Análise da topologia flyback S-PPC

A análise do gráfico apresentado na Figura 5.5 permite confirmar a hipótese le- vantada por Zhao, Yeates e Han (2013), de que o processamento de energia no conversor buck-boost S-PPC é equivalente ao do boost convencional. Entretanto, segundo os autores daquele trabalho, isso acontece porque a topologia buck-boost S-PPC é não-isolada, e que para que ocorra PPP, a topologia do conversor deve ser isolada. Para verificar esta hipó- tese, nesta seção é avaliado o desempenho, em relação ao processamento de potência, do uso da versão isolada3 _{do conversor buck-boost, também conhecida como conversor flyback}

conectado como S-PPC, cujo diagrama esquemático é apresentado na Figura 5.6 Figura 5.6 – Topologia flyback S-PPC.

Fonte: Autor.

Desprezando-se as não-idealidades desta topologia, verifica-se que a única diferença para sua versão não-isolada (buck-boost S-PPC) apresentada na Figura 5.1, é o grau de liberdade adicional proporcionado pela relação de espiras4 _{do indutor acoplado. Quando}

a relação de espiras (n) é unitária no indutor acoplado, não há diferenças entre estas duas topologias, e, portanto, o processamento de energia é o mesmo, conforme observado pelo resultado da simulação do conversor flyback S-PPC com n = 1 apresentado na Figura 5.7. Este resultado é idêntico àquele obtido para o buck-boost S-PPC apresentado na Figura 5.4 (b).

3_{Embora a topologia empregada no S-PPC seja originalmente isolada, nenhuma topologia resultante}

da conexão S-PPC é isolada. Caso uma topologia isolada (que utilize transformador ou indutor acoplado) seja utilizada como S-PPC, a topologia resultante perderá a isolação devido à conexão série entre entrada e saída.

4_{Neste trabalho, adota-se a relação de espiras (n) nos transformadores e nos indutores acoplados}

como sendo a relação entre o número de espiras no enrolamento secundário (nS) e o número de espiras

Figura 5.7 – Potência não-ativa processada pelo conversor flyback S-PPC com n = 1.

Fonte: Autor.

Isto significa que, contrariando a afirmação de Zhao, Yeates e Han (2013), não basta o emprego de uma topologia originalmente isolada no S-PPC para que o PPP aconteça, uma vez que o processamento de energia no conversor flyback S-PPC com n = 1 é o mesmo daquele que ocorre no buck-boost S-PPC. Apesar disso, a topologia flyback S-PPC possibilita a utilização de valores de relação de transformação (n) diferentes de um, e isso pode alterar o comportamento do processamento de energia, conforme demonstrado a seguir.

A inclusão da relação de espiras no indutor acoplado faz com que o ganho de tensão em regime permanente do flyback S-PPC seja calculado como sendo

Vout Vin = 1 k = n d 1 − d + 1. (5.3)

O gráfico da Figura 5.8 ilustra o comportamento do valor da razão cíclica para diferentes valores de n em toda a faixa de tensão de entrada do projeto de exemplo. A utilização de valores de n menores que um fará com que o conversor opere com valores Figura 5.8 – Razão cíclica em função do ganho de tensão k para diferentes valores de

relação de espiras do indutor acoplado do conversor flyback S-PPC.

maiores de razão cíclica (d) para um mesmo ganho de tensão, e isto deve resultar em alterações no projeto dos filtros para que se obtenha o mesmo desempenho especificado na Tabela 5.2.

A corrente média que circula na entrada do conversor depende apenas da tensão de entrada e da potência ativa que é drenada da fonte. Entretanto, a possibilidade de operar em razões cíclicas maiores, por meio da redução de n, permite reduzir o valor da corrente de pico sobre a chave, conforme pode ser observado no gráfico da Figura 5.9, onde a corrente de entrada é comparada entre conversores com as mesmas especificações, um com n = 0, 5 e o outro com n = 1. O conteúdo harmônico da corrente de entrada nestes dois casos é apresentado na Figura 5.10, onde observa-se que com n = 0,5 o conteúdo harmônico da corrente de entrada é menor do que com n = 1.

Figura 5.9 – Efeito da redução da relação de espiras na corrente de entrada do conversor flyback S-PPC.

Fonte: Autor.

Figura 5.10 – Espectro harmônico da corrente de entrada no conversor flyback S-PPC. (a) com n = 1, (b) com n = 0,5.

(a) (b)

A redução do conteúdo harmônico da corrente de entrada do conversor resulta na redução da corrente eficaz (ou RMS) sobre a chave (iS rms), conforme apresentado na Figura 5.11 (a), o que pode ser vantajoso dependendo da tecnologia dos semicondutores utilizados no conversor. Por outro lado, na topologia flyback, quando a chave está aberta e o circuito do secundário conduz, a tensão sobre o capacitor de saída (VC) é refletida para o lado primário, fazendo com que a tensão aplicada sobre a chave (vS) seja V_nC + Vin. Desta forma, quanto menor o valor de n, maior é a tensão aplicada sobre a chave, conforme mostra o gráfico da Figura 5.11 (b). Esse comportamento da redução da corrente eficaz e do aumento da tensão sobre a chave com a redução do valor de n pode ser tomado como um compromisso de projeto, mas que acaba não tendo influência direta na energia processada.

Figura 5.11 – Esforços sobre a chave do conversor flyback S-PPC para diferentes valores de relação de espiras. (a) Corrente RMS na chave, (b) tensão máxima sobre a chave.

(a) (b)

Fonte: Autor.

Outro efeito importante que se observa com a redução de n é que, para se manter fixos os valores percentuais de ondulações de corrente no indutor e tensão no capacitor, os valores da indutância devem ser recalculados para compensar as variações dos níveis de corrente e tensão de operação. A Figura 5.12 (a) apresenta os valores de indutância necessários para manter a ondulação de corrente no indutor dentro dos limites especifi- cados no projeto de exemplo e a Figura 5.12 (b) apresenta o valor do capacitor de saída para manter a ondulação de tensão. Observa-se que quanto menor o valor de n, maiores deverão ser os valores do indutor e do capacitor de filtro nesta topologia.

Utilizando-se as simulações numéricas para computar a potência não-ativa pro- cessada pelo conversor, os gráficos apresentados na Figura 5.13 permitem comparar o desempenho do conversor flyback S-PPC para diversos valores de n em termos da po- tência não ativa no capacitor (a), no indutor (b), na entrada (c) e total (d). A análise da figura permite observar que os valores de N , para n = 1 apresentam um comporta- mento similar ao da topologia buck-boost S-PPC não-isolada. Para valores diferentes de

Figura 5.12 – Valores projetados dos filtros do conversor flyback S-PPC. (a) Indutor, (b) capacitor.

(a) (b)

Fonte: Autor.

n, o comportamento da potência não-ativa total também não apresenta diferenças muito significativas.

Ainda de acordo com a Figura 5.13, observa-se que para valores maiores de n, a potência não-ativa na entrada (Nin) é menor do que para valores menores de n. Isso ocorre pela redução do conteúdo harmônico da corrente de entrada, mas também provoca um aumento da potência não-ativa processada no capacitor, que acaba quase por anular tal efeito, e, assim, a redução na potência não-ativa total é muito pequena. Também é possível observar que para n = 2, a potência não-ativa na entrada se torna ainda maior, e, neste caso, a potência não-ativa total no conversor é maior do que aquela observada para o buck-boost S-PPC.

A Figura 5.14 apresenta a diferença percentual da potência não-ativa processada no flyback S-PPC em relação ao conversor boost de referência para diferentes valores de n. Observa-se que mesmo utilizando valores pequenos na relação de espiras do indutor acoplado, em nenhum caso a potência não-ativa processada pelo conversor flyback S-PPC apresenta uma diferença abaixo da faixa de 10 %, sendo que para n = 2 a diferença é sempre positiva, indicando que o mesmo sempre processa maior potência não-ativa do que o boost de referência.

Com isso, conclui-se que não há vantagens no uso da topologia flyback S-PPC em relação à topologia boost convencional, e que esta topologia, assim como a sua versão não-isolada, não se trata de uma topologia PPP.

Figura 5.13 – Comportamento da potência não-ativa no conversor flyback S-PPC em função da tensão de entrada para diferentes relações de espiras no indutor acoplado.

Fonte: Autor.

Figura 5.14 – Comparação da diferença percentual entre a potência não-ativa total pro- cessada no flyback S-PPC em relação ao valor de referência.