Capítulo 3 Conversores de Eletrónica de Potência Aplicados à Mobilidade Elétrica
3.2 Conversores CC-CC Bidirecionais Não Isolados
3.2.1 Conversor CC-CC Bidirecional Não Isolado Buck Boost
O conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost é o resultado da combinação dos conversores CC-CC unidirecionais não isolados buck e boost. Como resultado da sua junção, obtém-se então um conversor bidirecional capaz de operar em ambos os sentidos, sendo utilizado nas mais diversas aplicações de EP baseadas num fluxo bidirecional de energia, como por exemplo em aplicações onde as baterias são utilizadas [104].
O sentido da corrente que atravessa a bobina do conversor (iL1) define o seu modo de operação, em buck quando a energia flui da entrada (V1) para a saída do conversor (V2) e em modo boost a energia flui em sentido contrário, de V2 para V1. Apesar de este conversor permitir o fluxo bidirecional de energia,
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existem algumas limitações a ter em consideração aquando da sua aplicação. Uma das limitações mais relevantes deve-se ao facto de o conversor apenas operar em dois quadrantes, não permitindo inverter o sentido dos modos de operação nem utilizar os dois modos em simultâneo [105].
Na Figura 3.1 pode-se observar o esquema do conversor de potência descrito. O díodo utilizado nos conversores de potência unidirecionais buck e boost deu lugar a um novo semicondutor totalmente controlado (S2), contudo a bobina (L1) presente teve de ser novamente dimensionada para valores de corrente e potência mais elevados. Para o dimensionamento dos condensadores C1 e C2 é necessário ter em consideração a tensão nominal máxima que se pretende no barramento onde os mesmo se encontram.
Figura 3.1 – Conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost.
Operação no Modo Boost
No decorrer do modo de operação boost, o comportamento do conversor de potência será em tudo semelhante ao descrito na literatura para o conversor CC-CC unidirecional não isolado do tipo boost.
Como tal, o conversor irá apresentar na sua saída (V1) um valor de tensão contínuo superior ao presente na sua entrada (V2). Sendo o seu comportamento igual ao conversor CC-CC bidirecional não isolado boost, as equações que fornecem o valor do duty cycle (D), tensão de saída do conversor (Vout), tensão (VL1) e variação da corrente (iL1) na indutância serão compartilhadas [106].
Na Figura 3.2, é representado o momento em que um sinal de PWM é empregue ao semicondutor de potência S2 colocando-o em comutação, ao passo que o semicondutor S1 se encontra em aberto.
Enquanto S2se encontra a comutar, a fonte de tensão presente na entrada do conversor (V2) será responsável por fornecer energia ao condensador C2e à bobina L1, sendo que será o condensador C1
responsável por fornecer energia à carga presente na saída do conversor V2. Na equação (3.1), é
C1
C2
L1
S1
V1
VL1
V2
i1
iL1
i2
S2
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fornecida a tensão em L1, ao passo que, a equação (3.2) representa a variação positiva da corrente no indutor.
Figura 3.2 - Operação do conversor CC-CC bidirecional não isolado buckboost em modo boost: state on.
𝑉𝐿1 = 𝑉𝑖𝑛 (3.1)
∆𝑖𝐿𝑜𝑛= 𝑉𝑖𝑛 𝑡𝑜𝑛 𝐿
(3.2)
Por outro lado, na Figura 3.3 é representado o momento em que o semicondutor de potencia S2 deixa de comutar, ficando ambos em aberto. Neste momento, a fonte V2 irá alimentar todos os componentes constituintes do conversor de potência, inclusive a saída V1. Este fenómeno só é possível graças ao díodo freewheeling presente no semicondutor de potência S2 ser capaz de fornecer um caminho à corrente IL. A tensão aos terminais da bobina quando S2 se encontra em aberto é então obtida através da equação (3.3), sendo também possível obter a expressão da variação negativa da corrente no indutor presente na equação (3.4).
𝑉𝐿1 = 𝑉𝑖𝑛− 𝑉𝑜𝑢𝑡 (3.3)
−∆𝑖𝐿𝑜𝑓𝑓 = (𝑉𝑜𝑢𝑡 − 𝑉𝑖𝑛) 𝑡𝑜𝑓𝑓 𝐿
(3.4)
C1
S2 C2
L1
S1
V1=Vout
VL1
V2=Vin
i1
iL1
i2
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Figura 3.3 - Operação do conversor CC-CC bidirecional não isolado buckboost em modo boost: state off.
Recorrendo a um estudo mais aprofundado da literatura referente à topologia apresentada é possível afirmar que a variação de VL1 em regime permanente é nula, conforme a equação (3.6) [107], [108].
∆𝑖𝐿𝑜𝑛 = −∆𝑖𝐿𝑜𝑓𝑓 (3.5) variação da tensão no indutor ser nula em regime permanente, é possível obter a expressão da tensão de saída do conversor e o valor de duty cycle escolhido. A equação (3.7) representa a expressão característica do modo de operação boost do conversor CC-CC bidirecional buck boost, obtida tendo em consideração a tensão de saída.
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖𝑛 1 1 − 𝐷
(3.7)
Havendo necessidade de controlar o valor de duty cyle, D, a ser adotado o mesmo deve ser escolhido com base na relação entre o tempo a on (ton), e o período da onda (𝑡), presentes nas equações (3.8) e (3.9). O valor de duty cycle pode ser definido então com recurso à equação (3.10).
𝐷 =𝑡𝑜𝑛
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𝐷 = 1 − 𝑉𝑖𝑛 𝑉𝑜𝑢𝑡
(3.10)
Operação no Modo Buck
No decorrer do funcionamento do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost em modo buck, um sinal de PWM será empregue ao semicondutor de potência S1, ao passo que S2 se encontra em aberto. Conforme ilustrado na Figura 3.4, quando S1 se encontra a comutar, a fonte de tensão (V1) irá alimentar o condensador C2, o indutor L1 e fornecer parte da energia à carga (V2) [96]. Durante a comutação de S1, a tensão aos terminais do indutor é obtida tendo em consideração a equação (3.11), ao passo que, a variação da corrente aos terminais do indutor é fornecida pela equação (3.12).
𝑉𝐿1 = 𝑉𝑖𝑛− 𝑉𝑜𝑢𝑡 (3.11)
−∆𝑖𝐿𝑜𝑛= (𝑉𝑖𝑛− 𝑉𝑜𝑢𝑡) 𝑡𝑜𝑛 𝐿
(3.12)
Figura 3.4 - Operação do conversor CC-CC bidirecional não isolado buckboost em modo buck: state on.
Quando S1 fica em aberto, situação presente na Figura 3.5, a carga (V2) será alimentada com recurso à energia armazenada em C2 e L1, providenciando o díodo de freewhelling presente no semicondutor de potência S2 um caminho à corrente iL1. Nesse instante, a expressão da tensão obtida aos terminais do indutor é dada pela equação (3.13), ao passo que, a variação da corrente é fornecida pela equação (3.14).
𝑉𝐿1 = −𝑉𝑜𝑢𝑡 (3.13)
V1 C1
S2 C2
L1 S1
V1=Vin
VL1
V2=Vout
i1
iL1
i2
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−∆𝑖𝐿𝑜𝑓𝑓 = 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑡𝑜𝑓𝑓 𝐿
(3.14)
Figura 3.5 - Operação do conversor CC-CC bidirecional não isolado buckboost em modo buck: state off.
Conforme analisado e comprovado no modo de operação boost, a variação da tensão aos terminais do indutor em regime permanente é nula [107], [108]. Recorrendo á literatura uma vez mais é possível constatar que essa mesma variação será igualmente nula em modo buck, logo igualando as equações (3.12) e (3.14) obtemos a equação (3.15).
(𝑉𝑖𝑛− 𝑉𝑜𝑢𝑡) 𝑡𝑜𝑛
𝐿 =𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑡𝑜𝑓𝑓 𝐿
(3.15)
De forma a obter as expressões características do funcionamento do conversor em modo buck e tendo em consideração as equações (3.8) e (3.9), a expressão da tensão de saída do conversor (Vout) em função da tensão de entrada (Vin) é dada pela equação (3.16), ao passo que a expressão que fornece o valor de duty cycle é fornecida pela equação (3.17).
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖𝑛 𝐷 (3.16)
𝐷 =𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑖𝑛
(3.17)