III Seminário da Pós-graduação em Engenharia Elétrica

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1 AVALIAÇÃO DE CONVERSORES ELEVADORES DO TIPO BOOST PARA APLICAÇÕES DE ELEVADO GANHO Rafael Rodrigues da Paz Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Unesp Bauru Prof. Dr. Flávio Alessandro Serrão Gonçalves Orientador Curso de Controle e Automação Unesp CE Sorocaba RESUMO Este trabalho aborda a análise de topologias de conversores CC-CC chaveados elevadores, para servirem de estágio de entrada em aplicações que necessitam de elevado ganho. As topologias dos conversores são analisadas e comparadas com relação aos seus aspectos construtivos e operacionais, incluindo os esforços de tensão e corrente nos interruptores e a característica da forma de onda de corrente drenada da fonte de alimentação. Os conversores elevadores avaliados na proposta são construídos empregando topologias de célula única e técnicas de arquitetura celular, considerando a associação paralela das células de potência de conversores elevadores, especificamente a célula Boost e suas variantes. Para a associação paralela, a operação das células de potência é delimitada através da técnica denominada de entrelaçamento e os modos de operação analisados são o modo de condução contínua, modo de condução critica e modo de condução descontínua. Os comportamentos dos conversores são avaliados considerando o desenvolvimento de modelos baseados na estratégia de modelação por valores médios, e ratificados por simulações computacionais. PALAVRAS-CHAVE: Conversores Estáticos CC-CC Boost, Modelação de Conversores Estáticos. 1 INTRODUÇÃO Com a preocupação da escassez dos recursos naturais, conservação do meio ambiente e aumento na demanda energética mundial o investimento em energia renovável vem se mostrando como sendo um excelente caminho para suprir tal demanda [1]. Entretanto, não basta apenas buscar por melhorias no setor de geração quando o consumo ainda é realizado de forma inapropriada, usando equipamentos que em operação são antagônicos aos preceitos de eficiência energética e baixa geração de componentes harmônicos. Dessa forma, a busca por melhorias nos conversores de energia elétrica encontrados na maioria dos dispositivos eletroeletrônicos é de extrema importância [-3]. Assim, considerando a topologia Boost convencional, composta apenas por uma célula de potência e com a operação no modo de condução contínua, a obtenção de um elevado ganho estático de tensão é penalizada pelas limitações relacionadas com as perdas na operação e devido a razão cíclica necessária ser muito elevada [4]. Neste sentido, este trabalho propõe a análise e comparação, com relação aos seus aspectos construtivos e operacionais, de topologias de conversores CC-CC chaveados elevadores, para servirem de estágio de entrada em aplicações que necessitam de elevado ganho.

2 CONVERSORES ELEVADORES - BOOST Novas técnicas de controle e comutação vêm sendo propostas visando atenuar as desvantagens da operação, tais como, a geração de harmônicas e a forma de onda de corrente pulsante na entrada do conversor, mas mantendo as características positivas do conversor Boost. Uma estratégia voltada para estes objetivos consiste em operar o conversor Boost na região de modo de condução crítica (MCCr), correspondente à fronteira entre o modo de condução descontínua (MCD) e o modo de condução contínua (MCC), a figura 1 ilustra os 3 modos de operação. Estes modos de operação são definidos através da forma de onda de corrente que flui através do indutor da topologia boost. Figura 1 - Formas de onda através dos indutores da topologia boost decorrentes de seus modos de operação MCC, MCD e MCCr. O modo de condução crítica (MCCr) inerentemente permite a entrada em condução do interruptor principal de maneira não-dissipativa com corrente nula e o bloqueio do diodo retificador da saída através de uma derivada suave de corrente, minimizando as perdas com a recuperação reversa, pois não existe energia circulando no diodo Boost [5]. Entretanto, a operação no modo de operação MCCr resulta em uma forma de onda de corrente na corrente de entrada com característica pulsada, possuindo valores de pico de corrente elevados, o que requer um estágio de filtragem [6, 7]. No intuito de minimizar os problemas relacionados com os esforços de corrente na filtragem do modo MCCr, novas metodologias utilizam conversores com arquitetura celular para a construção de conversores chaveados. Nestes conversores as estruturas podem ser arranjadas em paralelo, formando um conversor equivalente àquele conversor de elevada potência, único e volumoso. A taxa de potência processada por cada célula é escolhida de acordo com compromissos, envolvendo custo, volume, taxa de distorção harmônica, interferência eletromagnética e confiabilidade [8].

3 3 CONVERSORES ELEVADORES MULTICELULARES As arquiteturas celulares podem ser empregadas considerando as células de potência operando com a mesma frequência de chaveamento, mas com os instantes delimitadores dos períodos de chaveamento sincronizados em função de um ângulo de fase de operação prédeterminado. Assim, considerando uma arquitetura de N células de conversores em paralelo, se os N ângulos de fase de operação são nulos obtêm-se a operação denominada técnica aditiva, e, os valores instantâneos na entrada e na saída são somados N vezes. Porém, quando os N ângulos de fase de operação correspondem exatamente a N frações iguais dos períodos de chaveamento obtêm-se a operação denominada entrelaçada. Este caso especial é denominado de Técnica de Entrelaçamento. O entrelaçamento das células topológicas reduz a ondulação e o valor de pico da corrente de entrada de cada célula, sem prejudicar seu desempenho, além de não sofrerem do problema de desequilíbrio de potência experimentado no paralelismo de alguns semicondutores ativos [8-1]. A figura mostra as formas de onda de corrente de entrada e saída do conversor global, composto por uma arquitetura celular de duas células de conversores Boost em paralelo, e considerando os ângulos de fase de operação dados pelas técnicas: aditiva e entrelaçada. i L1 i i D1 i0 i L i D i i0 i Lin i Dout i i i 0 i0 DT T/ DT DT T/ DT T T Técnica Entrelaçamento Técnica Aditiva Figura Formas de onda de corrente do conversor global considerando as técnicas aditiva e entrelaçamento, para uma arquitetura celular paralela de conversores Boost. (Fonte: F.A.S. Gonçalves, 005) 4 RESULTADOS Nesta seção serão avaliadas através de simulação computacional diferentes configurações de conversores CC-CC, considerando a idealização dos componentes resistivos série do indutor e do capacitor e a contabilização das tensões em condução e dos efeitos das

4 comutações nos semicondutores, programados conforme projeto de estudo, para realizar o atendimento das necessidades em aplicações de sistemas de energia renováveis, especificamente de elevado ganho e melhoria no rendimento do processo de conversão de energia. O caso escolhido para análise a realização das comparações foi relacionado com o atendimento de uma potência de 1kW e uma tensão contínua de 380V à partir de uma fonte de tensão de entrada de 96V. As oscilações de corrente na forma de onda do indutor e de tensão na forma de onda de saída foram 0% e 1%, respectivamente. Os interruptores para os modos de condução contínua e descontínua foram acionados através de uma estratégia de modulação por largura de pulso com frequência de chaveamento constante de 0 khz. No modo de condução critica, os interruptores para foram chaveados através de norma de detecção de frequência para um ponto de operação. Os parâmetros obtidos nos projetos constam nos circuitos esquemáticos ilustrados nas figuras 3, 4, 5, 6, 7 e 8. Figura 3 - Circuito esquemático do conversor boost 1 célula no MCC de 1kW e seus parâmetros operacionais. Figura 4 - Circuito esquemático do conversor boost células no MCC de 1kW. Figura 5 - Circuito esquemático do conversor boost 1 célula no MCD de 1kW.

5 Figura 6 - Circuito esquemático do conversor boost células no MCD de 1kW. Figura 7 - Circuito esquemático do conversor boost 1 célula no MCCr de 1kW. Figura 8 - Circuito esquemático do conversor boost células no MCCr de 1kW. As figuras 9 e 10 mostram as formas de onda da corrente de entrada e no indutor boost para os casos considerando a operação no modo de condução contínua e para o modo de condução crítica, para célula única e para arquitetura celular de duas células. Através destas formas de onda é possível constatar e diminuição da oscilação de corrente drenada da fonte com o emprego da técnica de entrelaçamento.

6 I (A) I (A) I (A) I (A) III Seminário da Pós-graduação em Engenharia Elétrica t (us) (a) célula única. 15 final state initial state t (us) (b) para arquitetura celular de duas células. Figura 9 - Formas de onda da corrente de entrada e no indutor boost para os casos considerando operação no modo de condução contínua. (Fonte: Autor 013) t (us) (a) célula única I indutor I entrada t (us) (b) para arquitetura celular de duas células. Figura 10 - Formas de onda da corrente de entrada e no indutor boost para os casos considerando operação no modo de condução crítica.

7 As tabelas 1 e mostram a coletânea de os valores obtidos para cada um dos casos de operação analisados. Considerando os valores coletados, é possível delimitar uma metodologia de comparação entre os valores a fim de se obter as vantagens e desvantagem de operação em cada modo e também gerar base consistente para criação dos modelos não ideais. Tabela 1- Coletânea de valores das tensões e correntes obtidos nos terminais de entrada, saída e no indutor para os casos avaliados. Grandezas medidas 1 cél. no cél. no 1 cél. no cél. no 1 cél. no cél. no MCC MCC MCD MCD MCCr MCCr I média de entrada (A) 10,46 10,45 10,97 10,98 10,43 10,45 I média no indutor (A) 10,46 6,01 10,97 5,48 10,43 5,1 I mínima no indutor (A) 9,46 4, I máxima no indutor (A) 11,46 8,0,1 11,05 0,84 10,4 Tensão mínima no indutor (V) -85,5-84, -91,15-94,5-84,65-83,9 Tensão máx. no indutor (V) I média na carga (A),65,65,71,71,64,64 I mínima na carga (A),63,64,66,69,6,63 I máxima na carga (A),66,65,75,7,65,65 Tensão média na carga (V) 378,5 378,6 387,5 387,8 377,8 378,4 Tensão mínima na carga (V) 376,1 377,5 380, ,3 377,4 Tensão máxima na carga (V) 380,7 379,5 393,3 389,75 379,9 379,1 Potência na entrada (W) Potência na carga (W) , 1001 Rendimento Po/Pi (%) 99,8 99,9 99,7 99,8 99,7 99,8 Tabela - Coletânea de valores das tensões e correntes obtidos nos semicondutores para os casos avaliados. Grandezas medidas 1 cél. no cél. no 1 cél. no cél. no 1 cél. no cél. no MCC MCC MCD MCD MCCr MCCr I eficaz no interruptor (A) 9,05 3,96 11,04 5,53 10,4 5, I média no interruptor (A) 7,81 3,31 8,6 4,14 7,78 3,91 I máxima no interruptor (A) 11,46 6,44,1 11,08 0,84 10,43 Tensão média interruptor (V) 96,03 96,01 95,95 96,15 95,97 96 Tensão máx. interruptor (V) 381,5 379,84 394,05 390,6 380,65 379,9 I eficaz no diodo (A) 5,7,31 6,34 3,16 6,07 3,03 I média no diodo (A),65 1,1,71 1,35,64 1,3 I máxima no diodo (A) 11,46 6,44,1 11,06 0,84 10,43 Tensão média no diodo (V) -8,5-8,6-91,5-91,8-81,8-8,4 Tensão mínima no diodo (V) -380,7-379, ,64-379,75-379,1 Tensão máxima no diodo (V) 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 Considerando os resultados obtidos com o caso MCC de 1 célula como referência de base unitária para relacionar os resultados provenientes dos outros modos de operação foram gerados vários gráficos comparativos, conforme ilustram as figuras de 11 até 14.

8 Figura 11 - Comparativo de corrente média no indutor. Figura 1 - Comparativo de corrente máxima no indutor. Nota-se para a figura 11 que para os casos de entrelaçamento, ou seja, no uso de células no circuito os valores de corrente média no indutor reduzidos pela metade devido a divisão no processamento de potência. No modo de condução descontínuo para os casos considerando 1 ou células, figuras 1 e 13, é possível constatar que os valores máximos de corrente são altos se comparados aos outros modos, acarretando em maiores esforços para os dispositivos semicondutores que compõem o circuitos. Figura 13 - Comparativo de corrente máxima no interruptor.

9 Figura 14 - Comparativo de rendimentos. Conforme as situações de configuração e projeto definidas para a realização da análise comparativa, segundo a Tabela 1 e a Figura 14 todos conversores apresentaram rendimentos elevados e de mesma ordem de grandeza, sendo o maior rendimento o de arquitetura celular com duas células no MCC. 5 CONCLUSÃO Neste trabalho foi desenvolvida uma análise comparativa do conversor boost convencional operando em diferentes modos de condução, com frequência variável e considerando um número genérico de células atuando em paralelo, através da técnica de interleaving, através de simulações numéricas computacionais. Constatou-se que a técnica de interleaving propicia a redução da oscilação da corrente drenada da fonte de alimentação, permitindo que a corrente drenada seja contínua, apesar da operação no modo crítico de cada uma das células. Além disso, os modos de operação analisados sugerem que nos modos de condução descontínua e critica existe a minimização das perdas relacionadas com a entrada em condução dos semicondutores controlados, e com o decréscimo das perdas relacionadas com a recuperação reversa devido a corrente extinguir com derivada de diminuição suave. Entretanto, nestes casos avaliados, devido aos modelos empregados e o ponto de operação adotas, os efeitos não refletiram em rendimentos globais com diferenças consistentes, todas apresentando rendimentos quase unitários. Por fim, espera-se em trabalhos futuros considerar o emprego de modelos de semicondutores considerando mais parâmetros reais e a inserção das resistências série no indutor e capacitor, visando criar modelos de análise de perdas e obter novas análises comparativas. 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Villalva, Marcelo Gradella, "Energia Solar fotovoltaica: conceitos e aplicações", 1 ed. São Paulo: Érica 01. [] IEEE Task Force, Effects of Harmonics on Equipment, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 8, no., pp , April 1993.

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