PROGRAMA
DE PÓS-GRADUAÇÃO
EM
ENGENHARIA
ELÉTRICA
NOVA
FAMÍLIA
DE
CONVERSORES
CC-CC
PWM
NÃo
ISoLADoS
UTILIZANDO
CÉLULAS
DE
~COMUTAÇÃO
DE
TRÊS
ESTADOS
Tese submetida à
Universidade Federal de Santa Catarina
d
. .como
parte os requlsrtos para aobtenção
do
graude
Doutor
em
Engenharia Elétrica.GROVER
VIcToR
ToRRIco
BASCQPÉ
NOVA
FAMÍLIA
DE
CONVERSORES
CC-CC
PWM
NÃO
ISOLADOS UTILIZANDO
CÉLULAS DE
\
coMUTAÇÃo
DE
TRÊS
ESTADOS
Grover
Victor TorricoBascopé
“Esta Tese foi julgada
adequada
para obtençãodo
Título deDoutor
em
Engenharia Elétrica,
Área
de Concentraçãoem
Sistemas de Energia,e aprovada
em
suaforma
final peloPrograma
dePós-Graduação
em
Engenharia Elétrica
da
Universidade Federal de Santa Catarina.” 'Prof. Ivo Barbi, Dr.Ing. /
Ori tador `
V F
/
Prof. Eds erto
De
Pie i, Dr.Coordenador do Programa de
P
-Graduaçãom
Engenharia ElétricaBanca
Examinadoraí~í
Prof. Ivo Barbi, Dr.Ing.
Presidente
¿
íwfw
añfzø
Prof. Ricardo Nederson do Prado, Dr.
/Pfyfznínizzaeäzyvms,
Dr. 'Trilogia
INCA
AMA
SUA,
AMA
LLULLA,
AMAKJELLA.
(Não
seja ladrão,não
seja mentiroso,não
seja preguiçoso)Cumprimento.
¡( Il
Rendírme
yo...que
se
rinda su abuela
c....!Eduardo Abaroa.
y
0
a
misadorados
hijosAdriana
y
Grover;0
a mí
esposaLupe por
su incentivoy
comprensión
y
0a
mi
sobrino Harold.AGRADECIMENTOS
Ao
Prof. Ivo Barbi, pelo profissionalismo, pela objetiva orientação neste trabalho, pelosensinamentos proporcionados ao longo do curso de doutorado, pela amizade e confiança depositada
em
minha pessoa. ç-
Aos membros
da banca examinadora, pelas sugestões e pelos questionamentos argüidos paramelhorar este trabalho.
Aos
professores do Instituto de Eletrônica de Potência (INEP), Arnaldo J. Perin, ÊnioKassik, Denizar C. Martins, Hari B. Mohr, João C. dos Santos Fagundes e Aleirandre Ferrari de
Souza, pelos ensinamentos que contribuiram para
minha
fonnação.À
meu
colega, grande amigo e irmãoRené
Pastor Torrico Bascopé, pelas valiosas sugestões,apoio e colaboração durante toda nossa vivência.
A
meus
colegas e grandes amigos, Falcondes JoséMendes
de Seixas e MarceloLobo
Heldwein, pela valiosa amizade, pelas sugestões e incondicional ajuda na revisão gramatical deste
trabalho. _
Aos
colegas Wilson Aragão Filho, FarukNome,
Domingo
Ruiz Caballero, Ivan Eidt Colling,Cícero
M.
T. Cruz, Roger Gules, Eduardo Romaneli, Marcelo Mezaroba, Wail Pastorrello Filho,Samir Mussa, Ênio Ribeiro, Roger Demonti, Yales R. de Novaes, Kefas D. Coelho, Luiz
Tomaselli, Sergio V. G. Oliveira, Luiz C. S. dos Santos, Victor Yassimura, N. B. Guzmán, Ricardo
Villarroel, Rodolfo Saavedra, Javier Triveño, César Claure, Alberto Arispe, e tantos outros, pela
grande amizade e companheirismo.
Aos
técnicos do INEP, Luiz Marcelius Coelho e Antonio L. S. Pacheco, pela grande amizadee o profissionalismo demonstrado tanto no trabalho
como
fora dele. WAs
secretárias Patrícia Schmitt e Dulcemar E. Borges, pela amizade e a colaboração prestadano serviço do INEP.
Ao
Sr. José Ricardo Pimentel da EmerssonEnerg
Systems, pela colaboração, compreensãoe apoio incondicional prestado para a finalização deste trabalho.
Ao
amigo e colega Dr. Roberto RojasRomero
e sua esposa, pela amizade e apoioincondicional oferecido.
A
meus
pais e i1mãos(as), pelo incentivo e compreensão que sempreme
prestaram. ^Ao PEC-PG/CNPq
e a Universidade Federal de Santa Catarina, pelo apoio financeiro paraarealização de
meu
curso de Doutorado.Finalmente, ao povo brasileiro pelo esforço e o trabalho para manter a Universidade Pública
e gratuita.
GROVER
VICTOR TORRICO BASCOPÉ
nasceuem
Quillacollo, Cochabamba, Bolívia,em
23 de dezembro de 1968. Realizou o Curso de Engenharia Elétrica na Universidade“Mayor
deSan
Simon”
(UMSS)
em
Cochabamba, Bolívia, concluindo-oem
1993.Em
março de 1994,ingressou
no
Programa: de Pós-graduaçãoem
Engenharia Elétrica, nível de Mestrado, naUniversidade Federal de Santa Catarina (UFSC), SC, Brasil. Orientado pelo Prof. Ivo Barbi, obteve
o grau de Mestre
em
Engenharia Elétrica, na Área de Eletrônica de Potênciaem
junho de 1996.Em
1997 trabalhou na “Cooperativa Mixta_ de TelecomunicacionesCochabamba”
(COMTECO),
Cbba, Bolívia. Paralelamente, trabalhoucomo
professor no Departamento deEngenharia Elétrica na Universidade
“Mayor
de San Simon”, Cbba, Bolívia.Em
março
de1998 retornou ao Curso de Doutorado do Programa de Pós-graduaçãoem
Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa Catarina,
no
Instituto de Eletrônica dePotência (INEP), do Brasil. Para isso, foi selecionado no concurso público, do Programa de
Estudantes Convênio de Pós-graduação (PEC/PG), oferecido pela Embaixada da República
Federativa do Brasil na Bolívia. «
^
Desde fevereiro de 2001, trabalha
como
consultor no laboratório de desenvolvimento desistemas de energia para telecomunicações da
Emerson
Energy Systems do Brasil.Resumo
da Tese
apresentada àUFSC
como
parte dos requisitos necessários para a obtençãodo
grau deDoutor
em
Engenharia
Elétrica. 'NovA
FAMÍLIA
DE
coNvERsoREs
cc-cc
PWM
NÃo
1soLADos
UT_1LIzANDo
CELULAS
DE
coMUTAÇAo
DE
TRES
ESTADOS
Grover
Victor Torrico
Bascopé
z
Dezembro/2001
O
Orientador: Professor Ivo Barbi, Dr. Ing.
Área de
Concentração: Sistemasde
Energia (Eletrônicade
Potência).Palavras-chave: Conversores
CC-CC/Célula
deComutação
de
Três Estados.Número
de
Páginas: 291.RESUMO:
Este trabalho apresentauma
nova
famíliade
conversoresCC-CC
PWM
não
isolados. Estes
novos
conversores são' gerados utilizando a célulade comutação de
trêsestados,
que
sãocompostas
por dois interruptores controlados, dois diodos e dois indutoresacoplados.
As
principais vantagens destes conversores,em
comparação
aos conversoresclássicos, são: baixas perdas
de
condução; reduzida ondulaçãode
corrente tantona
entradacomo
na
saída; freqüência nos elementos reativos odobro da
freqüência decomutação de
um
interruptor e reduzidos peso e volume.Devido
a estas características, anova
famíliade
conversores toma-se
de
fundamental importância para aplicaçõesem
baixas tensões eelevadas correntes. Principalmente para potências
acima de
ll<W.Os
conversores sãoanalisados para dois
modos
de
operação: o primeiromodo
quando
os interruptorestrabalham
em
não-sobreposição (non-overlappingmode)
(O<D<O,5)
e osegundo
modo
quando
os interruptores trabalhamem
sobreposição (overlappíngmode)
(O,5<D<1).Portanto, para conseguir estes
modos
de
operação, os sinais decomando
PWM
dosinterruptores estão desfasados
em
180°, sendouma
importante característica destesconversores. Neste trabalho, para validar o princípio
de
funcionamento dosnovos
conversores, são escolhidos entre todas as famílias geradas, os conversores boost
CC-CC
PWM
não
isolados geradoscom
a célula decomutação de
três estados. Portanto,apresenta-se a- análise teórica, a metodologia de projeto, o
exemplo
de projeto e osresultados experimentais.
Como
exemplo de
aplicação, são apresentados a análise teórica,o projeto e os resultados experimentais
de
um
protótipo,do
conversor boost gerado a partirda
célulaB
de comutação
de três estados, operandocomo
pré-regulador de tensãocom
NEW
FAMILY
OF
NON-ISOLATED DC-DC
PWM
CONVERTERS
USING
THE
THREE-STATE
SWITCHING
CELL
Grover
Victor Torrico
Bascopé
December/2001
Advisor: Professor Ivo Barbi, Dr. Ing.
V
Area
of Concentration:Energy Systems (Power
Electronics).Keywords:
use asIEEE
keywords:DC-DC
Converters, Three-state Switching Cell.Number
of Pages: 291.ABSTRACT:
Thiswork
presents anew
family of non-isolatedDC-DC
PWM
converters.These
new
converters are generatedfrom
the three-state switching cell,which
iscomposed
of
two
controlled switches,.two diodesand two
coupled inductors.The
main
advantagesof
these converters,
compared
to the classical converters, are:low
conduction losses, reducedcurrent ripple in both input
and
output, the frequency in the reactive elements is the doubleof the switching frequency
which
leads to smallercomponents and
reduced weightand
volume.
Due
to the characteristics, thenew
family of converters takes great importance forapplications in
low
voltagesand
high currents,mainly
forpowers
overlkW.
The
converters are analyzed for
two
operationmodes:
the first iswhen
the switcheswork
innon-overlapping
mode
(0<
D
<
0,5)and
the secondmode,
when
the switcheswork
inoverlapping
mode
(O,5<
D
<
1). So, in order to get thesemodes
of operation, thePWM
command
signals are 180 degrees shifted, beingan
important characteristicof
theseconverters. In this work, to
make
thenew
converter's functioning principle valid,among
all generated families, the non-isolated
PWM
DC-DC
boost converters with the three-statecommutation
cell are chosen. Hence, the theoretical analysis, the design methodology, thedesign
example and
the experimental results are presented.As
an
application example, a boost converter is generatedfrom
the three-statecommutation
cell B, prototype'stheoretical analysis, design
and
experimental results are presented, operating as a voltageSUMÁRIO
PáginaRESUMO
... ..viiiABSTRACT
... ..ixINTRODUÇÃO
... ..1CAPÍTULO
- 1GERAÇÃO
DE TOPOLOGIA DE
COPÍVERSOITES
CC-CC
PWM
COM
CÉLULAS
'DE
COMUTAÇAO
DE
TRES ESTADOS
1.1 -Introdução
... .. 101.2 - Definição
de
Transferênciade
Potência, Célulado Conversor
eGeração
de
Topologias
... .. ll 1.3 -Obtenção Das
Células deComutação
a Partir dos ConversoresCC-CC
Isolados ... ..131.3.1 -
Obtenção da
CélulaA
e as Três Topologias Básicas ... .. 131.3.2 -
Obtenção da
CélulaB
e as TrêsT
opologias Básicas ... .. 151.3.3 -
Obtenção da
CélulaC
e as Três Topologias Básicas ... .. 171.3.4 ~
Obtenção da
CélulaD
e as TrêsT
opologias Básicas ... .. 191.3.5 -
Obtenção da
CélulaE
e as Três Topologias Básicas ... .. 211.4 - Célula
de Três Estados de
Comutação
... .. ... ..25
1.5 - Apresentação das Seis Topologias Clássicas
com
aNova
Célula de Três Estados ... ..30
1.6 -
Conclusões
... ... ..32
CAPÍTULO
- 2CONVERSOR
BOOST OBTIDO APLICANDO
A
CÉLULA
Ez
ANALISE
PARA
RAZAO
CICLICA
MENOR
QUE
0,5 2.1 -Introdução
... ..34
2.2 -
Modos
de
Operação do Conversor
... ..35
2.2.1 -
Modo
deCondução
Contínua ... ._ 35 2.2.2 -Modo
deCondução
Descontínua ... ..40
2.2.3 -
Modo
deCondução
Crítica ... ..43
2.2.4 - Característica
de
Saída ... ..44
2.3 -
Determinação
da
Ondulação
de Corrente
eda
Indutância
Crítica ... ..45
2.4 -
Determinação
da
Ondulação
de
Tensão
... ..46
2.5 - Análises
de
Esforçosno
Conversor
em
Modo
de
Condução
Contínua
... ..47
2.5.1 - Expressões Básicas
no
Domínio
do
Tempo
... ._47
2.5.2 - Esforços nosComponentes
do
conversor ... ..49
2.6 -
Procedimento
eExemplo
de
Projetono
Modo
de
Condução
Contínua
... ..53
2.6.2 - Projeto e Especificação dos
Componentes
do Conversor
... .. 532.6.3 - Resultados Experimentais ... _. 63 2.7 -
Conclusões
... ..67
CAPÍTULQ
-3CONVERSOR BOOST
OBTIDOIAPLICANDO
A
CÉLULA
B:
ANALISE
PARA RAZAO
CICLICA
MAIOR QUE
0,5 3.1 -Introdução
... .. 693.2 -
Modo
sde
Operação do Conversor
... ..70
3.2.1 -
Modo
deCondução
Contínua ... ..70
3.2.2 -
Modo
deCondução
Descontínua ... ..74
3.2.3 -
Modo
deCondução
Crítica ... .. 783.3 - Característica
de Saída
... ..79
3.4 -
Determinação
da
Ondulação
de Corrente
eda
Indutância
Crítica ... ..80
3.5 ~
Determinação
da
Ondulação
de
Tensão
de Saída
... .. 813.6 -
Ganho
estático e Característicade
Saída Total ... ..82
3.7 -
Determinação
de
Esforçosnos
componentes
do Conversor
... ..82
3.7.1 - Expressões Básicas
no
Domínio
do
Tempo
... .... .. 823.7.2 - Esforços nos
Componentes
do
conversor ... .. 853.8 -
Procedimento
eExemplo
de
Projetopara
oModo
de
Condução
Contínua
... ..88
3.8.1 - Especificações ... .. 88
3.8.2 - Projeto e
Especificação
dosComponentes
do Conversor
... ._ 88 3.8.3 ~Grampeador
de Tensão
... ... ..97
3.8.4 -
Rendimento
Teórico ... .. 983.9 -
Resultados Experimentais
para
oModo
de
Condução
Contínua
... ..98
3.10 -
Conclusões
... ..102
CAPÍTULO
_4CONVERSOR BOOST
OBTIDO
APLICAN
DO A
CÉLULA
D:
ANALISE
PARA
RAZAO
CICLICA
MENOR
QUE
0,5 4.1 -Introdução
... .. 1044.2 -
Modos
de
Condução
... .. 1054.2.1 -
Modo
deCondução
Contínua ... _. 105 4.2.2 -Modo
deCondução
Descontínua ... .. 1094.2.3 -
Modo
deCondução
Crítica ... .. 1134.3 - Característica
de Saída
... ..114
4.4 -
Determinação
da
Ondulação
de Corrente
eda
Indutância
Crítica ... ..115
4.5 -
Determinação
da
Ondulação
de
Tensão
... ..116
4.6 - Análises
de
Esforçosno Conversor
em
Modo
de
Condução
Contínua
... ..117
4.6.1 - Expressões Básicas
no
Domínio
do
Tempo
... .. 1174.6.2 - Esforços nos
Componentes
do
Conversor ... .. 1204.7 -
Procedimento
eExemplo
de
Projetopara
0Modo
de
Condução
Contínua
... .. 1234.7.1 - Especificações ... .. 124
4.7.2 - Projeto e Especificação dos
Componentes do Conversor
... .. 1244.7.3 -
Grampeador de Tensão
... .. 1314.7.4 -
Rendimento
Teórico ... .. 131Sumário
4.8 -
Resultados Experimentais
para
oModo
de
Condução
Contínua
... 1314.9 -
Conclusões
... ..135
CAPÍTULO
-5CONVERSOR BOOST
OB'_i¬IDO,APLICANDO
A CÉLULA
Dz
ANALISE
PARA
RAZAO
CICLICA
MAIOR
QUE
0,5 5.1 -Introdução
... ..136
5.2 -
Modos
de
Condução
... ..138
5.2.1 -
Modo
de
Condução
Contínua ... .. 1385.2.2 -
Modo
deCondução
Descontínua ... .. 1425.2.3 -
Modo
deCondução
Crítica ... .. 1465.2.4 - Característica
de
Saída ... .. 1475.3 -
Determinação da Ondulação
de Corrente
eda
Indutância
Crítica ... ..148
5.4 -
Ganho
estático e Característicade
Saída Total ... ..149
5.5 -
Determinação da Ondulação
de
Tensão
... ..150
5.6 - Análise
dos
Esforçosno Conversor
em
Modo
de
Condução
Contínua
... .. 1515.6.1 - Expressões Básicas
no
Domínio
do
Tempo
... _. 151 5.6.2 - Esforços nosComponentes
do
Conversor ... .. 1535.7 -
Procedimento
eExemplo
de
Projetopara
oModo
de
Condução
Contínua
... ..158
5.7.1 - Especificações ... .. 158
5.7.2 - Projeto e Especificação dos
Componentes do Conversor
... .. 1585.7.3 -
Grampeador
deTensão
... .. 1635.7.4 -
Rendimento
T
eórico ... .. 1645.8 -
Resultados Experimentais
para
o
Modo
de
Condução
Contínua
... ..164
5.9 -
Conclusões
... ..168
CAPÍTULO
- 6CONVERSOR BOOST
OB;I¬iI›oAPLICANDO
A
CÉLULA
EzANALISE
PARA
RAZAO
CICLICA
MENOR
QUE
0,5 6.1 -Introdução
... ..169
6.2 -
Modos
de
Condução
... ..170
6.2.1 -
Modo
deCondução
Contínua ... ._ 170 6.2.2 -Modo
deCondução
Descontínua ... .. 1746.2.3 -
Modo
deCondução
Crítica ... .. 1786.3 - Característica
de Saída
... ..179
6.4 -
Determinação da
Ondulação
de Corrente
eda
Indutância
Crítica ... ..180
6.5 -
Determinação da Ondulação
de
Tensão
... .. 1816.6 - Análises
de
Esforçosno Conversor
em
Modo
de
Condução
Contínua
... ..182
6.6.1 - Expressões Básicas
no
Domínio
do
Tempo
... .. 1826.6.2 - Esforços nos
Componentes
do
Conversor ... .. 1846.7 -
Procedimento
eExemplo
de
Projetopara
oModo
de
Condução
Contínua
... ..188
6.7.1 - Especificações ... .. 188
6.7.2 - Projeto e Especificação dos
Componentes do Conversor
... .. 1886.7.3 -
Grampeador
deTensão
... .. 1936.7.4 -
Rendimento
Teórico ... .. 1936.8 -
Resultados Experimentais
para
oModo
de
Condução
Contínua
... .. 1936.9 -
Ganho
estático e Característicade
Saída Total ... ..197
6.10 -
Resultados de
Comparação
dos Três Conversores
... ..198
6.11 -
Conclusões
... ..200
CAPÍTULO
- 7CONVERSOR
BOOST
OBTIDO
APLICANDO
A
CÉLULA
B:
ESTÁGIO
PRE-REGULADOR
DE TENSAO
COM
ALTO FATOR
DE
POTÊNCIA
7.1 -Introdução
... ..202
7.2 -
Topologia
e Princípiode
Operação
... ..203
7.3 - Estratégia
de Controle
eTécnica
de
Modulação
... ..205
7.4 - Análise
da
Razão
Cíclica ... ..207
7.5 -
Determinação da Ondulação
de Corrente de
Entrada
... ..208
7.6 -
Determinação da Ondulação
de
Tensão
... ..210
7.7 -
Metodologia de
Projeto e Análisesde
Esforçosnos
Componentes
... ..211
7.7.1 - Expressões Básicas ... ..
211
7.7.2 - Simpliñcações e Considerações para Análise ... ..
212
7.7.3 - Indutor
L
... ..213
7.7.4 - Transformador ... ..
214
7.7.5 -Interruptores S1 e
S2
... ..214
7.7.6 -
Diodos
D1
eD2
... ..216
7.7.7 -
Diodos da
Ponte Retificadora ... ..216
7.7.8 - Capacitor
C
... ..217
7.8 -
Estudo
do
Controle
... ..218
7.8.1 -
Função de
Transferênciado
Conversor ... ..219
7.8.2 -
Compensador
de Corrente ... _.219
7.8.3 -Compensador
deTensão da
Saída ... ..221
7.8.4 -
Compensador
deTensão de
Entrada (Feedforward) ... ..222
7.9 -
Procedimento
eExemplo
de
Projeto ... ..223
7.9.1 - Especificações ... ..
223
7.9.2 - Projeto e Especificação dos
Componentes
do Conversor
... ..224
7.9.3 -
Diodos da
Ponte Retificadora ... ..227
7.9.4 -
Grampeador
de Tensão
... ._228
7.9.5 -Rendimento
Teórico ... _.229
7.9.6 -Componentes
Externos aoUC3
854 ... ..229
7.9.7 - Circuito
Gerador
de SinaisDente
de Serra ... ..231
7.10 - Resultados
Experimentais
... ..231
7.11 -
Conclusões
... ..237
CONCLUSÕES
GERAIS
... ..233
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
... ..241
Sumário
ANEXO
-A
CONVERSOR
BOOST
OBTIDO
APLICANDO
A
CÉLULA
A:
ANALISES
QUALITATIVA E
QUANTITATIVA
A.l -
Introdução
... ..A.2
-Modos
de
Operação
para
Razão
CíclicaMenor
que
0,5 ... ..A.2.1 -
Modo
deCondução
Contínua ... ..A.2.2 -
Modo
de
Condução
Descontínua ... ..A.2.3 - Característica de Saída ... ..
A.2.4 -
Determinação
daOndulação
de Corrente eda
Indutância CríticaA.2.5 -
Determinação da Ondulação da Tensão
... ..ANEXO
-B
›
CONVERSOR
BOOST
OBTIDO
APLICANDO
A
CÉLULA
C:
ANÁLISES
QUALITATIVA E QUANTITATIVA
B.1 -
Introdução
... ..B.2 -
Operação
com
Razão
CíclicaMenor
que
0,5 ( 0<
D
<
0,5 ) ... ..B.2.1 -
Modos
deCondução
... ..B.2.1.1 -
Modo
deCondução
Contínua ... ..B.2.1.2 -
Modo
deCondução
Descontínua ... ..B.2.1.3 -
Modo
deCondução
Crítica ... ..B.2.2 - Característica de Saída ... ..
B.2.3 -
Determinação da Ondulação de
Corrente eda
indutância crítica...B.3 -
Operação
com
Razão
CíclicaMaior
que
0,5 (0,5<
D
<
1) ... ..B.3.1 -
Modos
deCondução
... .Ç ... ._B.3.1.1 -
Modo
deCondução
Contínua ... ..B.3.1.2 -
Modo
deCondução
Descontínua ... ..B.3.1.3 -
Modo
deCondução
Crítica ... ..B.3.2 - Característica de Saída ... ..
B.3.3 -
Determinação
daOndulação
de Corrente eda
Indutância Crítica....B.4 -
Ganho
estático e Característicade Saída
Total ... ..\
ANEXO
-C
PROJETO
DO CONVERSOR BOOST
CLÁSSICO
C.1 -
Introdução
... ..283
C.2
-Procedimento
eExemplo
de
Projetono
Modo
de
Conduçao
Continua
C.2.1 - Especificações ... ..
C.2.2 - Projeto e Especificação dos
Componentes
do Conversor
... ..C.3 -
Conclusões
... ..Grover Victor
T
orríco Bascopé - 2001 XÍVA
eletrônicade
potênciatem
alcançadoum
lugar importantena
tecnologiamoderna,
sendo utilizada
numa
diversidadede
equipamentosde
baixa,média
e alta potência,que
incluem controle de calor, controle
de
iluminação, acionamentos elétricos, fontesde
alimentação
em
corrente contínua e alternada, sistemasde
segurança, sistemasde
propulsão
de
veículos e sistemas de transmissãode
corrente contínua de alta tensão(HVDC),
etc.Como
resultado, toma-se difícil traçar os limites das aplicaçõesda
eletrônicade
potência,em
especialcom
as tendências atuaisdo
desenvolvimento dos dispositivosde
potência e dos microprocessadores. Pode-se dizer que, o limite superior é indefinido.
Neste
trabalho a pesquisa será direcionada ao estudode
conversores estáticos parafontes
de
alimentação.Especificamente
trata-sedo
estudode
conversoresCC-CC
não
isolados
do
tipoPWM.
`
Na
atualidade os conversoresmodulados
por largura de pulso(PWM)
sãoamplamente
utilizadosna
conversãode
energiaem
sistemas de corrente contínua.A
aplicação de conversores
CC-CC
tem
sido difundidana
utilização de fontesde
alimentaçãopara
uma
diversidade de sistemas eletrônicos, sistemasde
energia para telecomunicações,sistemas
de
utilização de energia solar, acionamento elétricoCC,
sistemas de energia parasatélites e embarcações.
Também
são aplicados freqüentementecomo
blocosmodulares
básicos
em
outros sistemas de conversão de energia.O
crescimento diversificadode
possíveis aplicações, a contínua procura para reduzirpeso e
volume
com
elevada eficiência e elevadas potências despertam o interessede
encontrar
novos
circuitos topológicos resultantesda
família de conversoresCC-CC.
Portanto, torna-se interessante a pesquisa das propriedades fundamentais das topologias
do
tipo
PWM,
devido, principalmente, devido à simplicidadede
implementação e controle.Os
conversores
PWM
elementares (buck, boost e buck~boost) surgiram dacompreensão
intuitiva dos princípios fundamentais
da
conversão de energiaCC-CC
no
modo
chaveado
(switch-mode).
Na
procura denovas
configurações topológicas existem diversas técnicasde
geração de conversores, entre elas pode-se citar: aplicação de célulasde comutação
PWM;
cascateamento série de conversores; paralelismode
conversores e princípiosde
dualidade e de inversão bilateral
de
conversores.Todas
elas são apresentadasna
literatura [1-71.Introdução 2
Na
busca deuma
síntese e classificação dos conversoresCC-CC
aparece a definiçãode
célulade comutação
canônica (canonical swítching cell) [1].Com
o aparecimento destadefinição são geradas e analisadas inúmeras famílias
de
conversoresCC-CC
PWM,
como
mostradas
em
[1-7].Um
diagrama
com
adefinição de
célulade comutação
canônica,apresentada
em
[l], é mostradana
Fig. 1.c
I®
1v2
- v1_
___ ‹__ |1 12 L insV3
V Fig. 1-
Célula de comutação canônica.A
estrutura básica deum
conversorCC-CC
PWM,
aplicando-se a definiçãode
célulade
comutação
genérica, é mostradana
Fig. 2. Desta maneira, deñne-se o conversorCC-CC
como
um
sistema de processamentode
energia constituídode
uma
fontede
tensãode
entrada Vi,
uma
célula decomutação
euma
fonte de tensão de saídaVo.
CÉLULA
DO
CONVERSOR
++
..:_.V¡ V0.:-¿.
3
Fig. 2 - Estrutura geral de
um
conversorCC-CC
básico não-isolado.Em
[3] é apresentadoum
algoritmo parauma
geração sistemática de conversoresCC.-CC
de
dois estados decomutação
(abertoou
fechado), mas,com
esta técnica pode-se apenas encontrar quatro diferentes topologias.Em
[4], aplicando-se a definiçãoda
célulade comutação, são apresentadasa geração, a classificação e a análise de conversores
CC-
CC
de
2ëordem
com
doisou
quatro intenuptores ede
3§ ordem,também com
doisou
quatro interruptores.
Em
[5], a partirda
definiçãoda
célulade
comutação, são geradas astrês topologias básicas (buck, boost e buck-boost). Assim, apresenta-se
um
exemplo
ilustrativo
no
qual, 'arranjando-se a célula a partirdo
conversorde Cúk,
geram-se as trêstopologias básicas.
Na
literatura pesquisada mostra-se que,com
todo o esforço realizado para gerarnovas topologias,
não
consegue-se superar as característicasdos
seis conversores, ditosclássicos, mostrados
na
Fig. 3.S L L
D
gl
R
V1=
_=
sD
T
V IT
+ + + ‹ v1D
› co ‹› s -I coR
V1 L C0 R0 +BUCK
Boosr
BUCK-Boosr
L1
c
L2 L1c
D
sc
L2 + p + iT
+ + +v1=-
s-{
D
cR
v1-=- -| Lz coR
v1-=- Ll ^D
Co Ro, cU1< sEP1c
ZETA
o
f\
Fig. 3
-
ConversoresCC-CC
PWM
não-isoladoscom
célula de comutação de dois estados.(IJ
Os
seis conversores mostradosna
Fig. 3 utilizamuma
única célulade comutação
dedois estados.
Os
conversores buck, boost e buck-boost sãode
segundaordem
e osconversores
Cuk,
sepic e zeta sãode
quarta ordem.Através
da
aplicação dos conversoresCC-CC em
potências elevadas, torna-senecessário o
aumento da
freqüência de comutação,com
o objetivo de diminuir ovolume
dos elementos reativos.
No
entanto, oaumento da
freqüênciade comutação
tevecomo
conseqüência o
aumento
significativo das perdas durante a entradaem
condução
e o bloqueiodos
semicondutores, reduzindo, desta forma, o rendimento eaumentando
ovolume
dos dissipadores. Portanto, oaumento da
freqüêncianão
teve sucesso plenona
redução
do
volume
total, devidoao aumento
devolume
do
dissipador. Assim, torna-senecessária a utilização
de
dispositivos semicondutoresmais
rápidos etambém
a concepçãode novas topologias
que
permitissem reduzir as perdasde
comutação
e, destemodo,
elevaro rendimento.
Sendo
que, ovolume
total deum
conversor estático está diretamente ligadoà quantidade de energia
que deve
ser dissipada,ou
seja,do
calor geradoem
cada componente.Introdução 4
Para reduzir estas perdas
de comutação
nos semicondutores foram introduzidasdiferentes- técnicas
com
circuitos ressonantes para ajuda` à comutação,tomando
ascomutações
dos inten'uptores nos conversoresCC-CC
não-dissipativasou pouco
dissipativas. Estas técnicas são conhecidas
na
literaturacomo:
técnicade comutação
sobtensão nula
ZV
S
(Zero Voltage Switching), técnicade comutação
sob corrente nulaZCS
(Zero Current Switching ), técnica
de
transição sob tensão nulaZVT
(Zero VoltageTransition), técnica de transição sob corrente nula
ZCT
(Zero Current Transition ),.A
introdução das técnicasde comutação
suave (sofi switchíng) aos seis conversoresbásicos,
tem
contribuído para aconcepção
e geraçãode novas
famílias de conversoresCC-
CC
ZVS-PWM
com
grampeamento
ativo [8], alguns destes conversores são mostradosna
Fig. 4. Cr Cr Cr Lr Cc Lr Lr si S1 cc sl cc
Vs=
S2 Dfw + Vs=- Dfw IÉ
S2 Dfw Iol
szl
a) b) c)Fig. 4
-
ConversoresBuck
Z
VS-PWM
com
grampeamento
ativo: - a) buck-buck;- b) buck-boost; - c) buck-buck-boost [8].
As
técnicas decomutação
não-dissipativaminimizam
simplesmente as perdas decomutação, possibilitando o
aumento da
freqüênciade
operação dos semicondutores,no
entantoãs perdas
de condução permanecem.
`Com
objetivo de processar maiores potências,.não é suficiente apenas a elevaçãoda
freqüência
de comutação
para reduçãodo
volume
dos
elementos reativos, torna-senecessário
também
dividir os esforços de tensão e/oude
corrente noscomponentes
deum
conversor.
Nesse
sentido, são apresentadosna
literatura técnicas de associaçãode
interruptores e a
de
conversores.Assim,
para elevadas tensões, são apresentadas as técnicas de associação deinterruptores
em
sérieou
de associaçãode
conversoresem
série.Com
isto consegue-segerar novas topologias conhecidas
na
literaturacomo
conversores estáticos multiníveisem
tensão [9, l0]. Estas topologias solucionam as limitações tecnológicas dos semicondutores
em
relação aos esforços de tensão sobre os semicondutores.Na
Fig. 5 são mostrados osconversores
CC-CC
buck
e boost ligadosem
série.Vale
lembrarque
esta técnicatambém
é utilizadaem
inversores. Sl L Ll Dl Al 1n
fYYY¬
+VoJ
Dll
to ci Dô sz-{ V ci + + VlZ'
Co Ro Vl-='- R0 cz iÍ
D7 _ ' s1-| ciTU
K, 21) b)Fig. 5
-
a) conversoresbuck
em
série e b) conversores boostem
série.Outro desafio
no
âmbitoda
eletrônica de potência é conseguir a redução das perdasde
condução.Com
esse objetivo, apresentam-se as técnicasde
associaçãoem
paralelo,tanto de dispositivos semicondutores
como
de
conversores estáticos.Com
esta técnica,consegue-se
também
gerarnovas
topologias conhecidasna
literaturacomo
conversoresmultiníveis
em
corrente(MNC)
[9]. Estas técnicastambém
são utilizadasem
inversores.A
topologia tradicional encontradana
literatura dentroda
técnica de associaçãode
conversores
CC-CC em
paralelo,amplamente
aplicadana
atualidadeem
correção de fatorde potência nos
modos
de condução
contínua e descontínua, é o conversor boostintercalado (interleaving boost converter), mostrado
na
Fig. 6. Este conversortem
sidopublicado
em
aplicações para correçãode
fator de potência(CFP)
[11-15].L1 D1 DI + L2 *I
J
giz.
{ (Lsi-iq
szFig. 6
-
Conversor boost intercalado (Interleaving boost converter).Em
[9] é apresentada a técnicade
paralelismode
célulasde comutação de
doisestados,
denominados
como
célula multiníveisem
corrente.O
conversoresCC-CC
buck
eboost, utilizando esta técnica, são mostrados
na
Fig. 7.Introdução 6 Li D1 vo
""*
Dl + +i sli! Ll__-I S2 + Ll D2vp;
'¬^^^
'¬"^'“Cclgl WT.
caí
R0l
i
l
i
*i *i
a) b)F
ig. 7-
a) conversorbuck
em
paralelo b) conversor boostem
paralelo.Em
[16] apresenta-se o conversorCC-CC
não-isolado para elevadas potências e altafreqüência para aplicações aeroespaciais, mostrado
na
Fig. 8. Essa topologia apresentaum
conversor ideal para aplicações
em
elevadas potências ecom
caracteristicasde
reduzidovolume
e elevada eficiência.-ii
D
VIN O I ' Ll L2 O T1 * \ T2 O VOUT ¡>l + DI D1 Cout Ql Q2Fig. 8
-
Conversor de Weinberg não-isolado. “Além
destas técnicas de paralelismo de conversores e células de comutação,também
é apresentado o sistema de conversão estático distribuido. Estes sistemas são utilizados
principalmente
em
sistemasde
energia para telecomunicações (centrais telefônicas),onde
as potências requeridas são
acima de 20
kW
atéMW.
Estes sistemas estão constituídospela associação de conversores básicos,
denominados de
“conversão distribuída”ou de
“sistemas
com
arquitetura celular”conforme
apresentadosem
[9].Os
sistemas distribuídosapresentam
maior
nível de conñabilidadecom
possibilidadede manutenção
preventivasem
interrupção e planejamento amédio
e longo prazo. Esses sistemascom
controlede
distribuição de potência e
de
tensãona
saída são mostradosno
diagramade
blocosda
Fig. 9..
CONTROLE DE TENSÃO CONTROLE DE CORRENTE
CONVERSOR
lCONVERSOR
2¬_
-rENsAo
rENsAo
DEENTRADA
É ÉDE
sAíDACONVERSOR
n \Fig. 9
-
Sistema de conversão distribuído.As
estruturas e técnicas apresentadas até aqui representam as mais relevantespropostas publicadas nos últimos anos,
envolvendo
a associação de componentes,conversores
ou
célulasde
comutação. Assim, para se obterum
aumento
na eficiência deve-se buscar novas técnicas
que
conciliem reduzidas perdasde comutação
e de condução.Portanto, dentro
do
universoda
eletrônicade
potência, tem-se muito a pesquisar parasatisfazer a,
cada
vezmais
difíceis exigências para os conversores estáticoscom
elevadaeficiência e reduzido volume.
O
principal objetivo deste trabalho é propor continuidadena
linhade
pesquisade
geração
de novas
famíliasde
conversoresCC-CC
PWM
utilizando-se célula decomutação
de
três estados, para aplicaçãoem
pré-reguladores de- tensão. Esses conversores sãorecomendados
para elevadas potências (acimade
lkW)
e apresentam reduzidas perdasde
condução
e reduzidovolume
dos elementos reativos,sem
aplicar inicialmente as técnicasde ajuda à
comutação
para reduzir as perdasde
comutação.O
trabalho iniciacom
uma
ampla
revisão bibliográfica dos principais assuntosque
abordam
as diversas técnicasde
geração de conversores
CC-CC.
Na
revisão bibliográfica são apresentadas as diferentes técnicas de classificação esíntese de geração dos conversores estáticos
CC-CC
não-isolados apresentadosem
trabalhos publicados
em
periódicos, congressos nacionais e congressos internacionaisespecializados até a presente data,
conforme
os parágrafos anteriores. Paralelamente, sãoempregadas
ferramentas computacionais para simulaçao das topologias propostas, para avalidação, quanto à funcionalidade, desses
novos
conversoresem
relação aos clássicos e,_ Introdução 8
posteriormente, a realização de ensaios experimentais
em
algumas
topologias, viabilizandoa verificação dos resultados teóricos. Observando-se assim a originalidade e a contribuição
para a eletrônica de potência.
No
Capítulo _1 apresenta-se os seguintes itens:definição da
célula decomutação
etécnica
de
geração de topologias básicas (buck, boost e buck-boost), obtençãode
cincocélulas
de comutação
a partir dos conversores isoladosdo
tipo Push-Pull, geração das trêstopologias básicas a partir das células obtidas,
concepção da
célulade comutação
de trêsestados e, finalmente, aplicação
da
célula de três estados nos seis conversores clássicosnão-isolados. V
No
Capítulo 2 apresenta-se o estudodo
conversor boost gerado aplicando a célulaB
de
comutação
de três estados.As
análises qualitativa e quantitativa nosmodos
de condução
continua, descontínua e critica são realizadas para operação
com
razão cíclica entre O e 0,5.As
características de saída, as curvas deganho
estático e de ondulação de corrente atravésdo
indutor são mostradas.A
análiseda
ondulação sobre o capacitordo
filtro de saída étambém
realizada.Uma
metodologia de projeto,exemplo de
projeto e resultadosexperimentais,
no
modo
decondução
contínuada
corrente, são apresentados para~
validaçao
do
estudo teórico.No
Capítulo 3 apresenta-se o estudodo
conversor boost gerado aplicando-se a célulaB
de comutação
de três estados.As
análises teóricas nosmodos
de condução
contínua,descontínua e crítica são realizadas para operação
com
razão cíclica entre 0,5 e 1.As
características
de
saída, as curvas deganhos
estático parcial e total e ondulaçãoda
correnteatravés
do
indutor, são apresentadas.A
análiseda
ondulação sobre o capacitor filtrode
saída é realizada. Metodologia de projeto,
exemplo de
projeto e resultados experimentais,no
modo
de condução
contínua da corrente, são apresentados para validar o estudo teórico.No
Capítulo 4 apresenta-se o estudodo
conversor boost gerado aplicando-se a célulaD
de
comutação de
três estados operandocom
razão cíclica entre O e 0,5.O
procedimentoda
análise é similar ao apresentado para o capítulo 2.No
Capítulo 5 apresenta-se o estudodo
conversor boost gerado aplicando-se a célulaD
decomutação
de três estados operandocom
razão cíclica entre 0,5 e l.A
análiseaplicada é similar ao procedimento
do
capítulo 3.No
Capítulo 6 apresenta-se o estudodo
conversor boost gerado aplicando-se a célulaE
decomutação de
três estados operandocom
razão cíclica entre O e 0,5.O
procedimentoda
análise é similar ao apresentado para o capítulo 2.Uma
tabelade
comparação
entre osesforços nos componentes, para todos os conversores estudados, e as curvas
de
rendimentosão apresentadas.
1
No
Capítulo 7 apresenta-seuma
aplicaçãoem
correção de fatorde
potênciado
conversor boost gerado a partir
da
célulaB
decomutação de
três estados.O
princípio deoperação, estratégia de controle, técnica de
modulação,
análiseda
razão cíclicana
freqüência
da
rede, análiseda
ondulação de corrente atravésdo
indutor na freqüênciada
rede, estudo
do
controle por valoresmédios
instantâneosde
corrente, metodologia deprojeto,
exemplo
de projeto e resultados experimentaisde
um
protótipode
3kW
paravalidar os estudos teóricos sãoapresentados
no
modo
de
condução
contínuado
conversor.Finalmente, são apresentadas as principais conclusões
do
presente estudo e asreferências bibliográficas utilizadas neste trabalho de tese
de
doutorado.No
Anexo
A
apresenta-seo
estudo teóricodo
conversor boost gerado aplicando acélula
A
decomutação
de três estados.As
análises qualitativa e quantitativa nosmodos
de
condução
contínua, descontínua e crítica são realizadas para operaçãocom
razão cíclicaentre O e 0,5.
As
característicasde
saída, as curvasde ganho
estático e ondulaçãode
corrente através
do
indutor são mostradas.A
análiseda
ondulação sobreo
capacitordo
filtro
de
saída é realizada. .No
Anexo
B
apresenta-se o estudo teóricodo
conversor boost gerado aplicando acélula
C
decomutação
de três estados.As
análises qualitativa e quantitativanos
modos
decondução
contínua, descontínua e crítica são realizadas para operaçãocom
razão cíclicaentre 0 e 0,5 e entre 0,5 e 1.
As
característicasde
saída, as curvas deganho
estático e aondulação
de
corrente atravésdo
indutor são mostradas.No
Anexo
C
apresenta-se a metodologia de projetodo
conversor boost clássico. Issose faz
com
o objetivo de comparar-se vários aspectosdos conversores boostde
três estadose
do
conversor boost clássico.CAPÍTULO
- 1.GERAÇÃo
DE
ToPoLoG1As
DE
coNvERsoRES
cc-cc
coM
CÉLULAS
Di:
coMUTAÇÃo
DE
TRÊS
ESTADOS
1 .I -
INTRODUÇÃO
zNa
atualidade os conversoresmodulados
por largurade
pulso(PWM)
sãoamplamente
utilizadosna
conversãode
energiaem
sistemasde
corrente contínua.A
aplicação
de
conversoresCC-CC
tem
sido difundidana
utilizaçãode
fontes de alimentaçãopara
uma
diversidade de sistemas eletrônicos, sistemasde
energia para telecomunicações,sistemas
de
utilização de energia solar, acionamento elétricoCC,
sistemas de energia parasatélites e embarcações.
Também
são aplicados freqüentementecomo
blocos modularesbásicos
em
outros sistemasde
conversãode
energia.O
crescimento diversiñcadode
possíveis aplicações, a contínua procura para reduzirpeso e volume, elevada eficiência e elevadas potências despertam o interesse de encontrar
novos
circuitos topológicos resultantesda
famíliade
conversoresCC-CC.
Portanto,toma-
se interessante a pesquisa das propriedades fundamentais das topologias
do
tipoPWM,
devido, principalmente, à simplicidade
de implementação
e controle.Os
conversoresPWM
elementares (buck, boost e buck-boost) surgiram da
compreensão
intuitiva dos princípiosfundamentais
da
conversãode
energiaCC-CC em modo
comutado
(switch-mode).Na
~
procura
de novas
configurações topológicas existem diversas técnicas de geraçaode
conversores, entre elas pode-se citar: aplicação
de
célulasde comutação
PWM;
cascateamento série de conversores; paralelismo de conversores e princípios de dualidade e
de inversão bilateral de conversores.
Todas
elas são apresentadasna
literatura [1-7].Na
busca deuma
síntese e classificação dos conversoresCC-CC
aparece a definiçãode
célulade comutação
canônica (canonícal switching cell) [1].Com
o aparecimento destadefinição são geradas e analisadas inúmeras famílias
de
conversoresCC-CC
como
sãomostradas
em
[1-7].Neste capítulo apresenta-se os seguintes itens: definição
da
célulade comutação
ecélulas
de
comutação
a partir dos conversores isoladosdo
tipo Push-pull, geração das trêstopologias básicas a partir das células obtidas, concepção
da
célula decomutação de
trêsestados e, finalmente, aplicação
da
célulade
três estados nos seis conversores clássicosnão
isolados.
1.2-DEFINIÇÃO
DE TRANSFERÊNCIA DE
PorÊNcrA,
CÉLULA
no
CoNvERsoR
E
GERAÇÃo
DE
Toi>oi.oG1AsA
eletrônicade
potência está relacionadacom
o processamento de energia elétricausando
dispositivos eletrônicos.Em
geral,um
sistema de transferência de potência elétricoé definido por
uma
porta de entrada de potência Pi,um
conversor,um
elementode
controlee
uma
portade
saída de potência P0.O
elemento principalnum
sistema de transferênciade
energia é o conversor,
como
émostrado
no
esquema
da
Fig. 1.1.z~. ›.›:`:‹~ -‹r¬.~-'1\›‹'.~'-:'_~;-:>.~-f=â-- ~.c.*‹-I'-'.'f-ti ¬za:â-'2‹zl1_r,~:z;|.â'-_,z¢ë€;â;z?¢.._§zês¢‹¡‹.;zz z: zg ;_«;~_z,,.;›.¬¿.›1.‹-f».,‹_z~¿¿¡,,¬.,›~.-xfiag,,,¬-gm .W ._-/;;_› ;-_.~z«i-:-›,~z.\-.~‹'-'¿-,~,›..,~~;‹§r'a:-«wzbffl 1". :mz .- " '** “ “f W" óizlz f àiššëä "“' -_ f*' ,.›. “ ""~“ __Lz'z›.- \‹¬--.;';~= ‹z'-¿=zvê'›!.=/=_~.‹1¬§z~.'.-:~.~ " ' . _ ' _ `ä""='°'$*-. _~.~,;êw _:zz¿=,|›;=›¿;-zé»-3e'$.=f~1g‹›*‹=§-« ;§ëÁ›âCQNV“E}{S@Rëg»s;› '~wfi=r]»›‹;.:‹\fi=;è4â:›1=nz;- '- -.'-=*=:1°:-í- --.t§z';à't- V. = -._,,.-.?3?=¬;;¬f :.<Y,_~. mz :zfâ-~i.‹.›z§›,~t›-3 :.- = - fica:-,=_=;-.~:. 2 »-õêr:›:›‹à›.: :J-fra tz: - -z-_
W
» . '=r..;,i ',f;v'<'¿.-1'~*:ã . . .S ». z_=,..¿; . ' _ - -- âzzzçt ‹¬ __ _ . ›;;›;;_f coumouâFig. 1.1
-
Sistema de processamento de potência elétrica.O
conversordo
sistema de processamento de potência elétrica, mostradona
Fig. 1.1,pode
ser representado, de maneira particular, poruma
topologia básica deum
conversorCC-CC
não-isolado,como
é ilustradana
Fig. 1.2. Observa-seque
o conversor é constituídoem
três partes fundamentais:1. fonte
de
tensão da entrada Vi;2. célula
do
conversor;3. fonte de tensão de saída sobre a carga
Vo
(constituída pelo capacitordo
filtro desaída
em
paralelocom
a carga).CÉLULA
Do
coNvERsoR
1.
_|_›
2_
Êw
_ívi
Vo CR
' 3 .
Fig. 1.2 - Estrutura geral de
um
conversorCC-CC
básico não isolado.cupâuú›1 12
A
célulade
comutação do
conversor
édeñnida
como
o circuito remanescentequando
a fonte de tensão de entrada e a carga são removidas [4]. Alternativamente, a célulado
conversorpode
serdefinida
como
uma
combinação
topológicade
elementos reativos(indutores e capacitores) e interruptores, tal
como
quando
são conectados auma
fontede
tensão
de
entrada e auma
carga.Onde,
a tensão de saída é controlada atravésda
razãocíclica nos interruptores.
A
célulade comutação do
conversor apresenta três terminais aos quaispodem
serconectadas três fontes de alimentação
como
é ilustradona
Fig. 1.3. Esta técnica é utilizadapara gerar as topologias básicas dos conversores
CC-CC
não-isolados, respeitando aestrutura fundamental mostrada
na
Fig. 1.2. Aplicando os critérios apresentadosem
[4-5],neste trabalho são obtidas três topologias básicas
de
conversoresCC-CC
PWM
não-isolados
do
tipobuck
(abaixador), boost (elevador) e buck-boost (abaixador-elevador).Em
resumo, o critério para gerar os três conversores está
deñnido
emostrado no
esquema
Fig.1.3.
No
esquema, dependendo do
tipo de conversor, mostra-secom
setas oscaminhos de
transferência
de
potênciade
uma
fonte para a outra.Bucx
0 a +%
V1CÉLULA
S »JD
-1>|-V c T'BUCK-Boost
- T V35
+švz
~J1 _._||_ _T_Í o '¬»__«_««-' CBOOST
Fig. 1.3
-
Critério para geração de topologias de conversoresCC-C
C
não isolados.1.3 -
OBTENÇÃQ DAs
CÉLULAs DE
CoMUTAÇÃo
A PARTIR nos CoNvERsoREs
CC-CC
ISOLADOS
A
partir dos conversores clássicos isolados conhecidosna
literatura,como
oconversor Push-pull alimentado
em
tensão, Push-pull alimentadoem
corrente (conversorde Clark), conversor de Weinberg, conversor de
Weinberg
modificado e o conversorflyback-push-pull alimentado
em
corrente, são obtidas as células decomutação
dosconversores.
Com
a finalidade de simpliñcar o entendimento, as células obtidasde cada
conversor são classiñcadas
em
ordem
alfabética,ou
seja, célula A, célula B, célula C,célula
D
e célula E.A
seguir apresenta-se o procedimento para a obtençãode
cada célulade
comutação.Também
são geradas as três topologias básicas dos conversoresCC-CC
não-isolados para cada célulade
comutação, aplicando-se a técnicadefinida na
Fig. 1.3.1.3.1 -
OBTENÇÃO DA CÉLULA
A
E As
TRÊS
ToPoLo(;1As
BÁsIcAs
O
procedimento
para obtençãoda
célulaA
é ilustradona
Fig. 1.4.Os
passosde
obtenção são detalhados a seguir:
a) Apresenta-se o circuito
do
conversor isolado push-pull clássico alimentadoem
tensão e saída
em
correntecomo
é mostradona
Fig. 1.4a.b)
O
lado secundáriodo
conversor é referidoao
lado primário,como
émostrado
aFig. 1.4b. x
c)
O
terminal negativoda
fontede
saída,que
estava conectado ao tap central(TC)
do
transformador, passa a ser conectado ao terminal negativoda
fontede
entradapara operar
como
conversor boostou
ao terminal positivo para operarcomo
conversor buck-boost,como
é mostradona
Fig. 1.4c.d)
Modificando-se adequadamente
o circuito e dando-se amesma
forma
do
esquema
representadona
Fig. 1.3, obtém-se a Fig. l.4d. e) Finalmente, obtém-se a célulaA
mostradana
Fig. l.4e.Capítulo 1 14 1. D1
-_
D1 _J=.._ o 0 'l_'=_v° 0 › -+_-:_ O NP Ns _-I-Q
rã-C TI .T V AL Np Nsl
N T2 vil- › V1 t=- › - Sl _{ __' S2 D2 'l Sl _' __' S2 D2 21) b) ' 8 _ _ _ _ _ _ _ _ _ __8 D1lí
a Q › + z-:_ Dl . D2 l N TI _='Vo Dl . D2 . T1. ° T _ _ _ _ _ _ _ _ __ +_ N' T2Ô
. .*V°E>°E
.n
VI+=- . + ' T2 s1-{ -| sz - v1-- Í S1 S2 D2 sl-|fl sz:l_Ij
b b b c) d) e) --J .__-___ ...IO OFig. 1.4
-
Obtenção da célula A.Uma
vez deterrninada a célulaA,
opróximo
passo é aplicar a técnicade
geraçãode
topologias básicas apresentada
na
Fig. 1.3,onde
a célulado
conversor é substituída pelacélula A. Desta maneira, obtém-se as três
novas
topologiasde
conversoresCC-CC
não
isolados.
Os
conversores buck, boost e buck-boost são mostrados nas Fig. 1.5; Fig. 1.6 eFig. 1.7, respectivamente. D1 D2 V 0° R° + + Dl   - T1 o .=.
-5
T1uuvv
-=
V1"
0W
T2
.aa
la..
Fig. 1.5 - Conversor Buck.
L ,_
É
V° + D1 D2 Vo D1 À D2 . ¬` T, . T1 ° Co Ro°`
1ii
- sz"l
S* ¬
S2i
w
'Fig. 1.6 - Conversor Boost.
Vo + Vo
Í...
f'Y'YY\ ¡ + Ro J. D2 DlÃ
D2 . Á A Ro CoE
T2 O'Ê
vi S1 S2WTT
S1 S2Fig. 1. 7 - Conversor Buck-Boost.
1.3.2 -
OBTENÇÃO DA CÉLULA
B
EAs
TRÊS
To1›oLo‹;1AsBÁs1cAs
O
procedimentode
obtençãoda
célulaB
émostrado na
Fig. 1.8.Os
passosde
obtenção são detalhados a seguir:
a) Apresenta-se o circuito
do
conversor isolado push-pull clássico alimentadoem
corrente,
como
na
Fig. 1.8a.b)
O
lado secundáriodo
conversor é referido ao lado primário,como
é mostradona
Fig. l.8b.
c)
O
terminal negativoda
fonte de saída,que
estava conectado ao tap central(TC)
do
transformador, passa a ser conectado ao terminal negativoda
fonte de entradapara operar
como
conversor boostou
ao terminal positivo para operarcomo
conversor buck-boost,
como
é mostradona
Fig. l.8c.Grover Victor
