Conversor SEPIC modificado com acoplamento magnético série e célula multiplicadora de tensão

Texto

(1)UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E INFORMÁTICA INDUSTRIAL. FÁBIO INOCÊNCIO KRAVETZ. CONVERSOR SEPIC MODIFICADO COM ACOPLAMENTO MAGNÉTICO SÉRIE E CÉLULA MULTIPLICADORA DE TENSÃO. DISSERTAÇÃO. CURITIBA 2018.

(2) FÁBIO INOCÊNCIO KRAVETZ. CONVERSOR SEPIC MODIFICADO COM ACOPLAMENTO MAGNÉTICO SÉRIE E CÉLULA MULTIPLICADORA DE TENSÃO. Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial da Universidade Tecnológica Federal do Paraná como requisito parcial para obtenção do grau de “Mestre em Ciências” – Área de Concentração: Engenharia de Automação e Sistemas. Orientador:. CURITIBA 2018. Prof. Dr. Roger Gules.

(3) Dados Internacionais de Catalogação na Publicação K91c 2018. Kravetz, Fábio Inocêncio Conversor SEPIC modificado com acoplamento magnético série e célula multiplicadora de tensão / Fábio Inocêncio Kravetz.— 2018. 99 f.: il.; 30 cm. Disponível também via World Wide Web. Texto em português com resumo em inglês. Dissertação (Mestrado) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial. Área de Concentração: Engenharia de Automação de Sistemas, Curitiba, 2018. Bibliografia: f. 92-94. 1. Conversores CC-CC. 2. Conversores de corrente elétrica. 3. Controladores PID. 4. Acoplamentos magnéticos. 5. Reguladores de voltagem. 6. Células fotovoltaicas. 7. Teoria de comutação. 8. Energia - Fontes alternativas. 9. Eletrônica de potência. 10. Métodos de simulação. 11. Engenharia elétrica - Dissertações. I. Gules, Roger, orient. II. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial. III. Título. CDD: Ed. 23 -- 621.3. Biblioteca Central do Câmpus Curitiba – UTFPR Bibliotecária: Luiza Aquemi Matsumoto CRB-9/794.

(4) Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Diretoria de Pesquisa e Pós-Graduação. TERMO DE APROVAÇÃO DE DISSERTAÇÃO Nº 791 A Dissertação de Mestrado intitulada “Conversor SEPIC modificado com acoplamento magnético série e célula multiplicadora de tensão” defendida em sessão pública pelo(a) candidato(a) Fábio Inocêncio Kravetz, no dia 29 de março de 2018, foi julgada para a obtenção do título de Mestre em Ciências, área de concentração Engenharia de Automação e Sistemas, e aprovada em sua forma final, pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial.. BANCA EXAMINADORA:. Prof(a). Dr(a). Roger Gules - Presidente (UTFPR) Prof(a). Dr(a). Adriano Péres - (UFSC) Prof(a). Dr(a). Eduardo Félix Ribeiro Romaneli - (UTFPR). A via original deste documento encontra-se arquivada na Secretaria do Programa, contendo a assinatura da Coordenação após a entrega da versão corrigida do trabalho.. Curitiba, 29 de março de 2018..

(5) AGRADECIMENTOS. Agradeço primeiramente a Deus por ter me dado inteligência e perseverança para superar mais esta etapa em minha vida. Ao meu orientador, Prof. Dr. Roger Gules pelo apoio e incentivo em todas as fases do trabalho, em especial agradeço a paciência no início desta jornada e os conhecimentos compartilhados que foram essenciais para a realização desta dissertação de mestrado. Aos meus pais Nicolau Kravetz e Luzia Fernandes Kravetz pela compreensão que demonstraram em todo os momentos e ao meu irmão Valker André Kravetz pelos conhecimentos compartilhados em diversas fases deste trabalho. À minha esposa Marcia Hitomi Fukuda Kravetz por sua compreensão e apoio incondicional em todos os momentos desta árdua jornada. À minha filha Lívia Midori Fukuda Kravetz que mesmo tão pequena e sem entender muitas coisas me dá força e coragem para superar todos os desafios. E por fim um agradecimento especial aos meus amigos Jamil de Araújo Farhat e Marcelo de Oliveira que me incentivaram a iniciar o mestrado e pelo apoio em diversos momentos deste trabalho..

(6) RESUMO. Inocêncio Kravetz, Fábio. CONVERSOR SEPIC MODIFICADO COM ACOPLAMENTO MAGNÉTICO SÉRIE E CÉLULA MULTIPLICADORA DE TENSÃO. 99 f. Dissertação – Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2018. As fontes renováveis de energia, em especial a energia solar fotovoltaica vem ganhando espaço nos últimos anos devido ao avanço da tecnologia, redução dos custos e redução das fontes não-renováveis. Os painéis fotovoltaicos isoladamente ou para pequenas aplicações geram uma baixa tensão de saída e a adequação dos níveis de tensão fornecidos em sua saída aos requeridos pela concessionária de energia elétrica é um desafio. Neste trabalho é apresentada uma nova estrutura modificada da topologia do conversor SEPIC que usa as técnicas de acoplamento magnético série e células multiplicadoras de tensão em conjunto, afim de obter um elevado ganho de tensão, visando a aplicação em fontes renováveis de energia. Optou-se pela solução não isolada, pois esta apresenta diversas vantagens em relação a solução isolada, como: menor peso, volume, custo e maior eficiência energética devido a menores perdas de potência nos indutores acoplados. Também, a utilização da indutância de dispersão, que é um parâmetro intrínseco de um acoplamento magnético, permite a operação com comutação suave ZCS (ZCS, do inglês Zero Current-Switching) no interruptor, aumentando a eficiência da estrutura com a redução das perdas por comutação. No decorrer do trabalho são realizadas as análises das etapas de operação de diversos conversores a partir do conversor SEPIC modificado, evolui-se pela adição de técnicas elevadoras de tensão até a estrutura proposta neste trabalho. Por fim, é realizado o controle em malha fechada utilizando um controlador PID analógico que fornece uma resposta rápida e consequente correção a possíveis mudanças na variável controlada. Os resultados teóricos e experimentais do conversor proposto são descritos neste trabalho para validar as análises desenvolvidas e demonstrar a eficiência da estrutura. O protótipo é desenvolvido para uma aplicação com potência nominal de 200 W, tensão nominal de saída igual a 450 V e uma tensão de entrada variando entre 20 V e 40 V. O rendimento obtido para o conversor proposto operando na frequência de 35 kHz na potência nominal é de 91,28% e eficiência igual a 89,04% para a potência nominal de 200 W na frequência de 90 kHz. Palavras-chave: Conversor SEPIC modificado, Célula Multiplicadora de tensão, Alto ganho estático, Comutação ZCS..

(7) ABSTRACT. Inocêncio Kravetz, Fábio. MODIFIED SEPIC CONVERTER WITH SERIAL MAGNETIC COUPLING AND VOLTAGE MULTIPLIER CELL. 99 f. Dissertação – Programa de Pósgraduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2018. The renewable energy resources, in special the photovoltaic energy has been achieve more space in last years due to technology advances, cost reduction and decrease of the non-renewable energy sources. The photovoltaic panels in isolation or to small applications generate a low output voltage and to comply with of voltage levels provided in panel’s output to those required by electric power concessionaire is a challenge. In this work is presented a new structure modified of the SEPIC converter topology who uses the coupling magnetic series and voltage multiplier cell techniques together, in order to obtain a high voltage gain aiming at application in renewable energy resources. It was has been choosen non-isolated solution, because this present several advantages in relation to the isolated solution, such as: lower weight, volume, cost and high energy efficiency due to smaller power losses in the coupled inductors. The use leakage inductance, who is an intrinsic parameter of the a magnetic coupling, allows soft-switching operation ZCS in switch, increasing the structure’s efficiency with reduction of switching losses. During the work are perform the analysis of the operation steps of several converters as of the modified SEPIC converter and evolves by addition high voltage techniques until the structure proposed in this work. Finally, is performed the closed loop control using the analog PID controller who provides a fast response and consequent correction to possible changes in the controlled variable. The theoretical and experimental results of the proposed converter are described in this work to validate the developed analysis and demonstrate the structure’s efficiency. The prototype is developed to a application with nominal power of 200 W, nominal output voltage equal 450 V and an input voltage varying between 20 V and 40 V. The efficiency obtained to proposed converter operating in frequency of the 35 kHz in nominal power is 91,28% and efficiency equal 89,04% to nominal power in frequency of the 90 kHz. Keywords: Modified SEPIC converter, Voltage Multiplier Cell, High static gain, ZCS Commutation..

(8) LISTA DE FIGURAS. FIGURA 1 FIGURA 2 FIGURA 3 FIGURA 4 FIGURA 5 FIGURA 6 FIGURA 7 FIGURA 8 FIGURA 9 FIGURA 10 FIGURA 11 FIGURA 12 FIGURA 13 FIGURA 14 FIGURA 15 FIGURA 16 FIGURA 17 FIGURA 18 FIGURA 19 FIGURA 20 FIGURA 21 FIGURA 22 FIGURA 23 FIGURA 24 FIGURA 25 FIGURA 26 FIGURA 27 FIGURA 28 FIGURA 29 FIGURA 30 FIGURA 31 FIGURA 32 FIGURA 33 FIGURA 34 FIGURA 35 FIGURA 36 FIGURA 37 FIGURA 38 FIGURA 39 FIGURA 40. – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – –. Conversor boost sem perdas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conversor boost com perdas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Células capacitores chaveados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Configurações indutores chaveados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Técnicas indutores chaveados e voltage lift aplicadas ao conversor boost. Conversor boost com a técnica indutor acoplado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conversor boost interleaved com a técnica indutor acoplado. . . . . . . . . . . . Circuitos retificadores clássicos com multiplicadores de tensão. . . . . . . . . . Conversor boost clássico com células multiplicadoras de tensão. . . . . . . . . Conversor boost com "M"células multiplicadoras de tensão. . . . . . . . . . . . . Conversor Cuk CC-CC com alto ganho estático. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conversor SEPIC modificado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Primeira etapa de operação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Segunda etapa de operação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conversor boost de alto ganho com reduzidos esforços de chaveamento. . Conversor boost não isolado com alto ganho. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conversor CC-CC de alta eficiência com alto ganho de tensão. . . . . . . . . . . Conversor boost de três fases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Evolução do conversor SEPIC modificado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Evolução conversor SEPIC modificado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Evolução conversor SEPIC modificado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conversor SEPIC modificado com acoplamento magnético paralelo. . . . . Primeira etapa de operação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Segunda etapa de operação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Terceira etapa de operação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quarta etapa de operação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quinta etapa de operação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conversor SEPIC modificado com acoplamento magnético série. . . . . . . . Primeira etapa de operação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Segunda etapa de operação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Terceira etapa de operação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quarta etapa de operação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quinta etapa de operação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conversor SEPIC modificado com acoplamento série e dobrador de tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Primeira etapa de operação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Segunda etapa de operação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Terceira etapa de operação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quarta etapa de operação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quinta etapa de operação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conversor SEPIC modificado com acoplamento magnético série e célula multiplicadora de tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16 16 19 20 20 21 22 24 24 25 25 26 27 27 28 29 29 30 33 34 34 35 35 36 36 36 37 38 38 39 39 39 40 40 41 41 42 42 43 43.

(9) FIGURA 41 – Conversor SEPIC modificado com acoplamento série e célula multiplicadora de tensão completo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 42 – Variação do ganho estático em função da razão cíclica. . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 43 – Variação do ganho estático em função da razão cíclica. . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 44 – Conversor SEPIC modificado com acoplamento magnético série e célula multiplicadora de tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 45 – Primeira etapa de funcionamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 46 – Segunda etapa de funcionamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 47 – Terceira etapa de funcionamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 48 – Quarta etapa de funcionamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 49 – Quinta etapa de funcionamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 50 – Sexta etapa de funcionamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 51 – Principais formas de onda teóricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 52 – Formas de onda de corrente em CS1 , CM1 e CS2 e IL1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 53 – Circuito equivalente - etapa ressonante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 54 – Circuito de segunda ordem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 55 – Formas de onda dos semicondutores do conversor proposto. . . . . . . . . . . . . FIGURA 56 – Análise AC Sweep - Conversor boost. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 57 – Diagrama de Bode - Conversor boost. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 58 – Análise AC Sweep - Conversor Proposto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 59 – Diagrama de Bode - Conversor Proposto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 60 – Comparação curvas bode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 61 – Controlador fornecido pelo software PSIM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 62 – Controlador fornecido pelo software PSIM com circuito diferencial. . . . . . FIGURA 63 – Conversor proposto - malha fechada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 64 – Curva de ganho compensada - roxo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 65 – Curva de fase compensada - roxo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 66 – Conversor SEPIC modificado com acoplamento magnético série e célula multiplicadora de tensão em malha fechada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 67 – Resposta Transitória - Degrau elevação de carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 68 – Resposta Transitória. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 69 – Tensão e corrente na chave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 70 – Tensão na chave e corrente no indutor de entrada L1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 71 – Correntes IL2p e IL2s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 72 – Correntes no indutor de entrada L1 e capacitor CM1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 73 – Correntes nos diodos DM1 e DM4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 74 – Correntes nos diodos DM2 e DM3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 75 – Correntes nos capacitores Co1 e Co2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 76 – Correntes nos capacitores CS1 e CS2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 77 – Tensões VCS2 , VCo1 , VCo2 e Vo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 78 – Tensão na chave (CH1) e corrente na chave (CH2) do conversor proposto (10A/div, 50V/div, 2,5µs/div). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 79 – Tensão na chave (CH1) e corrente no indutor L1 (CH2) do conversor proposto (10A/div, 50V/div, 2,5µs/div). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 80 – Corrente IL2p (CH2), Corrente IL2s (CH3) do conversor proposto (5A/div, 5A/div, 2,5µs/div). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 81 – Corrente IL1 (CH2), Corrente ICM1 (CH3) do conversor proposto (5A/div, 10A/div, 2,5µs/div). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 44 45 46 47 48 49 49 50 50 51 52 57 58 59 61 67 68 69 69 70 72 72 73 74 75 76 77 77 78 78 79 79 79 80 80 80 81 83 83 84 84.

(10) FIGURA 82 – Corrente IDM1 (CH2), Corrente IDM4 (CH3) do conversor proposto (5A/div, 2A/div, 2,5µs/div). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 FIGURA 83 – Corrente IDM2 (CH2), Corrente IDM3 (CH3) do conversor proposto (2A/div, 2A/div, 2,5µs/div). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 FIGURA 84 – Corrente ICo1 (CH2), Corrente ICo2 (CH4), Corrente ICS2 (CH3) do conversor proposto (2A/div, 2A/div, 2,50A/div, 2,5µs/div). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 FIGURA 85 – Tensão VCS2 (CH2), Tensão VCS1 (CH1), Tensão VCM1 (CH3) do conversor proposto (50V/div, 50V/div, 50V/div 10µs/div). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 FIGURA 86 – Tensão VCo1 (CH2), Tensão VCo2 (CH3), Tensão de saída Vo (CH1), Tensão na chave VS1 (CH4) do conversor proposto (100V/div, 100V/div, 100V/div, 100V/div 10µs/div). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 FIGURA 87 – Degrau de carga - Tensão de saída . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 FIGURA 88 – Degrau de carga - Corrente de saída . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 FIGURA 89 – Curvas de eficiência do conversor proposto - 35 kHz / 90kHz. . . . . . . . . . . 89 FIGURA 90 – Conversor proposto em malha fechada - Circuito implementado na prática. 99.

(11) LISTA DE TABELAS. TABELA 1 TABELA 2 TABELA 3 TABELA 4 TABELA 5 TABELA 6 TABELA 7 TABELA 8 TABELA 9. – – – – – – – – –. Comparação entre os parâmetros dos conversores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parâmetros do protótipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Componentes do protótipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resultados obtidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parâmetros do protótipo - Implementação prática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Componentes do protótipo - Implementação prática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parâmetros controlador PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dimensionamento indutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dimensões de núcleos de ferrite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 31 54 58 81 82 82 87 95 96.

(12) LISTA DE SIGLAS. SEPIC ZCS RSE RCD CCM ZVS FPGA IGBT P PI PD PID MOSFET. do inglês, Single-Ended Primary Inductance Converter do inglês, Zero Current-Switching Resistência Série Equivalente do inglês, Resistor-Capacitor-Diode do inglês, Continuos Conduction Mode do inglês, Zero Voltage Switching do inglês, Field Programmable Gate Array do inglês, Insulated Gate Bipolar Transistor Proporcional Proporcional-Integral Proporcional-Derivativo Proporcional-Integral-Derivativo do inglês, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor.

(13) LISTA DE SÍMBOLOS. D VC1 VC2 n Lr Vi di dt VL2p. VL2s VCs1 IL2s VCM1 CM1 S1 CS2 Co1 Co2 Vo L2p L2s L1 Ld2p Ld2s ωo Leq Ceq Vref IS1 Ae Aw AP AWG24 u APacoplam AWG17. Razão cíclica Tensão no capacitor C1 Tensão no capacitor C2 Relação de transformação Indutor Ressonante Tensão de entrada taxa de variação de corrente em função do tempo Tensão no acoplamento magnético primário Tensão no acoplamento magnético secundário Tensão no capacitor CS1 Corrente no acoplamento magnético secundário Tensão no capacitor CM1 Capacitor intermediário Interruptor S1 Capacitor intermediário Capacitor de saída Capacitor de saída Tensão de saída do conversor enrolamento primário do acoplamento magnético série enrolamento secundário do acoplamento magnético série Indutor de entrada Indutância de dispersão no primário Indutância de dispersão no secundário Frequência natural de oscilação Indutor equivalente Capacitor equivalente Tensão de referência Corrente no interruptor Área da coluna central do núcleo utilizado Área da janela do núcleo Produto de áreas do núcleo do indutor de entrada Dimensão condutor AWG utilizado em L1 Possibilidade de execução Produto de áreas do núcleo do acoplamento magnético série Dimensão condutor AWG utilizado no acoplamento magnético.

(14) SUMÁRIO. 1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1 OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 JUSTIFICATIVA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 CAPACITORES CHAVEADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 INDUTORES CHAVEADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 INDUTORES ACOPLADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 MULTIPLICADORES DE TENSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 CONVERSORES DE ALTO GANHO ESTÁTICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Conversor SEPIC modificado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 CONVERSORES COM MÚLTIPLAS TÉCNICAS DE ELEVAÇÃO DE GANHO . 3 CONVERSORES PROPOSTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 CONVERSOR 1 - CONVERSOR SEPIC MODIFICADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 CONVERSOR 2 - CONVERSOR SEPIC MODIFICADO COM ACOPLAMENTO. 14 17 17 19 19 20 21 23 25 26 27 33 34. MAGNÉTICO PARALELO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3 CONVERSOR 3 - CONVERSOR SEPIC MODIFICADO COM ACOPLAMENTO MAGNÉTICO SÉRIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.4 CONVERSOR 4 - CONVERSOR SEPIC MODIFICADO COM ACOPLAMENTO MAGNÉTICO SÉRIE E DOBRADOR DE TENSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.5 CONVERSOR 5 - CONVERSOR SEPIC MODIFICADO COM ACOPLAMENTO MAGNÉTICO SÉRIE E CÉLULA MULTIPLICADORA DE TENSÃO. . . . . . . . . . . . 43 3.6 CONVERSOR 6 - SEPIC MODIFICADO COM ACOPLAMENTO MAGNÉTICO SÉRIE E CÉLULA MULTIPLICADORA DE TENSÃO COMPLETO. . . . . . . . . . . . . 44 3.7 COMPARAÇÃO DO GANHO ESTÁTICO ENTRE OS CONVERSORES PROPOSTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8 COMPARAÇÃO ENTRE AS TENSÕES DOS CAPACITORES DE SAÍDA . . . . . . . 4 ANÁLISE DO CONVERSOR PROPOSTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 ETAPAS DE FUNCIONAMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Análise Matemática em Modo de Condução Contínua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 METODOLOGIA E EXEMPLO DE PROJETO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 ESPECIFICAÇÕES DE PROJETO DO CONVERSOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 CÁLCULOS DOS COMPONENTES PASSIVOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Indutor de entrada e acoplamento magnético série . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Resistência de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3 Capacitores intermediários . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3.1 Período ressonante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 ESFORÇOS NOS COMPONENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1 Interruptor S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2 Diodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45 45 47 47 51 54 54 54 54 56 56 58 61 61 62.

(15) 5.3.2.1 Diodo DM1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2.2 Diodo DM2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2.3 Diodo DM3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2.4 Diodo DM4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 SISTEMA DE CONTROLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 CONVERSORES EM MALHA ABERTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1 Conversor boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2 Conversor SEPIC modificado com acoplamento magnético série e célula multiplica-. 63 63 64 64 66 67 67. dora de tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 TIPOS DE CONTROLADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 CONTROLE EM MALHA FECHADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 RESULTADOS DE SIMULAÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 RESULTADOS EXPERIMENTAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.1 Resultados experimentais - Sistema de Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.2 Rendimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 CONCLUSÕES GERAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1 PROPOSTA PARA TRABALHOS FUTUROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 APÊNDICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1 DIMENSIONAMENTO DOS INDUTORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.1 Dimensionamento do indutor de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.2 Dimensionamento dos indutores acoplados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 CIRCUITO IMPLEMENTADO COMPLETO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 68 70 71 76 81 87 88 90 91 92 95 95 95 97 99.

(16) 14. 1. INTRODUÇÃO. O consumo de energia é crescente no mundo e existe uma grande preocupação com a redução das reservas das fontes não-renováveis de energia, desde que fontes de energia tais como carvão mineral, petróleo e gás natural estão se exaurindo. As fontes não renováveis de energia causam danos ao meio ambiente, visto que a queima destes combustíveis fósseis liberam gases como: dióxido de carbono, principal responsável pelo aquecimento global e dióxido de enxofre, principal causador da chuva ácida. A poluição afeta significativamente a qualidade de vida da população causando sérios riscos à saúde, além da degradação do meio ambiente. Uma alternativa para esse problema é a criação de tecnologias que envolvem o uso de fontes renováveis de energia como: fotovoltaica, eólica, biomassa, geotérmica, hidráulica e dos oceanos. As fontes renováveis de energia estão se difundindo em todo o mundo e a tendência ao longo dos anos é que estas representem uma parte considerável da produção de energia mundial. Além disso, o uso destas fontes de energia diversificam a matriz elétrica de um país reduzindo os problemas de abastecimento, como por exemplo a crise hídrica enfrentada pelo Brasil no período 2014-2015. Fontes renováveis de energia tais como energia solar fotovoltaica e a tecnologia de células à combustível geram uma tensão contínua de baixo valor em suas saídas, assim trabalhase com correntes elevadas diminuindo a vida útil dos componentes. Nesse âmbito, busca-se na Eletrônica de Potência uma alternativa para este problema que são os conversores estáticos CCCC. Esta tecnologia é largamente empregada na conversão de energia e permite a obtenção de uma alta tensão de saída a partir de uma baixa tensão de entrada . Os conversores estáticos CC-CC podem ser subdivididos em conversores isolados e não-isolados. A solução isolada apresenta vantagens como isolação galvânica entre entrada e saída, proporcionando maior segurança, multiplicidade no número de saídas, operação como abaixador ou elevador de tensão, dependendo da relação de transformação empregada. No entanto, existem várias desvantagens em relação às soluções não-isoladas, como: redução da eficiência devido à perdas de potência no transformador, parâmetros intrínsecos ao transformador como a indutância de dispersão que causam sobretensão nos semicondutores do conversor (LI; HE, 2011) e geração de interferência eletromagnética, além do maior peso, volume e custo da solução isolada..

(17) 15. O número de conversores estáticos CC-CC não-isolados é muito grande. Contudo, seis deles são mais populares e difundidos (Buck, Boost, Buck-Boost, Cúk, Zeta e SEPIC), sendo que estas topologias não oferecem um alto ganho estático (MARTINS; BARBI, 2006). Algumas alternativas para solucionar este problema são a adição de componentes como indutores e capacitores, pois estes podem mudar a característica intrínseca da topologia alcançando um alto ganho estático. Existe também a possibilidade de realizar a integração de diferentes topologias e técnicas a partir de uma análise criteriosa de vantagens e desvantagens das mesmas para a aplicação que se deseja implementar. As aplicações referentes a fontes renováveis de energia para geração fotovoltaica por exemplo, apresenta o problema dos níveis de tensão serem baixos em baixa potência, além da geração não ser constante e, ao se trabalhar com os conversores clássicos não se obterá o ganho estático desejado. Portanto, os resultados almejados com determinada estrutura podem ser obtidos com a adição de componentes que alterem suas características operacionais ou o uso de técnicas que aumentem o ganho de tensão e a eficiência do conversor proposto. No conversor CC-CC elevador de tensão não-isolado boost clássico, a tensão média de saída é maior que a tensão de entrada, isto é, a mínima tensão de saída é, teoricamente, igual a tensão de alimentação de entrada do circuito (MARTINS; BARBI, 2006). Esta topologia apresenta diversas vantagens, como: indutor de entrada que dá característica de entrada tipo fonte de corrente ao conversor. Esta característica torna o conversor adequado para operar com elevada corrente de entrada, característica importante em aplicações de conversores elevadores. Também apresenta acionamento simples da chave não necessitando de um circuito de comando isolado. Já como desvantagens, têm-se: não é possível isolação entre entrada e saída e a posição da chave não permite proteção contra curto-circuito na carga ou sobre-corrente (POMILIO, 2007). Comumente a análise dos conversores é realizada desprezando as perdas e, quando os componentes são bem dimensionados e a frequência de trabalho é adequada não ocorrem erros significativos entre resultados teóricos e experimentais. No entanto, nos circuitos implementados na prática são verificadas não-idealidades, dado que as parcelas resistivas de componentes como interruptores, fonte de entrada, indutores e a RSE (RSE - Resistência Série Equivalente) nos capacitores são consideradas. Logo, ao considerar-se as não-idealidades da estrutura e o ponto de operação do conversor estiver próximo da razão cíclica unitária ( D → 1) as perdas se tornam críticas. Esta análise é apresentada na Figura 1 desprezando as perdas e na Figura 2 considerando as perdas para o conversor boost clássico. Para facilitar a avaliação das perdas será considerando somente uma resistência na entrada do conversor..

(18) 16. Figura 1: Conversor boost sem perdas.. Fonte: Autoria Própria. Figura 2: Conversor boost com perdas.. Fonte: Autoria Própria. Com base na Figura 1 observa-se que um problema comum encontrado em conversores elevadores clássicos é a obtenção de altos ganhos de tensão com altos valores de razão cíclica, esse fato leva a elevados esforços de corrente nos componentes do circuito. No conversor boost por exemplo, para uma razão cíclica de 0,8 o conversor não opera na região linear e trabalha com uma corrente elevada na entrada e tensão elevada da saída, isso gera baixa eficiência energética (ISMAIL et al., 2010). Como citado anteriormente os conversores elevadores clássicos possuem como principal problema a baixa eficiência energética para um ponto de operação extremo com elevada razão cíclica, isso restringe o emprego dessas topologias em algumas aplicações. No entanto, neste trabalho é proposto um conversor elevador de tensão de alto ganho estático que tem como estrutura base o conversor SEPIC modificado em conjunto com as técnicas indutores acoplados e células multiplicadoras de tensão para a utilização em fontes renováveis de energia. Logo, pode-se dizer que os conversores estáticos CC-CC caracterizam uma importante área da eletrônica de potência e possuem diversificadas aplicações. Algumas dessas aplicações são: fontes chaveadas, fontes renováveis de energia, aplicações veiculares, carregadores de bateria, controle de velocidade de motores CC, adaptação de níveis de tensão contínua, entre outras. O desenvolvimento deste trabalho busca alternativas para aplicações com baixa tensão de entrada CC e fontes em que a geração de energia não é constante, tais como módulos fotovoltaicos (CABRAL.

(19) 17. et al., 2013). 1.1. OBJETIVOS Este trabalho tem por finalidade desenvolver um conversor SEPIC modificado com. acoplamento magnético série e célula multiplicadora de tensão. Os objetivos específicos do trabalho a serem alcançados, são: • Realizar o estudo das técnicas células multiplicadoras de tensão, indutores acoplados e conversor CC-CC de alto ganho estático. • Realizar o equacionamento e dimensionamento dos componentes do conversor proposto. • Definir uma metodologia para o projeto do conversor proposto. • Confecção do protótipo para aquisição das formas de onda e obtenção do rendimento. • Análise dos resultados teóricos e experimentais e conclusões. 1.2. JUSTIFICATIVA A demanda por energia aumenta cada vez mais em todo o mundo, no entanto, as fontes. convencionais como petróleo, carvão e gás natural estão se esgotando. Essas fontes de energia não-renováveis apresentam pontos negativos, como a emissão de gases poluentes na atmosfera que contribuem para o efeito estufa e pioram o problema do aquecimento global, causando grande preocupação na sociedade. Com o advento da tecnologia nas últimas décadas a eletrônica de potência se tornou uma das áreas mais atuantes da engenharia elétrica e eletrônica, e se encontra hoje nas mais diversas atividades, como: indústria de automação, de transporte, de transmissão e distribuição de energia elétrica, na conversão de energia e no tratamento de energias renováveis (MARTINS; BARBI, 2006). Neste cenário de busca incessante por novas fontes de energia, em especial a energia solar, eólica e a de célula combustível surgem como destaque. Os estudos na área da eletrônica de potência influem diretamente sobre o aproveitamento de maneira mais eficiente destas energias, visto que, sua geração de energia não é constante e a tensão CC fornecida é baixa em baixa potência. Além disso, as fontes renováveis de energia são energias limpas que minimizam consideravelmente o impacto ambiental além de proporcionar um desenvolvimento sustentável nas regiões em que venham a ser implantadas..

(20) 18. Este capítulo apresentou informações sobre a área de aplicação escolhida para a utilização do conversor proposto neste trabalho e o porquê desta escolha. Além disso, mostrou-se características referentes a algumas soluções existentes expondo diversas vantagens e desvantagens das estruturas elevadoras não-isoladas. Por fim, tratou-se do parâmetro eficiência energética que é de vital importância nas aplicações que envolvem fontes renováveis de energia. Este atributo não é fornecido pelos conversores clássicos, justificando assim a busca por novas estruturas elevadoras que proporcionem um alto ganho estático com alta eficiência. O Capítulo 2 apresenta a fundamentação teórica de diversos conceitos e técnicas elevadoras relacionados ao tema conversores CC-CC..

(21) 19. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. Neste capítulo é apresentada a revisão bibliográfica que é a base científica do trabalho. Esta consiste em fazer referência a trabalhos anteriormente publicados que mostrem a evolução, lacunas e entraves teóricos existentes sobre o tema conversores CC-CC não isolados de alto ganho estático. As técnicas para elevação de ganho a serem referenciadas neste capítulo tratam de: capacitores chaveados, indutores chaveados, indutores acoplados, multiplicadores de tensão e conversores de alto ganho estático. 2.1. CAPACITORES CHAVEADOS Esta técnica consiste em estruturas compostas por capacitores e diodos (AXELROD. et al., 2008) ou capacitores, diodos e chaves (LI et al., 2009). No primeiro caso os capacitores são carregados em paralelo quando a chave está ligada ( VC1 = VC2 ) e descarregados em série quando a chave é bloqueada. No segundo caso cada célula capacitor chaveado é composta por um capacitor, um diodo e duas chaves e, este capacitor pode ser visto como uma fonte de tensão que é chaveada e recombinada pelas chaves. Ambas estruturas citadas podem ser utilizadas em qualquer conversor e para se alcançar o ganho estático necessário à aplicação em questão deve-se encadear diversas células em série ou em conjunto com outras estratégias. A Figura 3 apresenta somente as células capacitor chaveado em (a) e (b) e um conversor elevador com capacitores chaveados integrados a estrutura em (c). Figura 3: Células capacitores chaveados.. Fonte: Adaptado de:Axelrod et al. (2008) e Li et al. (2009).

(22) 20. 2.2. INDUTORES CHAVEADOS Está técnica consiste em dois indutores com mesma indutância que se carregam em. paralelo quando a chave está ligada e, após a chave ser desligada, se descarregam em série transferindo energia para o restante do circuito. Conforme (YANG et al., 2009) e (TANG et al., 2015), os indutores chaveados podem ser utilizados em um bloco de circuito com diodos ou somente com as chaves. A Figura 4 apresenta somente as células indutores chaveados em conjunto com componentes passivos (a) e ativos (b). Figura 4: Configurações indutores chaveados.. Fonte: Adaptado de:Tang et al. (2015). Na Figura 5(b) é apresentada a técnica voltage lift que é um método largamente aplicado no desenvolvimento de circuitos eletrônicos, devido à sua simplicidade, custo e, consequente melhoria das características e desempenho de conversores CC-CC (LUO, 1998). Figura 5: Técnicas indutores chaveados e voltage lift aplicadas ao conversor boost.. Fonte: Adaptado de:Yang et al. (2009). Essa estratégia consiste no capacitor C1 que se carrega com a tensão de entrada quando a chave fecha e fica em série quando a chave abre, elevando o ganho da estrutura. Estes arranjos permitem a obtenção de um alto ganho de tensão na saída com uma razão cíclica adequada e.

(23) 21. tensões menores nas chaves. A Figura 5 apresenta as técnicas indutores chaveados (a) e indutor chaveado com voltage lift (b) aplicadas ao conversor boost. 2.3. INDUTORES ACOPLADOS Os componentes magnéticos podem ter vários enrolamentos pelos quais é possível. circular correntes e, desta forma, colaborar para a continuidade do fluxo magnético. Estes dispositivos são os transformadores para soluções isoladas e indutores acoplados para soluções não-isoladas. Os indutores acoplados magneticamente são um arranjo onde a continuidade do fluxo é feita pela passagem de corrente que é realizada por um enrolamento em certo instante, ora por outro enrolamento em um instante posterior, assegurando um sentido à corrente que mantenha a continuidade do fluxo. A técnica indutores acoplados utilizada em conversores CCCC não-isolados pode ser utilizada na configuração série ou paralelo permitindo o aumento do ganho estático por meio da relação de transformação ( n). O termo n, permite a adequação dos níveis de tensão, para que se possa obter um alta tensão de saída sem o aumento da razão cíclica. Contudo, existe um inconveniente causado pela presença de acoplamentos magnéticos que é a indutância de dispersão. Esse parâmetro é intrínseco dessa técnica e pode causar sobretensões nos semicondutores, perdas de comutação na chave e problemas de interferência eletromagnética. No entanto, se o estudo da estrutura for realizado de maneira adequada, a indutância de dispersão pode ser benéfica para o conversor proporcionando comutação suave na chave que reduz as perdas de comutação. Em alguns casos, a utilização integrada da técnica de indutores acoplados em conjunto com multiplicadores de tensão pode absorver a energia da dispersão eliminando o problema de sobretensão nos semicondutores. Em seguida são apresentadas duas topologias CC-CC não isoladas que tem como base o conversor boost e que utilizam a técnica indutores acoplados para a obtenção de um alto ganho estático por meio da relação de transformação (n) e uma razão cíclica adequada. A Figura 6 apresenta o conversor boost com a técnica indutor acoplado. Figura 6: Conversor boost com a técnica indutor acoplado.. Fonte: Adaptado de:Shiung et al. (2015).

(24) 22. Utilizando a técnica de indutores acoplados pode-se alcançar altas tensões de saída somente ajustando a relação de transformação do transformador sem aumento da razão cíclica. A indutância de dispersão reduz os efeitos negativos da corrente de recuperação reversa dos diodos. Portanto, se a energia da indutância de dispersão puder ser reciclada para a saída, isso diminuirá a tensão no interruptor e aumentará a eficiência da estrutura. Com a utilização das técnicas indutores acoplados e células elevadoras de tensão obtem-se uma alta tensão de saída e a recuperação da energia de dispersão, aumentando a eficiência conversor apresentado na Figura 6 (SHIUNG et al., 2015). A estrutura boost interleaved ou também chamado multifase é uma técnica na qual se utilizam conversores em paralelo defasados, dividindo os esforços de corrente e reduzindo as ondulações de corrente e tensão no conversor. Mas pode-se fazer alguns arranjos para aumentar o ganho estático como a estrutura apresentada na Figura 7. As principais vantagens desta topologia são: redução da ondulação de corrente, resposta transitória rápida e redução do tamanho dos componentes passivos (LI; HE, 2007). No entanto existem algumas desvantagens da estrutura boost interleaved clássico significativas para o rendimento do circuito em aplicações de corrente contínua, como: alta razão cíclica para obtenção de um alto ganho, que aumenta a ondulação de corrente e as perdas de condução, alta corrente de recuperação reversa no diodo de saída e tensão na chave igual a tensão de saída (LI; HE, 2007). Figura 7: Conversor boost interleaved com a técnica indutor acoplado.. Fonte: Adaptado de:Li e He (2007). Para minimizar estes problemas pode ser utilizada a técnica indutores acoplados, uma vez que esta proporciona comutação suave na entrada de condução da chave e limita a corrente no diodo de saída da estrutura através da indutância de dispersão. Na Figura 7 é apresentada.

(25) 23. a estrutura boost interleaved com indutores acoplados. Esta topologia permite o aumento do ganho de tensão, redução da ondulação de corrente e redução da tensão na chaves devido à relação de transformação proporcionada pelos indutores acoplados. A indutância de dispersão fornecida pelos indutores acoplados causam picos de tensão quando a chave é desligada e uma solução para este problema é a utilização de um snubber dissipativo RCD (RCD, do inglês Resistor-Capacitor-Diode) para absorver a energia de dispersão e eliminar os picos de tensão na chave, mas isso diminui a eficiência da topologia. Portanto, na Figura 7 é utilizado um circuito passivo de grampeamento sem perdas que absorve os picos de tensão e recupera a energia de dispersão. Este circuito é composto pelos diodos de grampeamento DC1 e DC2 e os capacitores de grampeamento CC1 e CC2 . A energia de dispersão é transferida para o capacitor de grampeamento através do diodo de grampeamento quando a chave é desligada, em seguida a energia armazeda no capacitor de grampeamento é recuperada pela carga. A corrente no diodo Do2 é descrescida praticamente de forma linear. Esta taxa de queda é controlada pelo indutor de dispersão LLk2 , que também minimiza o problema da corrente de recuperação reversa no diodo de saída. Porém, esta topologia apresenta duas desvantagens importantes. A recuperação reversa do diodo de saída resulta em sobretenções nos diodos de saída devido à presença da indutância de dispersão. Também a utilização de indutores com três enrolamentos acoplados não é bem recebido pela indústria devido à maior dificuldade e custo de fabricação, além de impactar no volume. 2.4. MULTIPLICADORES DE TENSÃO Este circuito é uma solução em aplicações como retificadores de baixa frequência.. Com esta técnica obtem-se uma tensão contínua maior do que o valor de pico da tensão alternada de entrada e geralmente, essa tensão contínua obtida é um múltiplo da tensão de entrada. Algumas dessas topologias são mostradas na Figura 8. Na sequência são apresentadas duas topologias CC-CC não isoladas que tem como base o conversor boost e o conversor Cuk, respectivamente utilizando a técnica de células multiplicadoras de tensão para a obtenção de um alto ganho estático. O uso de células multiplicadoras de tensão é utilizada para obter altas tensões de saída. Essa técnica é uma alternativa aos indutores acoplados, no entanto, pode ser usada em conjunto dependendo da aplicação e do ganho estático pretendido. A inclusão de estágios multiplicadores de tensão na configuração proposta apresentada na Figura 9 possibilita a obtenção de um alto ganho estático sem a dependência do incremento da razão cíclica. Caso seja necessário um maior ganho de tensão, as células multiplicadoras de tensão devem ser cascateadas (PRU-.

(26) 24. Figura 8: Circuitos retificadores clássicos com multiplicadores de tensão.. Fonte: Adaptado de:Prudente et al. (2008). DENTE et al., 2008). Figura 9: Conversor boost clássico com células multiplicadoras de tensão.. Fonte: Adaptado de:Prudente et al. (2008). As células multiplicadoras de tensão não necessitam do indutor Lr ( Lr , Indutor ressonante) para atuar de maneira correta, contudo, a presença deste componente proporciona um chaveamento sob corrente zero, diminuindo significativamente as perdas na entrada em condução no interruptor, além de reduzir a corrente de recuperação reversa nos diodos. As vantagens citadas pela adição do indutor Lr permitem a operação do conversor em alta frequência com.

(27) 25. uma alta eficiência. É possível cascatear as células multiplicadoras de tensão a fim de alcançar uma alta tensão de saída, como mostrado na Figura 10. A redução da corrente de recuperação reversa de todos os diodos é obtida somente com a adição de Lr na primeira célula multiplicadora de tensão. A célula multiplicadora de tensão aumenta o ganho estático do conversor boost clássico por um fator (M+1), onde M é o número de células multiplicadoras de tensão. Contudo, a tensão máxima na chave é (M+1) menor que a tensão de saída (PRUDENTE et al., 2008). Figura 10: Conversor boost com "M"células multiplicadoras de tensão.. Fonte: Adaptado de:Prudente et al. (2008). Outra solução proposta é obtida pela integração do conversor CC-CC Cuk com células multiplicadoras de tensão, conforme (Qun Zhao; LEE, 2003) e (De Souza et al., 2016). A característica de fonte de corrente na entrada e na saída do conversor em conjunto com as células multiplicadoras de tensão permite a obtenção de um alto ganho estático, baixa tensão na chave e baixa ondulação de corrente na entrada e saída. A Figura 11 apresenta o conversor Cuk CC-CC com alto ganho estático. Figura 11: Conversor Cuk CC-CC com alto ganho estático.. Fonte: Adaptado de:De Souza et al. (2016). 2.5. CONVERSORES DE ALTO GANHO ESTÁTICO Os conversores CC-CC elevadores de tensão clássicos não trabalham de modo satis-. fatório com uma razão cíclica alta porque há um aumento significativo das perdas no circuito..

(28) 26. Aplicações em fontes renováveis de energia necessitam de topologias que forneçam ganhos estáticos elevados e uma alta eficiência energética com uma razão cíclica baixa. Portanto, é necessário realizar algum tipo de modificação que altere as características operacionais em determinada topologia, de forma que o alto ganho estático seja um parâmetro intrínseco do conversor modificado. Os conversores de alto ganho estático foram projetados para ter ganho mais elevado que os conversores clássicos, diferenciado-se destes nos quais são apenas adicionadas técnicas para aumentar o ganho. Desta forma o SEPIC modificado não se enquadra nos itens anteriormente apresentados pois não se trata do conversor SEPIC adicionado de alguma técnica de incremento de ganho. É um novo conversor com ganho intrinsecamente maior do que os conversores convencionais. 2.5.1. CONVERSOR SEPIC MODIFICADO Esta topologia apresenta alta eficiência para uma baixa tensão de entrada e é ideal para. aplicações com alta tensão de saída. A tensão no interruptor é baixa devido ao acréscimo do diodo DM1 e capacitor CM1 , pois, agora a tensão da chave é grampeada na tensão de CM1 e não mais na tensão de saída como no conversor boost clássico ou a soma da tensão de entrada com a tensão de saída no caso do conversor SEPIC clássico. O conversor SEPIC modificado é apresentado na Figura 12, conforme (GULES et al., 2014). Figura 12: Conversor SEPIC modificado.. Fonte: Adaptado de:Gules et al. (2014). Este circuito apresenta duas etapas de operação em modo de condução contínua CCM (CCM, do inglês Continuos Conduction Mode) que serão detalhadas na sequência, considerando todos os capacitores carregados e o circuito operando em regime permanente. Primeira etapa: A chave S1 está em condução, os diodos estão bloqueados e os indutores L1 e L2 armazenam energia com a condução da chave. O indutor L1 é submetido à tensão de entrada ( Vi ), já o indutor L2 é submetido à diferença de tensão entre os capacitores CM1 e CS1 . A Figura 13 apresenta a primeira etapa de operação..

(29) 27. Figura 13: Primeira etapa de operação.. Fonte: Adaptado de:Gules et al. (2014). Segunda etapa: A chave S1 é aberta e o diodo DM1 entra em condução. A energia armazenada no indutor L1 é transferida para a saída através do capacitor CS1 e do diodo Do e também para CM1 através do diodo DM1 . Portanto a tensão na chave é igual a tensão no capacitor CM1 . A energia armazenada no indutor L2 é transferida para a saída através do diodo Do . A Figura 14 apresenta a segunda etapa de operação. Figura 14: Segunda etapa de operação.. Fonte: Adaptado de:Gules et al. (2014). O ganho estático deste conversor é apresentado na equação (1): Vo 1 + D = Vi 1−D 2.6. (1). CONVERSORES COM MÚLTIPLAS TÉCNICAS DE ELEVAÇÃO DE GANHO As técnicas capacitores chaveados, indutores chaveados, indutores acoplados e multi-. plicadores de tensão são utilizadas para a obtenção de alto ganho estático de conversores CCCC. No entanto, elas podem ser utilizadas de forma isolada com um determinado conversor, ou em conjunto com outras técnicas para se ter um ganho estático maior. Na sequência são apre-.

(30) 28. sentados alguns conversores disponíveis na literatura que trabalham com as técnicas citadas. A topologia apresentada na Figura 15 utiliza as técnicas indutores e capacitores chaveados aplicadas ao conversor boost clássico, essas estratégias aumentam o ganho de tensão que pode ser entregue pelo conversor, permitindo a obtenção de um maior ganho de tensão com a redução dos esforços de corrente (ALVES, 2013). Quando a chave está ligada, os indutores se carregam em paralelo e o diodo de saída é polarizado reversamente, semelhante ao conversor boost clássico. Já os capacitores C1 e C2 fornecem energia para a carga. Quando a chave é desligada os indutores se descarregam em série fornecendo energia para os capacitores C1 e C2 que se carregam em paralelo. Como resultado a tensão aplicada na chave é VC1 ou VC2 , sendo estas iguais a metade da tensão de saída. O diodo de saída entra em condução e a carga é alimentada por Co (BASAK et al., 2015). A Figura 15 apresenta o conversor boost de alto ganho com reduzidos esforços de chaveamento. Figura 15: Conversor boost de alto ganho com reduzidos esforços de chaveamento.. Fonte: Adaptado de:Basak et al. (2015). A configuração proposta na Figura 16 adota as técnicas indutor acoplado e capacitor chaveado para alcançar um alto ganho de tensão. Os capacitores Cc e Cm são carregados em paralelo pelo indutor acoplado e descarregados em série aumentando a tensão de saída. Outra técnica implementada nesta topologia é a comutação ZVS (ZVS, do inglês Zero Voltage Switching) para os interruptores principal e secundário. Os capacitores Cm e Cc entram em ressonância com LLK produzindo uma tensão nula sobre os interruptor secundário Sc , já para o interruptor principal S uma nova ressonância é formada pela indutância de dispersão e o capacitor paralelo Cs . A condição ZVS leva as chaves a entrarem em condução sob tensão nula reduzindo as perdas por comutação significativamente. Em geral, ZVS é preferível ao ZCS para altas frequências. A razão relaciona-se com as capacitâncias intrínsecas do interruptor. Quando a chave é ligada sob corrente nula, mas com uma tensão em seus terminais, a carga armazenada nas capacitâncias internas é dissipada sobre o componente. Este fenômeno se torna mais significativo em freqüências muito elevadas. Por ou-.

(31) 29. Figura 16: Conversor boost não isolado com alto ganho.. Fonte: Adaptado de:Muhammad et al. (2015). tro lado, nenhuma perda ocorre em ZVS. A Figura 16 apresenta o conversor boost não isolado com alto ganho. Na sequência é proposta uma topologia que tem como principais estratégias para a obtenção de um alto ganho estático: indutores acoplados (L1 e L2 ), um circuito de grampeamento da chave S1 composto por C1 e D1 e um circuito auxiliar (C3 e L3 ). É utilizada uma célula multiplicadora de tensão no secundário do acoplamento magnético, pois a energia armazenada na indutância de dispersão ocasiona sobretensões no diodo de saída. Com a aplicação destas estratégias o ganho estático da estrutura proposta é maior do que os conversores CC-CC convencionais. O circuito de grampeamento da chave necessita estar conectado o mais próximo possível de S1 para evitar-se o armazenamento de energia nas trilhas provocando o rompimento do interruptor. O diodo D1 utilizado é um diodo Schottky que minimiza as perdas de condução e a corrente de recuperação reversa. A Figura 17 apresenta o conversor CC-CC de alta eficiência com alto ganho de tensão. Figura 17: Conversor CC-CC de alta eficiência com alto ganho de tensão.. Fonte: Adaptado de:Wai e Duan (2005). O circuito auxiliar colabora com a comutação suave na entrada em condução da chave que garante a diminuição dos picos de tensão. Além disso, o indutor auxiliar L3 fornece energia para a saída do conversor. Logo, a tensão mantida no interruptor é baixa e isso ocasiona baixas perdas de comutação no interruptor, aumentando a eficiência do circuito. Por fim é apresentado um conversor boost de três fases, pois na entrada há presença de três indutores acoplados de dois enrolamentos cada em paralelo, este arranjo permite o aumento.

(32) 30. do ganho estático. Em aplicações fotovoltaicas as perdas de condução e a corrente de entrada geralmente são altas em conversores de fase única. Uma estrutura que emprega mais fases reduz as perdas de condução e a corrente de entrada é dividida entre as fases aumentando a eficiência do conversor. No entanto, utilizar mais que três fases não é interessante, pois a diminuição da ondulação da corrente de entrada não é considerável, além disso aumentará a complexidade e o custo do conversor. A Figura 18 apresenta o conversor elevador CC-CC usando indutores acoplados com controle em FPGA (FPGA do inglês, Field Programmable Gate Array). Figura 18: Conversor boost de três fases.. Fonte: Adaptado de:Sophia (2016). O controle do circuito é realizado por uma FPGA. As principais vantagens deste controle em relação aos convencionais, são: hardware reconfigurável, alta capacidade de processamento e paralelismo de processos. Na sequência é apresentada a Tabela 1 que apresenta a comparação entre alguns parâmetros dos conversores citados na revisão bibliográfica, em termos de: técnicas utilizadas, número de componentes, tensão na chave e ganho estático. Considerando a coluna Componentes, tem-se: subcoluna S representa semicondutores controlados (MOSFET ou IGBT (IGBT, do inglês Insulated Gate Bipolar Transistor)), subcoluna D representa os semicondutores nãocontrolados (Diodos) e as subcolunas L e C representam os indutores e capacitores, respecitivamente..

(33) 31. Tabela 1: Comparação entre os parâmetros dos conversores. Conversor. Técnicas utilizadas. Componentes S. D. L. C. Tensão na chave Ganho Vo Vi Vo Vi Vo Vi Vo Vi Vo Vi Vo Vi Vo Vi. estático. Figura 5. voltage lift e indutores acoplados. 2. 2. 2. 2. VS = V2o. Figura 6. voltage lift e indutores acoplados. 1. 3. 2. 2. VS = V2o. Figura 7. indutores acoplados. 2. 4. 2. 3. VS =. Vo n+1. Figura 9. célula multiplicadora de tensão. 1. 3. 2. 3. VS =. Vin 1−D. Figura 11. célula multiplicadora de tensão. 1. 3. 2. 3. VS =. Vin 1−D. Figura 12. conversor de alto ganho estático. 1. 2. 2. 3. VS =. Vin 1−D. Figura 15. indutores e capacitores chavea-. 1. 6. 2. 3. VS = V2o. 2. 2. 1. 3. VS =. Vo 2+n. Vo = Vi. 2+n 1−D. 1. 3. 2. 5. VS =. Vin 1−D. Vo = Vi. 1+D+D·n 1−D. 3. 4. 3. 5. -. dos Figura 16. indutor acoplado e capacitor chaveado. Figura 17. indutor acoplado e célula multiplicadora de tensão. Figura 18. indutores acoplados. =. 2 1−D. =. n 1−D. =. n+1 1−D. =. n+1 1−D. =. n+D 1−D. =. 1+D 1−D. 1+D = 2 · 1−D. -. Fonte: Autoria Própria. Este capítulo discorreu sobre algumas estratégias elevadoras e trabalhos anteriormente publicados que mostram a evolução e lacunas sobre o tema conversores CC-CC. As técnicas elevadoras capacitores chaveados, indutores chaveados, multiplicadores de tensão e indutores acoplados apresentadas neste trabalho são largamente utilizadas em estudos no meio acadêmico e em aplicações de mercado que necessitem de um alto ganho estático. Outro tópico importante tratado neste capítulo foi o conversor SEPIC modificado, esta estrutura tem um alto ganho estático intrínseco a topologia, proporcionado pela adição dos componentes CM1 e DM1 . Apresentou-se neste capítulo o tópico conversores com múltiplas técnicas de elevação de ganho. Este tema trata da integração das técnicas citadas a uma estrutura elevadora clássica ou a um conversor de alto ganho estático levando a nova topologia ao ganho estático desejado. Por fim, realizou-se a comparação conforme a Tabela 1 dos parâmetros: tensão na chave, ganho estático, número de componentes e técnicas utilizadas dos conversores apresentados nesta seção. O Capítulo 3 apresenta conversores em ordem crescente de complexidade com a integração de técnicas elevadoras ao conversor SEPIC modificado até a obtenção do conversor proposto neste trabalho. Os conversores apresentados terão descritas suas etapas de operação e ganho estático.

(34) 32. em detalhe..