Outros Métodos de Modulação

Encontram-se na literatura uma série de variações dos três principais métodos de modulação apresentados acima, as quais apresentam objetivos e aplicações específicos.

Na referência [59] os autores apresentam um método de modulação para conversores multiníveis nas topologias HBC e Cascata Híbrida que produz o mesmo resultado, em termos de distorção harmônica, que aquele alcançado utilizando-se o método SPWM com deslocamento de fase nos conversores NPC.

Em [60] é apresentado um método de modulação baseado no método SV-PWM, voltado para a aplicação em conversores NPC a GTO, cujo objetivo é minimizar a distorção harmônica na tensão utilizando uma estratégia para contornar a limitação de largura de pulso mínima imposta pelo GTO.

Uma técnica de modulação baseada no método SV-PWM objetivando reduzir a distorção harmônica em conversores na topologia FC é apresentada em [61].

Em [62] é apresentado um método de modulação desenvolvido para o conversor HBC de sete níveis usado como STATCOM e baseado no método Step Modulation, capaz de trabalhar com baixa frequência de comutação sem ultrapassar o limite de distorção harmônica na corrente injetada no sistema, não necessitando de filtros na saída. Em [63] o mesmo autor apresenta uma técnica de cálculo dos ângulos ótimos usados no método Step Modulation que permite que tais ângulos sejam calculados em tempo real, eliminando uma das principais desvantagens deste método, seu elevado custo computacional.

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2.4 Semicondutores Utilizados como Chaves Principais

Os semicondutores utilizados como chaves principais nos inversores precisam ter capacidade de bloqueio através de comando no terminal de gatilho ou base. Três dispositivos são atualmente empregados nestas aplicações: o GTO (Gate Turn-Off Tiristor), o MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor), o IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) e o IGCT (Integrated Gate-Comutated Thyristor).

O GTO foi o primeiro dispositivo com comando de desligamento pelo terminal de controle a ser utilizado em inversores. Sua estrutura é derivada do SCR, com modificações no terminal de gatilho visando permitir o desligamento através de comando neste terminal. Seu principal inconveniente é seu baixo ganho de desligamento, o que exige elevada corrente proveniente do módulo de controle para executar este tipo de manobra.

O MOSFET possui terminal de comando isolado e controlado em tensão, exigindo pequena potência de comando, o que juntamente à sua elevada capacidade de frequência são suas principais vantagens em relação ao GTO. Sua principal limitação é sua queda de tensão em condução, que cresce rapidamente com o aumento da capacidade de bloqueio do dispositivo. O IGBT foi o passo seguinte de dispositivo de potência com disparo e bloqueio controlados pelo terminal de gatilho, e conserva a vantagem de controle em tensão do MOSFET, possuindo terminal de controle eletricamente isolado. No entanto sua estrutura interna é derivada do Transistor de Junção Bipolar (TJB), o que ao contrário do MOSFET, lhe confere uma baixa tensão de condução.

O IGCT possui estrutura interna derivada do tiristor e, portanto, semelhante à do GTO. No entanto, apresenta elevado ganho de comando de desligamento, eliminando a principal desvantagem do GTO. Em relação ao IGBT, o IGCT apresenta capacidade de tensão de bloqueio similar e capacidade de corrente mais alta. Sua frequência de trabalho máxima é inferior à do IGBT e superior à do GTO. O IGCT é fornecido com o circuito de comando de base incorporado ao seu encapsulamento, sendo necessário apenas conectar uma fonte de alimentação independente. O IGBT e o GTO são fornecidos sem o circuito de disparo.

O IGBT apresenta, em relação ao IGCT, a vantagem de permitir o controle da taxa de variação da corrente de anodo via comando de base. No IGCT este controle não é disponível e deve-se utilizar um circuito externo capaz de limitar a taxa de crescimento da corrente. No entanto, o IGCT apresenta uma vantagem em relação ao IGBT que justifica a sua escolha em

aplicações de média tensão e alta potência: o IGCT apresenta perdas ligeiramente menores que as do IGBT em condução e muito menores durante o transitório de disparo (cerca de 8% das perdas apresentadas pelo IGBT). O IGBT apresenta perdas um pouco menores durante o bloqueio [64]. A soma das perdas em disparo e bloqueio, no entanto, são geralmente favoráveis ao IGCT. Em aplicações de média tensão e alta potência, isso significa poder utilizar frequências de comutação um pouco maiores, o que permite reduzir a THD da tensão. Sendo assim, as aplicações atuais se limitam aos dois últimos dispositivos acima (IGBT e IGCT), sendo o primeiro vantajoso em aplicações de média potência ou que exijam menores frequências de comutação, e sendo o último a melhor escolha em aplicações de alta potência. Além das diferenças listadas acima, outras diferenças funcionais devem ser consideradas ao se escolher e especificar um dispositivo de potência para aplicação em um conversor multinível. Estas características são:

- T_ON e T_OFF: são os tempos mínimos que estes dispositivos devem permanecer ligados (tON) ou desligados (tOFF) antes de uma nova comutação;

- tON e tOFF: são os tempos de duração dos transitórios de disparo e bloqueio respectivamente;

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2.5 Conclusões

Inversores multiníveis são uma solução atrativa para elevar a tensão e a potência da carga a partir da utilização de semicondutores com tensões de bloqueio e capacidade de corrente padrão. Isso permite a utilização de chaves mais baratas, reduzindo o custo da solução final e flexibilizando a fase de projeto do conversor, uma vez que estas chaves são fornecidas por um grande número de fabricantes em uma vasta gama de parâmetros de corrente, tensão e frequência.

Diversas topologias de conversores multiníveis podem ser encontradas na literatura, cada qual apresentando uma ou mais vantagens com relação às demais, tais como facilidade para a equalização das tensões dos capacitores, redução do número total de chaves para um determinado número de níveis N, capacidade de modularização, eliminação de elementos reativos (indutores e capacitores), redução do número de fontes de tensão CC independentes necessárias, etc.

As duas principais figuras de mérito usadas para avaliar conversores multiníveis são as perdas por comutação nas chaves e a THD na tensão de saída. Existe um trade-off entre as duas e a melhora de uma geralmente implica na piora da outra.

Os principais métodos de modulação utilizados em inversores convencionais de dois níveis, como o SV-PWM, o SPWM e o SHE, podem também ser usados em conversores multiníveis. Os métodos SPWM e SV-PWM se equivalem e apresentam boa relação entre perdas por comutação e THD da tensão de saída. O método SHE produz menores perdas por comutação que os dois métodos anteriores, mas apresenta elevado custo computacional.

Em aplicações de média tensão e alta potência as perdas por comutação tornam-se um problema importante a ser resolvido. Diversas soluções em termos de topologias e de métodos de modulação já foram propostas visando minimizar estas perdas, a maioria delas impactando negativamente no THD da tensão de saída.

Dois dispositivos de potência são preferencialmente utilizados em inversores multi-níveis, o IGBT e o IGCT. O IGCT é o mais vantajoso em aplicações de média tensão e alta potência devido às menores perdas durante o disparo quando comparado ao IGBT.