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Frequência: [1MHz] Pot<50W η<95%

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Academic year: 2021

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(1)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

CONVERSORES RESSONANTES

CONVERSORES RESSONANTES

CC-CA

hf

-CC

Fonte Quase Ressonante

Fonte Quase Ressonante

ZVS

ZVS

Z

Z

ero

ero

V

V

oltage

oltage

S

S

witching

witching

n:1

+

-C

R

v

O

(t)

+

-i

C

L

i

L

v

L

D

+

-S

ideal

L

S

C

S

Frequência:

[1MHz]

Pot<50W

η<95%

Circuito de

controlo

Circuito de

Circuito de potência

Circuito de potência

(2)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

CONVERSORES RESSONANTES

CONVERSORES RESSONANTES

Conversores Com Carga Ressonante

Conversores Quasi Ressonantes

Conversores Multi Ressonantes

Conversores PWM Ressonantes

Conversores com Transição Ressonante

Conversores

Conversores

Com

Com

Carga

Carga

Ressonante

Ressonante

Conversores

Conversores

Quasi

Quasi

Ressonantes

Ressonantes

Conversores

Conversores

Multi

Multi

Ressonantes

Ressonantes

Conversores

Conversores

PWM

PWM

Ressonantes

Ressonantes

Conversores

Conversores

com

com

Transição

Transição

Ressonante

Ressonante

Inserção de uma bobine e de um condensador

Oscilação das grandezas eléctricas

Inserção de uma bobine e de um condensador

Oscilação das grandezas eléctricas

Topologias:

Princípio de operação:

Comutação do dispositivo nos pontos de anulamento

(3)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Comutação nos pontos de anulamento da tensão

ZVS

“Zero Voltage Switching”

Comutação nos pontos de anulamento da tensão

ZVS

Z

ero

V

oltage

S

witching”

Comutação nos pontos de anulamento da corrente

ZCS

“Zero Current Switching”

Comutação nos pontos de anulamento da corrente

ZCS

Z

ero

C

urrent

S

witching”

Condensador em

paralelo com o

dispositivo

Bobine em série

o dispositivo

passa à condução

a tensão nula

o dispositivo

passa ao corte a

(4)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

ON- OFF

V

d

I

d

V

T

I

T

COMUTAÇÃO

FORÇADA SEM

SNUBERS

COMUTAÇÃO

RESSONANTE

OFF-ON

COMUTAÇÃO

FORÇADA COM

ON- OFF OFF-ON

(5)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

COMUTAÇÃO RESSONANTE

COMUTAÇÃO RESSONANTE

COMUTAÇÃO FORÇADA

V

T

P

COM

= K.I

T

.V

T

.f

ZVS

V

T

I

T

frequência

rendimento

ZCS

V

T

I

T

I

T

(6)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Conversores Ressonantes

Conversores Ressonantes

Inversores

ressonantes

Conversores

com carga

ressonante

Conversores

quasi

ressonantes

Conversores

PWM com

comutação

ressonante

Conversores com andar ressonante CRSérie CRParalelo CRSérie-Paralelo Definição de interruptores quasi ressonantes com ZCS ou ZVS Definição de interruptores de PWM com comutação ressonante ZCS ou ZVS

Operação a muito alta frequência (MHz) – baixa potência (50W) Todas as topologias operam com ZVS ou ZCS utilizando os componentes parasitas do circuito Operação a alta frequência (<500kHz) – potência (<2kW) ZVS (PWM) ZCS (PWM) ZVS (MF) ponte completa CC-CA CC-CA CA-CA CC-CC CC-CC CC-CC

(7)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Operação a alta frequência

Perdas de comutação são reduzidas (devido à

existência de ZVS ou de ZCS).

Comutação suave com geração de EMI reduzida,

contrariamente ao que acontece nas topologias

comutadas (devido aos valores elevados de di/dt e de

dv/dt).

Redução de dimensões (volume e peso). Grande

VANTAGENS:

(8)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Difícil previsão das grandezas eléctricas

Controlo mais complexo

Perdas de condução não desprezáveis

(9)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Conversores Quasi - Ressonantes

Topologias Quasi-Ressonantes

Semelhantes às topologias de PWM com o mesmo princípio de

transferência de energia onde se inclui um interruptor ressonante

(interruptor que engloba uma bobina (L

S

) e um condensador (C

S

) adicionais)

Topologias Quasi-Ressonantes

Semelhantes às topologias de PWM com o mesmo princípio de

transferência de energia onde se inclui um interruptor ressonante

(interruptor que engloba uma bobina (L

) e um condensador (C

) adicionais)

Alta integração de potência

Alta frequência de operação

Capacidades parasitas dos transistores MOS de potência (C

S

)

Indutâncias parasitas dos transformadores de potência (L

S

)

(10)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Interruptores ressonantes

Interruptores ressonantes

ZVS

ZCS

Onda completa

Onda completa

Meia onda

Meia onda

L

S

L

S

C

S

C

S

C

S

C

S

L

S

L

S

ZVS

ZCS

(11)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Família de conversores quasi

Família de conversores quasi

-

-

ressonantes com

ressonantes com

comutação no Zero da Corrente

comutação no Zero da Corrente

Redutor

Ampliador

(12)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Família de conversores quasi

Família de conversores quasi

-

-

ressonantes com

ressonantes com

comutação no Zero da Tensão

comutação no Zero da Tensão

Redutor

Ampliador

(13)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

I

O

v

s

s

1

L

s

D

1

Circuito

equivalente

Conversor quasi

Conversor quasi

-

-

ressonante redutor com

ressonante redutor com

C

C

omutação no

omutação no

Z

Z

ero da

ero da

C

C

orrente

orrente

i

O

v

s

s

1

L

s

L

F

C

F

C

S

D

1

Esquema

eléctrico

i

L

C

S

ZCS

ZCS

(14)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

v

s

D

1

i

O

s

1

L

s S1ON e D1ON

i t

V

L

t

L S S

( )

=

v t

C

( )

= 0

i T

L

( )

0

=

0

e

i T

L

( )

1

=

I

O

L I

Fase I – Carga da bobina T

0

<t<T

1

Análise de regime permanente

)

(t

i

L

)

(t

v

C

)

(t

V

GS

O

I

1 d

T

T

1 0

T

t

t

t

ONDA COMPLETA

(15)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

S1ON e D1OFF

Fase II – Ressonante T

1

<t<T

2

C

S

v

s

i

O

s

1

L

s

t

Z

V

I

t

i

O S o L

(

)

=

+

sin

ω

0

v

C

v t

C

( )

=

V

S

(

1

sin

ω

0

t

)

i TL( )1 = IO

i T

L

( )

2

=

0

T

d 2

=

T

2

T

1

=

α

ω





=

O O O

V

I

Z

arcsin

α

v T

C

( )

2

=

V

CB

=

V

S

(

1

cos )

α

)

(t

i

L

)

(t

v

C

)

(t

V

GS

O

I

1 d

T

T

1 0

T

t

t

2

T

2 d

T

O ω α

ZCS”

ZCS”

V >

O S

Z

V

(16)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

i t

L

( )

= 0

v

t

V

I

C

t

C C B O S

( )

=

v TC( )3 =0

(

)

T T T C V I C V I d S CB O S S O 3 3 2 1 = − = = − cos

α

C

S

C

S

v

s

v

s

i

O

i

O S1OFF e D1OFF

Fase III– Descarga do condensador T

2

<t<T

3

v

v

i

O

i

O

Fase IV– Roda Livre T

3

<t<T

4

)

(t

i

L

)

(t

v

C

)

(t

V

GS

O

I

1 d

T

1

T

0

T

t

t

t

2

T

2 d

T

T

3 d

T

3

T

4 d

T

S1OFF e D1ON

I

II

III

IV

(17)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

A curva caracteristica VoN (fs/fo) é obtida considerando o balanço energético

na entrada e na carga

O

S

W

W

=

A energia debitada pela fonte VS

é igual à energia recebida pela carga

A energia debitada pela fonte VS é igual à energia recebida pela carga

+

=

2 1 1 0

)

(

)

(

T T L S T T L S S

V

i

t

dt

V

i

t

dt

W

t

dt

Z

V

I

V

tdt

L

V

V

W

T T O S O S T T S S S S

(

sin

)

2 1 1 0 0

+

+

=

ω

(

)

[

(

)

]

+

+

=

cos

1

2

2 1 0 0 2 1 2 1

T

T

Z

V

T

T

I

T

L

V

V

W

O S O S S S

ω

ω

(

) (

)





+

+

=

1 2 1 3 2

2

T

T

T

T

T

I

V

W

S S O S O O T T O O O

V

I

dt

V

I

T

W

S

=

=

0

Cálculo da energia debitada pela fonte:

Cálculo da energia debitada pela fonte:

Cálculo da energia absorvida pela carga:

Cálculo da energia absorvida pela carga:

(1)

(2)

Igualando (1) e (2):

(18)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

O O O

R

V

I

=

O O

Z

R

Q

=

S O

V

V

M

=

O S N

f

f

f

=

(

)

[

]

+

+

=

− 1 2 0 1 0

cos

1

sin

1

2

1

T

T

I

CV

V

I

Z

V

LI

T

V

V

O S S O O S O S S O

ω

ω

[

]

+

+

=

α

α

π

2

1

cos

2

M

Q

Q

M

f

M

N

Curvas Características V

on

/V

S

(f

s

/f

o

)

Ganho de tensão em função da frequência de operação

Quanto maior é a corrente de carga

mais difícil é obter ZCS

ZCS

(19)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

ANÁLISE NO PLANO DE ESTADOS: ZCS

Estado 1

v

t

v t

V

CN C S

( )

=

( )

= 0

Estado 2

(

1

)

2

1

2

=

+

CN O S O O S L

v

Z

V

I

Z

V

i

Estado 3

0

)

(

)

(

=

=

O S L LN

Z

V

t

i

t

i

Estado 4

Trajectória no plano de estados

i t

V

L

t

L S S

( )

=

t

Z

V

I

t

i

O S o L

(

)

=

+

sin

ω

0

v t

C

( )

=

V

S

(

1

sin

ω

0

t

)

v t

V

I

C

t

C CB O S

( )

=

LN

i

(2) (1)

(1,I

ON

)

v

CN

i

LN (2) (1) (3) (4)

(1,I

ON

)

(onda completa)

(meia onda)

(20)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Quando

ω tende para ω

O

Td4 tende para zero: fronteira entre o Modo I e o Modo II

Fronteira entre o

R1=1 (2) (1,ION) R2>1 (3)

MODO II

ION (4) (1) (2) (1,ION) R1=1 ION (3) (2) (1,ION) R1<1 ION 1

MODO III

ION (1,ION) R1<1 1

MODO IV

(2) R1=1

v

CN

i

LN (2) (1)

(1,I

ON

)

(operação em meia onda)

MODO I

O condensador

descarrega até zero e

a corrente anula-se

O condensador não

A tensão

Perde-se

i

LN

i

LN

i

LN

i

LN

v

CN

v

CN

v

CN

v

CN

(3) (4)

(21)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Fronteira entre o

MODO II e o MODO III ZCS pontualmente R1=1 (2) (1,ION) R2>1 (3)

MODO II

ION (4) (1) (2) (1,ION) R1=1 ION (3) (2) (1,ION) R1<1 ION 1

MODO III

ION (1,ION) R1<1 1

MODO IV

(2) R1=1

O condensador não chega a descarregar totalmente A tensão anula-se pontualmente, perde-se ZCS Perde-se ZCS O condensador não descarrega até zero

MODO II

D1 sempre no corte

(

i

I

) (

v

)

LN

ON

+

CN

>

2

2

1

1

(

i

LN

I

ON

) (

2

+

v

CN

1

)

2

=

1

Fronteira entre o

MODO II e o MODO III

MODO III

Fronteira entre o

I

=

1

a trajectória é tangente aos dois eixos

LN

i

vCN vCN vCN vCN LN

i

LN

i

LN

i

(22)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

MODO I

MODO III

0.20 0.40 0.60 0.80 0.20 0.40 0.60 0.80

I

ON

f

s

/f

0

MODO II

Variação da corrente de saída com a

(23)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

O condensador

descarrega até

zero e a corrente

anula-se e

torna-se negativa

O condensador não

chega a descarregar

totalmente,

ω

A tensão

anula-se

pontualmente

Perde-se

ZCS

(

operação em onda completa)

MODO II MODO I (2) (1,ION) R1<1 ION 1 MODO III ION 1 MODO IV (2) (1,ION) R1<1 R1=1 (4) (3) (2) (1,ION) ION (1) R1=1 (3) (2) (1,ION) ION (1) R1=1 R1>1 R1=1

v

CN

LN

i

v

CN LN

i

CN

v

LN

i

v

CN

LN

i

(24)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

0.20 0.40 0.60 0.80 0.20 0.40 0.60 0.80 ION=0 VON ION=1 ION fs/f0

Curva Caracteristica V

on

(f

s

/f

o

)

(ganho de tensão em função da

frequência de operação)

MODO I

MODO III

0.20 0.40 0.60 0.80 0.20 0.40 0.60 0.80

I

ON

f

s

/f

0

MODO II

Variação da corrente de saída

com a frequência (

operação em

onda completa

)

(25)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

(26)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

(27)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

I

O

v

s

s

1

L

s

D

1

Circuito

equivalente

Conversor quasi

Conversor quasi

-

-

ressonante redutor com

ressonante redutor com

C

C

omutação no

omutação no

Z

Z

ero da

ero da

T

T

ensão

ensão

i

O

v

s

s

1

L

s

L

F

C

F

C

S

D

1

Esquema

eléctrico

i

L

C

S

ZVS”

ZVS”

(28)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

t

C

I

t

v

S O C

(

)

=

i

L

(

t

)

=

I

O

O L

T

I

i

(

0

)

=

e

i

L

(

T

1

)

=

I

O

Fase I – Carga do condensador T

0

<t<T

1

Análise de regime permanente

)

(t

i

L

)

(t

v

C

)

(t

V

GS

S

V

1 d

T

T

1 0

T

t

t

S

1

OFF

e D

1

OFF

v

s

i

O

s

1

L

s

v

s

i

O

0

)

(

T

0

=

v

C

v

C

(

T

1

)

=

V

S

MEIA ONDA

(29)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

S

1

OFF, D2 OFF

D

1

ON

Fase II – Ressonante T

1

<t<T

2

(

1

)

0

cos

)

(

t

I

t

T

i

L

=

o

ω

v

C

(

t

)

=

V

S

+

Z

O

I

O

sin

ω

0

(

t

T

1

)

S C

T

V

v

(

1

)

=

v

C

(

T

2

)

=

0

T

d 2

=

T

2

T

1

=

α

ω

α

cos

)

(

2 O L

T

I

i

=

)

(t

i

L

)

(t

v

C

)

(t

V

GS

O

I

1 d

T

1

T

0

T

t

t

2

T

2 d

T

O

ω

α

ZVS”

ZVS”

v

C

v

s

i

O

s

1

L

s

I

s

D

1

D

2

v

C

v

s

i

O

L

s

I

s

D

1 O O

I

Z

S

V

(30)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

)

(t

i

L

)

(t

v

C

)

(t

V

GS

O

I

1 d

T

1

T

0

T

t

t

t

2

T

2 d

T

O

ω

α

v

C

v

s

i

O

s

1

L

s

I

s

D

1

D

2

Fase III – Carga da bobina T

2

<t<T

3

3

T

T

4

0

)

(

T

2

=

v

C

v

s

i

O

L

s

I

s

D

1 3 d

T

S

1

ON ou D

2

ON

D1 ON

(

)

cos

α

)

(

S 2 O L

t

T

I

L

V

t

i

=

+

(31)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

)

(t

i

L

)

(t

v

C

)

(t

V

GS

O

I

1 d

T

1

T

0

T

t

t

2

T

2 d

T

O

ω

α

3 T 4 T 4 d

T

ZVS”

ZVS”

v

s

i

O

L

s

I

s

Fase IV – Transferência de energia

T

3

<t<T

4

S

1

ON e

D

1

OFF

3 d

T

0

=

C

v

O L

I

i

=

(32)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

A curva caracteristica VoN (fs/fo) é obtida considerando o balanço energético

na entrada e na carga

O S

W

W

=

A energia debitada pela fonte VS

é igual à energia recebida pela carga

A energia debitada pela fonte VS é igual à energia recebida pela carga

( )

t

V

dt

i

( )

t

V

dt

i

( )

t

V

dt

i

( )

t

V

dt

i

W

T T S L T T S L T T S L T T S L S

=

+

+

+

4 3 3 2 2 1 1 0

(

)

(

)

(

)

(

)





+

+

+

+

=

2 3 2 3 2 3 1 2 0 1

sin

2

sin

T

T

I

T

T

I

T

T

L

V

T

T

LC

I

T

I

V

W

S O O S O O S S

ω

α

S O O T T O O O

V

I

dt

V

I

T

W

S

=

=

0

Cálculo da energia debitada pela fonte:

Cálculo da energia debitada pela fonte:

Cálculo da energia absorvida pela carga:

Cálculo da energia absorvida pela carga:

(1)

(2)

+

+

+

=

α

α

ω

α

ω

2 0 0

cos

2

cos

2

O S O O O S S

R

ML

R

ML

T

R

ML

M

Q

I

V

W

(33)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

O O O

R

V

I

=

O O

Z

R

Q

=

S O

V

V

M

=

O S N

f

f

f

=

[

]

+

+

=

α

α

π

2

1

cos

2

1

M

Q

Q

M

f

M

N

Curvas Características V

on

/V

S

(f

s

/f

o

)

Ganho de tensão em função da frequência de operação

Quanto menor é a corrente de carga

mais difícil é obter ZVS

(34)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

ZCS

ZCS

Comuta

Comuta

ç

ç

ão

ão

no zero

no zero

da

da

corrente

corrente

• Para garantir ZCS a carga elevada tem que se verificar a

condição V

S

/Z

O

>I

O

logo Z

O

terá que diminuir.

• Se Z

O

diminui, aumenta o pico de corrente no dispositivo

i

Qpico

= V

S

/Z

O

+I

O

• Para garantir ZCS a carga

elevada

tem que se verificar a

condição V

S

/Z

O

>I

O

logo Z

O

terá que

diminuir

.

• Se Z

O

diminui,

aumenta

o pico de corrente no dispositivo

i

Qpico

= V

S

/Z

O

+I

O

ZVS

ZVS

Comuta

Comuta

ç

ç

ão

ão

no zero

no zero

da

da

tensão

tensão

• Para garantir ZVS a carga baixa tem que se verificar a

condição I

O

Z

O

>V

S

logo Z

O

terá que aumentar

• Se Z

O

aumenta, aumenta o pico de tensão no dispositivo

v

= I

Z

+V

• Para garantir ZVS a carga

baixa

tem que se verificar a

condição I

O

Z

O

>V

S

logo Z

O

terá que

aumentar

• Se Z

O

aumenta,

aumenta

o pico de tensão no dispositivo

(35)

CONVERSORES RESSONANTES

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

CONCLUSÕES

Aprox. rectangular

Quase-sinusoidal

Corrente no dispositivo

Diodo em anti-paralelo

Diodo em série com S

Meia onda

Diodo em série com S

Diodo em anti-paralelo

com S

Onda completa

R diminui

R aumenta

M aumenta quando

A frequência diminui

A frequência aumenta

M aumenta quando

0 a Rmax

Rmin a Vazio

Gama de variação da

carga

Quase-sinusoidal

Aprox. rectangular

Tensão no dispositivo

Tempo de corte constante

Tempo de condução

constante

Controlo

ZVS

ZVS

ZCS

ZCS

Referências

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