ConversorCC-CCPonteCompleta

Há três aplicações principais para os conversores CC – CC ponte completa: • Acionamento de motores;

• Conversão CC – CA em UPS monofásica;

• Conversão CC – CA em fontes isoladas por transformador.

A tensão e corrente na carga pode operar nos 4 quadrantes do plano v_o x i_o

As chaves em cada braço são comandadas de forma complementar. Há intervalos em que ambas as chaves estão desligados (tempo morto);

Se for considerado que a corrente flui de forma permanente pela carga, a tensão sobre a mesma é determinada pela condição das chaves:

• Chave desligada; • Chave ligada.

• v_AN = v_D (quanto T_A+ está ligada e T_A- está desligada). Se i_o for positiva, circulará por T_A+, se for negativa, circulará por D_A+;

• v_AN = 0 (quanto T_A+ está desligada e T_A- está ligada). Se i_o for positiva, circulará por D_A-, se for negativa, circulará por T_A-;

•v_BN = v_D (quanto T_B+ está ligada e T_B- está desligada). Se i_o for positiva, circulará por D_B+, se for negativa, circulará por T_B+;

• v_BN = 0 (quanto T_B+ está desligada e T_B- está ligada). Se i_o for positiva, circulará por T_B-, se for negativa, circulará por D_B-;

Expressões para determinação da tensão média sobre a carga.

A tensão de saída do conversor: , é contralada pelo “duty cycle” (d_A, d_B) das chaves T_A+, T_A-, T_B+ e T_B+.

A tensão de saída independe do sentido da corrente da carga (i_o) e admite ambas as polaridades.

O controle do “duty cycle” das chaves, para determinação de uma tensão média de saída (v_o) é realizado através de um sinal PWM (“Pulse Width Modulation” – Modulação por Largura de Pulso).

Estratégias de Modulação PWM: • PWM bipolar

• PWM unipolar PWM bipolar

PWM bipolar: Valor médio da tensão de saída V_o é uma função linear do sinal de v_controle.

PWM unipolar: Valor médio da tensão de saída V_o é uma função linear do sinal de v_controle.

Os inversores chaveados trabalham nos quatro quadrantes do plano , permitindo um fluxo de potência instantânea em ambos os sentidos.

Para gerar uma tensão senoidal na saída, é preciso comparar um sinal de controle senoidal com uma onda portadora triangular .

Tabela normalizada da amplitude de harmônicos como função do índice de modulação m_a, assumindo m_f  9

Exemplo: Considere V_d = 300V, m_a = 0.8, m_f = 39 e f₁ = 47Hz. Determinar o

valor RMS da fundamental e dos harmônicos dominantes em v_AO .

Da tabela anterior, a tensão RMS de qualquer harmônica é dada por:

Considerações sobre o índice m_f

a)m_f  21 – PWM Síncrono: Para valores de m_f menores que 21 o sinal modulante deve ser sincronizado com a portadora triangular. Isso requer que m_f seja um inteiro ímpar. PWM assíncronos geram sub-harmônicos da frequência da modulate, indesejados em muitas aplicações;

b)m_f  21 – A amplitude dos sub-harmônicos são pequenos para grandes m_f. Nesse caso, o PWM assíncrono pode ser usado, sendo mantida constante a frequência da portadora triangular, mesmo com a frequência da modulante variando. Se o inversor aciona motores CA, os sub-harmônicos em frequências zero ou próximas a zero, mesmo para pequenas amplitudes de tensão, resultarão em altas correntes indesejadas.

Considerações sobre o índice m_a

a)m_a > 1.0 – Para m_a  1 o PWM opera na região linear, sendo a amplitude da tensão na frequência fundamental uma função linear de m_a. Para aumentar a tensão da tensão fundamental gerada é necessário aplicar a sobre-modulação (“overmodulation”, m_a > 1.0).

b)Com a aplicação da sobre-modulação há a geração de um maior número de componentes harmônicas, como pode ser observado no gráfico abaixo.

Considerações sobre o índice m_a

c)Com a sobre-modulação a amplitude da componente fundamental não varia linearmente em função de m_a, como pode ser observado no gráfico abaixo.

d) Para valores de m_a suficientemente elevados, a forma de onda da tensão passa de uma forma de onda

modulada em lagrura de pulso, para uma onda quadrada.

No inversor ponte completa, considerando-se a mesma amplitude de tensão de entrada de um inversor meia ponte, é possível obter ume tensão de saída duas vezes maior que a obtida com um inversor meia ponte.

Isso implica que para a mesma potência, a corrente de saída e a corrente nas chaves será a metade daquela observada em um inversor meia ponte.

Tabela normalizada da amplitude de harmônicos como função do índice de modulação m_a, assumindo m_f  9

Exemplo: Considere V_d = 300V, m_a = 0.8, m_f = 39 e f₁ = 47Hz. Determinar o

valor RMS da fundamental e dos harmônicos dominantes em v_O .

O valor da fundamental e das harmônicas de v_O podem ser determinadas a partir da tabela anterior, multiplicando todos os elementos por um fator de 2

Comportamento da corrente do lado CC.

Em sistemas práticos a fonte de tensão CC é obtida pela retificação da tensão alternada da rede. Um grande capacitor funciona como filtro de tensão, sendo conectado entre os terminais do retificador.

O ripple na tensão do capacitor deve-se a dois fatores:

a)A retificação da tensão de linha não gera uma tensão CC pura;

b)A corrente drenada pelo inversor monofásico, no lado CC, não é constante, apresentando uma componente de segundo harmônico na frequência da

fundamental, além das componentes de alta frequência geradas pelo

chaveamento. O ripple causado pela componente do segundo harmônico é predominante.

Chaveamento Unipolar – Análise Harmônica

Chaveamento Unipolar

Utilização das chaves

Se a corrente de saída é assumida puramente senoidal (carga fortemente indutiva)o valor eficaz tensão-corrente de saída na frequência fundamental é igula a V_o1I_o,max.

Semdo V_T e I_T os valores de pico nominais da tensão e corrente da chave. A utilização combinada de todas as chaves em um inversor pode ser definida por:

A tensão de linha RMS na frequência fundamental, devido ao deslocamento entre fases de 120o_{, pode ser escrito como:}

A amplitude das componentes harmônicas da tensão de linha podem ser determinadas a partir dos fatores de multiplicação indicados na tabela abaixo:

Sobremodulação, m_a > 1.0

Nessa condição de operação a amplitude da tensão na frequência fundamental não cresce proporcionalmente com m_a;

Para valores de ma muito grandes, o sinal PWM se converte em uma onda quadrada. Isso resulta em máximo valor de V_LL1 igual a 0.78V_d;

Na região de sobremodulação são gerados mais componentes harmônicas em bandas laterais em torno da frequência dos harmônicos de m_f e seus multíplus;

Apesar do aumento no número de componentes harmônicas geradas na condição de sobremodulação, dependendo da natureza da carga e da frequência de chaveamento, as perdas devidas a esses harmônicos podem ser menores que as perdas na região linear do PWM.

Comportamento da corrente do lado CC Assume-se uma tensão V_d CC sem ripple.

Considerando que não haverá armazenamento de energia nos filtros, a potência instantânea na entrada e saída serão iguais, assim:

Comportamento da corrente do lado CC

Em uma operação em regime balanceado as grandezas trifásicas estarão deslocadas entre si de 120º , então:

A corrente id* é uma grandeza CC. A corrente id, contudo, possui componentes harmônicas na frequência de cheveamento. As componentes de corrente de alta frequência tem efeito desprezível na tensão do capacitor do barramento CC.

O MOSFET é uma chave ativa com camadas semicondutoras N e P, cujo controle de condução é feito por um terminal isolado chamado de gate (porta) É um semicondutor totalmente controlado, através de uma tensão aplicada entre o gate e o source

Quando uma tensão V_GS adequada é aplicada, o MOSFET entra em condução e conduz correntes positivas (i > 0)

Possui um DIODO INTRÍNSECO EM ANTI-PARALELO, também conduzindo correntes negativas

O diodo intrínseco possui tempo de comutação maiores do que o MOSFET A resistência de condução R_DSon possui coeficiente de temperatura positivo, facilitando a operação em paralelo

Diodo intrínseco em paralelo – A junção p-n - resulta em um diodo em anti-paralelo (body diode) com sentido de condução dreno-source

Uma tensão negativa dreno-source polariza diretamente este diodo, com capacidade de conduzir a corrente nominal do MOSFET

Os tempos de recuperação deste diodo são normalmente significativos

As elevadas correntes que fluem durante a recuperação reversa do diodo podem causar danos ao componente