Redes de comuta¸c˜ ao e Retificadores

Um dos benef´ıcios dos conversores LLC ´e o facto de poderem ser implementadas difer- entes configura¸c˜oes para a excita¸c˜ao do tanque de ressonˆancia. Tipicamente a rede de comuta¸c˜ao pode ser composta por uma configura¸c˜ao ’full-bridge’ ou ’half-bridge’ (Figura 4.30), tendo cada uma delas os seus benef´ıcios e contras, dependendo tamb´em do caso a aplicar.

Figura 4.30: Redes de comuta¸c˜ao Full-Bridge e Half-Bridge [24].

A rede de comuta¸c˜ao ’half-bridge’ apenas contem dois MOSFETs, sendo um fator a favor do ponto de vista do custo. Por outro lado, tem o dobro da corrente m´edia a circular

em cada MOSFET comparativamente `a outra configura¸c˜ao apresentada. Sendo o quadrado da corrente rms, quatro vezes superior enquanto que o numero de MOSFETs ´e duas vezes menor, podemos concluir que as perdas por condu¸c˜ao s˜ao o dobro nesta configura¸c˜ao.

Embora a ’half-bridge’ apenas necessite de metade do n´umero de voltas do prim´ario para o mesmo ganho de tens˜ao e fluxo magn´etico, implicando metade da resistˆencia do enrolamento prim´ario, as perdas de condu¸c˜ao no prim´ario s˜ao duas vezes maiores em com- para¸c˜ao com a ’full-bridge’ devido ao quadrado da corrente RMS ser quatro vezes superior. A compara¸c˜ao entre este dois tipos de configura¸c˜oes pode ser observada na tabela 4.2.

Irms Irms2 N´umero de Perdas de condu¸c˜ao N p Rpri Perdas de condu¸c˜ao

MOSFETs nos MOSFETs no Prim´ario

×2 ×4 ÷2 ×2 ÷2 ÷2 ×2

Table 4.2: Compara¸c˜ao do ’half-bridge’ relativamente ao ’full-bridge’ [24].

Em suma, ´e mais adequado usar uma rede de comuta¸c˜ao ’full-bridge’ para aplica¸c˜oes em que a potˆencia ou a corrente do lado do prim´ario ´e elevada, desta forma pode-se diminuir as perdas de condu¸c˜ao. Por outro lado, para aplica¸c˜oes com menores correntes no lado do prim´ario as perdas de condu¸c˜ao n˜ao s˜ao t˜ao significativas e pode-se poupar no custo e complexidade do circuito usando a topologia ”half-bridge”. Outro fator a ter em conta ´e o menor volume ocupado pelos componentes, menos MOSFETS favorecem montagens onde a densidade de potˆencia ´e importante. Assim sendo, para o nosso caso especifico preferiu-se usar esta ´ultima configura¸c˜ao.

Do lado do enrolamento secund´ario do transformador, devido ao circuito do tanque de ressonante, teremos uma onda de corrente sinusoidal. Sendo esta onda respons´avel pelos valores de tens˜ao observados na sa´ıda, teremos de a retificar para se obter a corrente DC pretendida.

Relativamente aos retificadores existem dois tipos de tipologias a considerar, s˜ao elas o retificador de ponte de d´ıodos e o retificador com transformador com tomada central, os esquem´aticos desta topologia podem ser observados na Figura 4.31. Analisando esta figura podemos observar que o retificador com transformador com tomada central, requer d´ıodos que suportem o dobro da tens˜ao em compara¸c˜ao com um retificador de ponte de d´ıodos, mas apenas necessita de dois d´ıodos enquanto o retificador de ponte completa requer quatro d´ıodos. Uma vez que a corrente que atravessa cada d´ıodo em ambos os circuitos retificadores ´e semelhante, o retificador com transformador com tomada central

tem metade do total de perdas de condu¸c˜ao nos d´ıodos em compara¸c˜ao com o retificador de ponte de d´ıodos (na realidade esta vantagem n˜ao ´e t˜ao evidente porque os d´ıodos que suportam maiores tens˜oes inversas tendem a ter maior queda de tens˜ao directa).

Figura 4.31: Retificadores de onda completa e de ponte de d´ıodos [24].

Outro fator de diferencia¸c˜ao ´e que o retificador de onda completa tem dois enrolamentos secund´arios, originando o dobro da resistˆencia para a mesma ´area de enrolamento. Em cada enrolamento deste retificador passa uma corrente rms que ´e√0.5 da corrente rms do circuito de ponte de d´ıodos, assim sendo o total das perdas do cobre nos enrolamentos secund´arios do retificador com transformador com tomada central ´e o dobro em compara¸c˜ao com o retificador de ponte de d´ıodos. A compara¸c˜ao entre este dois tipos de configura¸c˜oes pode ser observada na tabela 4.3.

Tens˜ao N´umero Perdas de N´umero de Rsec Irms Perdas de

reversa de condu¸c˜ao enrolamentos por enro- por enro- condu¸c˜ao no dos d´ıodos d´ıodos nos d´ıodos do secund´ario lamento lamento secund´ario

×2 ÷2 ÷2 ×2 ×2 ×√0.5 ×2

Table 4.3: Compara¸c˜ao do retificador ’Full-Wave’ relativamente ao ’Full-bridge’ [24].

Em aplica¸c˜oes com elevadas tens˜oes de sa´ıda, o retificador de ponte de d´ıodos ´e van- tajoso uma vez que podemos usar d´ıodos com metade da tens˜ao nominal em compara¸c˜ao com o retificador de onda completa.

Considerando o caso particular do nosso prototipo, como se pretende uma tens˜ao de sa´ıda baixa (42V) correntes n˜ao muito elevadas, o retificador com transformador com tomada central ´e a solu¸c˜ao mais adequada, devido `as menores perdas de condu¸c˜ao totais e ao menor n´umero de componentes e custo. Esta afirma¸c˜ao ser´a ainda v´alida mesmo que se considere uma tens˜ao de sa´ıda 10 vezes superior.

Independentemente da topologia usada, os d´ıodos podem ser substitu´ıdos por MOS- FETs (retifica¸c˜ao s´ıncrona), pois as suas perdas de comuta¸c˜ao e condu¸c˜ao s˜ao menores dos

que as dos d´ıodos, aumentando a eficiˆencia do sistema. Neste caso aumenta-se a complexi- dade do circuito e do seu controlo devido ao maior numero de componentes e aos cuidados necess´arios para manter a comuta¸c˜ao dos MOSFETs no per´ıodo de ZCS. Assim sendo, considerando o nosso caso de aplica¸c˜ao preferiu-se usar d´ıodos no retificador.