Operação em Modo Boost

Validada a operação do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost no modo buck, é então altura de prosseguir para os testes do conversor em modo boost, finalizando desta forma a validação do funcionamento do conversor implementado. De forma a comprovar que a PCB desenvolvida é passível de aguentar valores elevados de corrente, a tensão de entrada foi reduzida a metade para ser possível aumentar a corrente máxima para o dobro, ao passo que a carga resistiva utilizada também viu o seu valor ser reduzido para metade. Os valores atribuídos para operação em modo boost foram os seguintes:

60 V para a tensão de entrada do conversor, uma carga resistiva de 13 Ω na sua saída e uma corrente máxima de 10 A fornecida pelas fontes de alimentação CC.

O conversor CC-CC bidirecional presente na PCB opera em modo boost sempre que a energia flui da bateria para o barramento CC. Como o próprio nome indica, o valor da tensão de saída no barramento CC (carga resistiva) será elevada em relação ao valor da tensão presente na entrada do conversor (bateria), dependendo esta exclusivamente do valor de duty cycle atribuído aos semicondutores de potência. Para tal, o valor de duty cycle é variado de forma crescente a fim de validar toda a gama de valores possíveis que o mesmo pode adotar, tendo em consideração os limites atribuídos ao PWM. O

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limite superior durante a operação em modo boost é de extrema importância, impedindo a ocorrência de sobretensões do lado do barramento CC e/ou sobrecorrentes do lado da bateria.

Deste modo, numa primeira instância, foi atribuído um valor de 25% ao sinal de PWM a ser aplicado à gate dos semicondutores do conversor, mais concretamente a S2 segundo a Figura 3.2. Um sinal de PWM com um valor de 25% em modo boost, traduz-se no aumento da tensão de saída em ¹

4 do valor da tensão de entrada. Através de uma análise pormenorizada à Figura 6.4, é possível observar que foi empregue uma tensão de 58,8 V na entrada que corresponde à bateria (canal 1) e, como tal, foi obtida uma tensão de 75,5 V na carga resistiva que se encontra ligada aos terminais do barramento CC (canal 2), comprovada teoricamente através da equação (3.7). No canal 3 encontra-se a forma de onda referente à tensão presente aos terminais da bobina. A forma de onda é obtida segundo a equação (3.1) durante o tempo a on e pela equação (3.3) durante o tempo a off, ambas presentes na secção 3.2.1, justificando assim a forma retangular que a onda assume. Quando o MOSFET S2se encontra em condução, a tensão na bobina L1 tem como valor 15 V, ao passo que, quando o mesmo se encontra ao corte, a tensão em L1 tem o valor de -60 V. No canal 4 pode ver-se a forma de onda da corrente em L1, que neste caso em específico tem um valor médio de -7,19 A.

Figura 6.4 – Tensão no barramento CC (CH1: 20 V/div), tensão na carga resistiva (saída) (CH2: 20 V/div), tensão presente nos terminais da bobina (CH3: 50 V/div) e corrente na bobina (CH4: 5 A/div) do conversor CC-CC bidirecional não isolado do tipo buck boost no modo de operação boost quando aplicado um sinal de PWM de 25 % ao semicondutor de potência

correspondente.

Em seguida, foi atribuído um valor de 50% ao duty cycle do sinal PWM a ser aplicado à gate do semicondutor correspondente do conversor, esperando obter na saída o dobro da tensão de entrada, segundo a equação (3.7), como se comprovar através da Figura 6.5. Seguindo os mesmos passos da análise efetuada anteriormente, é possível verificar que a tensão no barramento CC (canal 1) tem um valor médio de 34,8 V, ao passo que, a tensão na carga resistiva (canal 2) tem como valor 64,3 V, comprovando a redução para metade do valor da tensão através da Figura 6.5. De igual forma, no canal

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3 encontra-se representada a forma de onda referente á tensão presente aos terminais da bobina.

Segundo a equação (3.1), durante o tempo a on, a tensão presente na bobina L1 tem um valor de 35 V, ao passo que, durante o tempo a off a tensão é de -35 V, segundo a equação (3.3). Comparando os valores obtidos através das equações com os valores presentes na Figura 6.5, é possível afirmar que os mesmos se encontram muito próximos, o que seria de esperar. A forma de onda da corrente presente na bobina encontra-se representada no canal 4 e tem um valor médio de -9,46 A.

Figura 6.5 - Tensão no barramento CC (CH1: 20 V/div), tensão na carga resistiva (saída) (CH2: 20 V/div), tensão presente nos terminais da bobina (CH3: 50 V/div) e corrente na bobina (CH4: 5 A/div) do conversor CC-CC bidirecional não isolado do tipo buck boost no modo de operação boost quando aplicado um sinal de PWM de 50 % ao semicondutor de potência

correspondente.

Por último, foi atribuído um sinal de PWM com um valor de duty cycle de 75% ao semicondutor, obtendo-se as formas de onda presentes na Figura 6.6. Com este valor de duty cycle aplicado, obtêm-se uma tensão de entrada com valor médio de 10,4 V (canal 1), ao passo que, no canal 2 temos uma tensão média de saída no valor de 32,9 V aplicada à carga resistiva. Conforme as equações já mencionadas nos 2 testes efetuados anteriormente para obter a forma de onda do canal 2, durante o tempo a on, a tensão presente na bobina L1 tem um valor de 30 V, ao passo que, durante o tempo a off a tensão é de -10 V. Comparando os valores obtidos no decorrer do teste efetuado e os valores resultantes das equações (3.1) e (3.3), é verificado mais uma vez que os mesmos se encontram muito próximos. O valor médio da corrente, presente no canal 4 mantem-se com o mesmo valor médio de -9,75 A, acompanhando desta forma o aumento da tensão da carga resistiva presente na saída.

Efetuando uma comparação aos testes efetuados, é possível afirmar que as formas de onda referentes à tensão de entrada e saída e à corrente na bobina são em todo semelhantes para os diferentes valores de duty cycle aplicados. A única diferença reside na forma de onda da tensão presente na bobina (canal 3), que altera sempre que o valor de duty cycle é redefinido, sendo esta definida segundo as equações características do conversor CC-CC unidirecional não isolado boost (equação (3.1) e (3.3)).

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Figura 6.6 - Tensão no barramento CC (CH1: 20 V/div), tensão na carga resistiva (saída) (CH2: 20 V/div), tensão presente nos terminais da bobina (CH3: 50 V/div) e corrente na bobina (CH4: 5 A/div) do conversor CC-CC bidirecional não isolado do tipo buck boost no modo de operação boost quando aplicado um sinal de PWM de 75 % ao semicondutor de potência

correspondente.

6.3 Resultados Experimentais do Conversor CC-CC Bidirecional