UNIVERSIDADE
FEDERAL
DE
SANTA CATARINA
` `
I nr
PROGRAMA
DE Pos-GRADUAÇAO
EM
ENGENHARLA
9
ELÉTRICA
CONVERSORES
CC-CC
ISOLADOS
DE
ALTA
TENSÃO DE
ENTRADA
,z- _
-
Tese
submetida àUniversidade Federal de Santa Catarina
`
como
parte dos requisitos paraaobtenção
do
grau deDoutor
em
Engenharia ElétricaEDUARDO DESCHAMPS
Eduardo
Deschamps
“Esta
Tese
foi julgadaadequadamente
para obtençãodo
Título deDoutor
em
EngenhariaElétrica,
Área
de Concentraçãoem
Sistemas de Energia, e aprovadaem
suaforma
final peloCurso
dePós-Graduação
em
Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa Catarina.Prof.
IVO
BARBI,
Dr. Ing.Prof.
ILDEMAR
cAs
SANA
DECKER,
Dr.Coordenador do Curso
de Pós-Graduaçãoem
Engenharia Elétrica41
Banca
Examinadora: .Prof.
IVO
BARBI,
Dr. Ing.QLLIJZ
Ô
Prof.
HUMBERTO
PINHEIRO,
Ph.D.MANUEL
ROBERTO
JAS
ROMERO,
Ph.D.óël
¿Q¿¿`
Sâaãzk
Prof.
ALEXANDRE
FERRARI
DE
SOUZ
, Dr..ii
À
minha
esposa
Adriana pelo
seu amor,
carinho
e
compreensão
incondicionais,
AGRADECIMENTOS
Ao
grande mestre eamigo
Ivo Barbique vem,
com
o talento deum
artesão deviolinos, construindo
mentes afinadas
na área de Eletrônica de Potência.Aos
Professores Alexandre, Arnaldo, Kassick, Hari, Denizar e Fagundes,que
em
todos osmomentos
mostraram-se disponíveis para contribuirna
realização deste trabalho.À
futura Engenheira Fabianada
Silveira Cavalcante e aos técnicos LuizM.
Coelho
eAntônio Luiz S. Pacheco,
que
colaboraram decisivamenteem
diversas etapas deste projeto.À
secretária PatríciaSchmidt
que,com
dedicação e paciência,dá
um
suporteadministrativo valioso aos professores, alunos e bolsistas
do INEP.
Aos
colegas deMestrado
e Doutorado,em
especial aRoger
Gules eAnderson
André,pelas discussões,
amizade
e companheirismo.À
FURB
-
Universidade Regional deBlumenau
que, através de suporte institucional efinanceiro,
vem
apostando na capacitação de seus docentescomo
verdadeiro instrumento dequalificação de seus cursos.
H
À
UFSC
- Universidade Federal de Santa Catarina e àCAPES
-Coordenação
deAperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior pelo apoio financeiro.
Aos meus
colegas eamigos do Departamento
de Engenharia Elétricada
FURB
pelo incentivo para a realização deste Doutorado.Aos
meus
pais Genésio eIrma
pelo afeto,exemplo
de vida e, principalmente, pelomaior
bem
que
me
legaram, a educação.Aos meus
irmãos Suzana,Fernando
eMarcelo
pelo apoio e incentivo.SUMARIO
SIMBOLOGIA
E
ABREVIATURAS
... ..RESUMO
... .. xlvABSTRACT
... ..INTRODUÇAO
... ..1.
TÉCNICAS MULTINÍVEIS
DE
TENSÃO
1. 1
INTRODUÇÃO
... ..1.2
ASSOCIAÇÃO
DE
CÉLULAS
DE
COMUTAÇÃO
MULTINIVEIS
DE TENSÃO
1.2.1
1.2.2
MÉTODO
DE
GRAMPEAMENTO
DE TENSAO
A
CAPACITOR
MÉTODO
DE
GRAMPEAMENTO
DE TENSAO
À
DIODO
1.3
ASSOCIAÇÃO
DE CONVERSORES
... ..1.3.1
1.3 .2
ENTRADAS
ASSOCIADAS
EM
SÉRIEE
SAIDAS
ASSOCIADAS
EM
SERIE1.3.3
1.4
CONCLUSÃO
... ..2.
CONVERSOR
CC-CC ZVS
PWM
BASEADO NA CÉLULA MULTINIVEL DE
TENSÃO
ENTRADAS
INDEPENDENTES
E SAÍDAS
ASSOCIADAS
EM
SERIEENTRADAS
ASSOCIADAS
EM
CASCATA
E SAIDAS
ASSOCIADAS
EM
SERIE4°
COM
PONTO
NEUTRO
GRAMPEADO
2. 1
INTRODUÇÃO
... ..2.2
DESCRIÇÃO
DO
CIRCUITO
... .. 2.3 PR1NCííP1ODE
OPERAÇÃO
... ..2.4
CARACTERÍSTICA
DE
SAIDA
... .. 2.5ANÁLISE
DA COMUTAÇÃO
... ._2.6
ESFORÇOS
DE
CORRENTE
E
TENSÃO
... ..2.7
PROCEDIMENTO
E
EXEMPLO DE
PROJETO
2.7.1 2.7.2 2.7.3 2.7.4 2.7.5 2.7.6 2.7.7
ESPECIFICAÇÕES
... . .TRANSFORMADOR
; ... ..INDUTOR
DE
AUXÍLIO
À
COMUTAÇÃO
..INDUTOR
DE
FILTRO
DE
SAÍDA
... _.CAPACITOR
DE
FILTRO
DE SAÍDA
... ..CAPACITORES
DE
FILTRO
DE
ENTRADA
INTERRUPTORES
PRINCIPAIS ...2.7.10
RENDIMENTO
TEÓRICO
... .. 2.8RESULTADOS
EXPERIMENTAIS
... .. 2.9CONCLUSÃO
... ..3.'
CONVERSOR
CC-CC ZVS
PWM
BASEADO
NA CÉLULA MULTINÍVEL DE TENSAO
COM
CAPACITOR FLUTUANTE
3.1
INTRODUÇÃO
... .. 3.2DESCRIÇÃO
DO
CIRCUITO
... ._ 3.3 PRINCÍPIODE
OPERAÇÃO
... ..3.4
CARACTERÍSTICA
DE
SAIDA
... .. 3.5ANÁLISE
DA COMUTAÇÃO
... .. 3.6ESEORÇOS
DE
CORRENTE
E
TENSÃO
... .. 3 .7PROCEDIMENTO
E
EXEMPLO DE
PROJETO
... ..3.7.1
ESPECIFICAÇÕES
... 4 .. 3.7.2CAPACITOR
FLUTUANTE
... _. 3.7.3CAPACITORES
DE
ENTRADA
... .. 3 .7.4 RENDIIVIENTOTEÓRICO
... _. 3.8RESULTADOS
EXPERIMENTAIS
... .. 3 .9CONCLUSÃO
... ..4.
CONVERSOR
CC-CC ZVS
PWM
BASEADO
NA
CÉLULA
MULTINÍVEL DE
TENSÃO
COM
CAPACITOR FLUTUANTE MODIFICADO
4.1
INTRODUÇÃO
... ..4.2 SÍNTESE
E
DESCRIÇÃO
DO
CIRCUITO
... .. 4.3 PRINCÍPIODE OPERAÇÃO
... ..4.4
TENSÃO
SOBRE
O
CAPACITOR
SERIE ... .. 4.5CARACTERISTICA
DE
SAIDA
... ._4.6
ANÁLISE
DA
COMUTAÇÃO
... ..4.7
ESF
ORÇOS DE CORRENTE
E
TENSÃO
... ..4.3
PROCEDIMENTO
E
EXEMPLO
DE PROJETO
... ..4.8.1
ESPECIFICAÇÕES
... ..vii 4.8.3
CAPACITOR
SERIE ... .. 91 4.8.4CAPACITORES
DE
ENTRADA
... ..92
4.8.5RENDIMENTO
TEÓRICO
... .. 93 4.9RESULTADOS
EXPERIMENTAIS
... .. 93 4.10CONCLUSÃO
... ... .. 985.
CONVERSOR
CC-CC ZVS
PWM
BASEADO
NA
ASSOCIAÇÃO
EM
CASCATA
DE CONVERSORES
_ 5.1INTRODUÇÃO
... ..99
5.2DESCRIÇÃO
DO
CIRCUITO
... ..99
5.3 PRINCÍPIODE OPERAÇÃO
... .. 100 5.4CARACTERÍSTICA
DE
SAIDA
... .. 107 5.5ANÁLISE
DA COMUTAÇÃO
... .. 1085.6
ESFORÇOS
DE CORRENTE
E
TENSÃO
... .. 1095.7
PROCEDIMENTO
E
EXEMPLO DE
PROJETO
... ._ 1 12 5.7.1ESPECIFICAÇÕES
... N; ... ..1125.7.2
TRANSFORMADORES
... ..1135 .7.3
INDUTORES
DE
AUXILIO
À COMUTAÇÃO
... _. 115 5.7 .4CAPACITORES
DE
GRAMPEAMENTO
... ..1195.7.5
CAPACITORES
DEENTRADA
... ..1195.7.6
RENDIMENTO
TEÓRICO
... .. 1205.8
RESULTADOS
Ex1›ER1MENTA1s ... .. 1215.9
CONCLUSÃO
... .. 1266.
CONVERSOR
CC-CC ZVS
PWM
BASEADO
NA ASSOCIAÇÃO
EM
SERIE
DE
CONVERSORES
6.1INTRODUÇÃO
... .. 127 6.2DESCRIÇÃO
DO
CIRCUITO
... .. 127 6.3 PRINCÍPIODE OPERAÇÃO
... .. 128 6.4CARACTERÍSTICA
DE
SAÍDA
... ._ 135 6.5ANÁLISE
DA COMUTAÇÃO
... .. 1366.6
ESFORÇOS
DE CORRENTE
E
TENSÃO
... .. 1376.7
PROCEDIMENTO
E
EXEMPLO DE
PROJETO
... _. 139 6.7.1ESPECIFICAÇÕES
... .. 1406.7.2
CAPACITORES
DE
ENTRADA EXTERNOS
... .. ... ..14O6.7.3
CAPACITORES
DE
ENTRADA
INTERNOS
... ._ 1416.7.4
RENDIMENTO
TEÓRICO
... .. 6.8RESULTADOS
EXPERIMENTAIS
... .. ... _. 142 ... .. 143 6.9CONCLUSÃO
... .. 147 7.ESTUDO COMPARATIVO
7.1INTRODUÇÃO
... .. 1487.2 DISPOSITIVOS
SEMICONDUTORES
E DISSIPADORES
... ..1487 .3
ELEMENTOS MAGNETICOS
... .. ... ..149 7.4CAPACITORES
... .. 150 7.5RENDIMENTO
... ..151 7. 6CONCLUSÃO
... .. ... ..153C
ON
CLUSAO
GERAL
... .. 154
REFERÊNCLAS
BIBLIOGRÁFICAS
... .. 157 4H
TIP
HOAB
ABmzx
AD
AIOAp
Hr AtATL0
ATU
ATTr
AVc¢
AV¢¡
AVcs
AV0
ACC
As
ASC
Aw
BmzxC
Ce
CdsCF
CFM
Cg
SIMBOLOGIA
E
ABREVIATURAS
- Fator de correção -Rendimento
máximo
- Resistividadedo
condutor - Penneabilidadedo
ar- Variação
do
fluxo
magnético- Variação
máxima
do
fluxo
magnético -Redução
da
razão cíclica-
Ondulação da
corrente de saída - Profundidade de penetração - Penneabilidade relativado
núcleo- Intervalo de
tempo
- Elevação de temperatura
do
núcleodo
indutor de filtrode
saída .n~ Elevação
de
temperaturado
núcleodo
indutor de auxílioa
comutação
- Elevação de temperatura
do
núcleodo
transformador T,~ ~
Ondulaçao da
tensao degrampeamento
-
Ondulação da
tensão de entrada-
Ondulação da
tensão sobreo
capacitor série -Ondulação da
tensão de saída- Associação
em
cascata de conversores -Área
magnéticado
núcleo- Associação
em
série de conversores -Área
de janelado
núcleo¬
Fluxo
magnéticomáximo
- Capacitorde comutação
- Capacitor degrampeamento
- Capacitância dreno-source - Capacitor flutuante- Capacitor flutuante modificado
Co
Cass Cfss Cs dD
D1-4Dz
DefDmzx
Do
F
ÍšG
- Capacitor de filtro
de
saída - Capacitância de saída - Capacitância de transferência -_ Capacitor série -Diâmetro do
fio
-Razão
cíclica -Diodo
-
Diodo
de
grampeamento
de tensão -Razão
cíclica efetiva-
Razão
cíclicamáxima
-
Diodo
retificadordo
estágio de saída - Fator de correçãodo
número
de espiras - Freqüência dechaveamento
_
-
Dimensão
geométricado
núcleoHVDC
- High-Voltage Direct Current, corrente contínua de alta tensãoiCc Iczzef
Ê
lci iCs iDc Íncmú IDcpk IDcmd iDo IDomd IDopk IDomd 1Lo ILoef- Corrente
no
capacitor degrampeamento
de tensão - Corrente eficazdo
capacitor degrampeamento
de tensão- Corrente eficaz normalizada
do
capacitor degrampeamento
de tensão - Correnteno
capacitor de filtro de entrada- Corrente
no
capacitor série - Corrente deanodo do
diodoDc
- Correntemédia
do
diodoDc
- Corrente de picono
diodo D.,- Corrente
média
normalizadado
diodoDc
- Corrente deanodo do
diodoDO
- Corrente
média do
diodoDO
- Corrente de picono
diodoDO
- Corrente
média
normalizadado
diodoDO
- Correnteno
indutor de filtrode
saída_
Ítopk Íizzzf I1,,¡,k Io Limizi
Í
Ipef Ippk is Iszf Iszf IspkÍš
irf Jmzzx kz kh kpkw
Ló
le lgLo
Lf Lfs 1:n
Nim
Nm
Nfp NfsNm
- Corrente de pico
do
indutor de filtro de saída - Corrente eficazdo
indutor de auxílio àcomutação
_
- Corrente de pico
do
indutor de auxílio àcomutação
- Corrente de carga/saída- Corrente de saída
mínima
-. Corrente de saída normalizada
- Corrente
eficaz
do
primáriodo
transformador - Corrente de picodo
primáriodo
transformador - Corrente de drenodo
interruptor S- Corrente
eficaz
do
interruptorS
- Corrente
eficaz
do
secundáriodo
transformador - Corrente de picodo
interruptor S- Corrente
eficaz
normalizadado
interruptor S - Correnteno
primáriodo
transformador T, -Densidade
de correntemáxima
- Coeficiente de perdas por correntes parasitas - Coeficiente
de
perdas por histerese parao
ferrite~
Fator de utilizaçao
do
primáriodo
transformador- Fator de utilização da janela
do
núcleo - Indutânciade
dispersãodo
transformador -Comprimento
efetivodo
núcleo- Entreferro
- Indutor
do
filtro de saída - Indutor de auxílio àcomutação
- Indutância de
comutação
referida ao secundáriodo
transformador -Comprimento
médio
deuma
espira- Relação de transformação
-
Número
defios
em
paralelodo
indutor de filtro de saída-
Número
de fiosem
paralelodo
indutor de auxílio àcomutação
_
-
Número
defios
em
paralelodo
enrolamento primáriodo
transformador-
Número
defios
em
paralelodo
enrolamento secundáriodo
transformadorNPC
Ns
Pc PDC PD0 PLOPU
PnPam
Pnu
P0 PÍOÍ PTr PwL‹›Pwu
- Neutral-Point-Clamped, ponto neutro
grampeado
-
Número
de espirasdo
secundáriodo
transformador- Perdas
no
circuitode grampeamento
-í Perdas
em
condução do
diodoDc
- Perdas
em
condução do
diodoDO
- Perdas totais
no
indutor de filtro de saída - Perdas totaisno
indutor de auxílio àcomutação
- Perdas
no
núcleodo
transformador- Perdas
no
núcleodo
indutorde
filtro de saída - Perdasno
núcleodo
indutorde
auxílio àcomutação
- Potência de saída- Perdas teóricas totais
- Perdas totais
do
transformador Tri- Perdas
no
enrolamentodo
indutor de filtrode
saída- Perdas
no
enrolamentodo
indutor de auxílio àcomutação
PWM
- Pulse-width modulation,modulação
por largurade
pulsoPwp Pwz
Rum
Rg
R0
RSE
RimaRum
RuzjzRam
Ra.: RT: S S- Perdas
no
enrolamento primáriodo
transformador - Perdasno
enrolamento secundáriodo
transformador - Resistência dreno-source decondução
V- Resistência
do
circuito degrampeamento
- Resistênciade
carga- Resistência série-equivalente
- Resistência térmica cápsula-dissipador - Resistência térmica dissipador-ambiente .
- Resistência térmica junção-cápsula
- Resistência térmica
do
núcleodo
indutor de filtro de saída- Resistência térmica
do
núcleodo
indutor de auxílio àcomutação
- Resistência térmica
do
transformador T, -Área do
fio escolhidoSL» SLr Sp SS t Tz T1 Tr TS Vab
VC
VCc Vci Vq, VCS VDcmax VDO VDomaxVf
Vfl)o Vos Vi Vlo VLo VzzV0
Vs VSmax VSnnd VTnndWr
-
Área
do
condutordo
indutor de filtro de saída -Área
do
condutordo
indutor de auxílio àcomutação
-
Área
do
condutordo
enrolamento primáriodo
transformador -Área
do
condutordo
enrolamento secundáriodo
transformador- Instante
de
tempo
-_
Temperatura
ambiente-
Temperatura
de junção - Transformador- Pen'odo
de
operação-
Tensão
entre os pontosa
eb -Tensão
sobre o capacitorC
-
Tensão
sobre o capacitor degrampeamento
de tensão -Tensão
sobre o capacitorde
filtrode
entrada,-
Tensão de
grampeamento
-Tensão
sobre o capacitorsérie A
-
Tensão
máxima
sobreo
diodoDc
-Tensão
catodo-anododo
diodo D., -Tensão
reversamáxima
sobre o diodo D.,Á
~ ~
Queda
de
tensao deconduçao
direta-
Queda
de
tensão decondução
diretado
diodo D., -Tensão de
gatedo
interruptor S-
Tensão de
entrada-
Tensão
sobre a fonte de corrente Io-
Tensão
sobreo
indutorde
filtro de saída -Volume
do
núcleo-
Tensão de
saída-
Tensão
dreno-sourcedo
intenuptor S-
Tensão
máxima
sobreo
interruptor S -Tensão
média
sobre o intermptor S -Tensão
média
sobreo
transformador T, - Freqüência angular de ressonânciaResumo
da Tese
apresentada àUFSC
como
parte dos requisitos necessários para a obtençãodo
grau deDoutor
em
Engenharia Elétrica.CONVERSORES
CC-CC ISOLADOS
DE ALTA
TENSÃO
DE
ENTRADA
Eduardo Deschamps
Julho/ l
999
Orientador: Ivo Barbi
Área
de Concentração: Sistemas de EnergiaPalavras-chave: conversores multiníveis; conversores cc-cc;
comutação
suave.Número
de Páginas: 163RESUMO:
Este trabalho apresenta a análise de cinco conversoresCC-CC
isoladoscom
comutação
sob tensão nula emodulação
por largura de pulso, baseadosem
técnicas multiníveisde
tensão,que
apresentammetade da
tensão de entrada aplicada sobre seusinterruptores,
tomando-os
apropriados para projeto de fontes de alimentaçãode
alta tensão deentrada. Inicialmente é apresentado
um
sumário das principais técnicas multiníveis de tensãoempregadas
na geraçãode
inversores e passíveis de aplicaçãono
projeto de conversoresCC-
CC
para reduçãoda
tensão aplicada sobre os interruptores.A
seguir são apresentados oprincipio de operação,
equacionamento
matemático, principais formas de onda, característicade saída, condições para
comutação
suave e metodologia de projeto dos conversores baseadosnas células multinível
de
tensãocom
grampeamento
a diodo ecom
grampeamento
capacitivo.Este
mesmo
estudo é realizado para os conversoresCC-CC
ZVS
PWM
baseados naassociação de conversores
em
cascata eem
série,que
são introduzidos originalmente nestetrabalho. Resultados' experimentais de protótipos de
1,5kW
de potência de saída,25A
decorrente de carga,
600V
de tensão de entrada e50kHz
de freqüência de operação sãoapresentados e discutidos.
Também
é apresentadauma
comparação
dos cinco conversoresestudados
com
respeito às suas vantagens e desvantagensenvolvendo
ovolume
dos elementosreativos, esforços sobre os semicondutores, complexidade
do
circuito e rendimento, afim
dese estabelecer qual a
melhor
altemativa para o projeto de fontesde
alimentação de alta tensãoXV
Abstract
of
Thesis presented toUFSC
as a partial fulfillmentof
the requirements for thedegree
of
Doctor
in Electrical Engineering.HIGH-INPUT
VOLTAGE
ISOLATED DC-DC
CONVERTERS
Eduardo Deschamps
July/1999
Advisor: Ivo Barbi
Area of
Concentration:Systems of
Energy
Keywords:
multilevel converters; dc-dc converters; soft switching.Number
of
Pages: 163ABSTRACT:
Thiswork
presents the analysis offive
isolatedZVS-PWM
DC-DC
converters,based
on
the voltage multilevel concept.These
converters feature halfof
the input voltage across the switches,and
are suitable for the designof
high voltagepower
supplies. Initially,the
main
voltage multilevel techniques, used in inverter designs, are summarised.These
techniques can be applied to
DC-DC
converter designs in order to reduce the voltage acrossthe switches.
The
complete operation principle, relevant equations,main Waveforms,
outputcharacteristics, as well as
commutation
analysis and designmethodology
forDC-DC
converters based
on
diodeand
capacitive clamping multilevel techniques are presented.The
same
analysis is carried out forZVS-PWM
DC-DC
converters basedon
cascade and seriesconverter association,
which
are introduced in this work.The
experimental resultsof
1.5kW
prototypes, operating at
50kHz,
rated at600V
input voltage, and25A
output current are alsopresented
and
discussed. Finally, acomparison
of thefive
converters involving size ofreactive elements, semiconductors stress, simplicity
and
efficiency ismade
to establish thebest altemative for the design
of
high voltage, high frequency and high performancepower
INTRODUÇÃO
O
usoda
eletricidade permitiuno
último séculouma
melhoriado
padrão de vida dosseres
humanos
em
níveisnunca
antes registrados. Neste cenário, a eletrônicade
potênciavem
ocupando
papelde
destaqueno
uso eficienteda
eletricidade, atravésdo emprego
dedispositivos semicondutores
como
interruptores para conversão de energia elétrica e controleotimizado
do
fluxo
de
potência entre as fontes de alimentação e ascargas.Atualmente o mercado
mundial de eletrônica de potência é estimadoem
30
bilhões dedólares
em
vendas diretas de produtos, eum
adicionalde 570
bilhõesde
dólaresem
equipamentos incorporados a outros produtos
da
indústria eletrônicaem
geral [61].A
demanda
por
inovações tecnológicasem
eletrônica de potência é crescente.Fabricantes estão continuamente projetando ,‹› dispositivos
que
processam energia demodo
mais eficiente. Fontes
de
energia altemativa, taiscomo
a energia solar, estão sendo maisempregadas.
Os
consumidores e a indústriabuscam
maior
performance, qualidade econfiabilidade. Estas forças de mercado, aliadas aos recentes avanços da microeletrônica e
dos sistemas de comunicação,
têm
abertoum
número sem
precedentede
oportunidadestecnológicas [61].
Entre as principais aplicações
da
eletrônica de potênciafiguram
as fontes de alimentação chaveadas, baseadasem
conversoresCC-CC,
empregadas
em
equipamentos
de suprimento de energiade
sistemasde
telecomunicações e de informática.O
projetode
fontes de alimentação chaveadas deve levarem
conta alguns aspectos na horade
ser especificadoo
dispositivo semicondutor a ser empregado.O
primeiro diz respeitoà freqüência de operação das fontes chaveadas.
A
buscade
reduçãodo
peso edo
volume
destes equipamentos, considerando principalmente as aplicações de eletrônica embarcada,
2
estes níveis de freqüência permite a redução dos elementos magnéticos das fontes e,
consequentemente
um
aumento da
relação potência/volume.Entretanto,
com
oaumento
das freqüências de operação,aumentam
também
as perdas decomutação
sobre os dispositivos semicondutores utilizadoscomo
interruptores.A
fim de minimizar 'estas perdasvêm
sendo introduzidasem
conversores convencionais(com
comutação
dissipativa) técnicasde comutação
suave quepermitem
a operaçãoem
altasfreqüências
com
elevada eficiência [62].Outro
aspecto a ser considerado está relacionadocom
os níveisde
interferênciaeletromagnética
(EMI)
gerados pelas fontes. Esta interferência resultano aumento da
taxa devariação
da
tensão sobreo
interruptor durante o intervalo decomutação
(dV/dt)em
virtudedo
aumento da
freqüência e dos níveisde
tensão envolvidosno
processo. _Finalmente, deve' ser consideradala questão da qualidade de energia processada pelos
conversores que
tem
levado à introdução de técnicas ativas de correçãode
fator de potênciano
estágio de entrada das fontesde
alimentação.Para
o
projeto de fontesde
alimentação chaveadas para aplicações de alta potência ealta freqüência,
o
conversor de ponte completacom
comutação
sob tensão nula emodulação
por largura de pulso(FB-ZVS-PWM)
[1,2,3] é consideradouma
das melhores alternativas.Este conversor alia às vantagens de
um
conversorPWM
convencional as vantagens dos conversores decomutação
suave,sem
contudo apresentar suas desvantagensque
são: asperdas
em
comutação do
primeiro e a freqüência variável e elevadas perdas decondução
dosúltimos [5].
Entretanto,
o
conversor ponte completaZVS-PWM
convencional apresentacomo
característica a aplicação de toda a tensão de entrada sobre os interruptores bloqueados,
que
empregam
um
estágio de entrada baseadoem
um
retificador trifásico associado àum
conversor elevador
de
tensão (boost), responsável pela correçãodo
fator de potênciada
fonte,e
que
eleva a tensãode
entradado
conversorem
ponte completa a níveis superiores a500V.
Uma
vez que:nem
sempre
o projetista terá disponívelcomponentes
capazes de atenderàs especificações
de
tensão e freqüência exigidos; o custo doscomponentes
capazes desuportar tensões
mais
elevadas émais
alto;há
um
aumento
dos níveisde
interferênciaeletromagnética
em
virtudedo aumento
da taxa de dV/dt sobre os interruptores duranteo
processo decomutação
e,além
disso,há
um
aumento
das perdasem
condução no
casodo
usode
Mosfets
de alta tensão,uma
vezque
a sua resistência decondução aumenta
proporcionalmente
ao aumento
de sua capacidade de bloqueio de tensão;vêm
sendorealizadas pesquisas constantes
na
busca de altemativas ao conversor ponte completaque
,.
~
possibilitem a transposiçao destes obstáculos.
Entre as soluções encontram-se:
- associação série de semicondutores,
que
exige,em
geral,um
projeto cuidadoso epreciso, já
que
entre os problemasmais
comuns
para a suaimplementação
estão:dificuldades de sincronismo
na
entradaem
condução
e bloqueio dos interruptores,variações bruscas de tensão e corrente nos dispositivos semicondutores, e
instabilidade térmica [l8], [43], [49];
'
~
- utilização
de
conversores multiníveis quepermitem além
da reduçao dos níveisde
tensão aplicados sobre os interruptores, redução
da
taxade
dV/dt,comando
sincronizado, perfeita divisão estática e dinâmica de tensão [60] euma
melhoriado
espectro
harmônico
das tensões e correntesdo
conversor [4], [34], [58].As
pesquisasem
tomo
dos conversores multiníveis são basicamente centradasno
seu4
experimentação
de
conversoresCC-CC
isolados para projeto de fontesde
alimentaçãoque
operem
em
aplicações de alta tensão de entrada e alta freqüênciacom
alto rendimento,empregando
técnicas de reduçãode
tensão sobre os interruptores baseadas nos conversoresmultiníveis de tensão.
No
Capítulo 1 é apresentadauma
visão geral das técnicas existentes e sua origem,destacando-se a associação de células multiníveis e associação
de
conversores.No
Capítulo2
é apresentadauma
revisãodo
conversorCC-CC
ZVS
PWM
isoladobaseado
na
célulacom
grampeamento
a diodo.Já
no
Capítulo 3um
conversorCC-CC
ZVS
PWM
isolado baseadona
célulacom
grampeamento
capacitivo é introduzido e analisado.Um
variação topológicado
conversor apresentadono
Capítulo 3 e propostoem
[6] é.‹›
revisto através de
uma
análise teórica e experimentalno
Capítulo 4.Os
Capítulos 5 e 6 apresentamuma
análise teórica e prática de dois conversoresCC-
CC
ZVS
PWM
isolados baseadosna
associação série de conversores.Finalmente,
no
Capítulo7
é apresentadauma
análise comparativa dos conversores estudadoscom
relação aovolume
de seus elementos magnéticos, esforços sobre osCAPÍTULO
1TÉCNICAS
MULTINÍVEIS
DE TENSÃO
1.1
INTRODUÇAO
A
redução dos níveisde
tensão sobre os interruptores dos conversores estáticospode
ser obtida através de três técnicas: a associação sériede
interruptores, a associaçãode
célulade
comutação
multiníveis de tensão e a associação de conversores.A
primeira técnica ébem
conhecida etêm
sido utilizadaem
compensadores
estáticosde reativos e
em
sistemasHVDC
com
potências na faixa dosmegawatts
[19], [29]. Nestecaso, a divisão estática e
dinâmica
da tensão entre os interruptores é dificil de ser obtida erequer técnicas específicas
que
inviabilizam “sua aplicação para projetos demédia
potência[30], [43], [49], [54].
As
técnicas seguintes são usadasna
geração de inversores multiníveis de tensão poispermitem,
além da
reduçãodos
níveis de tensão sobre os interruptores, a otimização doespectro
harmônico
das correntes e tensões geradas pelo inversor [28], [36], [3 7] eaumentar
apotência processada pelo conversor de maneira natural [45].
Neste capítulo será apresentada
uma
revisão geral e sumarizada dos principaistrabalhos já publicados
com
informações relacionadas às técnicas multiníveis de tensão.-1.2
AssOc1AÇÃO DE
CÉLULAS
DE
COMUTAÇÃO
MULTINÍVEIS
DE
TENSÃO
Uma
forma
básica de geração de conversores estáticoscom
capacidadede
divisão equilibradade
tensão entre seus intenuptores é atravésdo emprego de
células decomutação
multiníveis
de
tensão [56]. -6
operação
complementar
de dois interruptores conectadosem
série. Entre os terminais a e bsempre
haveráuma
fonte de tensão (ou laço capacitivo), enquantoque
o terminal c estarásempre
conectado auma
fontede
corrente (ouramo
indutivo). Dentroda
abordagem
celularépossível incluir
em
uma
célula básica elementos passivosou
atémesmo
interruptoresauxiliares [`l8]. 3
}s1
c S2 bFig. 1.]
-
Célula decomutação
genérica.4-
A
partir desta concepçãode
célulade
comutação, doismétodos de
geraçãode
tensões multiníveis e redução de tensão sobre os interruptores são conhecidas:o método
degrampeamento
de
tensão a diodo, baseado na célula multinívelNPC,
eo
método
degrampeamento
de
tensão a capacitor, baseadona
célula multinívelcom
capacitor flutuante.1.2.1
MÉTODO
DE
GRAMPEAM1‹:NTo
DE
TENsÃo À
DIoDo
-A
partirdo
inversorcom
ponto neutro grampeado,ou
inversorNPC
[8], [3l],pode
serobtida a célula
de comutação
multinívelNPC,
apresentada na Fig. 1.2,na
qual sãoempregados
dois pares de interruptores conectadosem
série associados a dois diodos queasseguram
a divisão equilibradade
tensão sobre os interruptores.A
estruturada
Fig. 1.2 étambém
conhecidacomo
célula três níveisde
tensão devidoaos três potenciais aplicáveis entre os pontos c e
d
(+Vi/2, 0, -Vi/2).- valores toleráveis de dV/dt sobre os intemuptores,
uma
vez que suascomutaçoes
não
são necessariamente simultâneas [2l];i
,
-
metade da
tensão de entrada aplicada sobre os interruptores bloqueados. Deve-senotar, porém,
que somente
os interruptoresdo
par externo S1-S4 são eficientemente'protegidos pelos diodos
de grampeamento
de tensão [4], [37], [38], [41-44].Um
interruptor interno
sempre
irá “enxergar”uma
tensão maiorque
as extemas,levando as chaves centrais a
bloquearem
níveis de tensão maiores [5 l].ã Dc1` 51 Ci1 tz: › IQ .
-
d C ” ss Ci2 L.-_1‹
Dc2 I S4 bFig. 1.2
-
Célula multinívelde
tensãoNPC.
O
aumento do
número
de níveis de tensão e consequentementeda
tensão a ser aplicada à entrada pela associação das célulasNPC
é possível. Esteaumento do
número
de níveispermite a redução
da
distorçãoharmônica
das tensões e correntesdo
conversor e a reduçãoda
tensão aplicada sobre os interruptores,
o que
possibilita oemprego
decomponentes mais
rápidos [39], [40].
Entretanto as seguintes desvantagens
devem
ser consideradas:- a necessidade
de novos
diodos degrampeamento
oque pode
acarretarem
aumento
do
custodo
conversorem
virtudedo
preço dos elementos semicondutores;8
dos
diodos;- a necessidade de uso de diodos de tensão mais elevada
uma
vezque
com
oaumento
do
número
de níveis cresce o valorda
tensãoque
deverá ser suportadapelos
mesmos.
A
célulaNPC
é utilizada principalmenteem
projetos de inversores para sistemas de acionamentode
motores elétricos [3l],[33]. Técnicasde comutação
suave aplicadas à estesinversores, a
fim
de reduzir suas perdasde
comutação, são estudadasem
[51] e [52].Já seu
emprego
parao
projetode
choppersnão
é recomendáveluma
vez que apresença
de
uma
corrente unidirecional entre os pontos c ed
desequilibra as tensões sobre oscapacitores divisores de tensão'C¡¡ e Ciz [4]. Este desequilíbrio de tensão
pode
ser resolvidoatravés da substituição dos capacitores por fontes controladas
ou
por baterias. Entretanto, seuuso
resultaem
maior complexidade dosistema
e maior custo [22].O
usoda
célulaNPC
para geraçãode
conversoresCC-CC
isolados para altas tensõesde entrada foi proposto e estudado
em
[5], sendo queuma
revisãodo conversor`CC-CC
ZVS
PWM
isoladobaseado
na célulaNPC
três níveis de tensão é apresentadano
Capítulo 2 destaTese.
1.2.2
MÉTODO
DE
GRAMPEAMENTO
DE
TENsAo A CAPACITOR
Outra altemativa para geração de conversores multiníveis
de
tensão baseia-se na célulade
comutação
com
capacitor flutuante [4], [l0], [3 5], apresentadana
Fig. 1.3. Esta técnica foiintroduzida junto
com
a técnicaNPC
no
início dos anos 70,porém
só passou a receberatenção a partir
da
introdução das “células imbricadas”[4], [51].Nesta
célula os interruptores estão arranjadosem
dois pares, S1-S4 e S2-S3.Dentro
de cada par os interruptoresobedecem
amesma
regrade
dois interruptores deuma
célula decomutação
convencional: elesdevem
estarsempre
em
estados complementares.a
K
S1 IO '__-
C °C S3 Ci1 :Li Ci2 |;-_: Í S4 bF
ig. 1.3-
Célulade comutação
multinívelcom
capacítorflutuante.A
tensão sobre o intenuptor bloqueado de cada par é imposta pela tensão entre os pontosa
eb
e pela tensão sobre o capacitor degrampeamento
CC.Utilizando-se sinais de
comando
apropriados deforma
a garantirque
a carga líquidano
capacitor CC seja zero, a tensão neste capacitorpode
ser mantidaem
um
valor igual àmetade da
tensão entre os pontosa
e b, garantindo que seja aplicada sobre cada interruptorbloqueado
omesmo
valor de tensão. Desta forma, esta célulanão
apresenta problemas dedivisão estática e dinâmica
de
tensão sobre os interruptores [4].Como
neste circuito os intenuptores são controladosem
momentos
diferentes, osníveis
de
dV/dt durante ascomutações
dos intenuptoressão limitadosem
valores padrões.Em
comparação
com
a célulaNPC,
além do
número
de
semicondutoresempregados
ser menor, a célula
com
capacitor flutuante é mais apropriada para aplicaçõesem
altafreqüência
uma
vezque
o valor das capacitâncias tende a diminuir proporcionalmentecom
a freqüência [l0]; VO
principalproblema
a ser enfrentadono
projeto de conversoresempregando
estacélula diz respeito à estabilidade
da
tensão sobreo
capacitorde grampeamento.
De
maneirageral, a condição
de
estabilidade é verificadaquando
os sinais decomando
dos pares de10
relativas [4].
A
geração de conversorescom
mais de três níveis de tensão e, consequentemente,com
possibilidade
de
aplicação de tensão mais elevadana
entrada,pode
ser facilmente obtida apartir da associação das células da Fig. 1.3. Entretanto, para
um
número
muito alto de níveis,o
número
de
capacitorespode
ser de tal magnitudeque
o conversorpode
setomar volumoso
[22].
Por
outro lado, esta célulanão
apresenta restrições para projetode
choppers einversores
PWM
[4].No
Capítulo 3 destaTese
é introduzido e analisado o conversorCC-CC
ZVS
PWM
isolado
baseado
nesta célula. Variações topológicas deste conversorpodem
ser obtidas,como
é o caso
do
conversorCC-CC
isoladoZVS
PWM
propostoem
[6] e cuja análise é revisadano
Capítulo 4.
A
`
1.3
ASSOCIAÇÃO DE CONVERSORES
De
maneira
similar à associação de célulasde comutação
multiníveis,pode
serrealizada
também
a associação de conversores afim
de se repartir a tensão total deum
conversor, e consequentemente de seus interruptores,
em
um
número
determinado deconversores
menores
[56].A
associação dos conversorespode
se dar a partir de diferentes formasde
conexãoentre suas entradas e saídas. Para obtenção
da
redução da tensão aplicada sobre osinterruptores pode-se ter:
- entradas independentes e saídas associadas
em
série; - entradas associadasem
série e saídas associadasem
série; - _ entradas associadasem
cascata e saídas associadasem
série.1.3.1
ENTRADAS
INDEPENDENTES E
SAÍDAS
ASSoc1ADAs
EM
SÉRIE
Esta altemativa baseada .nos inversores
em
cascatacom
fontesCC
separadas,apresentado
na
Fig. 1.4,compreende
dois conversoresem
ponte completacom
suas saídasconectadas
em
série [22-24], [32]. LSI \S3 Vi__rl_¿
“
V
iss\s7i
S5 S8Fig. 1.4
-
Associação
de conversorescom
entradas independentes e saídas associadasem
série.
Esta técnica
vêm
encontrando diversas aplicações entre elas:acionamento
de motoresde
indução trifásicos [48], [50], [57], controle de potênciaem
reatoresde
fusão [46] e~
compensaçao
estáticade
reativos [32], [42], [55]._
Para aplicação
em
compensadores
estáticosde
reativos esta técnica permite aeliminação de transformadores
volumosos
e de alto custo [59].De
maneira geral,além de
evitar o uso de diodos e capacitoresde
grampeamento
detensão, a associação de conversores resultante apresenta
como
vantagens a modularidadedo
circuito [22], [46], e
o
usodo
menor número
decomponentes
entre todos os conversoresmultiníveis para
um
dado
número
de níveis de tensão [22].Além
disso, estratégiasde
controlede
corrente de resposta rápidapodem
ser implementadasem
altas potências [47], devido àssuas características
de
resposta dinâmica [42].12
para sua implementação,
o que pode tomar
o seu projeto bastante oneroso, justificando seuemprego somente quando
uma
variedade de potenciaisCC
está disponível [18].A
versãoisolada desta topologiaempregando
conversores meia-ponte, representada naFig. 1.5, apresenta
mesmas
características de operaçãocom
o uso demenos
semicondutores eempregando
dois transformadores e capacitores divisores de tensão.CÍ1 1:1 .
\S1
VÍ'_
C2
I '_"' _...- Tr1 sz I C¡311
\ S3 I \n _ Tr2 CI4 |í¡Fig. 1.5
-
Associaçãode
conversorescom
entradas independentes e saídas associadasem
série
-
versãocom
isolamento.Uma
variação desta técnica é apresentadaem
[53],onde
um
conjuntode
inversorescom
entradas independentes e tensõesCC
variandode
forma binária permiteum
aumento
exponencialdo
número
de
níveisde
tensão produzida, exigindo entretanto diversastecnologias
de
interruptores para suaimplementação
em
virtude dos diferentes níveisde
tensão aplicados sobre os
mesmos.
1.3.2
ENTRADAS
Assoc1ADAs
EM
SÉRIE
E
SAÍDAS Assoc1A1›As
EM
SÉRIE
Os
conversoresCC-CC
não-isoladospodem
ter suas entradas e saídas conectadasem
série
como
apresentadona
Fig. 1.6 para os conversores boost ebuck
três níveis [25], [26].A
associação série de conversores meia-ponte isolados [17], [27]com
os secundáriospara potências mais elevadas. D1 DI
5°
l\s1
J* C0T T
V
T ¡qT
(0) (b)Fig. 1.6 - Associação
de
conversorescom
entradas associadasem
série e saídas associadasem
série.(a)
Conversor buck
três níveis (b)Conversor
boost três níveisComo
na
altemativa anterior, avantagem
deste tipo de associação é a possibilidadeda
reduçãoda
tensão sobre os interruptoressem
a necessidadede
diodosou
capacitores degrampeamento
extras. p C¡111
°\ S1ífY'Y'Y'\í
C2
|1;:
Tr1 vi :z\ 52 I Tr1 Io CÍ3 1:1 °\ S3 \ Tr2C4
| 1_1 ._ Tr2 n\ S4Fig. 1.7
-
Associaçãode
conversorescom
entradas associadasem
série e saídas associadas.
em
série.Sua
principal desvantagem,no
entanto é a necessidade deemprego
de doistransformadores para
o
projeto de conversores de média/alta potênciamesmo
parao
caso de não ser necessário isolamento galvânico.14
isolado baseado nesta técnica.
1.3.3
ENTRADAS
ASSOCIADAS
EM
CASCATA
E
SAÍDASASSOCIADAS
EM
SÉRIE
A
terceira altemativade
associação de conversores consistena conexão
em
cascata dasentradas de dois inversores meia-ponte isolados
com
suas saídas conectadasem
série,conforme
apresentado na Fig. 1.8.1
IU IU I-{aê
S2
$
E
E2i
Ci1¡:¡
Cc1 I'N
IoCc
r Ci2 ,:,Fig. 1.8
-
Associaçãode
conversorescom
entradas associadasem
cascata e saídasassociadas
em
série.Como
nos casos anteriores sua principalvantagem
é a possibilidadede
se obter a redução de tensão sobre seus interruptoressem
a necessidade decomponentes de
grampeamento
extras.Sua desvantagem
é a necessidade deemprego
de dois transformadores paraque
possafuncionar.
O
caso não isolado remete ao conversor baseado na célula multinívelde
tensãocom
capacitor flutuante.O
conversorCC-CC
ZVS
PWM
isolado baseado nesta técnica é introduzido e analisadono
Capítulo4
desta Tese.1.4
CONCLUSÃO
Neste capítulo foram apresentadas as principais técnicas
empregadas
para geração deconversores multiníveis de tensão
onde
é obtidauma
reduçãoda
tensão aplicada sobre osinterruptores, permitindo o projeto de conversores de alta tensão de entrada.
Entre as técnicas apresentadas estão:
- associação de células multiníveis
de
tensão,que
apresentamcomo
vantagem
asimplicidade de
implementação
e,como
desvantagem a
necessidadede
diodos ecapacitores extras;
- associação de conversores,
que
apresentamcomo
vantagem
um
menor
uso de ~componentes
ativos e capacitivosque
garantam a divisaode
tensão e,como
desvantagem
uma
certa complexidade de implementação.~
Nos
capítulos seguintes é apresentada a análise eimplementaçao
em
laboratório deconversores
CC-CC ZVS
PWM
isolados baseadosem
algumas
das técnicas discutidas neste capítulo.16
CAPÍTULO
2
CONVERSOR
CC-CC ZVS
PWM
ISOLADO
BASEADO NA
CÉLULA
MULTINÍVEL
DE
TENSÃO
COM
PONTO NEUTRO
GRAMPEADO
2.1
INTRODUÇÃO
A
célula multinívelcom
ponto neutrogrampeado
(N?C)
é largamenteempregada
em
sistemas de
acionamento
de corrente altemada [36-381, [41], [44]. Nestas aplicações estacélula é utilizada na
implementação
de inversores multiníveiscom
O
objetivo de reduzir atensão sobre os interruptores e, principalmente, otimizar
O
espectroharmônico
das tensões ecorrentes produzidas pelo inversor.
Além
disso, sua utilização permiteuma
redução dos níveis,.
de dV/dt produzidos nas etapas
de
comutação,minimizando
assim os níveisde
interferênciaeletromagnética
do
conversor [O4], [08], [09].A
aplicaçãoda
célulaNPC
para aimplementação de
conversoresCC-CC
isoladoscom
comutação
sob tensão nula emodulação
por largurade
pulsocom
redução dos níveis detensão aplicadas sobre os interruptores foi estudada
em
[05].Tendo
em
vistaque O
presente trabalho pretende realizaruma
análise de diversas topologias de conversoresCC-CC
queempreguem
células multiníveis de tensão, será apresentada neste capítulo a análise deum
conversorCC-CC ZVS
PWM
isolado baseado na célulaNPC
de três níveis de tensão. Serão apresentadoso
seu princípio de operação, análise teórica eexemplo de
projeto.Serão apresentados
também
os resultados experimentais deum
conversorde
l,5kW
com
tensão e correntede
saídade
60V
e25A
respectivamente, tensãode
entradade
600V
e2.2
DESCRIÇÃO
D0
CIRCUITO
O
conversorCC-CC
ZVS
PWM
isolado baseadona
célulaNPC
três níveis de tensão éapresentado
na
Fig. 2.1.O
braço decomutação
principal éformado
pelos interruptores S1, S2,S3 e S4.
Os
diodosem
antiparalelo D1, D2,D3
eD4 conduzem
a corrente reversa egrampeiam
a tensão reversa
em
um
valorem
torno de IV.(;¡1.|. Dc1 51
DLLC1
Em
rs-¬Lrg¬ .l
vi Tr DIU
szDQIC2
.Tr 5° R0E
mñsa
D:Í[c3 T'G2
T
ëcz s4 D4:[c4 ›T
Do2Fig. 2.1 - Conversor
CC-CC ZVS
P
Ml/[isoladobaseado
na
célulaNPC.
O
indutor L, juntocom
os capacitores C1, C2,C3
e C4,com
a participação da~
indutância de dispersão
do
transformador T1, são os responsáveispor
uma
transiçaoressonante
que
permite entradaem
condução
sob tensão nula eliminando assim as perdas de~
comutaçao
desta etapa.A
energiaarmazenada no
indutor L, carrega e descarrega os capacitores duranteum
intervalo decondução fomecido
entreo
bloqueio e a entradaem
condução
dos interruptoresde
cada célulade
comutação. Esta ação anula a tensão sobre ointerruptor
que
irá entrarem
condução
antesque o
mesmo
comece
a conduzir a corrente.Além
disso os capacitores C1, Cz, C3 eC4
também
suavizam o
crescimentoda
tensão duranteo bloqueio dos interruptores reduzindo as perdas de
comutação
durante esta etapa.Os
diodos DG1 e Dez são responsáveis pelogrampeamento
da
tensão sobre osinterruptores principais
em
um
valor igual a Vi/2.O
transformador T, oferece isolamento galvânico e adapta os níveisde
tensão da18
dos enrolamentos secundários
do
transformador, os diodos retificadores Dol e Dez e o filtro desaída
composto
pelo indutor L., e pelo capacitor C0.2.3
PRINCÍPIO
DE
OPERAÇÃO
Para simplificação
da
análisedo
conversor será considerado que: todos oscomponentes
são ideais; o indutor L.,do
filtro de saída é grandeo
suficiente para serconsiderado
uma
fontede
corrente de valor igual aoda
correntede
carga Io; a relação detransformação
de
T, é igual a 1 (um); as indutâncias L, ede
dispersãodo
transformador T, sãoreferidas ao secundário; a corrente de magnetização
do
transformador é desprezível; a tensãosobre os capacitores
Cn
e C¡z será igual àmetade da
tensão de entradasem
ondulações; asrazões cíclicas dos pares
de
interruptores S1-S4 e Sz-S3 são iguais.A
partir destasconsiderações
o
modelo
simplificadodo
conversor baseado na célulaNPC
é representado pelo circuitoda
Fig. 2.2.' D1 U51 Do1
G1
.|. D‹:1 _'L
C1 › Di + sDl
10 Tr b""_
,ug
D:;[aÍCIZ
T
K
< z¡+ _.\5il_.\__.$ \._..'° \ÍÊIii
Q
š
¡Dc2 Dc2 Do2Fig. 2.2
-Modelo
simplificadodo
conversorbaseado
na
célulaNPC.
A
Fig. 2.3 apresenta osdoze
estágios topológicos paraum
período completo deoperação.
As
principaisformas
deonda
são apresentadas na Fig. 2.4.A
descrição demeio
período de operaçãodo
conversor é feita a seguir.a)
Etapa
I (to - t1):corrente
de
carga IQ.O
diodo Dez encontra-seem
condução
oque
fazcom
que
a tensão sobreo primário
do
transformador T, ,bem
como
a tensão fomecida à carga, seja igual a zero.A
tensão sobre os interruptores S1 e Sz é igual à Vi/4 e a tensão sobre
o
intermptor S4 é igual àV¡/ 2. |_¡¡1 001 |_|s1 001 o o cmzzz °°1 S - ^ C1 ci1.=. C1 5 ^ C1 › p . n .
I
1 v¡ T' s _ - cz 1° vi TT 5 V › C2 1 °_
ssE
Dl
ca_
Ui- saDl
cs z - Ci2;-_; 2 O Ci2|:1 1 ‹I I C 54 - C4 L": 02 S4 2 C4 LTS 02Etapa I (to - t¡) Etapa 2 (Í1 ' fz)
0 uz; 001 D us; 001 c1 cuz, °°1 S C1 cuz. "C1 S1 E* › › t nz v. s 9 cz . 1° TT sz E. cz 1° O
_
'_ 9;: ss - ca _ ciz.=_. 4 . . clzlzz 4 rm ' C2 s4 - ca U, ' C2 sa - c4mz
› 02 ' ' Etapa 3 (tz - t3) É Etapa 4 (t3 - t4)Cum
C1 s1:Â
c1 1“1 ou H ¢¡¡_,:, c1 S _ 2' I c1 ÊÃÍ1 °°1 v¡_
_" sz cz .Tr 1° v¡ Tr sz Ez' cz .Tr 1° ss Dggcs 1'_
ssnã
cs 1' ciz.=, 4 ,l c¡z._-z. 4 ., C2 s4 . c4mz
_›' C2 s4 - c4 “S1 _›_2 Etapa 5 (t4 - t5) Etapa 6 (t5 - T,/2) D “S1 D01 D LI'S1 DU1CÍ1 DCI S A C1 c¡1I;_J › Dei 5 A C1
'Fr D ¡ D lo .
fi
D ciz 4 ,, = c¡z.=, < .. ~ C2 ss - c-1 LN2 C2 s4 . ca ,O2 US2 nzEtapa 7 (T /2 - ty) i Etapa 8 (t7 - tg)
D
un
D01 0ug
D01 Ghz' o¡1 S 2 C1 ~,-,~ cuL_:' DC1 S 4 C1 Pn
P . 1° I) .I
~ s c V' 1z_ gi C1 'Tr 1 V* n_ ^I
Tr_
9 _' 0 Tr S3 g. C3 Tr CÍ2:¡ O 2 , . C|2\::.| n 2 0,1 C S4 C4 us C nz S4 E. C4 us 02 Etapa 9 (tg - tg) Etapa 10 (tg - tm)ml:
ou 5 . D C1W101
Cm:
ou 5 . D C1LM
ol vi T' s.'
cz .Tr 1° vi › ,.' cz 1° _.'__ ,U-_*
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02 s4 :zw cz: 151cm:
02 s4 D c4 02 A 1” 02Efdpa (Í¡0-fu) Etúpa (Í¡¡-Ts)
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