Projeto do Conversor Boost

Com a finalidade de verificar as expressões estudadas e estabelecer parâmetros da topologia para o restante deste trabalho, são feitas especificações de projetos para operação com carga variável, tabela 2.2, que são comumente adotados na prática (SIMONETTI, 1996). Os resultados obtidos são apresentados na tabela 2.3, onde se conclui que a variação de freqüência no MCCrít (de 50 kHz a 6,8 MHz) o torna proibitivo. O MCC apresenta o menor pico de corrente, não significativo frente às demais opções; neste caso a corrente de pico não é determinante. Uma desvantagem na opção MCC é o volume impraticável de indutor. Tal volume, além de impraticável, torna a entrada do conversor muito lenta, impossibilitando o rastreamento da corrente de entrada senoidal na medida em que aumenta a potência processada. Assim, as opções MCC e MCCrít são descartadas frente às especificações da tabela 2.3.

Restam as opções MCD senoidal e MCD quase-senoidal. A principal desvantagem destes modos são os esforços de corrente. Como resultado, há um nível elevado de harmônicos de alta freqüência, o que exige o uso de filtro de linha, com dimensões consideráveis. Já o MCD quase-senoidal, apesar de possuir o menor volume de indutor, apresenta picos de corrente mais elevados que o MCD senoidal e um menor fator de potência.

Tabela 2.2: Especificações de projeto para carga variável.

Tensão de rede, vG , (60 Hz) 85 – 260 VRMS

Tensão de saída, E 400 V

Potência máxima de entrada, PGmáx 500 W

Potência mínima de entrada, PGmín 50 W

Freqüência de chaveamento, fS 50 kHz

Máxima transferência estática, Mmáx 3,33 (VGmin = 85 VRMS)

Mínima transferência estática, Mmín 1,08 (VGmin = 260 VRMS) Tabela 2.3: Resultados para carga variável e rendimento unitário.

vG :85 a 260 VRMS (60 Hz); E= 400 V (M = 1,08 a 3,33); PO = 50 a 500 W Indutância (µH) Pico de corrente (A) Energia do indutor (mJ) fS (kHz) MCC 13720 14,14 1370 50 MCCrít 101 16,64 13,98 50 a 6800 MCD senoidal 101 16,64 13,98 50 MCD quase-senoidal 53,6 17,64 8,34 50

Tabela 2.4: Resultados para carga fixa e rendimento unitário. vG :120VRMS (60Hz); E=255 V (M=1.5); PO=150 W; fS =50 kHz. Indutância (µH) Pico de corrente (A) Energia do indutor (mJ) Freqüência de chaveamento (kHz) MCC 850 2.66 3 50 MCCrít 285,3 4 2,282 50 a 150 MCD senoidal 285,3 4 2,282 50 MCD quase-senoidal 231,3 4,94 2,822 50

Para aplicações de baixa potência, em que as dimensões, as perdas e o custo do circuito são priorizados em detrimento do FP e do nível de EMI, o MCD quase-senoidal pode ser apropriado.

De qualquer forma, fica patente a dificuldade de se operar com dinâmica de carga elevada quando se utiliza exclusivamente um modo de operação.

Especificações e resultados para carga fixa são apresentados na tabela 2.4. As opções MCCrít e MCD senoidal apresentam o menor volume do indutor. Porém a opção MCD senoidal opera com freqüência de chaveamento constante, o que elege esta opção frente à opção MCCrít. A opção MCC apresenta o menor pico de corrente. Como as chaves são projetadas para potências baixas, o pico de corrente pode não ser um fator determinante. Por isso, as perdas por chaveamento e as dimensões do circuito são priorizadas. Desta forma, o MCD senoidal seria a opção adotada. Note-se, ainda, que a opção MCC exigiria o uso de um sensor de corrente, não necessário na opção MCD senoidal.

2.6 CONCLUSÕES

Este capítulo foi dedicado ao estudo do retificador boost unidirecional monofásico e ao estudo dos retificadores boost intercalados paralelos e série. Foram consideradas as perdas de potência, os esforços de corrente, o volume do indutor, a distorção da corrente de entrada e o nível de emissão eletromagnética, representado pelo valor pico-a-pico da ondulação de corrente.

As opções no MCD apresentaram os maiores níveis de ondulação de corrente com picos intensos. Porém, se de um lado, a opção MCC apresenta as menores perdas de condução e as maiores perdas de chaveamento, por outro lado, as demais opções apresentam perdas de chaveamento muito baixas. Então, basicamente, a escolha do modo de condução deve

O RETIFICADOR BOOST UNIDIRECIONAL MONOFÁSICO 60

considerar tanto a freqüência de chaveamento quanto o nível de corrente, além dos esforços de corrente permitidos.

Quanto ao volume total do indutor boost, o estudo mostrou que, para carga constante, as opções MCD nem sempre apresentam os menores volumes e que a versão com intercalamento série apresentou o maior volume devido aos esforços de corrente, que são os maiores entre os retificadores estudados.

Na análise comparativa entre cinco opções de retificadores intercalados, a operação no MCC apresentou os menores níveis de ondulação de corrente (4 vezes menor que o boost básico no MCC), seguido pela opção de operação no MCCrít, com esforços de corrente limitados à unidade. Uma importante vantagem dos retificadores intercalados é que, mantendo o volume dos indutores, a redução da ondulação de corrente de rede, obtida por intercalamento, só seria obtida por filtros LC muito volumosos, o que piora o tempo de resposta do sistema.

Por outro lado, para carga variável, a opção no MCC pode se tornar impraticável devido ao aumento do volume do indutor, necessário para manter o MCC com potência mínima. Já a opção no MCCrít pode se tornar impraticável devido ao aumento da freqüência de chaveamento, necessário para operar com potência mínima. Por fim, a dinâmica de carga no MCD não apresenta problemas de volume do indutor. Porém, as perdas de condução e os altos esforços de corrente são fatores limitantes desse modo.

A opção de intercalamento produziu uma redução significativa da ondulação de corrente de rede, o que permite o uso de células com indutores menores, tornando o sistema mais rápido e menos volumoso. Além disso, os esforços de corrente, bem como as perdas de condução, são bastante reduzidos. O estudo mostrou que, mesmo para o MCD, a técnica de intercalamento produziu uma forma de onda de corrente de entrada aceitável e no modo de condução contínua.

3.1 INTRODUÇÃO

O retificador boost básico, figura 2.1, comporta várias opções de controle de corrente (ROSSETTO, 1994), entre as quais se podem mencionar técnicas tradicionais como controle pela corrente de pico, controle por histerese de corrente e controle pela corrente média (CANESIN, 1996; ZHOU, 1992; NOON, 1997). Tais técnicas utilizam multiplicadores analógicos para produzir a referência de corrente necessária para a correção de fator de potência. Além disto, as duas primeiras técnicas introduzem distorções na corrente de entrada, enquanto a última requer uma investigação da natureza não-linear do conversor para o projeto do controlador e um tratamento mais acurado do controle de corrente.

A técnica de controle de um ciclo (CUC), apresentada em (SMEDLEY, 1995; LAI, 1997), tem se mostrado muito apropriada para correção de fator de potência pois, além de eliminar algumas desvantagens apresentadas na maioria das técnicas, apresenta operação com fator de potência próximo da unidade, imunidade a ruído e não usa multiplicadores analógicos nem sensor para a tensão de rede retificada (CHAN, 2002; HUA, 2003).

Este capítulo apresenta um estudo da técnica CUC para retificadores boost, realizado em duas partes. Inicialmente, é apresentado um resumo das estratégias CUC existentes (BENTO, 2006) e, em seguida, é proposta uma melhoria para a estratégia CUC no MCC. A seção propõe ainda uma nova estratégia CUC para operação no MCCrít que opera sem sensor de corrente de entrada nem sensor de tensão de entrada. Na segunda parte do capítulo é proposto um controlador híbrido que opera entre os MCC e MCD num semi-ciclo da rede. A principal vantagem de se operar suavemente entre os dois modos é a possibilidade de redução do volume da indutância boost, principalmente em operação com potência variável.