2. .(1 . )_ 4

VpicoI Is ac rms V (2.36)

E a corrente de pico na chave definida como:

. 2_ _I I IS pico ac rms (2.37)

Corrente no Diodo

Da mesma forma que foi realizada o equacionamento da corrente na chave,

pode-se fazer para verificar a corrente rms e mdia do diodo, nas equaes abaixo.

Na equao (2.38) temos a equao que define a corrente rms no diodo, j na equao

(2.39) temos a corrente mdia, e na equao (2.40) temos o valor da corrente de pico:

016. ._ 3VI ID rms dc Vpico

(2.38)

D dcI I (2.39)

38

_ 2. . oD pico dcpico

VI IV

(2.40)

Corrente na Ponte Retificadora

Corrente mdia em cada diodo da Ponte retificadora pode ser dada pela equao (2.41)

e sua corrente rms em cada diodo calculada pela equao (2.42), mostradas abaixo: 2

_0

1 1. 2. . ( ). . 0.2 2D ac RMS

I I sen wt dt dt

_2 .D ac rmsI I (2.41)

22 2

_ _0

1 1. ( 2. . ( ). ) . (0) .2 2D RMS ac RMS

I I sen wt dt dt

_ _2 .

2D rms ac rmsI I (2.42)

A corrente de pico nos diodos da ponte retificadora a corrente de pico de entrada

acrescida do ripple da corrente, (2.43).

. 2_ _I I ID pico ac rms (2.43)

2.8. Modo de Conduo Descontnua do Conversor Boost

O modo de conduo descontnuo ocorre quando a ondulao de corrente I igual ou

maior ao dobro da corrente mdia de entrada Iin. Nesse caso, durante a conduo do diodo, a

energia armazenada no indutor durante a conduo da chave se esgota, vai zero Figura 2.9,

logo se tem caracterizado o modo de conduo descontnuo. Abaixo so citadas algumas

caractersticas do conversor Boost operando em Modo de Conduo Descontnuo (DCM)

Erro! Fonte de referncia no encontrada.] Erro! Fonte de referncia no encontrada.]:

Menores valores de indutncia para especificar o indutor L, para garantir que o

conversor opere em modo de conduo descontnua em toda faixa de carga;

As perdas por recuperao reversa do diodo boost so reduzidas, isto ocorre devido ao

bloqueio do diodo ocorre sob corrente nula (ZCS Zero Current Switching);

No necessita de malha de corrente, pois a corrente de entrada segue naturalmente a

tenso da rede eltrica.

As perdas em conduo so maiores, devido necessidade de elevados nveis de

corrente de pico na entrada, para obter uma mesma corrente mdia de entrada.

39

O filtro de interferncia eletromagntica ou EMI (Electromagnetic Noise) na entrada

do conversor deve ser projetado para atenuar elevados nveis de rudo conduzido,

devido aos altos valores de pico da corrente.

Sendo assim, o nvel de aplicao da operao DCM fica limitado a sistemas de baixa

potncia (at aproximadamente 400 Watts), onde as perdas em conduo so menos

significativas Erro! Fonte de referncia no encontrada.] Erro! Fonte de referncia no

encontrada.].

Figura 2.9:Ondulao de alta freqncia da corrente de entrada do conversor Boostoperando em Modo de Conduo Descontnuo.

Figura 2.10: Formas de onda de conversor elevador de tenso, operando como PFP no modo de conduo descontnuo.

2.8.1 Etapas de Operao - Modo de Conduo Descontnua

1 ETAPA (0, 1t ): A chave S permanece fechada, ao mesmo tempo em que o diodo D

reversamente polarizado. Nesta etapa o indutor L acumula energia proveniente fonte de

entrada Vin, e o capacitor C alimenta a carga R.

L D

C RSVin

Figura 2.11: Conversor Boost operando em DCM - 1etapa de operao.

40

V VL inVoic R

(2.44)

2 ETAPA ( 1t , xt ): A chave S aberta e o diodo D entra em conduo. H

transferncia de energia do estgio de entrada para o estgio de sada.L D

CR

SVin

Figura 2.12: Conversor Boost operando em DCM - 2etapa de operao.

0

0

V V VL inV

i ic L R

(2.45)

3 ETAPA ( xt , T): Toda a energia armazenada em L foi transferida carga. Nesta

etapa, o diodo D bloqueado e o capacitor C se encarrega de alimentar carga. L D

CR

SVin

Figura 2.13: Conversor Boost operando em DCM - 3etapa de operao.

0

00

( )

L

L

c

Vi

Vi tR

(2.46)

Na Figura 2.14 pode ser visto as formas de onda da corrente no indutor, a corrente da

chave, a corrente de carga e a tenso sobre a chave do conversor Boost operando em modo de

conduo descontnua.

41

(a) (b)

(c)Figura 2.14: Formas de onda tpicas de conversor Boost em Modo de Conduo Descontnua.(a) Tenso no indutor. (b) corrente de entrada em DCM e corrente no diodo. (c) Corrente na chave, no indutor, no diodo e tenso na chave.

Em modo de conduo descontnuo o conversor Boost AC/DC opera com uma razo

cclica constante, logo seu ganho esttico mximo determinado pela tenso de sada e pelo

pico da tenso de entrada.

0max

0

pV VDV

(2.47)

pico

o

VV

(2.48)

max 1D (2.49)

42

2.9. Anlise e equacionamento do Conversor Boost operando em

DCM

Consideremos que o conversor opera em conduo descontnua, ou seja, a cada

perodo de chaveamento a corrente pelo indutor vai a zero. Com freqncia constante e

modulao por largura de pulso, com o tempo de conduo determinado diretamente pelo erro

da tenso de sada, o valor do pico da corrente no indutor de entrada diretamente

proporcional tenso de alimentao. A Figura 2.10 mostra forma de onda tpica, indicando a

tenso de entrada (senoidal) e a corrente pelo indutor (que a corrente absorvida da rede), a

qual apresenta uma variao, em baixa freqncia, praticamente senoidal. Seja a tenso de

entrada dada por:

( ) .sin( )ac pV t V wt (2.50)

A corrente de pico em cada perodo de chaveamento :

( ). .( ) aciV t D TI t

L (2.51)

O intervalo de diminuio da corrente, de seu valor de pico at zero, em cada perodo

de comutao, :

20

. .acac

Vt D TV V

(2.52)

Existe um mximo ciclo de trabalho que permite ainda conduo descontnua, o qual

determinado no pico da tenso de entrada, e vale:

0max

0

pV VDV

(2.53)

Sejam:

0

1pVV

(2.54)

Logo

max1 D (2.55)

Corrente de entrada - DCM

A corrente de entrada tem uma forma triangular. Seu valor mdio, calculado em cada

ciclo de chaveamento Erro! Fonte de referncia no encontrada.], dado por:

43

2. . .sin( )0 .2. 1 .sin( )

V D T tIis L t (2.56)

A corrente mdia de entrada, calculada em um semi-perodo da rede ser:

2. . 2 10 { .[ sin ( )]}2. . 221

V D TIi L

(2.57)

Corrente Eficaz de Entrada

A corrente eficaz de entrada, calculada a partir da expresso para a corrente mdia

instantnea de entrada e considerando os efeitos do chaveamento em alta freqncia,

tem-se que a corrente eficaz de entrada ser:

0. . . . ( )3.

V T D D YILRMS

(2.58)

Onde:

2( ) 2 .[ .sin( )]22. 1

Y (2.59)

Fator de Potncia

3.(1 ). ( )2. .

YFP (2.60)

2.9.2 Projeto do Indutor Boost - DCM

O clculo da indutncia de entrada determina a mxima indutncia de entrada para a

qual ocorre operao em modo descontnuo. Ela obtida atravs da mxima corrente de sada,

a qual para certa tenso de sada, implica na mxima potncia para o conversor. Esta potncia

dada por (2.61).

O projeto do indutor Boost para operar em modo de conduo descontnuo feito em

funo da potencia mxima de sada do conversor, Erro! Fonte de referncia no

encontrada.]:

_ max 0 0_ max.oP V I (2.61)

Logo precisamos ter a corrente mxima de sada. Como sabemos, a corrente de sada

existe durante a conduo do diodo. Seu valor mdio, em cada perodo de chaveamento vale:

20

( ).2.

iI t tIT

(2.62)

44

Sabendo que ( )iI t e 2t so dados pelas equaes (2.51) e (2.52). Substituindo essas

equaes temos que: 2

.0

. . ( ).2. 1 . ( )

pico DV T sen tIL sen t

(2.63)

A corrente mdia de sada em um semi-perodo da rede ser: 2

.0 0

.1 . ( ) . ( )2. .

picoo

V D TI I d t Y

L (2.64)

Agora substituindo (2.64) em (2.61) temos a equao que determina a mxima

indutncia de entrada para a qual ocorre operao no modo descontnuo: 2 2

. max ._ max 0 0_ max 0 0

. (1 ) .. . . ( ) . . ( )

2. . 2. .pico pico

oV D T V T

P V I V Y V YL L

(2.65)

2.

max0 _ max

(1 ). . ( )

2. . .pico

s

VL Y

f P (2.66)

2.9.3 Anlise da Corrente nos Semicondutores - DCM

Corrente na Chave

A corrente RMS e mdia da chave poder ser calculada atravs das equaes

abaixo:

2.( )o

SII

Y (2.67)

_2..

6. . ( )S rms oI I

D Y (2.68)

Corrente do Diodo

_

4. 1* . . ( )3. 2

( )

o

D rms

I YDIY

(2.69)

45

Captulo 3

CONVERSOR BOOST INTERCALDO

3.1. Introduo

Em funo da constante necessidade de processamento de energia eltrica em

potncias cada vez mais elevadas, os dispositivos semicondutores (interruptores) tm evoludo

muito nas ltimas dcadas, especialmente na tentativa de superar os nveis de quilo-volts (kV)

e quilo-ampres (kA) processados individualmente por tais dispositivos. Entretanto tais

dispositivos so normalmente caros e de difcil acesso para elaborao de projetos. Dessa

forma, uma prtica comum dos projetistas associao de dispositivos semicondutores de

baixo custo, de fcil acesso e confiveis.

Neste contexto, para aplicaes com tenses elevadas comum o uso de associaes

srie de componentes e, para aplicaes com correntes elevadas, a associao de componentes

em paralelo. Tendo como objetivo principal a reduo de perdas, reduo de custos, e a

melhoria da confiabilidade e estabilidade da estrutura. A Figura 3.2 mostra um conversor

boost operando com duas chaves semicondutoras em paralelo. Alm de aumentar a

capacidade de corrente do conversor tem-se a reduo das perdas devido a diviso da corrente

entre as chaves.

No entanto pode-se extrair mais vantagens do conversor se, alm de colocarmos

apenas chaves semicondutoras em paralelo, utilizarmos clulas boost em paralelo, trabalhando

de forma intercalada, Figura 3.2.

Figura 3.1: Conversor boost com duas chaves semicondutoras em paralelo.

46

Figura 3.2:Conversor boost com duas clulas em paralelo.

A associao em paralelo de estruturas foi proposta originalmente em [22], sendo

denominada de tcnica de intercalamento (interleaving). Tal tcnica de consiste na

distribuio da potncia entre conversores boost, conhecidos como clulas boost, conectados

em paralelo operando com a mesma freqncia de converso, mas com perodos de

chaveamentos defasados entre si. Este fato permite a diviso da corrente atravs dos

interruptores principais da estrutura.

A tcnica pode ser ampliada para um numero qualquer de elementos, sincronizando-se

todos os pulsos de controle, no tendo limite terico para o nmero de estgios intercalados [23].

Esta associao, em conjunto com a defasagem, apresenta uma reduo na amplitude

do ripple da corrente de entrada e uma elevao na freqncia do ripple tanto de entrada como

de sada, Figura 3.3. Essa reduo na amplitude do ripple e elevao da sua freqncia tem

como vantagens [24]-[29]:

Reduo do stress de corrente sobre os dispositivos semicondutores do circuito,

diodo e chave;

Reduo nas exigncias de filtragem e reduo nos nveis de EMI;

Reduo de perdas por conduo;

Reduo no tamanho do conversor (reduo no filtro de entrada e sada),

Reduo na dissipao trmica.

Reduo do volume do indutor, permitindo a reduo da indutncia.

Significativa reduo da distoro harmnica e aumento da eficincia,.

Aumento da capacidade de processamento de energia.

47

Figura 3.3: Correntes nos indutores (IL1 e IL2) e corrente de entrada (Iin) do conversor boost intercalado com duas clulas em paralelo.

Outra vantagem no uso do intercalamento que pode-se aumentar efetivamente a

freqncia de chaveamento sem aumentar as perdas de chaveamento. Os benefcios obviam

so o aumento na densidade de potncia sem penalidade de reduzir eficincia de converso de

potencia [23]. O uso desta tcnica tambm possibilita a melhoria em outros aspectos

importantes, tais como aumento na segurana dos sistemas eletrnicos, confiabilidade, maior

tolerncia a falhas e reduo na manuteno [24][28].

Devido s inmeras vantagens desta tcnica de intercalamento de conversores de

potncia tem sido originalmente empregado em aplicaes de altas potencias, visto que a

corrente atravs das chaves uma frao da corrente de entrada [30][34].

A reduo da corrente RMS, devido a diminuio da amplitude do ripple, reduz o

aquecimento causado pelas perdas na resistncia srie equivalente do capacitor, reduzindo

stress eltrico sobre o mesmo, e com isso tem-se uma reduo da capacitncia do capacitor do

barramento [30]. Outro fato relevante o fato do capacitor de sada operar em alta tenso

(tenso de sada sempre maior que o pico da tenso de entrada, Vo>E) permitindo o uso

novamente de valores relativamente menores de capacitncia [35].

Pode ser citado ainda algumas vantagens da topologia Boost Intercalada que esto

presentes no conversor Boost convencional tambm de acordo com [35]:

Ambos apresentam fluxo de potncia unidirecional;

O gate das chaves semicondutoras so referenciadas para o mesmo ponto, logo as

chave semicondutoras podem ser acionadas sem a necessidade de circuitos isolados.

Distoro da corrente de entrada no cruzamento por zero no existe neste conversor.

A posio dos interruptores no permite proteo contra curto-circuito na carga ou

sobre-corrente.

Esta topologia no permite isolao entre a entrada e a sada.

H necessidade de uso de um circuito extra pra limitar a corrente de Inrush.

48

Como desvantagens desta tcnica de intercalamento pode-se ser citados:

Apresenta maior nmero de componentes [36].

Apresenta adio de chaves [37]

Adio de circuitos de comando[37].

Adio de diodos rpidos. [37]

Adio de sensores de corrente[37].

Aumento no nmero de indutores [24].

Devido ao aumento do nmero de componentes, se tem um aumento nos custos

para implementao desta topologia se comparada com o boost convencional [38].

H sempre quatro semicondutores no caminho principal da corrente nesta

topologia [37].

Aumento na complexidade do circuito se comparado com boost convencional [33].

O desequilbrio da corrente resultado das variaes e diferenas dos parmetros

intrnsecos dos dispositivos, o qual especialmente crtico quando opera em

(CCM) [33];

Uma maior complexidade do controle desta topologia pois o mesmo deve

assegurar a equalizao da corrente atravs das clulas boost intercaladas, sendo

isto, um dos grandes desafios na implementao desta topologia [38].

O intercalamento apresenta uma melhoria na eficincia do conversor em baixas-

tenses se comparado com o boost convencional por causa da reduo das perdas

por conduo e comutao que a tcnica de intercalamento proporciona. Contudo

as perdas de desligamento no so minimizadas e o desligamentos ocorrem sobre

mximas condies de correntes [26].

Outra caracterstica negativa desta topologia a distoro da corrente de entrada,

causada pela influencia da capacitncia parasita das chaves, a qual afeta a forma de onda em

modo de conduo descontnuo. Tal capacitncia ressona com o indutor boost, onde a tenso

de entrada varivel, estas oscilaes podem ser uma fonte de instabilidade para o conversor,

resultando em significativo distoro na corrente de entrada [39].Em modo de conduo

contnuo esta capacitncia parasita causa somente perdas de conduo.

Pode-se tambm salientar o fato do conversor Boost Intercalado ter a caracterstica

elevadora de tenso, logo a tenso de sada sempre maior do que a entrada. Quando esta

tenso de sada requerida ser menor do que a tenso de entrada, necessria a utilizao de

outro conversor, conversor buck, por exemplo, como segundo estgio. Dessa forma a

49

eficincia total do nosso circuito sofre uma diminuio pelo fato do conversor agora ser

composto por dois estgios. Este dois conversores podem causar um fenmeno conhecido

como beat-frequency phenomenon, o qual pode no ser suprimido por filtro [40].

Em relao aos magnticos desta topologia pode-se salientar algumas consideraes

relevantes. O intercalamento acarreta a diminuio da indutncia dos indutores, bem como a

diminuio do volume dos mesmos. Logo este conversor apresenta uma resposta dinmica

rpida (necessita menor energia armazenada). Entretanto o Intercalamento acarreta no

aumenta no nmero de indutores se comparado com o boost convencional. Para superar isso,

proposto em alguns trabalhos o uso de componentes magnticos acoplados, integrados, o

qual reduz nmero de ncleos [24]. O uso de indutores acoplados proporciona uma melhora

no desempenho do conversor, tanto no transiente como em regime permanente, especialmente

devido a reduo do ripple de corrente em regime permanente, logo h reduo de perdas no

ncleo [36]. Quando se usa indutor acoplado, h um ncleo comum, e com isso tem alto uso e

baixas perdas. O fluxo magntico produzido pelos dois indutores acoplados tem a mesma

direo para obter um baixo di/dt e sintetizar um baixo ripple de corrente [34].

Devido s elevadas tenses de sada, o conversor boost exige a necessidade de um

diodo de sada que proporcione uma rpida recuperao e que suporte estas elevadas tenses.

Em freqncias de chaveamento muito elevadas, geralmente estes diodos com rpida

recuperao provocam perdas significativas durante a recuperao reversa, sob condies de

chaveamento convencional (PWM Pulse Width Modulated). Como resultado, a chave tem

um grande pico de corrente (spikes) na entrada em conduo, o causando elevadas perdas na

entrada em conduo da chave e e o diodo sofre com elevadas perdas de turn-off. Outro

problema causado pela recuperao reversa do diodo a gerao de interferncia

eletromagntica [25].

Este problema pode ser significativamente reduzidas, proporcionando uma elevada

eficincia, em elevadas freqncias de chaveamento, utilizando-se tcnicas de comutao

suave, como ZCS (Zero Current Switching) e a ZVS ( Zero Voltage Switching). Estas

tcnicas consistem na utilizao de circuitos que controlam as derivadas de corrente (di/dt)

e/ou de tenses (dv/dt) durante as comutaes [41]. Como desvantagem, o emprego de

tcnicas de auxilio a comutao, soft-switching, apresentam certa complexidade e a adio

de novos componentes acarretando em um aumento nos custos [42].

Um outro mtodo para alcanar um elevado rendimento em conversores elevadores,

empregando diodos de elevadas tenses com recuperao rpida, consiste em utilizar o

conversor operando em modo de conduo descontinuo (DCM) ou em modo de conduo

50

crtico CCM. Operando em DCM ou crtico, tem-se a vantagem do conversor operar sobre

ZCS (Zero Current Switching). Com isso, as chaves principais ligam naturalmente sobre zero

de corrente e as perdas da recuperao reversa do diodo so minimizadas acarretando em uma

reduo nas perdas por comutao dos diodos e chaves [43]. Entretanto, a operao em modo

de conduo descontnuo ou conduo crtica produz picos de corrente que so no mnimo

duas vezes maiores que a corrente mdia de entrada, durante um perodo de chaveamento,

podendo causar perdas significativas nos dispositivos semicondutores. Alm disso, operando

em modo de conduo crtica, a freqncia de chaveamento varivel, o que exige um

circuito de controle complexo.

Outra forma de solucionar o problema da recuperao reversa no conversor Boost

Intercalado a insero de um indutor ressoante entre os dois indutores intercalados. Esses

trs indutores podem ser substitudos por dois indutores acoplados conforme apresentado em [44].

Resumindo, a converso de potncia empregando estruturas intercaladas tem sido

exploradas em aplicaes de elevadas potncias, onde o sistema adquire a vantagem da

reduo do ripple e uma distribuio de potncia entre as clulas das topologias conectadas

em paralelo. Embora a distribuio de potncia processada entre as clulas seja por si s um

importante objetivo, os benefcios proporcionados pela reduo do ripple justificam o

aumento da utilizao das tcnicas de intercalamento nas mais diversas aplicaes.

A equao que relaciona a tenso de entrada Vpico.sen(wt) e a tenso de sada (Vo)

em funo da razo cclica d(t) a mesma equao que define o ganho esttico do conversor

boost convencional, isto :

. ( )( ) 1 pico

o

V sen wtd t

V (3.1)

3.2. Etapas de Operao

No conversor boost intercalado, para estabelecermos os modos de conduo, devemos

levar em considerao o valor da razo cclica nas chaves semicondutoras do conversor, Ds [2]. Tabela 3-1: Lgica de comutao

Regio onde 5,0Ds

Sinal de controle, Dc Sinal de Comando, Ds1 e Ds2 Alto S1 e S2 on

Baixo S1 ou S2 on Regio onde 5,0Ds

Sinal de controle, Dc Sinal de Comando, Ds1 e Ds2 Alto S1 ou S2 on

51

Baixo S1 e S2 off

3.2.1 Modo de Conduo Contnua (CCM)

Regio onde Ds 0,5

Neste modo de operao, as chaves semicondutoras podem estar em quatro estados

diferentes. Abaixo so apresentados os sinais de comando das chaves e as respectivas etapas

de operao. S1

S2

1 2 3 4Figura 3.4: Sinais de comando das