5.1 INTRODUÇÃO
O uso de células intercaladas será investigado neste capítulo com o intuito de reduzir a potência processada pelos elementos, volume e perdas nos mesmos. O objetivo principal é tentar reduzir o volume e perdas do indutor, uma vez que foi mostrado anteriormente que este elemento representa os maiores valores percentuais para estes quesitos. Logo, um novo grau de liberdade será incluído ao algoritmo, o número de células intercaladas. Além disso, o uso do material magnético do tipo ferrite também será investigado.
5.2 CONVERSOR BOOST INTERCALADO
Em função da constante necessidade de processamento de energia elétrica em potências cada vez mais elevadas, os dispositivos semicondutores têm evoluído muito nas últimas décadas, especialmente na tentativa de superar os níveis de quilo-volts (kV) e quilo- ampéres (kA) processados individualmente por tais dispositivos. Entretanto, os dispositivos para altas potências são normalmente caros e de difícil acesso para elaboração de projetos. Dessa forma, uma prática comum dos projetistas é a associação de dispositivos semicondutores de baixo custo, fácil acesso e confiáveis.
Neste contexto, para aplicações com tensões elevadas é comum o uso de associações série de componentes e, para aplicações com correntes elevadas, a associação de componentes em paralelo. A Figura 5.1 mostra um conversor Boost operando com dois interruptores em paralelo. Além de aumentar a capacidade de corrente do conversor tem-se a redução das perdas devido a divisão da corrente entre os interruptores.
Figura 5.1 - Conversor Boost com dois interruptores em paralelo.
No entanto, podem-se extrair mais vantagens do conversor se, além de colocarmos interruptores em paralelo, utilizarmos células Boost em paralelo, trabalhando de forma intercalada, conforme Figura 5.2.
Figura 5.2 - Conversor Boost com duas células em paralelo.
Fonte: Próprio autor.
A associação em paralelo de estruturas foi proposta originalmente por [89], sendo denominada de técnica de intercalamento (“interleaving”). Tal técnica consiste na distribuição da potência entre conversores Boost, conhecidos como células Boost, conectados em paralelo e operando com a mesma frequência de conversão, mas com intervalos de comutação defasados entre si. Este fato permite a divisão da corrente entre os semicondutores principais da estrutura.
Esta associação de células, em conjunto com a defasagem, apresenta uma redução na amplitude da ondulação da corrente de entrada e uma elevação na frequência desta ondulação, como pode ser visto na Figura 5.3. A técnica pode ser ampliada para um número ilimitado de elementos, defasando-se todos os pulsos de comando como mostrado por [90].
Figura 5.3 - Corrente de entrada (iin) e nos indutores (iL1 e iL2) do Boost Intercalado.
A seguir são descritas algumas das vantagens desta redução na amplitude da ondulação da corrente de entrada e elevação da sua frequência, bem como, outras vantagens associadas à técnica de intercalamento [89] - [96]:
Redução da corrente média sobre os dispositivos semicondutores; Redução nas exigências de filtragem;
Redução de perdas por condução;
Redução do volume dos indutores e dissipadores de calor; Aumento da eficiência, principalmente em altas potências; Aumento da densidade de potência;
Redução da corrente eficaz no capacitor de saída, podendo resultar em:
o Diminuição do aquecimento causado pelas perdas na RESR;
o Diminuição da amplitude de ondulação;
o Redução da capacitância do barramento [92].
Não necessita de drivers isolados para acionamento dos interruptores, pois o gate dos mesmos é referenciado ao mesmo ponto. O mesmo ocorre para o conversor Boost que considera interruptores em paralelo.
Aumento na segurança dos sistemas eletrônicos, confiabilidade, maior tolerância à falhas. Como desvantagens pode-se citar [93] -[96]:
A posição dos interruptores não permite proteção contra curto-circuito; Não permite isolação entre os terminais da entrada e da saída;
Há necessidade de uso de um circuito extra para limitar a corrente de inrush; Aumento na complexidade do circuito se comparado com Boost convencional;
Apresenta maior número de componentes com adição de interruptores, circuitos de comando, diodos rápidos, sensores de corrente e indutores, aumentando os custos de implementação desta topologia se comparada com o Boost;
Uma maior complexidade do controle desta topologia, pois o mesmo deve assegurar a equalização da corrente através das células Boost intercaladas.
Resumindo, a conversão de potência empregando estruturas intercaladas tem sido explorada em aplicações de elevadas potências, onde o sistema adquire a vantagem da redução da ondulação e uma distribuição de potência entre as células das topologias conectadas em paralelo [89]. Embora a distribuição de potência processada entre as células seja por si só um importante objetivo, os benefícios proporcionados pela redução da ondulação justificam a utilização das técnicas de intercalamento nas mais diversas aplicações [95] - [96]. Mesmo para baixas potências, como é o caso desta tese.
5.3 PROJETO DO INDUTOR BOOST INTERCALADO
Em um conversor com n células intercaladas, a ondulação da corrente de entrada é inversamente proporcional ao número de células em paralelo. Sendo assim, para sistemas com mesma amplitude de ondulação da corrente, os indutores do conversor podem ser dimensionados para uma amplitude de ondulação n vezes maior. Logo, como mostrado em [95] a indutância do conversor Boost pode ser definida pela equação (5.1).
s in L T V d L i = ∆ (5.1) Onde: L i
∆ : Amplitude máxima da ondulação da corrente de entrada de pico a pico;
Por outro lado, no projeto dos indutores do conversor com n células em paralelo segue-se a equação definida por (5.2).
' ' s in n L T V d L i = ∆ (5.2) Onde: ' L i
∆ : Amplitude máxima da ondulação de entrada com n células em paralelo; '
s
T : Período de comutação dos n interruptores.
Como a razão cíclica aplicada aos interruptores é a mesma, tanto no conversor Boost como no conversor intercalado, da mesma forma que a tensão de entrada, pode-se igualar as equações (5.1) e (5.2) conforme equacionamento a seguir.
' ' n L L s s L i L i T T ∆ ∆ =
Como se deseja que ambos os conversores possuam a mesma característica na ondulação da corrente de entrada, o período de comutação das células do conversor intercalado corresponde a operação com um período n vezes menor ao período de comutação do conversor
Boost, equação (5.3).
' =
s s
Por outro lado, a especificação da amplitude máxima da ondulação nos indutores do conversor intercalado será menos rígida que a especificação da ondulação no indutor do conversor Boost. Especificando uma amplitude máxima de ondulação de uma unidade no conversor Boost, a amplitude de ondulação no conversor Boost intercalado será igual a
'
L L
i n i
∆ = ∆ . (5.4)
A partir do exposto, pode-se concluir que a relação entre a indutância do conversor
Boost e a indutância das células do conversor intercalado serão igual a um, como pode ser
visto no equacionamento a seguir. Logo, as indutâncias serão as mesmas em cada célula e o projeto segue os mesmos procedimentos descritos para o Boost convencional.
' 1 ' s L s L n s L s L T i nT i L T i nT i ∆ ∆ = = = ∆ ∆
Apesar dos valores das indutâncias serem as mesmas nos dois sistemas (convencional e intercalado), não se pode afirmar que os volumes dos indutores serão os mesmos, já que no conversor Boost toda a corrente de entrada flui pelo indutor, enquanto que no conversor Boost Intercalado, a corrente será dividida entre as células do sistema.
5.4 PROJETO DOS CAPACITORES DE ENTRADA E SAÍDA
O procedimento para o projeto dos capacitores de entrada e saída, para o conversor
Boost Intercalado, continua sendo o mesmo do conversor Boost convencional, já que os
parâmetros de projeto, Vin, Pin, Vo e Po, são independentes do número de células ligadas
intercaladamente.
5.5 RESULTADOS DE SIMULAÇÃO
Os resultados de simulação apresentados nesta seção utilizam os mesmos componentes e parâmetros de projeto descritos na Tabela 3.2. O driver de comando e a fonte de alimentação considerados nestas simulações foram desenvolvidos pelos alunos do Grupo de Eletrônica de Potência e Controle (GEPOC) da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM). Um driver, cujo volume ocupado é perto de 23,18 cm³, pode comandar até dois interruptores. Já a fonte de alimentação destes drivers foi projetada para alimentar dois
Limitou-se em quatros células Boost o número máximo de células intercaladas já que constatou-se uma redução considerável de ηw e ρ para valores acima de quatro células. A
seguir, os resultados obtidos são apresentados.
5.5.1 Resultados de simulação - Kool Mµ
As soluções obtidas para o material magnético do tipo Kool Mµ são ilustrados na Tabela 5.1. O intercalamento das células proporcionou uma redução de volume dos capacitores de entrada e saída, e possibilitou o uso de núcleos magnéticos menores, principalmente pela redução da corrente processada e aumento da frequência de operação. O núcleo magnético de
part number 77095, selecionado nas soluções com duas e três células, é 64,17% menor que o
núcleo 77616 utilizado no Boost convencional. Apesar disso, o volume total das soluções não apresentou uma redução significativa. Individualmente, os indutores são menores, mas o aumento do número de indutores fez com que a diminuição do volume total não fosse tão expressiva, para este material magnético. Quanto ao ηw resultante, o ganho foi insignificante.
Tabela 5.1 - Soluções selecionadas para material magnético do tipo Kool Mµ.