3.4 Conversor forward double-ended com grampeador passivo dissipativo
3.4.3 Desvio da corrente magnetizante
Através da descrição das etapas de funcionamento, das formas de onda e do equacionamento do conversor forward double-ended, pode-se observar que uma parcela da corrente magnetizante é desviada para o circuito grampeador passivo dissipativo durante as etapas de operação 2 e 3, iniciando no momento do bloqueio do interruptor principal do conversor. Este fato é prejudicial, uma vez que uma parcela de energia que seria transferida para a saída e que pode ser significativa, é dissipada sob a forma de calor no resistor do grampeador, reduzindo o rendimento do conversor.
Este processo de desvio da corrente magnetizante para o circuito grampeador passivo dissipativo pode ser melhor analisado através da Figura 3.12. A Figura 3.12(a) e a Figura
3.12(b) mostram a corrente que circula através do circuito grampeador (iDcl) e a corrente de
saída do conversor forward double-ended (ifb), respectivamente.
(b) (a) (c) (d) Corrente no grampeador comVclbaixa Corrente de saída comVclbaixa Corrente no grampeador comVclalta Corrente de saída comVclalta B C D A E F G H F’ B’ A’ C’ D’ E’ G’ H’ 1ª etapa 2ª etapa 4ª etapa 3ª etapa
Figura 3.12 – Desvio da corrente magnetizante.
Na etapa 2, toda a corrente magnetizante e de saída refletida circulam pelo circuito grampeador. Na etapa 3, a corrente magnetizante é desviada para a saída do conversor, sendo que parte desta corrente circula pelo circuito grampeador e, outra parte, pela ponte de diodos. Ao final desta etapa, toda a corrente magnetizante circula pela ponte de diodos.
O circuito grampeador participa do processo de desmagnetização, pois sua tensão é aplicada sobre os enrolamentos do transformador e uma determinada quantidade de corrente circula por ele. A tensão do circuito grampeador não apresenta grande impacto sobre o tempo de desmagnetização total, porém afeta o tempo de duração das etapas 2 e 3, e as perdas no circuito grampeador, como mostrado na sequência.
No momento do bloqueio do interruptor do conversor forward double-ended, uma tensão negativa é aplicada sobre a indutância de dispersão do primário. Esta tensão é dada por
(
)
1 3 1 3 d d L bus cl L fb n v V V v V n = − − − . (3.29)Como a tensão sobre a indutância de dispersão do terciário e as tensões do barramento e do conversor full-bridge são praticamente constantes, observa-se que quanto maior for a
tensão do circuito grampeador, maior será a tensão reversa aplicada sobre a indutância de dispersão do primário, e vice-versa.
Quando a tensão do circuito grampeador tem valor baixo, Figura 3.12(a) e Figura 3.12(b), a derivada decrescente de corrente sobre a indutância de dispersão do primário também é pequena, sendo necessário mais tempo para levar a zero a corrente que circula pela mesma e, posteriormente, inverter o seu sentido. Durante este tempo, as correntes magnetizante e de saída refletida são totalmente desviadas para o circuito grampeador. Quando a corrente que circula pela indutância de dispersão do primário cai a zero, dando início à etapa 3, esta continua decrescendo, pois os diodos da diagonal oposta entram em operação, fornecendo caminho para a circulação da corrente. Nesta etapa, a corrente magnetizante começa a se transferir para a saída do conversor, porém parte dela ainda circula pelo circuito grampeador. O tempo desta transferência é determinado pela tensão aplicada sobre a indutância de dispersão do terciário, dada por
(
)
3 1 3 1 d d L bus cl L fb n v V V v V n = − − − . (3.30)Como a tensão é reduzida, pois foi assumido que a tensão do circuito grampeador tem valor baixo, a derivada de corrente sobre a indutância de dispersão do terciário é pequena, levando mais tempo para zerar a corrente sobre o circuito grampeador e transferir toda a corrente magnetizante para a saída do conversor. Portanto, a corrente desviada para o circuito grampeador, delimitada pelos pontos ABCD na Figura 3.12(a) é grande e a corrente entregue para a carga, delimitada pelos pontos EFGH na Figura 3.12(b), acaba por ser reduzida.
Quanto maior for a tensão do circuito grampeador, maior será a tensão reversa aplicada sobre a indutância de dispersão do primário na etapa 2 e sobre a indutância de dispersão do terciário na etapa 3. Logo, maiores serão as derivadas decrescentes das correntes que circulam por estas indutâncias. Consequentemente, menor será o tempo necessário para ocorrer a inversão da corrente que circula pelo primário e também para zerar a corrente que circula pelo circuito grampeador. Portanto, quando a tensão do circuito grampeador é elevada, a corrente desviada para o circuito grampeador, delimitada pelos pontos A'B'C'D' na Figura 3.12(c) é pequena e a corrente entregue para a carga, delimitada pelos pontos E'F'G'H' na Figura 3.12(d), acaba por ser aumentada. A Figura 3.12(c) e a Figura 3.12(d) mostram a corrente que circula através do circuito grampeador (iDcl) e a corrente de saída do conversor
forward double-ended (ifb), respectivamente, com uma tensão elevada do circuito grampeador.
Desta maneira, pode-se concluir que, quanto maiores os tempos gastos para inverter a corrente no enrolamento primário e zerar a corrente que circula pelo circuito grampeador,
maior parcela da corrente magnetizante é desviada para o circuito grampeador. Uma análise detalhada dos fatores que afetam a quantidade de energia dissipada no circuito grampeador é realizada na seção 4.2.3. Por outro lado, como a tensão aplicada em Sw5 é a tensão do circuito
grampeador, quanto maior for esta tensão, maior deve ser a tensão suportada por Sw5.
Portanto, existe um compromisso entre esses fatores.
Este problema do desvio da corrente magnetizante não é exclusividade do conversor forward double-ended estudado. Topologias do conversor flyback e forward, tanto clássicas quanto modificadas, também apresentam este problema. Como exemplo, o conversor flyback que emprega duas chaves na entrada e um grampeamento a diodos [60], apresenta questão semelhante. Porém, enquanto a indutância de dispersão do transformador do conversor forward double-ended estudado deve ter valor baixo e a tensão do grampeador deve ter valor elevado para reverter rapidamente o sentido da corrente e desviar menor parcela da corrente magnetizante para o circuito de grampeamento dissipativo, a indutância de dispersão do transformador do conversor flyback deve ter valor baixo e a tensão aplicada sobre a indutância de dispersão deve ter valor elevado para que menor parcela da corrente magnetizante seja entregue para a fonte de entrada e maior parcela para a saída do conversor. No conversor forward clássico, a tensão do circuito grampeador deve ter valor elevado para que o diodo de roda livre e o diodo em série com o enrolamento de desmagnetização sejam acionados mais rapidamente, diminuindo a energia dissipada no grampeador.
Para minimizar este problema de dissipação da energia desviada para o circuito grampeador na topologia do conversor forward double-ended estudado, uma possível solução é substituição do circuito grampeador passivo dissipativo por outros tipos de circuitos grampeadores. Desta maneira, a próxima seção aborda o conversor forward double-ended com um circuito grampeador passivo regenerativo proposto que visa minimizar a energia magnetizante dissipada no resistor do grampeador.