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
CL
i
Lv
LD
+-S
idealL
SC
SFrequência:
[1MHz]
Pot<50W
η<95%
Circuito de
controlo
Circuito de
Circuito de potência
Circuito de potência
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
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
CONVERSORES RESSONANTES
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
ON- OFFV
dI
dV
TI
TCOMUTAÇÃO
FORÇADA SEM
SNUBERS
COMUTAÇÃO
RESSONANTE
OFF-ONCOMUTAÇÃO
FORÇADA COM
ON- OFF OFF-ONCONVERSORES 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
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 ZVSOperação 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
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:
CONVERSORES RESSONANTES
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
Difícil previsão das grandezas eléctricas
Controlo mais complexo
Perdas de condução não desprezáveis
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
)
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
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
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
CONVERSORES RESSONANTES
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
I
Ov
ss
1L
sD
1Circuito
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
Ov
ss
1L
sL
FC
FC
SD
1Esquema
eléctrico
i
LC
SZCS
ZCS
CONVERSORES RESSONANTES
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
v
sD
1i
Os
1L
s S1ON e D1ONi t
V
L
t
L S S( )
=
v t
C( )
= 0
i T
L( )
0=
0
ei T
L( )
1=
I
OL I
Fase I – Carga da bobina T
0<t<T
1Análise de regime permanente
)
(t
i
L)
(t
v
C)
(t
V
GSO
I
1 dT
T
1 0T
t
t
t
ONDA COMPLETA
CONVERSORES RESSONANTES
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
S1ON e D1OFFFase II – Ressonante T
1<t<T
2C
Sv
si
Os
1L
st
Z
V
I
t
i
O S o L(
)
=
+
sin
ω
0v
Cv t
C( )
=
V
S(
1
−
sin
ω
0t
)
i TL( )1 = IOi T
L( )
2=
0
T
d 2=
T
2−
T
1=
α
ω
−
=
O O OV
I
Z
arcsin
α
v T
C( )
2=
V
CB=
V
S(
1
−
cos )
α
)
(t
i
L)
(t
v
C)
(t
V
GSO
I
1 dT
T
1 0T
t
t
2T
2 dT
O ω α“
“
ZCS”
ZCS”
V >
O SZ
V
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 = − = = − cosα
C
SC
Sv
sv
si
Oi
O S1OFF e D1OFFFase III– Descarga do condensador T
2<t<T
3v
v
i
Oi
OFase IV– Roda Livre T
3<t<T
4)
(t
i
L)
(t
v
C)
(t
V
GSO
I
1 dT
1T
0T
t
t
t
2T
2 dT
T
3 dT
3T
4 dT
S1OFF e D1ONI
II
III
IV
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 VSé 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 SV
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 1T
T
Z
V
T
T
I
T
L
V
V
W
O S O S S Sω
ω
(
) (
)
+
−
+
−
=
1 2 1 3 22
T
T
T
T
T
I
V
W
S S O S O O T T O O OV
I
dt
V
I
T
W
S∫
=
=
0Cálculo 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):
CONVERSORES RESSONANTES
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
O O OR
V
I
=
O OZ
R
Q
=
S OV
V
M
=
O S Nf
f
f
=
(
)
[
]
−
−
+
−
+
=
− 1 2 0 1 0cos
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 Oω
ω
[
]
−
+
+
=
α
α
π
2
1
cos
2
M
Q
Q
M
f
M
NCurvas 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
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
)
21
2=
−
+
−
CN O S O O S Lv
Z
V
I
Z
V
i
Estado 3
0
)
(
)
(
=
=
O S L LNZ
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
0v t
C( )
=
V
S(
1
−
sin
ω
0t
)
v t
V
I
C
t
C CB O S( )
=
−
LNi
(2) (1)(1,I
ON)
v
CNi
LN (2) (1) (3) (4)(1,I
ON)
(onda completa)
(meia onda)
CONVERSORES RESSONANTES
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
Quando
ω tende para ω
OTd4 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 1MODO III
ION (1,ION) R1<1 1MODO IV
(2) R1=1v
CNi
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
LNi
LNi
LNi
LNv
CNv
CNv
CNv
CN(3) (4)
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 1MODO III
ION (1,ION) R1<1 1MODO IV
(2) R1=1O 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 oMODO II e o MODO III
MODO III
Fronteira entre o
I
=
1
a trajectória é tangente aos dois eixosLN
i
vCN vCN vCN vCN LNi
LNi
LNi
CONVERSORES RESSONANTES
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
MODO I
MODO III
0.20 0.40 0.60 0.80 0.20 0.40 0.60 0.80I
ONf
s/f
0MODO II
Variação da corrente de saída com a
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 LNi
CNv
LNi
v
CN
LNi
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/f0Curva 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 0.80I
ONf
s/f
0MODO II
Variação da corrente de saída
com a frequência (
operação em
onda completa
)
CONVERSORES RESSONANTES
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
CONVERSORES RESSONANTES
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
CONVERSORES RESSONANTES
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
I
Ov
ss
1L
sD
1Circuito
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
Ov
ss
1L
sL
FC
FC
SD
1Esquema
eléctrico
i
LC
S“
“
ZVS”
ZVS”
CONVERSORES RESSONANTES
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
t
C
I
t
v
S O C(
)
=
i
L
(
t
)
=
I
O
O LT
I
i
(
0)
=
ei
L(
T
1)
=
I
OFase I – Carga do condensador T
0<t<T
1Análise de regime permanente
)
(t
i
L)
(t
v
C)
(t
V
GSS
V
1 dT
T
1 0T
t
t
S
1
OFF
e D
1
OFF
v
si
Os
1L
sv
si
O0
)
(
T
0=
v
Cv
C(
T
1)
=
V
SMEIA ONDA
CONVERSORES RESSONANTES
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
S
1OFF, D2 OFF
D
1ON
Fase II – Ressonante T
1<t<T
2(
1)
0cos
)
(
t
I
t
T
i
L=
oω
−
v
C(
t
)
=
V
S+
Z
OI
Osin
ω
0(
t
−
T
1)
S CT
V
v
(
1)
=
v
C(
T
2)
=
0
T
d 2=
T
2−
T
1=
α
ω
α
cos
)
(
2 O LT
I
i
=
)
(t
i
L)
(t
v
C)
(t
V
GSO
I
1 dT
1T
0T
t
t
2T
2 dT
Oω
α
“
“
ZVS”
ZVS”
v
Cv
si
Os
1L
sI
sD
1D
2v
Cv
si
OL
sI
sD
1 O OI
Z
SV
CONVERSORES RESSONANTES
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
)
(t
i
L)
(t
v
C)
(t
V
GSO
I
1 dT
1T
0T
t
t
t
2T
2 dT
Oω
α
v
Cv
si
Os
1L
sI
sD
1D
2Fase III – Carga da bobina T
2<t<T
33
T
T
40
)
(
T
2=
v
Cv
si
OL
sI
sD
1 3 dT
S
1ON ou D
2ON
D1 ON
(
)
cos
α
)
(
S 2 O Lt
T
I
L
V
t
i
=
−
+
CONVERSORES RESSONANTES
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
)
(t
i
L)
(t
v
C)
(t
V
GSO
I
1 dT
1T
0T
t
t
2T
2 dT
Oω
α
3 T 4 T 4 dT
“
“
ZVS”
ZVS”
v
si
OL
sI
sFase IV – Transferência de energia
T
3<t<T
4S
1ON e
D
1OFF
3 dT
0
=
Cv
O LI
i
=
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 VSé igual à energia recebida pela carga
A energia debitada pela fonte VS é igual à energia recebida pela carga