Circuitos para Correção do Fator de Potência

Uma análise sobre diferentes circuitos aplicados como estágio de correção do fator de potência foi realizada. Os resultados desta análise são mostrados com maiores detalhes no Apêndice A.

Contudo a escolha do circuito a ser empregado como estágio PFC depende da aplicação do sistema e das características da carga. No caso do conversor Buck-Boost, é possível alimentar cargas com tensões menores ou maiores que a de entrada e manter um fator de potência unitário. Entretanto, a polaridade da tensão da carga é contrária à de entrada e a tensão aplicada ao interruptor é a soma da tensão de entrada com a tensão de saída.

O conversor Buck tem seu uso limitado às cargas com tensões menores que a da fonte de alimentação. Então, nos instantes em que a tensão da rede é inferior à de saída, a corrente de entrada permanece em zero. Em função disto, este conversor apresenta uma distorção na corrente de entrada. Entretanto, esta distorção é menor conforme a tensão de saída diminui e, dependendo do seu valor, é possível atender as normas e obter um alto fator de potência com este circuito. O interruptor, assim como o diodo, é submetido somente à tensão de entrada o que pode representar uma vantagem quando comparado aos demais conversores. Porém, uma desvantagem deste conversor é o fato de não poder compartilhar a mesma referência entre a fonte de entrada, a carga e o interruptor. Isso dificulta a implementação do circuito de comando do interruptor e de controle da variável de saída (tensão ou corrente).

Por sua vez, o conversor Boost, está limitado a tensões de saída maiores que a de entrada, e seu fator de potência aumenta quanto maior for a tensão de saída. Dentre as vantagens deste conversor está o fato de ele compartilhar a mesma referência entre a carga, a fonte de entrada e o interruptor, simplificando o circuito de comando. Porém, a tensão aplicada ao interruptor é maior.

Ao contrário do circuito Valley-Fill, os conversores CC-CC aplicados à correção do fator de potência podem fornecer uma tensão de saída com valores próximos ao da carga e com ondulação baixa, desde que uma alta capacitância seja empregada. No entanto, o custo e o volume de um capacitor estão relacionados aos valores da capacitância e da tensão máxima deste componente.

Em função disto, capacitores eletrolíticos, que possuem capacitâncias elevadas a um custo relativamente baixo comparado a outros modelos de capacitores, têm sido empregados durante anos em circuito eletrônicos, inclusive nos sistemas de iluminação. Entretanto, a vida

útil para capacitores deste tipo varia entre 1.000 e 15.000 horas (EPCOS, 2012), o que é considerada curta se comparada à vida útil dos LEDs, que podem chegar a 50.000 horas (Luxeon, 2011b). Portanto, os capacitores eletrolíticos podem ser responsáveis pela redução da vida útil de um sistema de iluminação empregando LEDs.

Capacitores eletrolíticos de longa vida útil vêm sendo comercializados, porém, o custo deste componente é superior aos demais. Por isso, a substituição de capacitores eletrolíticos por capacitores de filme, os quais possuem maior vida útil têm sido o foco das últimas pesquisas na área de iluminação de estado sólido (Almeida, 2012b; Alonso, 2011; Cosetin, 2012; Fonseca, 2012; Gu, 2009; Pinto, 2011a; Wang, 2011). Para isso, é necessária a redução da capacitância, pois capacitores de filme para tensões acima de 250 V são comercializados geralmente com valores inferiores a 68 µF (EPCOS, 2012). Além disso, o custo e o volume destes capacitores, que são superiores aos dos eletrolíticos, também são proporcionais ao valor da sua capacitância e da sua tensão máxima.

Contudo, a redução do valor do capacitor resulta em maior ondulação na tensão de saída do conversor CC-CC. Para compensar esta variação de potência na saída, um controlador com resposta rápida pode ser empregado. Dentre as técnicas de controle mais usuais estão a variação da frequência de comutação e a variação da razão cíclica. Entretanto, o método ativo para correção do fator de potência é válido se a frequência e razão cíclica do conversor forem mantidas constantes. Por isso, um controlador com resposta rápida faz com que a corrente de entrada do conversor compense a variação da tensão da rede, mantendo a potência constante, mas resultando em maior THD e baixo fator de potência.

Então, a utilização de dois estágios de conversão de energia tem sido a alternativa preferida de pesquisadores para reduzir o valor do capacitor, mantendo o alto fator de potência, baixa THD e baixa ondulação da tensão na carga (Almeida, 2012b; Cosetin, 2012). O primeiro estágio, responsável pela correção do fator de potência, pode ser composto por um conversor CC-CC operando com razão cíclica e frequência constante, fornecendo ao segundo estágio uma tensão com ondulação igual ao dobro da frequência da rede.

O segundo estágio, responsável pelo controle de potência na carga, tem a liberdade de alterar a razão cíclica ou frequência de comutação para compensar a variação da tensão do barramento e manter a potência na carga constante. Com isso, o valor do capacitor de barramento pode ser reduzido, permitindo o uso de capacitores de longa vida útil ou de baixo custo. No entanto, a utilização de dois estágios apresenta como desvantagem a redução da eficiência devido ao processo de conversão de energia de cada conversor. Além disso, há o

aumento da quantidade de componentes, principalmente do número de interruptores, que aumentam o custo da topologia.

INTEGRAÇÃO DE CONVERSORES

Os circuitos eletrônicos aplicados à iluminação geralmente apresentam um estágio para correção do fator de potência e outro estágio para o controle da potência entregue à carga. Nestes estágios, geralmente são empregados conversores CC-CC operando em alta frequência. Quando um método ativo é empregado para a correção do fator de potência, a integração deste estágio com o estágio de controle de potência é uma alternativa interessante para reduzir o número de componentes empregados, principalmente interruptores ativos e circuitos auxiliares de comando, simplificando e aumentando a confiabilidade do sistema (Bisogno, 2001; Marchesan, 2007; Dalla Costa, 2008). Como consequência da integração há o aumento da tensão ou da corrente ao qual o interruptor é submetido.

Para lâmpadas de descarga, ainda há o acréscimo de um estágio de inversão para alimentar a lâmpada com tensão alternada em baixa ou alta frequência, e que também pode ser integrado aos demais circuitos. No caso de um sistema de iluminação pública empregando LEDs alimentado pela rede elétrica ou por baterias, o estágio de inversão não é necessário, uma vez que os LEDs operam em corrente contínua. Todavia, é necessário um estágio para alimentar os LEDs através da bateria e outro para recarregá-la a partir da rede. Estes dois estágios podem ser integrados.