O principal objetivo desta seção é fazer uma comparação entre a topologia proposta com o conversor mais utilizado para aplicações similares, que é o conversor DAB. O conversor DAB, conversor DAB incluindo um conversor boost de entrada, e o conversor CC- CC integrado full-bridge-forward proposto incluindo um conversor boost de entrada são comparados na Tabela 4-9 em termos de número de componentes, níveis de corrente na entrada, saída, no transformador e nos interruptores dos conversores operando na potência nominal, entre outros. Estes valores foram obtidos através de simulações dos conversores realizadas no software Psim® com componentes ideais, exceto o transformador.
De maneira a se realizar uma comparação justa, a relação de transformação (n1:n2 =
1:6) e a frequência de operação (fs = 50 kHz) foram escolhidas iguais. Além disso, o
parâmetro conhecido como dDAB, dado por (2.3) foi mantido próximo a 1 para os três
conversores. Isto traz vantagens principalmente para a operação dos conversores DAB, uma vez que garante uma faixa de potência mais ampla com operação ZVS e menores níveis de ondulação de corrente na entrada, na saída, no transformador e nos interruptores do conversor. A indutância de dispersão do transformador precisou ser aumentada para ambos os conversores DAB para viabilizar a obtenção do nível de tensão de saída desejado na potência de interesse de acordo com (2.2), mantendo dDAB próximo a 1.
Através da análise dos dados da Tabela 4-9, algumas conclusões podem ser obtidas. O volume total do transformador é praticamente o mesmo para os três conversores. O volume do núcleo é o mesmo, enquanto que o volume do cobre é similar. Isso ocorre, pois apesar das relações de espiras serem iguais, os níveis de corrente através do DAB e do DAB com o conversor boost são maiores do que no conversor proposto, exigindo maior área de cobre, enquanto que o conversor proposto, por sua vez, exige um enrolamento terciário adicional projetado para uma baixa corrente de carga.
Observa-se também que o conversor proposto apresenta menor número de dispositivos ativos do que o conversor DAB, porém maior número de dispositivos passivos. Entretanto, é importante ressaltar que os indutores proporcionam correntes de entrada e de saída com pequenas ondulações, um dos principais objetivos para a aplicação. O conversor DAB, por outro lado, apresenta correntes de entrada e de saída com elevada ondulação. O conversor DAB com o conversor boost apresenta corrente de saída com elevada ondulação e exige nove interruptores. Um indutor de dispersão adicional foi considerado para cada conversor,
permitindo o ajuste da faixa de potências na qual o conversor pode operar ou da faixa de operação com comutação suave.
Tabela 4-9 - Comparação dos conversores DAB e conversor proposto.
Parâmetros DAB DAB + boost FB-Forwardboost +
Interruptores 8 9 6 ou 7*
Indutores 1 2 3 ou 4*
Diodos 0 1 5 ou 6*
Corrente RMS de entrada (sistema de
armazenamento) (A) 32,71 29,51 29,50
Ondulação da corrente de entrada (A) 63,89 10,68 10,97 Corrente RMS de saída (barramento
CC) (A) 5,45 3,99 3,51
Ondulação da corrente de saída (A) 16,61 7,31 0,50
Corrente RMS no primário (A) 32,71 23,97 20,73
Corrente RMS no secundário (A) 5,45 3,96 3,46
Relação de espiras do transformador 1:6 1:6 1:6:7 Volume do núcleo do transformador
(cm3) 78,20 78,20 78,20
Indutância de dispersão do
transformador (μH) 4 6,67 1
Ângulo de defasagem (graus) 41 41 159,5
Corrente RMS no interruptor do
conversor boost (A) - 22,69 22,87
Corrente RMS nos interruptores do full-
bridge do lado primário (A) 23,58 17,07 14,66
Corrente RMS nos interruptores do full-
bridge do lado secundário (A) 3,91 2,85 -
Tensão nos interruptores do full-bridge
do lado primário (V) 48 80 80
Tensão nos interruptores do full-bridge
do lado secundário (V) 400 400 -
Tensão no interruptor do forward
double-ended (V) - - 964
A respeito do conversor proposto, as corrente eficazes de entrada, de saída e no transformador são similares, porém menores do que nos seus concorrentes, exigindo menor área de cobre. As correntes eficazes dos interruptores também são similares, exigindo interruptores que suportem praticamente os mesmos níveis de corrente. Uma desvantagem é que o interruptor do conversor forward double-ended opera com tensão elevada.
Portanto, pode-se concluir que apesar do conversor proposto apresentar maior número de dispositivos passivos e sobretensão no interruptor do conversor forward double-ended, correntes de entrada e de saída com baixa ondulação são atingidas com menor número de dispositivos ativos, sem comprometer o volume do transformador e os níveis de corrente dos interruptores. Comparações baseadas em resultados experimentais são apresentadas no capítulo 5.
4.6 Conclusão
Este capítulo apresentou questões específicas relacionadas ao conversor CC-CC integrado full-bridge-forward proposto, como metodologia de projeto, modelagem estática do processo de carga do elemento de armazenamento de energia realizado pelo conversor forward double-ended sem indutor de saída e comparação com o conversor DAB.
Devido ao processo de integração do conversor proposto, diversas questões de projeto estão interligadas (perda de razão cíclica, desvio de corrente magnetizante, níveis de tensão, rendimento, volume, entre outros) e devem ser analisadas para primeiramente permitir o funcionamento adequado do conversor e, posteriormente, obter o rendimento mais elevado possível para a topologia, além de não comprometer custo e volume. A partir da metodologia de projeto realizada, pode-se constatar que ambos os objetivos podem ser atingidos para o conversor proposto.
Um procedimento de projeto do conversor incluindo transformador, níveis de tensão, circuitos grampeadores e indutores foi proposto e exemplificado. Observou-se que o transformador é um elemento de grande importância no funcionamento do conversor e deve ser confeccionado de maneira a apresentar elevada indutância magnetizante e reduzidas indutâncias de dispersão (principalmente entre os enrolamentos primário e terciário) com o objetivo de reduzir as perdas do conversor, sendo o impacto da indutância magnetizante mais significativo sobre o seu rendimento. O projeto dos circuitos grampeadores apresentou erros sempre inferiores a 2,5 % e, na maioria das vezes, inferiores a 0,8 % para os parâmetros projetados, os quais se devem ao fato de considerar a tensão do circuito grampeador constante
e que toda a corrente desviada ao circuito grampeador circula pelo capacitor. O modelo do ganho estático do conversor forward double-ended foi obtido e validado através de simulações.
A comparação do conversor proposto incluindo o conversor boost de entrada com o conversor DAB mostrou que o conversor proposto apresenta menor quantidade de interruptores (6 contra 8, considerando os grampeadores passivos), menor ondulação nas correntes de entrada (10,97 A contra 63,89 A no elemento de armazenamento) e de saída (0,50 A contra 16,61 A no barramento CC), níveis similares de corrente eficaz no transformador e nos interruptores, e mesmo volume do transformador. Por fim, a comparação do conversor proposto incluindo o conversor boost de entrada com o conversor DAB também incluindo o conversor boost de entrada mostrou que o conversor proposto apresenta menor quantidade de interruptores (6 contra 9, considerando os grampeadores passivos), ondulação similar na corrente de entrada, menor ondulação na corrente de saída (0,50 A contra 7,31 A), níveis similares de corrente eficaz no transformador e nos interruptores, e mesmo volume do transformador.
Resultados experimentais
5.1 Introdução
Este capítulo apresenta os resultados experimentais do funcionamento do conversor CC-CC integrado full-bridge-forward proposto, com o objetivo de validação da análise teórica realizada e análise do seu desempenho, e também do conversor DAB, com o objetivo de se realizar uma análise comparativa com o conversor proposto. Inicialmente, os resultados experimentais do conversor proposto, incluindo os modos de carga (conversor forward double-ended com três circuitos grampeadores) e descarga (conversor full-bridge e conversor boost de entrada) são apresentados. Na sequência, os resultados experimentais do conversor DAB, também incluindo os modos de carga e descarga, são apresentados. Os parâmetros da aplicação comuns a ambas as topologias são apresentados na Tabela 5-1.
Todos os sinais modulados por largura de pulso (PWM) de acionamento dos interruptores foram gerados utilizando o DSP TMS320F28335 do fabricante Texas Instruments. As medições de potência e rendimento foram realizadas com o digital power meter WT1600 do fabricante Yokogawa.
Tabela 5-1 - Parâmetros da aplicação.
Parâmetro Símbolo Valor
Tensão do barramento CC Vbus 400 V
Tensão de carga no conversor full-bridge Vcharg 54 V
Tensão de descarga no conversor full-bridge Vfb 80 V
Tensão nominal do elemento de armazenamento de energia Vsto 48 V
Potência de carga nominal Pch 100 W
Máxima potência de descarga Pdisch 1,4 kW
Frequência de comutação fs 50 kHz