Ensaio em Malha Aberta

Uma vez implementada a placa de circuito impresso do conversor CC-CC

flyback bidirecional, passou-se para o teste ao seu funcionamento. Dessa forma,

inicialmente, foi efetuado um ensaio em malha aberta no qual foi aplicado um PWM com duty-cycle fixo na gate dos MOSFETs. Neste ensaio foram realizados testes ao conversor a operar tanto em modo boost (referente à etapa de descarregamento da bateria), como em modo buck (referente à etapa de carregamento da bateria). O valor teórico da tensão de saída do conversor CC-CC flyback bidirecional é dado pela equação (6.1).

(6.1)

Primeiro testou-se o correto funcionamento do conversor no modo boost, para garantir que o conversor era capaz de elevar a tensão existente aos terminais da bateria, para os níveis de tensão existentes no barramento CC. Neste ensaio foi aplicado um

duty-cycle fixo de 74,5% (o valor do duty-cycle foi obtido tendo por base os valores

nominais das tensões do barramento CC e da bateria, respetivamente 400 V e 36 V) na

gate do semicondutor de potência. Para este ensaio pretendia-se obter uma tensão no

barramento CC de aproximadamente 50 V. Para que tal acontecesse, aplicou-se uma tensão de 4,76V na entrada do conversor (lado da bateria, Vbat), e colocou-se uma carga resistiva de 2570 Ω na saída do conversor (lado do barramento CC, VCC). Tendo em conta as condições anteriormente descritas, esperava-se que o conversor possuísse uma tensão teórica de saída de 52,84 V. Na Figura 6.2 está representado o esquema do circuito de potência utilizado neste teste.

S2 S1 C1 C2 Ibat Carga Vfonte VCC Vbat

Figura 6.2 - Esquema do circuito implementado para testar o funcionamento do conversor CC-CC flyback bidirecional em modo boost (malha aberta).

Na Figura 6.3 e na Figura 6.4 são apresentadas as formas de onda da tensão no conversor CC-CC flyback, no lado da bateria (Vbat) e no lado do barramento CC (VCC) respetivamente.

V

Figura 6.3 - Forma de onda da tensão na bateria do conversor do CC-CC flyback bidirecional em modo

boost (malha aberta).

V

Figura 6.4 - Forma de onda da tensão no barramento CC do conversor do CC-CC flyback bidirecional em modo boost (malha aberta).

Observando as formas de onda presentes na Figura 6.3 e na Figura 6.4, pode-se verificar que para uma tensão de 4,76 V aplicada na entrada do conversor, se obtém uma tensão na sua saída de 50,5 V, valor este muito próximo com a tensão de saída esperada. É ainda visível, principalmente na Figura 6.3, a existência de ruído, que se

reflete sob a forma de picos de tensão. Como possíveis motivos para o aparecimento deste ruído, surgem os factos de a medição não estar a ser feita imediatamente à entrada do conversor, e também porque o sistema proposto foi desenvolvido de uma forma modular, ou seja, não foi desenvolvida uma placa de circuito impresso única para agrupar todo o circuito de potência, tornando necessária a existência de algumas ligações que introduzem consequentemente ruído no sistema. Para limitar o ruído verificado durante a realização deste ensaio nos seguintes ensaios, foram feitas algumas alterações. Nomeadamente, foram refeitas algumas ligações, assim como foram ajustados os pontos de medida, de forma a estarem o mais próximo possível da variável a medir.

Na Figura 6.5 é apresentada a forma de onda da tensão no MOSFET (vds) do conversor CC-CC flyback bidirecional a operar em modo boost.

v

Figura 6.5 - Forma de onda da tensão no MOSFET (vds) do conversor do CC-CC flyback bidirecional em

modo boost (malha aberta).

É visível que a tensão no MOSFET apresenta um pico de tensão elevado. Este fenómeno ocorre quando a energia armazenada na indutância de dispersão do transformador de alta frequência, presente no conversor, é dissipada sobre os semicondutores de potência durante as comutações. Para colmatar a ocorrência destes picos de tensão, poder-se-ia sobredimensionar os semicondutores de potência prevendo o surgimento deste fenómeno, ou então utilizar circuitos snubber, tais como os mencionados no capítulo 3.5, para atenuar os picos de tensão. Neste caso em específico, uma vez que o MOSFET utilizado suporta tensões de 500 V, não é necessário fazer alterações ao conversor, pois a margem entre a tensão máxima de entrada do conversor (42 V) e a tensão máxima suportada pelo MOSFET (500 V) é suficientemente grande.

Na Figura 6.6 pode-se ver o sinal PWM aplicado ao MOSFET do conversor. Neste conversor em cada momento apenas um MOSFET se encontra a comutar. O sinal tem uma frequência de comutação de 50 kHz.

Figura 6.6 - Forma de onda do sinal PWM aplicado ao MOSFET do conversor CC-CC flyback bidirecional em modo boost (malha aberta).

Uma vez testado com sucesso o modo boost, procedeu-se ao teste do funcionamento do conversor no modo buck. Este teste serviu para garantir que o conversor era capaz de baixar a tensão existente no barramento CC, para os níveis de tensão adequados para o funcionamento da bateria. Neste ensaio foi aplicado um

duty-cycle fixo de 25,5% (o valor do duty-cycle foi obtido tendo por base os valores

nominais das tensões da bateria e do barramento CC, respetivamente 36 V e 400 V) na

gate do semicondutor de potência. Tal como no ensaio ao modo boost, também neste

teste se pretendia obter uma tensão no barramento CC de aproximadamente 50 V. Dessa forma, foi aplicada uma tensão de 50,9 V na entrada do conversor (lado do barramento CC, VCC), e colocou-se uma carga resistiva 6 Ω na saída do conversor (lado da bateria,

Vbat). Tendo em conta as condições anteriormente descritas, esperava-se que o conversor possuísse uma tensão teórica de saída de 4,58 V. Na Figura 6.7 está representado o esquema do circuito de potência utilizado neste teste.

S2 S1 C1 C2 Carga Vbat Ibat VCC Vfonte

Figura 6.7 - Esquema do circuito implementado para testar o funcionamento do conversor CC-CC flyback bidirecional em modo buck (malha aberta).

Na Figura 6.8 e na Figura 6.9 são apresentadas as formas de onda da tensão no conversor CC-CC flyback, no lado do barramento CC (VCC) e no lado da bateria (Vbat) respetivamente.

V

Figura 6.8 - Forma de onda da tensão na bateria do conversor do CC-CC flyback bidirecional em modo

buck (malha aberta).

V

Figura 6.9 - Forma de onda da tensão no barramento CC do conversor do CC-CC flyback bidirecional em modo buck (malha aberta).

Observando as formas de onda presentes na Figura 6.8 e na Figura 6.9, pode-se verificar que para uma tensão de 50,9 V aplicada na entrada do conversor se obtém uma tensão na sua saída de 4,87 V, valor este muito próximo com a tensão de saída esperada. Na Figura 6.10 é apresentada a forma de onda da tensão no MOSFET (vds) do conversor CC-CC flyback bidirecional a operar em modo buck.

v

Figura 6.10 - Forma de onda da tensão no MOSFET (vds) do conversor do CC-CC flyback bidirecional em

Como se pode constatar, a tensão no MOSFET apresenta um pico de tensão significativamente elevado. Para uma tensão de entrada de aproximadamente 50 V obteve-se um pico de tensão máximo no MOSFET de 198 V. Contrariamente ao que se sucede no conversor do CC-CC flyback bidirecional emmodo boost, onde a diferença entre a tensão máxima de entrada (42 V) e a tensão suportada pelo MOSFET (500 V) é suficientemente grande, neste caso tal não se verifica. Neste modo de operação a tensão nominal de entrada (VCC) tem o valor de 400 V, e a tensão suportada pelo MOSFET não se altera, permanecendo nos 500 V. Dessa forma a margem torna-se relativamente reduzida, levando a que em ensaios onde se eleve o valor da tensão de entrada para valores próximos aos nominais, seja necessário implementar um circuito snubber para garantir a integridade do MOSFET, e consequentemente de todo o conversor.

Na Figura 6.11 pode-se ver o sinal PWM aplicado ao MOSFET do conversor. Neste conversor em cada momento apenas um MOSFET se encontra a comutar. O sinal tem uma frequência de comutação de 50 kHz.

Figura 6.11 - Forma de onda do sinal PWM aplicado ao MOSFET do conversor CC-CC flyback bidirecional em modo buck (malha aberta).