Análise da topologia full-bridge S-PPC

A topologia full-bridge S-PPC, apresentada na Figura 5.23, é baseada na conexão EPSS da topologia full-bridge phase-shift, a qual é amplamente conhecida e utilizada na literatura, apresentando bom desempenho em termos de eficiência e densidade de potên- cia (ZANATTA, 2006; SCHMIDT, 2017). Esta topologia é normalmente empregada em potências ativas superiores às do forward S-PPC, e tem como característica a utilização de uma ponte completa de transistores que permite inverter a polaridade da tensão aplicada no primário do transformador, e, assim, possibilita fazê-lo operar em dois quadrantes, diminuindo o seu tamanho e eliminando a necessidade de um circuito auxiliar de desmag- netização5_{. No secundário, utiliza-se a derivação central do transformador para formar}

um retificador de onda completa com dois diodos. Apesar de fazer com que a tensão aplicada nos diodos seja o dobro de VC, esta configuração é comumente utilizada para baixas tensões de saída, pois reduz as perdas de condução ao utilizar dois diodos a menos do que um retificador em ponte.

Figura 5.23 – Topologia full-bridge S-PPC.

Fonte: Autor.

A modulação phase-shift das chaves S1 a S4 é ilustrada na Figura 5.24. Nesta

análise, a razão cíclica d é considerada como sendo proporcional ao ângulo de defasagem do sinal modulante entre as duas pernas da ponte completa (Φ), sendo d = 0 quando Φ = 0 e d = 1 quando Φ = 180◦. A principal vantagem deste tipo de modulação

5_{Quando a modulação utilizada é do tipo phase-shift, esta topologia dispensa o uso de qualquer}

dispositivo de desmagnetização do transformador. Entretanto, como medida de segurança, foi inserido um capacitor (CT) em série ao enrolamento primário para garantir corrente média nula e assim evitar

a saturação do núcleo do transformador causada por possíveis diferenças nos tempos de comutação das chaves. A energia processada por este capacitor é muito pequena, por isso, é desprezada na análise apresentada.

Figura 5.24 – Sequência de acionamento das chaves do conversor full-bridge S-PPC.

Fonte: Autor.

é permitir acionamento das chaves sob tensão nula (também conhecido como ZVS, do inglês, Zero-Voltage Switching) para uma determinada faixa de corrente de carga. Neste caso, o tempo morto entre as chaves de uma mesma perna é calculado dependendo das características de dispersão do primário do transformador e da capacitância de saída das chaves.

O ganho de tensão em regime permanente do full-bridge S-PPC é dado por Vout

Vin = 1

k = n d + 1 (5.7)

que é o mesmo ganho de tensão observado pelo conversor forward S-PPC apresentado na seção anterior. A diferença é que a topologia full-bridge permite operar em toda faixa de razão cíclica (de 0 a 100 %), sendo possível utilizar valores menores de n para a mesma faixa de regulação de tensão em comparação ao conversor forward S-PPC. A razão cíclica em função de k para diferentes valores de relação de transformação é apresentada na Figura 5.25.

Considerando o limite da razão cíclica (dmax = 1), é possível calcular o valor mínimo de n em função da faixa de regulação de tensão que se deseja para o conversor, como sendo nmin = VCmax Vinmindmax = Vout− Vinmin Vinmindmax . (5.8)

No exemplo de projeto considerado, onde Vinmin = 154 V, o valor mínimo de n que permite operar na faixa de tensão estabelecida é 0,428. Desta forma, uma relação de espiras n = 0, 5 é considerada uma escolha adequada para este projeto, uma vez que isto

Figura 5.25 – Razão cíclica em função da tensão de entrada para diferentes valores de relação de espiras do transformador do conversor full-bridge.

Fonte: Autor.

corresponde a uma razão cíclica máxima de 85,7 % (ou 154,3◦ no valor de Φ), deixando uma margem de 14,3 % de razão cíclica para ação de controle e compensar as perdas não-modeladas e de tempo morto.

Na topologia full-bridge S-PPC, os valores dos filtros necessários apresentam os mesmos valores da topologia forward S-PPC, conforme pode ser visto na Figura 5.26, para uma mesma frequência no circuito secundário. Entretanto, devido às características de chaveamento da topologia full-bridge (Figura 5.23), a frequência imposta sobre os filtros do secundário é o dobro da frequência de comutação das chaves do primário.

Por isto, para manter justa a comparação entre as topologias S-PPC apresentadas anteriormente e a topologia full-bridge S-PPC, as chaves do primário do conversor full- bridge S-PPC são acionadas com a metade da frequência de comutação utilizada nas demais topologias. Com isso, a frequência de comutação utilizada no exemplo de projeto Figura 5.26 – Valores projetados dos filtros do conversor full-bridge S-PPC. (a) Indutor,

(b) capacitor.

(a) (b)

é de 35 kHz e a frequência aplicada nos filtros é a mesma nos dois conversores (70 kHz), resultando no mesmo tamanho dos componentes do filtro LC.

Os resultados das simulações das potências não-ativas nos elementos do conversor full-bridge S-PPC são apresentados na Figura 5.27, no capacitor (a), no indutor (b), na entrada (c) e total (d). Conforme se pode observar, a potência não-ativa em todos elemen- tos do conversor full-bridge S-PPC é significativamente menor do que aquela apresentada pelo conversor forward S-PPC. Além disso, nesta topologia, para um valor de n = 0, 5 é possível garantir regulação da tensão em toda a faixa.

A Figura 5.28 apresenta a diferença percentual da potência não-ativa processada no full-bridge S-PPC em relação ao conversor de referência para diferentes valores de n. Nesta figura o PPP torna-se evidente, pois a potência não-ativa processada chega a ser 80 % menor do que no conversor de referência para o exemplo de projeto que utiliza n = 0,5.

Diante destes resultados, conclui-se que a topologia full-bridge S-PPC também é uma topologia PPP, sendo que o processamento de energia é ainda menor do que aquele Figura 5.27 – Comportamento da potência não-ativa no conversor full-bridge S-PPC em função da tensão de entrada para diferentes relações de espiras no transfor- mador. (a) No capacitor, (b) no indutor, (c) na entrada e (d) total.

Figura 5.28 – Comparação da diferença percentual entre a potência não-ativa total pro- cessada no full-bridge S-PPC em relação ao valor de referência.

Fonte: Autor.

observado na topologia forward S-PPC, além de possuir uma capacidade maior de regu- lação de tensão. Conclui-se que quanto menor o valor de n, melhor será o desempenho do conversor em termos de energia processada e menor será o tamanho de seus filtros. Também nesta topologia, a faixa de regulação em tensão se torna uma das especificações mais importantes de seu projeto.

5.1.5 Comparação entre as topologias S-PPC elevadoras de tensão avaliadas

Para resumir os resultados das simulações da potência não-ativa nas topologias S-PPC elevadoras de tensão avaliadas anteriormente, a Figura 5.29 apresenta a potência não-ativa em valores absolutos e a Figura 5.30 apresenta os mesmos valores em termos percentuais em relação ao conversor de referência, mostrando que entre estas topologias, somente a topologia forward S-PPC e full-bridge realizam PPP.