Conversores boost-flyback integrados para aplicações em alto ganho de tensão

Texto

(1)UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ CAMPUS PATO BRANCO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA PPGEE. JACSON RODRIGO DREHER. CONVERSORES BOOST-FLYBACK INTEGRADOS PARA APLICAÇÕES COM ALTO GANHO DE TENSÃO. DISSERTAÇÃO DE MESTRADO. PATO BRANCO 2012.

(2) JACSON RODRIGO DREHER. CONVERSORES BOOST-FLYBACK INTEGRADOS PARA APLICAÇÕES COM ALTO GANHO DE TENSÃO. Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná como requisito parcial para obtenção do título de “Mestre em Engenharia Elétrica” – Área de concentração: “Sistemas e Processamento de Energia”. Orientador: Prof. Mário Lúcio da Silva Martins, Dr.. PATO BRANCO 2012.

(3) Catalogação na Fonte por Elda Lopes Lira CRB9/1295. D771c. Dreher, Jacson Rodrigo Conversores boost-flyback integrados para aplicações com alto ganho de tensão / Jacson Rodrigo Dreher – 2012. 186 f. : il.; 30 cm. Orientador: Mário Lúcio da Silva Martins Dissertação (Mestrado) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Pato Branco/PR, 2012. Bibliografia: f. 182-186 1.Boost. 2.Flyback. 3.Ganho estático. 4.Eficiência. 5.Células fotovoltaicas. I.Martins, Mário Lúcio da Silva, orient. II.Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. III. Título. CDD(22. ed.) 621.3.

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(5) A minha esposa, aos meus filhos Isadora e Heitor, que sempre foram minha inspiração e força..

(6) AGRADECIMENTOS. Esta é a hora de lembrar-se das pessoas que fizeram diferença durante a realização deste trabalho. Gostaria de agradecer a todos que de alguma forma deram sua contribuição, mas principalmente: Ao Prof. Dr. Mário Lúcio da Silva Martins que me orientou e não mediu esforços nos momentos decisivos. A minha mãe pelo auxílio fundamental durante a trajetória do trabalho. Ao Instituto Federal de Santa Catarina pela liberação que permitiu a realização deste mestrado e por permitir a utilização dos laboratórios. Aos colegas do laboratório e de trabalho que de alguma forma sempre colaboraram. A UTFPR pela oportunidade de aprofundar os meus estudos. E a todos os demais que por algum motivo ajudaram na realização desta pesquisa. Ao CNPq, CAPES, SETI, ao IFSC e a UTFPR pelo apoio financeiro..

(7) RESUMO. DREHER, Jacson R. Conversores boost-flyback integrados para aplicações com alto ganho de tensão. 2012. 186. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Pato Branco, 2012.. A crescente demanda energética mundial é um dos principais problemas a ser enfrentado pela sociedade, uma vez que, a produção de energia elétrica na atualidade tem sua base em combustíveis fósseis, os quais possuem reservas não perenes e seus efeitos maléficos ao meio ambiente tem causado um impacto muito grande na natureza. Estes fatores têm incentivado a busca por alternativas para produção de energia elétrica a partir de fontes renováveis, principalmente em unidades de Geração Distribuída. A energia solar fotovoltaica se destaca neste contexto principalmente por sua flexibilidade quanto à potência e o ponto de conexão dos geradores, indo ao encontro do conceito de Geração Distribuída. Visando a expansão do emprego de geradores fotovoltaicos a redução do custo da energia gerada é fundamental, para tanto se deve conceber conversores eletrônicos capazes de adequar a energia CC produzida pelos geradores para que esta seja diretamente injetada na rede elétrica CA. No caso de geradores com um único módulo fotovoltaico, tem-se a oportunidade de extrair a máxima potência gerada pelo mesmo evitando-se problemas de sombreamento e dissimilaridades entre módulos, todavia o emprego de conversores eletrônicos com alto ganho de tensão com a maior eficiência possível é imprescindível. Nesta dissertação é proposta uma nova metodologia de integração de conversores estáticos, permitindo que novos conversores estáticos não isolados com alto ganho de tensão sejam derivados. Esta metodologia baseia-se no emprego de indutores acoplados que são compartilhados pelos conversores integrados e cujas seções e terminais são associados de modo que a topologia resultante possua um ganho de tensão que corresponde a soma dos ganhos individuais de cada conversor. Como exemplo e estudo de caso é analisada a integração dos conversores boost e flyback. São apresentados os modos de operação e as principais características dos conversores boost-flyback derivados neste trabalho, bem como uma metodologia de projeto para os circuitos e resultados experimentais. Os protótipos avaliados em laboratório mostram que os conversores boost-flyback derivados operando com ganho estático de dez vezes podem obter eficiência superior a 90% quando aplicados em um painel fotovoltaico de 200W. Palavras-chave: Boost. Flyback. Ganho estático. Eficiência. Células fotovoltaicas.

(8) ABSTRACT. DREHER, Jacson R. Integrated boost-flyback converters for applications with high voltage gain. 2012. 186. Dissertation (Master in Electrical Engineering) Federal Technology University - Parana. Pato Branco, 2012.. World increasing demand for energy is one of the most challenging problems to be faced by societies in the near future. And it is getting worst because the fossil fuels retain the majority of the world energy share. Besides the risk of outage caused by the depletion of fossil fuel sources, their side effects on the environment have causing a huge impact on the environment. These issues have motivating the search for renewable sources of energy, mainly in distributed generation units. In the renewable resources scenario, the photovoltaic energy has a major role due to its advantages, such as its power flexibility and easy on site placement of generators, which is very favorable for Distributed Generators Systems. Aiming to ensure the worldwide applications of PV systems, it is required to lower the PV energy cost per watt, which can be achieved with more efficient power processing systems that are used to convert the DC power produced by the PV modules in AC power to be injected to the grid. In systems with a power converter per PV module the best performance of the module is achieved in terms of energy efficiency, avoiding shadowing and aging dissimilarity problems that may plague PV generators with a large amount of PV modules. However, to achieve such benefits, power converters with high efficiency and large conversion range are required. In this dissertation it is proposed a novel methodology to synthesize integrated non-isolated DC/DC power converters with wide conversion range. This methodology is based on the use of coupled inductors to integrate the input sections of two power converters, meanwhile their output sections are associated in either, series, parallel or cascade configuration, yielding in a conversion ratio that is the sum of the individual integrated converters. As a case study, the integrated boost-flyback topologies are analyzed. Their modes of operation, chief characteristics as well as design rules are discussed. The analyses are validated by means of experimental results obtained from three laboratory prototypes. The prototypes operate with conversion ratio greater than ten times and the efficiency achiever is higher than 90% when designed for a 200W PV module. Keywords: Boost. Flyback. Voltage conversion ratio. Efficiency. Photovoltaic Cells..

(9) LISTA DE ILUSTRAÇÕES. Figura 1 - Cenário energético mundial. (a) Matriz energética; (b) Curvas de depleção das reservas energéticas. Fonte: Adaptado de [5]. ................................................... 20 Figura 2 - Diagrama de uma microrrede típica incluindo as cargas locais, os geradores distribuídos (GD) e os dispositivos de armazenamento de energia (AD). Fonte: Adaptado de [8]. ............................................................................................. 21 Figura 3 – Corrente versus tensão de uma célula fotovoltaica. (a) Para diferentes valores de irradiação. (b) Para diferentes valores de temperatura. ........................... 23 Figura 4 – Configurações de sistemas fotovoltaicos. (a) Inversor central; (b) Inversor multi-linhas; (c) Inversor linha; (d) Inversor integrado. .............................................. 25 Figura 5 – Sistema fotovoltaico monofásico distribuído conectado a rede. ............... 26 Figura 6 – Conversor boost. (a) Circuito equivalente com MOSFET em condução; (b) Circuito equivalente com MOSFET em bloqueio; (c) Modelo médio [22]. ................. 27 Figura 7 – Influência do RSE no conversor boost, considerando uma razão teórica RSE/R = 0,028. (a) Ganho de tensão e (b) eficiência do conversor boost em função da razão cíclica. ........................................................................................................ 29 Figura 8 – Conversor CC-CC Boost com múltiplos estágios em cascata. ................. 38 Figura 9 – Conversores boost com estágios em cascata integrados. (a) Conversor com múltiplos estágios. (b) Boost quadrático. ........................................................... 39 Figura 10 – Conversores boost com estágios em série. (a) Boost três níveis. (b) Boost três níveis com um único indutor de entrada................................................... 40 Figura 11 – Retificador Cockcroft-Walton .................................................................. 40 Figura 12 – Conversores boost com células dobradoras de tensão. (a) Adaptado de [47]; (b) Ref. [33]; (c) Ref. [34]. .................................................................................. 41 Figura 13 – Conversor SEPIC. (a) Topologia convencional. (b) Topologia com circuito de elevação de tensão (self-lift). (c) Malha com tensão média nula. (d) Nó com corrente média nula. .......................................................................................... 42 Figura 14 – Célula “super-elevadora” para conversores CC-CC. (a) Tipo 1. (b) Aplicada ao conversor SEPIC. (c) Múltiplas células elevadoras aplicadas ao SEPIC. .................................................................................................................................. 43 Figura 15 – Célula “super-elevadora”. (a) Aplicada individualmente. (b) Múltiplas células integradas. .................................................................................................... 44 Figura 16 – Conversores com indutor acoplado. (a) Conversor boost. (b) Conversor boost-flyback. (c) Conversor boost-flyback com saída em ponte-completa. ............. 45 Figura 17 – Conversores com indutor acoplado e grampeamento passivo. (a) Conversor boost. (b) Conversor buckboost. .............................................................. 46 Figura 18 – Conversores integrados. (a) Circuito dos conversores. (b) Circuito integrado. .................................................................................................................. 46 Figura 19 – Circuitos derivados da integração. (a) Com retificador em ponte. (b) Com múltiplas saídas......................................................................................................... 47 Figura 20 - Seções de um conversor CC-CC ............................................................ 48 Figura 21 - Conversores CC-CC básicos: (a) buck, (b) boost, (c) buckboost, (d) Cuk, (e) Zeta e (f) SEPIC................................................................................................... 49.

(10) Figura 22 - Configurações permitidas para seção de entrada: (a) fonte de tensão em série com chave ou (b) fonte de corrente em paralelo com chave. ........................... 50 Figura 23 – Derivação de fontes: (a) fontes de tensão e corrente em série, (b) fontes de tensão e corrente em paralelo. ............................................................................. 51 Figura 24 - Derivação da seção de entrada: (a) seção de entrada e intermediária, (b) alteração da posição entre a fonte de corrente e chave e em (c) degeneração das fontes. ....................................................................................................................... 51 Figura 25 – Seções de um conversor isolado ........................................................... 53 Figura 26 - Conversor isolado com as seções de entrada em paralelo e de saída em cascata ...................................................................................................................... 53 Figura 27 – Fluxograma para aplicação da Metodologia de Integração para obtenção de conversores com elevado ganho estático. ........................................................... 55 Figura 28 – Seções de entrada boost e flyback em paralelo ..................................... 56 Figura 29 – Conversores Boost e Flyback: (a) e (d) etapa de magnetização (t0-t1); (b) e (e) etapa de desmagnetização (t1-t2); (c) e (f) tensão sobre os indutores. ............. 58 Figura 30 – Integração das seções de entrada. (a) Ramo comum compartilhado. (b) Ramo da chave e do indutor do flyback é reorganizado. (c) Chaves em paralelo são integradas.................................................................................................................. 59 Figura 31 – Conversores boost e flyback integrados através da chave. (a) Etapa de magnetização (t0-t1). (b) Etapa de desmagnetização (t1-t2). ...................................... 60 Figura 32 - Integração dos indutores dos conversores boost e flyback: (a) indutores em paralelo e (b) substituídos por um equivalente .................................................... 62 Figura 33 – Principais formas de onda de corrente: (a) no conversor boost, (b) no conversor flyback e (c) nos conversores integrados. ................................................ 63 Figura 34 – Elementos ativos do conversor integrado através da seção de entrada nas etapas de: (a) magnetização (t0-t1) e (b) desmagnetização (t1-t2). ..................... 63 Figura 35 - Seções de saída: (a) boost e (b) flyback. ................................................ 65 Figura 36 - Associação série das portas de saídas. Fonte: Adaptada de [44]. ......... 66 Figura 37 - Integração das seções de saída em paralelo. (a) Os capacitores das seções de saída são associados em paralelo. (b) Os capacitores são substituídos por um equivalente. ................................................................................................... 67 Figura 38 - Seções de saída em paralelo com conexão do nó w ao: (a)nó x , (b) nó u e (c) nó y. .................................................................................................................. 68 Figura 39 - Associação de conversores em cascata. ................................................ 69 Figura 40 - Associação de seções de saída em cascata. ......................................... 69 Figura 41 - Integração cascata das seções de saída. ............................................... 69 Figura 42 - Representação N-port: (a) seção intermediária e de saída do conversor flyback e (b) conversor com as seções de saídas boost e flyback em cascata. ........ 70 Figura 43 – Elementos ativos na Topologia Boost-Flyback Série. (a) Etapa de magnetização. (b) Etapa de desmagnetização. ....................................................... 74 Figura 44 – Elementos ativos no conversor Boost-Flyback Paralelo wx. (a) Etapa de magnetização. (b) Epata de desmagnetização. ........................................................ 76 Figura 45 - Diodo da seção flyback em condução..................................................... 78.

(11) Figura 46 – Condições de operação do conversor Boost-Flyback Paralelo wx. (a) tensão sobre o diodo da seção de saída flyback. (b) tensão sobre o diodo da seção de saída boost. (c) ganho estático de tensão. ........................................................... 78 Figura 47 – Elementos ativos no conversor Boost-Flyback Paralelo wu: (a) Etapa de magnetização, (b) Etapa de desmagnetização. ........................................................ 80 Figura 48 - Diodos da seção flyback em condução. (a) N>1. (b) N<1. ...................... 81 Figura 49 – Conversor Boost-Flyback Paralelo wu. (a) tensão sobre o diodo da seção de saída flyback. (b) tensão sobre o diodo da seção de saída boost. (c) ganho estático de tensão. .................................................................................................... 82 Figura 50 – Elementos ativos na Topologia Boost-Flyback Paralela wy. (a) Etapa de magnetização. (b) Etapa de desmagnetização. ........................................................ 82 Figura 51 - Relação de espiras e ganho estático de tensão em função da razão cíclica. ....................................................................................................................... 84 Figura 52 – (a) diodo da seção flyback em condução e (b) diodo da seção boost. ... 84 Figura 53 – Conversor operando fora da restrição: (a), (c), (e) tensão nos diodos da seção de saída e em (b), (d), (f) ganho do conversor comparado ao boost e flyback. .................................................................................................................................. 86 Figura 54 – Elementos ativos na Topologia Boost-Flyback Cascata. (a) Etapa de magnetização. (b) Etapa de desmagnetização. ....................................................... 88 Figura 55 - Estados topológicos durante o período de magnetização do conversor boost-flyback série. (a) Etapa 1 (t0-t1), (b) Etapa 2 (t1-t2). .......................................... 93 Figura 56 - Estados topológicos durante o intervalo de desmagnetização do conversor boost-flyback série. (a) Etapa 3 (t2-t3); (b) Etapa 4 (t3-TS)......................... 97 Figura 57 - Principais formas de onda no conversor Boost-Flyback Série durante um período de chaveamento. .......................................................................................... 98 Figura 58 – Ganho estático. (a) Seção boost e Seção flyback (Lo2=0), (b) Seção boost (N=10); (c) Seção flyback (N=10), (d) Conversor boost-flyback série (N=10); (e) Conversor boost-flyback série (Lo2=0)................................................................ 102 Figura 59 - Limite de operação: (a) razão cíclica em função da relação de transformação e (b) ganho em função da razão-cíclica. ......................................... 105 Figura 60 – Esforços de corrente em função de D e N: (a) corrente eficaz na chave, (b) corrente eficaz no primário do indutor acoplado, (c) corrente eficaz no secundário do indutor acoplado, (d) corrente média no diodo boost e (e) corrente média no diodo flyback. .................................................................................................................... 113 Figura 61 – Tensão máxima sobre os semicondutores em função da razão cíclica para diferentes relações de transformação do indutor acoplado: (a) na chave, (b) no diodo da seção de saída boost e (c) no diodo da seção de saída flyback. ............. 115 Figura 62 - Estados topológicos durante o intervalo de magnetização do conversor boost-flyback paralelo wx. (a) Etapa 1 (t0-t1). (b) Etapa 2 (t1-t2). ............................. 121 Figura 63 - Estados topológicos durante o intervalo de desmagnetização do conversor boost-flyback paralelo wx. (a) Etapa 3 (t2-t3). (b) Etapa 4 (t3-TS). ........... 125 Figura 64 - Principais formas de onda no conversor boost-flyback paralelo xw durante um período de chaveamento...................................................................... 126 Figura 65 – Ganho estático: (a) para N=10 e diferentes valores de Lo2, (b) para Lo2=0 e diferentes valores de N. ....................................................................................... 128.

(12) Figura 66 - Limite de operação: (a) razão cíclica em função da relação de transformação e (b) ganho em função da razão cíclica. .......................................... 130 Figura 67 – Esforços de corrente em função de D e N: (a) corrente eficaz na chave, (b) corrente eficaz no primário do indutor acoplado, (c) corrente eficaz no secundário do indutor acoplado, (d) corrente média no diodo boost e (e) corrente média no diodo flyback. .................................................................................................................... 137 Figura 68 – Tensão máxima sobre os semicondutores em função da razão-cíclica para diferentes relações de transformação do indutor acoplado: (a) na chave, (b) no diodo da seção de saída boost e (c) no diodo da seção de saída flyback. ............. 140 Figura 69 - Estados topológicos durante o intervalo de magnetização do conversor boost-flyback cascata. (a) Etapa 1 (t0-t1). (b) Etapa 2 (t1-t2). ................................... 145 Figura 70 - Estados topológicos durante o intervalo de desmagnetização do conversor boost-flyback cascata. (a) Etapa 3 (t2-t3). (b) Etapa 4 (t3-TS). ................. 149 Figura 71 - Principais formas de onda no conversor Boost-Flyback Cascata durante um período de chaveamento. .................................................................................. 150 Figura 72 - Curva de Corrente e Tensão em função da irradiação solar................. 152 Figura 73 - Gráfico de projeto para o conversor Boost-flyback. (a) Série e Cascata e (b) Paralelo. ............................................................................................................. 154 Figura 74 – Perdas em condução nos conversores Boost-Flyback Série e Cascata: (a) relação de transformação em função da razão cíclica, (b) tensão da seção de saída boost, flyback e do conversor para os pares N, D, (c) Tensão nos semicondutores em função dos pares N, D e (d) perdas em condução para diferentes dispositivos. ............................................................................................ 156 Figura 75 – Perdas em condução no conversor Boost-Flyback Paralelo: (a) relação de transformação em função da razão cíclica, (b) tensão da seção de saída do conversor para os pares N, D, (c) Tensão nos semicondutores em função dos pares N, D e (d) perdas em condução para diferentes dispositivos. ................................. 157 Figura 75 - Formas de onda experimentais do conversor Boost-Flyback Série. (a) Principais formas de onda de corrente; (b) Principais formas de onda de tensão... 159 Figura 77 - Formas de onda experimentais do conversor Boost-Flyback Paralelo wx. (a) Principais formas de onda de corrente; (b) Principais formas de onda de tensão. ................................................................................................................................ 161 Figura 77 - Formas de onda experimentais do conversor Boost-Flyback Cascata. (a) Principais formas de onda de corrente; (b) Principais formas de onda de tensão... 162 Figura 78 - Tensão de saída e razão-cíclica em função da irradiação solar. (a) Conversor Boost-Flyback Série; (b) Conversor Boost-Flyback Paralelo wx; (c) Conversor Boost-Flyback Cascata. ......................................................................... 164 Figura 79 – Gráfico comparativo de eficiência em função da irradiação solar. ....... 165 Figura 80 - Gráfico comparativo de eficiência em função da potência de saída. .... 166 Figura 81 – (a) Eficiência e (b) ganho estático em função da razão-cíclica. ........... 168 Figura 82 – Conversor Boost-Flyback Série: (a) uma saída flyback, (b) nk saídas flyback. .................................................................................................................... 170 Figura 83 - Conversor Boost-Flyback Cascata: (a) uma saída flyback, (b) nk saídas. ................................................................................................................................ 171 Figura 84 - Conversor Boost-Flyback paralelo wx: (a) com uma saída flyback e em (b) com múltiplas saídas.......................................................................................... 172.

(13) Figura 85 - Gráfico comparativo de eficiência em função da irradiação solar. ........ 175 Figura 86 - Gráfico comparativo de eficiência em função da potência de saída. .... 176 Figura 87 - Eficiência em função da razão cíclica. .................................................. 176 Figura 88 - Ganho estático em função da razão cíclica. ......................................... 177.

(14) LISTA DE TABELAS. Tabela 1 - Ganho de tensão do conversor CC-CC em função do número de módulos. .................................................................................................................................. 26 Tabela 2 - Topologias e ganhos estáticos para os conversores CC-CC básicos ...... 35 Tabela 3 - Topologias e ganhos estáticos para os conversores CC-CC básicos isolados ..................................................................................................................... 37 Tabela 4 – Fontes de tensão ou corrente das seções dos conversores CC-CC básicos ...................................................................................................................... 50 Tabela 5 – Seção de entrada dos conversores CC-CC básicos e a possibilidade de integração.................................................................................................................. 52 Tabela 6 - Topologias do conversor Boost-Flyback. ................................................. 72 Tabela 7 – Restrições das Topologias do conversor Boost-Flyback. ........................ 89 Tabela 8 - Tensão sobre os semicondutores do conversor Boost-Flyback Série .... 114 Tabela 9 – Parâmetros de simulação. ..................................................................... 116 Tabela 10 – Comparativo entre valores de simulação e calculados para tensão da seção de saída boost (VoB)...................................................................................... 116 Tabela 11 – Comparativo entre valores de simulação e calculados para tensão da seção de saída flyback. ........................................................................................... 116 Tabela 12 – Comparativo entre valores de simulação e calculados para tensão de saída do conversor. ................................................................................................. 117 Tabela 13 – Comparativo entre valores de simulação e calculados para corrente eficaz na chave. ...................................................................................................... 117 Tabela 14 – Comparativo entre valores de simulação e calculados para corrente média no diodo Boost. ............................................................................................. 117 Tabela 15 - Comparativo entre valores de simulação e calculados para corrente média no diodo Flyback. ......................................................................................... 117 Tabela 16 - Comparativo entre valores de simulação e calculados para tensão máxima sobre a chave. ........................................................................................... 118 Tabela 17 - Comparativo entre valores de simulação e calculados para tensão máxima sobre o diodo boost. .................................................................................. 118 Tabela 18 - Comparativo entre valores de simulação e calculados para tensão máxima sobre o diodo flyback. ................................................................................ 118 Tabela 19 - Tensão sobre os semicondutores do conversor Boost-Flyback Paralelo ................................................................................................................................ 139 Tabela 20 – Comparativo entre valores de simulação e calculados para tensão de saída do conversor. ................................................................................................. 141 Tabela 21 – Comparativo entre valores de simulação e calculados para corrente eficaz na chave. ...................................................................................................... 141 Tabela 22 – Comparativo entre valores de simulação e calculados para corrente média no diodo Boost. ............................................................................................. 141 Tabela 23 - Comparativo entre valores de simulação e calculados para corrente média no diodo Flyback. ......................................................................................... 141.

(15) Tabela 24 - Comparativo entre valores de simulação e calculados para tensão máxima sobre a chave. ........................................................................................... 142 Tabela 25 - Comparativo entre valores de simulação e calculados para tensão máxima sobre o diodo boost. .................................................................................. 142 Tabela 26 - Comparativo entre valores de simulação e calculados para tensão máxima sobre o diodo flyback. ................................................................................ 142 Tabela 27 - Características elétricas do painel solar KC-200GT (1.000W/m2). ....... 152 Tabela 28 - Pontos de máxima potência em função da irradiação solar ................. 153 Tabela 29 - Parâmetros nominais de projeto .......................................................... 153 Tabela 30 - Características dos MOSFET's utilizados para analisar as perdas em condução. ................................................................................................................ 155 Tabela 31 – Parâmetros de projeto dos conversores boost-flyback. ....................... 158 Tabela 32 - Pontos de máxima potência em função da irradiação solar ................. 163 Tabela 33 – Parâmetros de projeto do conversor boost.......................................... 167.

(16) LISTA DE SIGLAS E ACRÔNIMOS. AD CA CC CO2 c-Si GD GDs mc-Si MPPT PV PWM RMS RSE sc-Si MOSFET. Armazenamento Disperso Corrente Alternada Corrente Contínua Dióxido de Carbono Silício Cristalino Geração Distribuída Geradores Distribuídos Silício Policristalino Maximum Power Point Tracking – Rastreamento do ponto de máxima potência Photovoltaic - Fotovoltaico Pulse-Width Modulation – Modulação por largura de pulso Root Mean Square – Raiz média quadrada Resistência Série Equivalente Silício Monocristalino Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor – Transistor de efeito de campo semicondutor óxido metálico. LISTA DE SÍMBOLOS. Cj D Dj Ij ij Ij(M) Ij(m) Ij(RMS) Impp k Lj Lkj Mj Nj nj Pmax. Capacitor (j=oB, oF, o, 1,2,3...) Razão cíclica Diodo (j=oB, oF,1,2,3...) Corrente média em um elemento/seção (j=oB, oF, o, 1,2,3...) Corrente instantânea em um elemento/seção (j=oB, oF, o, 1,2,3...) Valor máximo de corrente em um elemento/secção (j=oB, oF, o, 1,2,3...) Valor mínimo de corrente em um elemento/secção (j=oB, oF, o, 1,2,3...) Corrente eficaz em um elemento/seção (j=oB, oF, o, 1,2,3...) Corrente no ponto de máxima potência Número de secções de saída flyback Indutor (j=B, F, eq, 1,2,3...) Indutância de dispersão (j=1,2,3...) Ganho estático de tensão (j=boost, ser, cas, par, ideal, ser5w, cas5w) Relação de espiras no indutor acoplado (j=1,2,3...) Número de espiras no enrolamento (j=1,2,3...) do indutor acoplado Potência máxima.

(17) Pon RDS(on) Rj Rk Si t T tj VCA VCC VDS VGS Vj VKA Vmpp Wp ∆tj ηj. Perdas em condução Resistência em condução do MOSFET Resistor (j=oB, oF, o) Resistência direta do diodo Chave ativa do conversor Tempo Período de comutação Instatante de tempo (j=1,2,3) Tensão em corrente alternada Tensão em corrente contínua Tensão entre dreno e fonte Tensão entre gate e fonte Tensão em um elemento/seção do circuito (j=i, oB, oF, o, 1,2) Tensão direta no diodo Tensão no ponto de máxima potência Watts de pico Intervalo de tempo (j=1,2,3...) Eficiência do conversor (j=boost, ser, cas, par, ideal, ser5w, cas5w).

(18) SUMÁRIO. 1 INTRODUÇÃO – PANORAMA ENERGÉTICO MUNDIAL ..................................19 1.1 A ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA .............................................................21 1.1.1 Sistemas fotovoltaicos descentralizados conectados a rede ..........................23 1.1.2 Ganho estático de tensão do estágio CC-CC. ................................................25 1.1.3 Conversores CC-CC com ganho estático de tensão elevado. ........................29 1.2 OBJETIVOS ......................................................................................................32 1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO....................................................................32 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................34 2.1 CONVERSORES ESTÁTICOS BÁSICOS ........................................................34 2.1.1 Conversores estáticos básicos não isolados ..................................................34 2.1.2 Conversores estáticos com isolação galvânica...............................................36 2.2 CONVERSORES COM ELEVADO GANHO DE TENSÃO ...............................37 2.2.1 Conversores estáticos com estágios em cascata e em série .........................38 2.2.2 Conversores estáticos baseados em circuitos dobradores de tensão ............40 2.2.3 Conversores estáticos com células para elevação de tensão (Voltage Lift) ...41 2.2.4 Conversores estáticos com indutores acoplados ............................................44 2.2.5 Conversores estáticos integrados ...................................................................46 3 CONCEITO DE INTEGRAÇÃO DE CONVERSORES CC-CC BÁSICOS ...........48 3.1 CONVERSORES BÁSICOS SUBDIVIDIDOS EM “SEÇÕES” ..........................48 3.2 INTEGRAÇÃO DAS SEÇÕES ..........................................................................48 3.2.1 Integração das seções de entrada ..................................................................50 3.3 CONVERSORES BÁSICOS VISTOS COMO “CIRCUITOS COM DUAS PORTAS” ................................................................................................................52 3.4 METODOLOGIA DE INTEGRAÇÃO .................................................................54 4 INTEGRAÇÃO BOOST E FLYBACK...................................................................56 4.1 INTEGRAÇÃO DOS ELEMENTOS DAS SEÇÕES DE ENTRADA ..................56 4.1.1 Níveis de tensão nos indutores .......................................................................56 4.1.2 Integração da chave e da fonte de entrada ....................................................59 4.1.3 Integração dos indutores ................................................................................61 4.1.4 Ganho estático de tensão dos conversores integrados ..................................64 4.2 ASSOCIAÇÃO DAS SEÇÕES DE SAÍDA ........................................................65 4.2.1 Associação das seções de saída em série .....................................................66 4.2.2 Associação das seções de saída em paralelo ................................................66 4.2.3 Associação das seções de saída em cascata ................................................68 4.3 TOPOLOGIAS DERIVADAS DA INTEGRAÇÃO DOS CONVERSORES BOOST E FLYBACK.............................................................................................................70 4.4 LIMITES DE OPERAÇÃO DAS TOPOLOGIAS BOOST-FLYBACK .................72 4.4.1 Topologia do conversor Boost-Flyback Série .................................................73.

(19) 4.4.2 Topologias do conversor Boost-Flyback Paralelo ...........................................75 4.4.2.1 Conversor Boost-Flyback Paralelo wx ........................................................75 4.4.2.2 Conversor Boost-Flyback Paralelo wu ........................................................79 4.4.2.3 Conversor Boost-Flyback Paralelo wy ........................................................82 4.4.3 Topologia do conversor Boost-Flyback Cascata .............................................87 4.4.4 Síntese das restrições de operação para as topologias integradas ................88 5 ANÁLISE DAS TOPOLOGIAS DO CONVERSOR BOOST-FLYBACK INTEGRADO ...........................................................................................................90 5.1 CONVERSOR BOOST-FLYBACK SÉRIE ........................................................90 5.1.1 Princípio de operação em modo de condução contínua .................................90 5.1.2 Análise do ganho estático ...............................................................................99 5.1.3 Análise dos esforços de correntes nos componentes .....................................106 5.1.3.1 Esforços de corrente nos enrolamentos do indutor acoplado .....................106 5.1.3.2 Esforços de corrente no MOSFET ..............................................................109 5.1.3.3 Esforços de corrente nos diodos .................................................................110 5.1.4 Esforços de tensão nos semicondutores ........................................................114 5.1.5 Simulação do conversor .................................................................................115 5.2 CONVERSOR BOOST-FLYBACK PARALELO WX .........................................118 5.2.1 Princípio de operação em modo de condução contínua .................................118 5.2.2 Análise do ganho estático ...............................................................................127 5.2.3 Análise dos esforços de correntes nos componentes .....................................130 5.2.3.1 Esforços de corrente nos enrolamentos do indutor acoplado .....................130 5.2.3.2 Esforços de corrente no MOSFET ..............................................................134 5.2.3.3 Esforços de corrente nos diodos .................................................................135 5.2.4 Esforços de tensão nos semicondutores ........................................................138 5.2.5 Simulação do conversor .................................................................................140 5.3 CONVERSOR BOOST-FLYBACK CASCATA ..................................................142 5.3.1 Princípio de operação em modo de condução contínua .................................142 5.4 PROJETO E ANÁLISE EXPERIMENTAL DOS CONVERSORES BOOSTFLYBACK INTEGRADOS .......................................................................................151 5.4.1 Dados do painel (módulo) PV .........................................................................152 5.4.2 Especificações de projeto ...............................................................................153 5.4.3 Metodologia de projeto ...................................................................................153 5.4.4 Resultados experimentais ...............................................................................158 5.4.4.1 Conversor Série ..........................................................................................158 5.4.4.2 Conversor Paralelo .....................................................................................160 5.4.4.3 Conversor Cascata .....................................................................................161 5.4.5 Resultados dos conversores para variação de irradiação solar ......................163 5.4.6 Variação da Potência de saída .......................................................................165 5.4.6.1 Eficiência e ganho estático em função da razão-cíclica ..............................166 6 CONVERSOR BOOST-FLYBACK COM MÚLTIPLAS SAÍDAS .........................169 6.1 CONCEITO DA ASSOCIAÇÃO DAS MÚLTIPLAS SEÇÕES DE SAÍDA ..........169.

(20) 6.2 ANÁLISE EXPERIMENTAL DO CONVERSOR BOOST-FLYBACK INTEGRADO COM MULTIPLAS SAÍDAS .....................................................................................173 6.2.1 Indutância de magnetização ...........................................................................173 6.2.2 Projeto do conversor boost-flyback série e boost-flyback cascata ..................174 6.2.3 Resultados dos conversores para variação de irradiação solar ......................174 6.2.4 Variação da potência de saída........................................................................175 6.2.5 Eficiência e ganho estático em função da razão cíclica ..................................176 7 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS .......................................................178 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................182.

(21) INTRODUÇÃO. 19. 1 INTRODUÇÃO – PANORAMA ENERGÉTICO MUNDIAL. Nos últimos anos o mundo tem vivenciado um aumento crescente na demanda energética [1]. Esta demanda é decorrente de diversos fatores tais como o aumento populacional e o maior consumo de energia tanto da indústria quanto dos setores comerciais e residenciais [2]. Em termos gerais pode se afirmar que o consumo de energia está diretamente relacionado ao desenvolvimento econômico e social de um país, uma vez que quanto mais desenvolvida a nação, maior o seu consumo per capita de energia [3]. Todavia, países emergentes tais como a China e a Índia, têm apresentado um grande crescimento médio anual na demanda energética [4]. Se por um lado a demanda cresce, a oferta de energia é baseada em grande parte por fontes de energia derivadas de combustíveis fósseis (carvão, petróleo, etc.), como pode ser observado na Figura 1(a) [5]. Este perfil da matriz energética tem motivado inúmeras discussões sobre o rumo a ser tomado, uma vez que as reservas naturais destes combustíveis não são perenes, o que levará ao esgotamento das suas reservas em um período de tempo que pode abranger algumas dezenas de anos ou, em perspectivas otimistas, algumas centenas, Figura 1(b) [5]. Devido a esta perspectiva, somados os efeitos ambientais que têm sido revelados nos últimos anos [5], vários trabalhos tem sido realizados visando à utilização, a viabilidade técnica e econômica da introdução de fontes alternativas de energia [5]. Muitos países desenvolvidos têm diversificado sua matriz energética, investindo principalmente em fontes renováveis e reduzindo o consumo de combustíveis fósseis. Isto se deve principalmente às variações de preço destes combustíveis e a necessidade de redução de emissões de gases causadores do efeito estufa devido a compromissos assumidos no protocolo de Kyoto em 1992 [4]. Por outro lado, em países como a China e Índia a fonte primária mais consumida é o carvão, transformando a China em um dos maiores emissores mundiais de CO2 e outros gases causadores do efeito estufa [6]. Dentre as fontes alternativas, aquelas cujo recurso primário encontra-se disponível na natureza de forma renovável, têm ganhado atenção especial. Pode-se citar como as principais fontes renováveis, a energia eólica, solar, biomassa, marés, hidroelétrica, células de combustível, entre outras [7] e [8]. As energias renováveis.

(22) INTRODUÇÃO. 20. podem desempenhar um papel importante e estratégico para a diversificação e ampliação da matriz energética mundial, e também para redução das emissões de CO2. Devido às suas características, as fontes renováveis têm sido normalmente empregadas diretamente nas redes de distribuição em potências inferiores a 30 MW, através de geração fotovoltaica, biomassa, pequenas hidrelétricas e eólicas, indo ao encontro do conceito de Geração Distribuída, que é o emprego de diversos geradores dispersos no sistema elétrico.. (a) (b) Figura 1 - Cenário energético mundial. (a) Matriz energética; (b) Curvas de depleção das reservas energéticas. Fonte: Adaptado de [5].. A Geração Distribuída de diferentes tipos de sistemas de pequena capacidade permite a integração de sistemas renováveis e não convencionais de energia,. onde. os. geradores. (GDs). e. pequenos. sistemas. dispersos. de. armazenamento (ADs) encontram-se distribuídos entre os consumidores, reduzindo o custo de investimentos no sistema de transmissão e distribuição [9]. Fontes de Geração Distribuída (GD) podem ser renováveis tais como eólica, fotovoltaica, célula de combustível, etc., ou não renováveis provenientes de motores de combustão interna, motores de ciclo combinado, turbinas de combustão, entre outros. Unidades de geradores distribuídos dentro de um sistema elétrico de distribuição de uma microrrede (Figura 2) oferecem vantagens técnicas em termos de qualidade de energia, confiabilidade, administração do sistema e eficiência. No sistema mostrado na Figura 2 as fontes distribuídas e os dispositivos de armazenamento devem suprir as cargas do sistema local (microrrede), mantendo a regulação de tensão e frequência da rede durante uma condição não aceitável de qualidade de energia da rede da concessionária. Quando a energia da concessionária é restabelecida, a chave seccionadora somente pode ser fechada quando o sincronismo entre a microrrede e a rede é garantido, o que requer o constante monitoramento da tensão.

(23) INTRODUÇÃO. 21. em ambos os lados da conexão. Como a fonte existente em uma unidade geradora (GD) pode produzir eletricidade em corrente alternada com frequência fixa, variável, ou em corrente contínua, torna-se necessário à existência de um dispositivo de interface com a rede. Esta interface pode ser um gerador síncrono, assíncrono ou um conversor estático de potência. Para fontes renováveis como geradores eólicos de velocidade variável, micro turbinas e geradores fotovoltaicos, um conversor estático que tem como funções principais controlar a potência ativa entregue a rede da concessionária e também extrair a máxima potência da fonte primária, é usado como dispositivo de interface com a rede.. Figura 2 - Diagrama de uma microrrede típica incluindo as cargas locais, os geradores distribuídos (GD) e os dispositivos de armazenamento de energia (AD). Fonte: Adaptado de [8].. Dentre. as. fontes. renováveis. a. tecnologia. fotovoltaica. apresenta. características que favorecem a sua implantação em sistemas como o mostrado na Figura 2. Além de simples, pode ser instalada em qualquer lugar onde exista irradiação solar de qualquer intensidade. Isso significa que existe um grande potencial para a sua instalação em telhados e fachadas de edifícios públicos e privados, podendo ser facilmente incorporada à arquitetura dos edifícios, o que é primordial para um sistema elétrico baseado em fontes distribuídas aplicadas em grandes centros urbanos.. 1.1 A ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA. A energia solar é o recurso de energia mais abundante da Terra. Apesar disto, atualmente sua participação corresponde a menos de 1% da energia utilizada para fins comerciais mundialmente [4]. Uma das maiores barreiras para a expansão.

(24) INTRODUÇÃO. 22. dos sistemas fotovoltaicos é o custo de implantação do sistema. A operação e manutenção são muito menos significantes, em torno de 0,5% do capital investido por ano. Atualmente, os módulos fotovoltaicos representam 60% do custo total do sistema incluindo montagem, estrutura, inversores, cabeamento e demais custos [4]. Esse custo relativamente elevado da implantação acarreta no maior custo da energia produzida por estes sistemas quando comparado a outras fontes renováveis. Este fator econômico torna de extrema importância à máxima eficiência na geração e na conversão da energia elétrica produzida, fazendo com que seja fundamental o contínuo investimento no desenvolvimento tecnológico nos circuitos e componentes eletrônicos destes sistemas de geração [10]. A conversão da energia solar em energia elétrica acontece por meio de uma célula fotovoltaica. A tecnologia mais empregada na produção das células fotovoltaicas é o silício cristalino. O silício pode não ser o melhor material semicondutor para a produção das células, mas o processo de fabricação é economicamente viável em grande escala [11]. Basicamente a tecnologia do silício cristalino (c-Si) se subdivide em duas categorias: Silício mono cristalino (Single Crystalline sc-Si), que comercialmente apresentam eficiência em torno de 14 a 20%, e silício policristalino (multi-crystalline mc-Si) com eficiência na faixa de 13 a 15% [12]. As células isoladas têm baixa capacidade de produção de energia, geralmente apresentando tensão de 0,5V e corrente de 3A, o que resulta numa potência de 1,5W. Estas células são associadas em arranjos integrados industrialmente denominados de módulos fotovoltaicos a fim de fornecer maior tensão (geralmente entre 18 e 46V) e consequentemente maior potência (geralmente entre 100 a 500 W) [13]. Como todo dispositivo feito com silício, um módulo fotovoltaico é susceptível às variações da temperatura e da irradiação solar, o que influencia nos valores de tensão e de corrente do módulo, conforme mostrado na Figura 3. Com o intuito de maximizar a energia produzida e, desta forma, reduzir o tempo de amortização do investimento na implantação de um gerador fotovoltaico, deve-se sempre buscar o ponto de maior potência do módulo, levando a uma maior produção de energia [14]. Um circuito eletrônico (controlador) faz a busca do ponto de máxima potência de um módulo ou conjunto de módulos. Este circuito é conhecido como MPPT (Maximum Power Point Tracking). De acordo com as mudanças climáticas como irradiação solar, sombreamento ou temperatura, o controlador deve mudar o ponto de operação do módulo fotovoltaico para maximizar.

(25) INTRODUÇÃO. 23. a energia produzida. Muitos métodos de MPPT são mostrados na literatura, dentre eles estão alguns como: método de tensão constante, método de corrente de curto circuito, método de tensão de circuito aberto, perturbação e observação, condutância incremental [15].. 1 0.9. VARIAÇÃO DE IRRADIAÇÃO (25ºC) 2 1000W/m 2. 0.8. 2. VARIAÇÃO DE TEMPERATURA (1000W/m ) 1 25ºC 0.9 90ºC 0.8 0.7 Corrente (A). Corrente (A). 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 2. 200W/m. 0.2 0.1 0 0. 0.4 0.6 Tensão (V). 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1. 2 200 W/m 0.2. 0.6. 0.8. 1. 0 0. 0.2. 0.4. 0.6. 0.8. 1. Tensão (V). Figura 3 – Corrente versus tensão de uma célula fotovoltaica. (a) Para diferentes valores de irradiação. (b) Para diferentes valores de temperatura.. O método de busca do ponto de máxima potência de um arranjo de módulos pode ser comprometido caso exista a ação de sombreamento sobre o mesmo. Nesta situação a máxima potência do arranjo não é alcançada, pois o módulo sujeito a menor irradiação irá limitar a potência dos demais módulos conectados em série com este [16], [17].. 1.1.1 Sistemas fotovoltaicos descentralizados conectados a rede. O aumento massivo do mercado fotovoltaico no mundo se dá principalmente pelo crescimento dos sistemas conectados a rede, os quais muitas vezes não necessitam de um sistema de armazenamento de energia, tornando o seu custo mais atrativo e muitas vezes viabilizando a sua implantação [15]. Em meados da década de 1980 o mercado de sistemas fotovoltaicos conectados a rede se desenvolveu com a tecnologia de inversor central com aplicações acima de 10 kW até vários megawatts. A topologia dos inversores era baseada em conversores para aplicações industriais, cujos dispositivos e circuitos.

(26) INTRODUÇÃO. 24. não eram otimizados para aplicações fotovoltaicas. Em meados da década de 1990, com o desenvolvimento de programas como o 1000 Roof Program na Alemanha, se tornaram aparentes as deficiências de sistemas centralizados tais como: MPPT centralizado reduzindo a eficiência de geração em caso de sombreamento parcial do arranjo; perdas e risco de arco em cabos no barramento CC; baixa expansibilidade e capacidade de adaptação às necessidades dos clientes do sistema. Como forma de resolver estes problemas, uma tecnologia modular foi desenvolvida com vantagens como: redução de custo através da utilização de componentes similares; concepção e instalação do sistema mais simples através da combinação de unidades padrão. Atualmente, os sistemas conectados a rede podem apresentar diferentes configurações. Estas configurações podem ser comumente enquadradas em duas categorias: os sistemas centralizados com um único estágio de conversão de energia, denominado de inversor central, e os sistemas descentralizados os quais empregam conversores estáticos para um menor número de módulos fotovoltaicos, aumentando o número de circuitos e componentes eletrônicos, porém assegurando um maior aproveitamento da energia gerada [18], [19]. Geralmente o que define a configuração a ser utilizada é a potência do sistema de geração. Para sistemas fotovoltaicos com geração até 0,5kWp a configuração utilizada é inversor integrado (Module Integrated) (Figura 4(d)). Para potência entre 0,5kWp e 3kWp é então utilizada a configuração inversor linha (String Inverter) (Figura 4(c)). Entre 3kWp e 10kWp a configuração inversor multi-linhas (Multistring Inverter) (Figura 4(b)) e para potência acima de 10kWp a configuração inversor central (Central Inverter) (Figura 4(a)). Em sistemas onde a tensão dos módulos fotovoltaicos é menor que o pico da tensão da rede da concessionária é necessário que exista uma adequação dos níveis de tensão. Esta compatibilização pode ser feita com transformadores de linha (60 Hz). Todavia, objetivando-se uma redução volume e peso destes sistemas é preferível o emprego de um estágio CC-CC para aumentar a tensão dos módulos fotovoltaicos, proporcionando um barramento CC com valor adequado para que o estágio inversor seja conectado diretamente a rede. Assim, as configurações de inversores linha e inversores integrados podem apresentar um único estágio de conversão de energia ou podem empregar um estágio CC-CC para elevação de tensão e MPPT independente do estágio inversor. Os inversores multi-linhas sempre empregam múltiplos estágios CC-CC. A utilização de um estágio CC-CC permite.

(27) INTRODUÇÃO. 25. uma melhor utilização do estágio inversor que pode ter seus componentes projetados de modo otimizado, uma vez que o valor da tensão do barramento CC de um inversor tem influência direta no projeto de seus componentes e de seu filtro.. (a). (b). (c). (d). Figura 4 – Configurações de sistemas fotovoltaicos. (a) Inversor central; (b) Inversor multilinhas; (c) Inversor linha; (d) Inversor integrado.. 1.1.2 Ganho estático de tensão do estágio CC-CC.. Um sistema fotovoltaico descentralizado conectado em uma rede de 127V CA geralmente necessita que a tensão CC dos módulos seja elevada para valores em torno de 220 a 250V para a posterior conversão em CA, como mostrado na Figura 5. Os módulos produzem tensões que se encontram entre dois intervalos típicos: módulos de 36 células possuem tensão de saída de 18 a 26V e módulos de 72 células possuem tensão de saída de 36 a 46V. Pode-se encontrar módulos com potências entre 100 e 500W..

(28) INTRODUÇÃO. 26. Figura 5 – Sistema fotovoltaico monofásico distribuído conectado a rede.. A Tabela 1 mostra o ganho de tensão necessário para o conversor CC-CC elevar a tensão dos módulos para 250V, considerando arranjos com até três módulos de 25V/200W em série. Analisando-se a Tabela 1 é possível inferir que maior deve ser o ganho de tensão para um número menor de módulos fotovoltaicos e que o caso mais crítico é para o arranjo com um módulo (inversor integrado). Nestes casos, a utilização de um conversor boost convencional resulta em valores de razão-cíclica muito elevados, resultando em baixa eficiência na conversão de energia, devido à resistência série equivalente (RSE) dos componentes do circuito [20]. Tabela 1 - Ganho de tensão do conversor CC-CC em função do número de módulos. Número de Tensão PV (V) Tensão de saída do Ganho de tensão Potência PV (W) módulos PV conversor (V) do conversor 1 25 250 10 200 2 50 250 5 400 3 75 250 3,42 600. A RSE é função da resistência série do indutor boost e das quedas de tensão nos semicondutores, sendo que a maior contribuição ocorre no MOSFET, cuja resistência equivalente é bastante significativa e aumenta proporcionalmente com a tensão de ruptura que o dispositivo é capaz de suportar [21]. Portanto, quanto maior a razão-cíclica, mais tempo o MOSFET permanece em condução, elevando o valor da RSE. Além das perdas associadas à RSE, a tensão equivalente sobre esta resistência acaba por reduzir a tensão de saída do conversor boost, o que efetivamente limita o seu ganho estático. As perdas em condução ( Pon ) no conversor boost podem ser estimadas como sendo,. Pon = RSE.I RMS 2. (1). Onde I R MS é a componente eficaz da corrente I L no modelo médio do conversor [22], mostrado na Figura 6(c). O valor de RSE é definido como,.

(29) INTRODUÇÃO. 27. RSE = RL + RDS (on) .D + RK (1− D). (2). Onde RL é a resistência série do indutor, RDS (on ) é a resistência série do MOSFET, RK é a resistência série do diodo e D é a razão-cíclica do conversor. Portanto, substituindo-se a expressão (2) em (1) e ainda considerando-se que o valor da razão-cíclica aproxima-se da unidade tem-se, Pon = ( RL + RDS ( on ) D ) I RMS 2 = RL I RMS 2 + RDS ( on ) DI RMS 2. (3). A partir de (3) pode-se inferir que as perdas podem ser reduzidas se a corrente eficaz for reduzida, o que sugere o paralelismo de estágios de conversão de energia. A conexão de conversores estáticos em paralelo é normalmente utilizada em aplicações tais como em fontes de telecomunicações e servidores de rede de computadores onde uma elevada densidade de potência é necessária. Com a adoção desta técnica os esforços de corrente e as perdas são distribuídas entre os conversores. Além do paralelismo, a operação em modo intercalado (defasagem entre as moduladoras PWM) permite uma redução na ondulação de corrente sobre os dispositivos [23], [24].. (a). (b). (c) Figura 6 – Conversor boost. (a) Circuito equivalente com MOSFET em condução; (b) Circuito equivalente com MOSFET em bloqueio; (c) Modelo médio [22].. Por outro lado, a segunda parcela da expressão (3) é função da resistência do MOSFET e da razão-cíclica do conversor. Para minimizar-se esta parcela podese empregar semicondutores com baixa resistência de condução tais como o CoolMOSTM [25] [26], ou empregar um conversor CC-CC com ganho de tensão elevado de tal forma que a razão-cíclica mantenha-se em valores baixos [20]. Além das perdas, o ganho estático de tensão do conversor boost também pode ser analisado através do circuito da Figura 6(c), de onde se tem,.

(30) INTRODUÇÃO. 28.     Vo 1  (1 − D ) VKA   1  = 1 −  R + R D + R 1 − D Vi 1 − D  Vi )  DS ( on ) K (   1+ L 2   R (1 − D )  . (4). Onde VKA é a queda de tensão do diodo em condução. Mais uma vez considerando-se que a razão-cíclica aproxima-se da unidade, pode-se simplificar a expressão (4) de modo que se obtém,.     Vo 1  1  =   R + R D Vi 1 − D L DS ( on )  1 +  2 R (1 − D )  . (5). Em termos de RSE, o ganho estático do conversor pode ser dado como,.     Vo 1  1  = 1 Vi 1 − D   RSE    1 +   2  R   − D 1 ( )  . (6). A partir de (6) pode-se inferir que existe uma parcela que minimiza o ganho de tensão. Esta parcela encontra-se multiplicada por um fator dado pela razão entre o valor de RSE e da resistência de carga R . Desta forma, fica evidente que se reduzindo RSE a zero tem-se o valor do ganho estático ideal (sem perdas) e, por outro lado, para RSE > R tem-se uma rápida redução do ganho estático o qual tende a zero quando RSE >> R . A Figura 7 mostra a influência da RSE no ganho estático do conversor boost e na sua eficiência. Observa-se que o ganho estático ideal do conversor boost tende a infinito quando a razão-cíclica aproxima-se da unidade (Figura 7(a)). Todavia, para uma relação de 0,028 entre a RSE e a resistência de carga R , tem-se um ganho estático máximo limitado a sete para uma razão-cíclica de aproximadamente 0,9. Uma curva experimental mostra que este limite pode ser ainda mais restritivo ficando em torno de cinco. Para a mesma relação RSE/R=0,028, a eficiência máxima é de aproximadamente 90% para uma razão-cíclica de 0,6 (Figura 7(b)). Na prática observa-se que para valores de razão-cíclica superiores a 0,5 a eficiência do conversor decai significativamente..

(31) INTRODUÇÃO. 29. Ganho estático. Eficiência. 10. 1 Experimental Modelo Médio Ideal. 8. 0.8. 6. 0.6. 4. 0.4. 2. 0.2. 0. 0. 0.2. 0.4. 0.6. 0.8. 1. Razão cíclica (D). (a). 0. Experimental Modelo Médio Ideal 0. 0.2. 0.4. 0.6. 0.8. 1. Razão cíclica (D). (b). Figura 7 – Influência do RSE no conversor boost, considerando uma razão teórica RSE/R = 0,028. (a) Ganho de tensão e (b) eficiência do conversor boost em função da razão cíclica.. 1.1.3 Conversores CC-CC com ganho estático de tensão elevado.. De um modo geral, existem diferentes abordagens que resultam em conversores com ganho estático elevado. Algumas destas abordagens consideram a associação de conversores, outras a inclusão de circuitos específicos para elevação da tensão na saída do conversor e, outras fazem uso do ajuste dos níveis de tensão através de elementos magnéticos como o transformador. Várias topologias são oriundas de um único método para elevação do ganho estático ou ainda de uma combinação de dois ou mais deles. Para facilitar a compreensão de como funciona cada um destes métodos, buscou-se dividi-los de acordo com o modo em que o ganho de tensão é obtido. Desta forma, os conversores estáticos com alto ganho de tensão com valores reduzidos de razão-cíclica foram separados em categorias, ou abordagens, conforme está descrito abaixo: a. Conversores baseados na conexão de estágios idênticos em cascata [27], [28], [29], [30], [13] ou série [31], [32]. b. Conversores baseados em circuitos dobradores de tensão [33], [34], [35], [36] e capacitores chaveados [37]. c. Conversores com célula de elevação de tensão (Voltage Lift) [38], [39], [40]. d. Conversores baseados em Indutores Acoplados [41], [42], [43]. e. Conversores baseados na associação e integração de conversores [44], [45], [46]..

(32) INTRODUÇÃO. 30. Os conversores com elevado ganho de tensão empregam algum tipo de técnica que permite a operação com valores menores de razão-cíclica. Cada uma destas técnicas apresenta vantagens e desvantagens que podem ser exploradas em diferentes aplicações. A seguir tem-se uma descrição sucinta das principais características de cada uma das abordagens. Com relação às topologias baseadas na associação de conversores idênticos pode-se afirmar que a conexão de conversores em cascata permite que o ganho estático total seja igual à multiplicação dos ganhos de cada estágio individualmente. Além disto, a independência entre as variáveis de cada estágio permite que estes sejam controlados de modo independente, i.e., podendo operar com razões-cíclicas distintas. A principal desvantagem de uma topologia com múltiplos estágios em cascata é que a energia proveniente da fonte é processada múltiplas vezes antes de ser entregue a carga, o que reduz a eficiência do sistema. Por outro lado, os componentes do estágio de saída estão sujeitos a esforços de tensão maiores, ao passo que os componentes do estágio de entrada estão sujeitos a esforços de corrente maiores. O número de componentes também é multiplicado pelo número de estágios em cascata, o que é muito maior do que uma topologia de único estágio. Para reduzir o número de componentes, a integração de alguns componentes redundantes dá origem aos conversores quadráticos. Nestas topologias o ganho de tensão total é também o ganho de cada estágio multiplicado entre si. Todavia, com um único semicondutor ativo, a razão-cíclica para ambos é idêntica dando origem a sua denominação de conversor quadrático. Também baseada na associação de conversores idênticos, a conexão em série de topologias resulta em conversores cuja tensão de saída é a soma da tensão de cada um dos estágios. O conversor boost three-level e o conversor dual boost são exemplos deste tipo de conversores. Nestes casos os conversores são arranjados de modo que dois estágios de conversão de energia são associados com suas saídas em série. Relativo às topologias baseadas em dobradores de tensão pode-se afirmar que estes fazem uso de ‘células’ empregando capacitores e diodos que são arranjadas de tal modo que a tensão nos capacitores é duplicada a cada nova célula. Então, um conjunto de ‘n’ células é capaz de produzir uma tensão ‘n’ vezes o valor de sua tensão inicial. Estas ‘células multiplicadoras de tensão’ são baseadas na associação de capacitores como é feito no retificador Cockcroft-Walton,.