CONVERSORES CC-CC TRÊS NÍVEIS LLC RESSONANTES

Em aplicações que necessitam de elevadas tensões de alimentação como sistemas trifásicos, sistemas a célula a combustível, sistemas fotovoltaicos e sistemas de distribuição de potência elétrica em navios, conversores de três níveis tem sido utilizados, pois a tensão sob cada interruptor principal equivale à metade da tensão de entrada (LEE; MOON, 2012).

Estruturas de conversores CC-CC de três níveis ressonantes e não ressonantes capazes de operar com comutação suave são propostas para aplicações que requerem elevadas tensões de entrada ou ampla faixa de tensão de entrada e saída. Tais estruturas são derivações das topologias meia ponte e ponte completa. A Figura 6 apresenta uma estrutura de um conversor CC-CC três níveis ressonante apta para aplicações de sistemas de células a combustível.

Figura 6 – Conversor CC-CC híbrido três níveis ressonante

Fonte: Autoria própria

Pelo fato de as células a combustível possuírem resposta lenta e variação de tensão com variação da carga, a faixa de tensão de saída é geralmente entre 200 a 400 V. Tal variação é, em geral, inadequada quando da alimentação direta de um inversor. Portanto, é necessário um conversor CC-CC que converta a tensão de saída variável proveniente da célula a combustível numa tensão constante. Além do mais, o conversor CC-CC deve ser adaptável para uma ampla faixa de tensão de entrada. Sendo estas as características requeridas para um sistema de células a combustível, o conversor ilustrado na Figura 6 e denominado de conversor híbrido ponte completa de três níveis (Hybrid Full Bridge Three Level) possui características apropriadas para

ampla faixa de tensão de entrada. As características são: os interruptores S1, S2, S3 e S4 são submetidos à metade da tensão de entrada em seus terminais e podem realizar comutação ZVS para ampla faixa de variação de carga, tensão máxima nos interruptores S5 e S6 é igual a tensão de entrada e estes podem também realizar comutação suave do tipo ZVS, o conversor pode operar com modulação três níveis e dois níveis, o que ocasiona menor conteúdo harmônico na tensão retificada, possibilitando que o filtro de saída tenha menor peso e volume (JIN; RUAN, 2005).

A topologia apresentada por Jin e Ruan integra as vantagens do conversor híbrido ponte completa de três níveis com a vantagem do conversor LLC ressonante. Um protótipo do conversor com tensão de entrada de 200 a 400 V e saída de tensão de 360 V e corrente de 4 A foi construído, obtendo-se rendimentos máximos acima dos 95%.

Outros conversores CC-CC híbridos ponte-completa ressonantes de três níveis foram propostos na literatura por Canales et al. e Chen et al. e obtiveram como resultados a redução das perdas por condução com a estrutura três níveis, devido aos níveis de tensão reduzidos nos semicondutores. Além desta vantagem, ressalta-se também que a potência de saída pode ser controlada em uma frequência fixa e os diodos retificadores possuem a capacidade de comutação ZCS (HAGA; KUROKAWA, 2017).

Um conversor CC-CC três níveis ressonante semelhante à topologia anterior é apresentado na Figura 7. Este conversor foi denominado pelos autores de Full- Bridge Three-Level LLC Resonant (HAGA; KUROKAWA, 2017).

Figura 7 – Full-Bridge Three-Level LLC Resonant (HAGA; KUROKAWA, 2017)

Para tal estrutura, os autores estudaram um método de modulação a qual possibilita o uso da modulação dois níveis, três níveis e modulação mista. Além disso, a topologia usa razão cíclica variável e frequência fixa. Estimou-se, por meio de simulação e cálculo de perdas, que tal conversor operando com tensão de saída de 225 a 378 V obteria com carga completa um rendimento de 97,98% e 98,09%, respectivamente. Com ensaios experimentais com o protótipo os autores alcançaram um rendimento máximo de 94,56% (HAGA; KUROKAWA, 2017).

Em algumas topologias de conversores CC-CC três níveis aplicaram-se técnicas, em que há alternância entre dois tipos de modulação, possibilitando que se mantenha alto rendimento apesar das variações de tensão. A Figura 8 apresenta um conversor CC-CC ponte completa de três níveis LLC ressonante (Full-Bridge Three- Level LLC Resonant), em que foi aplicado tal técnica de modulação. Este conversor foi estudado na literatura com o intuito de aplicá-lo no carregamento de bateria de veículos elétricos.

Figura 8 – Full-Bridge Three-Level LLC Resonant (CANALES; LI; AGGELER, 2012)

Fonte: Autoria própria

O objetivo de Canales, Li e Aggeler foi propor um método de modulação que reduza o impacto da ampla faixa de tensão de entrada e saída no rendimento do conversor CC-CC isolado com elevada tensão de entrada e aplicações de elevada potência. A abordagem dos autores combina o uso da topologia de três níveis com as estratégias de modulação propostas que permitem a operação do conversor com modulação dois níveis e três níveis, de acordo com a faixa de tensão de entrada/saída. Ainda constataram que as técnicas ressonantes e não ressonantes podem ser facilmente implementadas na topologia utilizando esta estratégia de modulação, sem

comprometer a característica de comutação suave. Além disso, um novo circuito de acionamento dos interruptores é apresentado por Canales, Li e Aggeler, resultando na otimização do transformador, do filtro de entrada e saída e dos elementos ressonantes, sendo benéfico no desempenho global do conversor (CANALES; LI; AGGELER, 2012).

Os mesmos autores apresentaram resultados experimentais de um protótipo do conversor especificado com potência de 20 kW, tensão de entrada de 750 V e tensão de saída na faixa de 325 a 650 V, na qual apresentaram-se melhores rendimentos. A Figura 9 apresenta a eficiência global medida pelos autores, do conversor CC-CC três níveis com o método de modulação proposto.

Figura 9 – Eficiência global do conversor CC-CC três níveis

Fonte: Adaptado de Canales; Li e Aggeler (2012)

Observa-se, pelos resultados de rendimento reportados, que o conversor apresentou elevado rendimento com a alternância das modulações de dois níveis e três níveis.

Segundo Canales, Li e Aggeler (2012), um dos problemas associados com conversores com comutação suave é o baixo desempenho quando estes operam com variação da tensão de entrada ou saída. No caso destas aplicações, para regular a

tensão de saída, os conversores têm operado com ampla faixa de frequência de comutação ou razão cíclica. Por estes fatos, a otimização do conversor torna-se difícil, resultando não somente no aumento dos esforços nos semicondutores e circulação de energia no conversor, mas também na redução da eficiência.

A partir da revisão bibliográfica acerca de tais topologias descritas, conclui-se que a principal vantagem da utilização dos conversores CC-CC de três níveis, tanto os híbridos quanto convencionais (ponte completa) propostos na literatura são a tensão submetida aos interruptores ser igual a metade da tensão de entrada. Tal vantagem possibilita o projeto destas topologias com elevada tensão de entrada e elevada potência. Porém, uma desvantagem é perceptível com relação ao maior número de componentes no caminho da corrente com o uso da estrutura NPC, o que ocasiona maiores perdas em condução. Além do mais, foram empregadas técnicas de modulação que possibilitam elevada eficiência, mesmo com a ampla faixa de tensão de entrada ou saída.