Justificatica para a escolha da topologia

Também no Capítulo 1, foi constatada a necessidade de conversores c.c./c.c. de alto ganho para aplicações em sistemas fotovoltaicos modulares. Teoricamente, um conversor boost clássico pode fornecer um ganho de tensão elevado, só que com uma razão de trabalho muito próxima da unidade. Porém, na prática, este ganho de tensão é limitado pelos elementos parasitas dos dispositivos de potência, do indutor e do capacitor. Além disso, a operação do conversor com razões de trabalho extremamente altas pode induzir sérios problemas no processo de recuperação reversa do diodo e altos valores de ondulação (ripple) de corrente nos elementos semicondutores e indutivos, o que aumenta as perdas por condução e as de comutação. Outro ponto é que elevados ganhos de tensão exigirão que o conversor trabalhe com elevadas correntes na sua entrada (valores da ordem de grandeza da corrente de curto-circuito de um módulo fotovoltaico). Por fim, dispositivos semicondutores com baixas resistências série (necessários para garantir baixas perdas) não poderão ser utilizados, uma vez que os stress de tensão da chave principal e do diodo são, respectivamente, equivalentes à tensão de saída do MIC, que é elevada (HU; GONG, 2015).

Devido a tais problemas,várias topologias de conversores de alto ganho e alta eficiência têm sido propostas (TOFOLI; PEREIRA; PAULA W. J. ANG JÚNIOR, 2015)(HSIEH; CHEN; LIANG T. ANG YANG, 2013). Dependendo do país onde o sistema fotovoltaico será instalado, pode ser necessário haver um estágio de isolamento no módulo fotovoltaico integrado ao conversor c.c./c.c.. Por essa razão, essas topologias de alto ganho podem ser classificadas em duas categorias principais: topologias isoladas e não isoladas. Contudo, os critérios para selecionar a topologia mais adequada para a integração de módulos fotovoltaicos são comuns a ambas as categorias: elevada eficiência de conversão, controlabilidade fácil, alta densidade de potência, custos reduzidos e uma longa vida útil do sistema (LI; WOLFS, ) (KASPER et al., 2013).

As topologias isoladas de conversores c.c./c.c. normalmente empregam um transformador de alta frequência, que representa a primeira opção em aplicações de conversores que exijam um alto ganho de tensão, uma vez que o seu ganho estático pode ser ajustado através da sua relação de transformação. As topologias com transformador podem trabalhar com um núcleo de excitação unidireccional (ERICKSON; MAKSIMOVIC, 2001), ou com núcleo de excitação bidirecional (ERICKSON; MAKSIMOVIC, 2001) (MOHAN; UNDELAND; ROBBINS, 2002).

Porém, o emprego de transformadores apresenta desvantagens como elevadas perdas no núcleo; alto estresse de tensão sobre os interruptores e diodo de saída; problema de interferência

eletromagnética (EMI); elevados peso e volume (FENG et al., ). Outro ponto negativo que os conversores desta categoria apresenta é a presença de etapas, dentro de um período de chaveamento, onde não há transferência de potência para a carga, fazendo com que a densidade de potência e a eficiência dos conversores sejam inferiores, em comparação com a categoria de conversores não isolados. Para reduzir as perdas por comutação e as tensões nos componentes, podem ser utilizados circuitos auxiliares adicionais, como circuitos snubber (MOHAN; UNDELAND; ROBBINS, 2002), ou podem ser usadas topologias com capacidade ZVS/ZCS inerente (ERICKSON; MAKSIMOVIC, 2001) (MOHAN; UNDELAND; ROBBINS, 2002) (KASPER et al., 2013).

Em aplicações em que o isolamento galvânico não é uma necessidade, os conversores c.c./c.c. não isolados se mostram como uma alternativa vantajosa para alcançar o alto ganho de tensão, uma vez que apresentam uma redução de tamanho, peso e volume, além de um aumento de eficiência, associados à ausência do transformador de alta frequência (TOFOLI; PEREIRA; PAULA W. J. ANG JÚNIOR, 2015). Dentre os conversores mais conhecidos dessa categoria, encontram-se os conversores boost, buck-boost e Cúk (MOHAN; UNDELAND; ROBBINS, 2002). No entanto, estes conversores apresentam problemas quando o ganho precisa ser elevado, pois isso resulta em um aumento na razão de trabalho das chaves semicondutoras, que por sua vez aumenta as perdas e o esforço de tensão nestes dispositivos. Por isso, muitas topologias derivadas do conversor boost têm sido apresentadas com o intuito de se obter um maior ganho de tensão. Um exemplo é o conversor boost em cascata, que é capaz de fornecer um ganho de tensão elevado sem a penalidade da razão de trabalho próxima da unidade. No entanto, as tensões dos elementos semicondutores continuam sendo limitadas pela tensão de saída do conversor (VIGHETTI; FERRIEUX; LEMBEYE, 2012).

Para essas situações que envolvem elevados ganhos de tensão, que não podem ser alcançadas pelos conversores c.c./c.c. não isolados convencionais, existem várias soluções possíveis (REVATHI; PRABHAKAR, ). Diversas outras estratégias foram propostas com o mesmo objetivo, dentre as quais as principais encontram-se resumidas na Tabela 15.

Baseando-se nessas informações, pode-se concluir que a categoria que emprega indutores acoplados oferece uma boa alternativa em aplicações de sistemas fotovoltaicos modulares, principalmente por conta da facilidade na obtenção do alto ganho de tensão. Em (LIU et al., ), é feita uma revisão referente às diferentes filosofias que podem ser empregadas dentro desta categoria de conversores, na qual surgem três subcategorias:

• Conversores Empilhados - Para suprimir o pico de tensão nas chaves e reciclar a energia armazenada nas indutâncias de dispersão, diferentes circuitos grampeadores são empregados. Além disso, para aumentar o ganho de tensão, para reduzir o esforço de tensão dos diodos e para aumentar o aproveitamento do núcleo magnético, são acrescentados circuitos multiplicadores de tensão à topologia (GU et al., ), (AJAMI; ARDI; FARAKHOR, ); • Conversores com Múltiplos Enrolamentos - São empregados indutores acoplados com

múltiplos enrolamentos com o objetivo de obter estruturas topológicas mais flexíveis e distribuir o esforço de tensão dos diodos retificadores (TSENG; LIN; HUANG, );

Tabela 15 – Principais características de algumas técnicas para obtenção de alto ganho c.c.

Técnica Características

Capacitores chaveados (FARDOUN; ISMAIL, )

Vantagens: Estrutura modular e simples; baixo stress de tensão nas chaves. Desvantagens: Ganho de tensão limitado; número de componentes elevado. Células multiplicadoras

de tensão (PRUDENTE et al., 2008)

Vantagens: Estrutura modular e simples; baixo stress de tensão nas chaves. Desvantagens: Ganho de tensão limitado; número de componentes elevado; regulação da tensão pobre; é necessário um compromisso entre os requisitos de ganho e eficiência

Capacitores e indu- tores chaveados (ZHU et al., 2016)(AXELROD; BERKOVICH; IOINOVICI, 2008)

Vantagens: baixo stress de tensão nas chaves. Desvantagens: Regulação de tensão pobre.

Elevação de tensão (LUO, 1999)(ZHU; LUO, 2007)

Vantagens: A energia da indutância de dispersão dos indutores acoplados é reciclada; o stress de tensão reduzido; o capacitor de elevação de tensão oferece ganho de tensão adicional; Desvantagens: quando o ganho é elevado, são necessários muitos estágios capacitor-diodo, tornando o circuito complexo; alta corrente nas chaves, aumentando as perdas por condução.

Indutores acoplados (SCH- MITZ; COELHO; MARTINS,

2015)

Vantagens: O aumento na relação de transformação produz um maior ganho de tensão; maior capacidade de manuseio de energia; boa regulação de tensão; estrutura compacta; Desvantagens: as indutâncias de dispersão aumentam o stress de tensão nas chaves; complexidade da fabricação de indutores acoplados (em relação a indutores normais).

Fonte: Adaptado de Revathi, Prabhakar (2016).

• Conversores Intercalados - Esta classe de conversores apresenta ondulação de corrente de entrada baixa, pois associa conversores em paralelo, ajudando a distribuir a corrente e os esforços de tensão nas chaves, alcançando assim uma alta eficiência e confiabilidade (TSENG; HUANG, ), (TSENG et al., ).

Diante do exposto, deciciu-se aplicar a topologia proposta por (KIANPOUR; JABBARI; SHAHGHOLIAN, 2016), na qual o emprego de indutores acoplados mostra-se adequado para elevar o ganho de tensão dos conversores baseados no boost; os circuitos grampeadores passivos utilizados reduzem os impactos de tensão sobre os semicondutores eficientemente. Essas características, juntamente com os reduzidos peso e volume, tornam esta topologia de conversor c.c./c.c. viável para serem empregados em aplicações fotovoltaicas na configuração microinversores (CARVALHO, 2018).

Figura 76 – Conversor boost com entrada intercalada e saída flutuante. Submódulo Superior

Submódulo Inferior FV

Fonte: Adaptado de Carvalho (2018).