SNUBBER DE UNDELAND REGENERATIVO COM COMUTAÇÃO ZVS PARA O CONVERSOR AUXILIAR

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1 NUBBR UNAN RGNRATIVO COM COMUTAÇÃO ZV PARA O CONVROR AUXIIAR MARCO MZAROBA, JONATHAN. PRB. PO - abratóri de letrônica de Ptência, - epartament de ngenharia létrica UC - Universidade d stad de anta Catarina. Campus Universitári Prf. Avelin Marcante s/n - Bairr Bm Retir - Jinville-C - Brasil CP Fne (47) Fax (47) mails: mezarba@jinville.udesc.br, jnathan@jinville.udesc.br Abstract This paper presents the Buck-Bst cnverter in ZV mde, used t regenerate the mdified Undeland snubber energy, applied in three-phase inverters. A study f peratin states, theretical wavefrms and basic equatins are presented. A prject methdlgy t Buck-Bst cnverter when perating in this cnditin is described. xperimental results finish the wrk. Keywrds witching cnverter, nndissipative snubber, sft cmmutatin. Resum ste artig apresenta cnversr Buck-Bst perand cm cmutaçã suave ZV, utilizad para regeneraçã de energia d snubber de Undeland mdificad, aplicad a inversres trifásics. Um estud das etapas de peraçã, das frmas de nda teóricas e d equacinament básic é apresentad. É descrita uma metdlgia de prjet para cnversr Buck-Bst perand nesta cndiçã. Resultads experimentais cmpletam trabalh. Palavras-chave Cnversr chavead, snubber regenerativ, cmutaçã suave. 1 Intrduçã Os cnversres respnsáveis pela transfrmaçã de tensã cntínua em alternada sã cnhecids cm inversres. eu us industrial vem crescend, principalmente n acinament de máquinas elétricas, fntes ininterruptas de energia, amplificadres de áudi, entre utrs. Além diss, a utilizaçã de inversres cm capacidade de geraçã de sinais senidais cm presença de harmônics vem send de interesse cada vez mair n mei industrial, quand se tem em vista a reprduçã de sinais cm distrçã na frma de nda, simuland a rede elétrica urbana, para teste de equipaments. Cm intuit de reduzir ruíd audível ds inversres bem cm a necessidade de geraçã de sinais cm banda passante cada vez mais alta, s pesquisadres têm se dedicad a desenvlviment de técnicas que reduzam as perdas pr cmutaçã e a interferência eletrmagnética prvcada pel aument da freqüência de peraçã ds inversres. Visand melhrar as cndições da cmutaçã, técnicas passivas e ativas vêm send prpstas para us em inversres. As técnicas passivas sã caracterizadas pela ausência de chaves cntrladas n circuit de ajuda à cmutaçã. Uma técnica passiva bastante cnhecida é nubber de Undeland, que apresenta um bm desempenh na mairia das aplicações, mas nã é capaz de regenerar a energia perdida durante a cmutaçã. Para tentar minimizar essas perdas alguns trabalhs prpuseram mdificações n nubber de Undeland, buscand a regeneraçã da energia perdida n chaveament. As sluções ativas distinguem-se pela utilizaçã de interruptres cntrlads para bter a cmutaçã suave. iverss trabalhs descrevem técnicas ativas, cada qual apresentand suas vantagens e desvantagens. Nestes cass, a principal desvantagem está n aument da cmplexidade d circuit de cmand para as chaves auxiliares. Recentemente fi apresentada uma sluçã semelhante pr Batschauer, A.., Heerdt, J. A. e Mezarba, M. (2006), para um amplificadr de sinais genérics, utilizand nubber de Undeland mdificad cm um cnversr buck-bst em cnduçã descntínua. ssa sluçã mstru-se muit atrativa devid à simplicidade d cmand e quantidade reduzida de cmpnentes. A desvantagem está n apareciment de scilações nas tensões e crrentes n cnversr buck-bst durante blquei d did, gerand interferência eletrmagnética. Neste trabalh apresenta-se cnversr Buck- Bst QC-ZV (Quasi-quare-Wave Cnverter) para regeneraçã de energia d nubber de Undeland mdificad, aplicad a um inversr trifásic. O cnversr Buck-Bst é bastante cnhecid na literatura (Barbi, I. e Martins,. C. 2000) e uma análise cmpleta de váris cnversres QC-ZV é apresentada pr Vrpérian, V. (1988). Os cnversres QC caracterizam-se pr apresentarem frmas de nda praticamente quadradas, nde as etapas de transiçã sã ressnantes. Utilizand a característica de recuperaçã reversa d did, pde-se fazer cnversr Buck-Bst perar em md ZV. tapas de peraçã, análise e metdlgia de prjet para cnversr auxiliar sã apresentadas. 2 Apresentaçã d circuit. O circuit d inversr trifásic utilizad é bem cnhecid na literatura e apresenta um barrament de

2 alimentaçã cm pnt médi, pssibilitand a circulaçã de crrente de neutr cas sejam aplicads sinais desbalanceads u cm harmônics na carga. O nubber de Undeland mdificad apresenta cm diferencial a utilizaçã de apenas um indutr, cmum a tds s braçs d inversr, e a clcaçã d capacitr de grampeament acima d barrament de entrada. Cmparativamente a circuit riginal, reduzse a quantidade de elements magnétics necessáris e a tensã sbre capacitr de grampeament é reduzida. O circuit d nubber de Undeland mdificad, utilizad n inversr trifásic pde ser vist na Figura 1. A utilizaçã d nubber de Undeland prevê que a energia de cmutaçã retirada das chaves é transferida para capacitr C g e dissipada em R g. Para reutilizaçã dessa energia, prpõe-se a utilizaçã de um cnversr Buck-Bst QC-ZV (Quasi-quare- Wave Cnverter), remvend-se resistr R g. A cnfiguraçã d circuit para regeneraçã da energia d snubber pde ser vista na Figura 2. Cm será mstrad, cnversr para regeneraçã pde ser prjetad para perar cm cmutaçã suave, garantind melhra n rendiment d cnversr auxiliar, reduçã da interferência eletrmagnética n cnversr auxiliar e cnseqüente melhra n desempenh ttal d inversr. 3 Cnversr Buck-Bst QC -ZV eu funcinament, da frma QC-ZV, pde ser descrit em cinc etapas de peraçã. Para efeit de análise, será cnsiderad que a tensã n capacitr C g nã varia durante um períd de funcinament d cnversr Buck-Bst e as fntes V 1 e V 2 serã substituídas pr uma única fnte, sem perda de generalidade. A Figura 3 apresenta circuit para análise das etapas de peraçã. Os circuits equivalentes das etapas de peraçã pdem ser vists na Figura 4. As principais frmas de nda ns cmpnentes d circuit sã mstradas na Figura 5. nubber de Undeland Rg Cg s V V Inversr Trifásic CARGA C1 CARGA C2 CARGA C3 Figura 1. nubber de Undeland mdificad, em inversr trifásic. Cg V1 V2 Figura 2. Circuit para regeneraçã da energia d snubber. Figura 3. Circuit cmplet para análise d cnversr Buck-Bst. 1ª tapa (t 0 < t < t 1 ): A chave encntra-se fechada. N instante t a crrente n indutr é igual à zer. A energia da fnte g é transferida para indutr. A crrente cresce linearmente, cm derivada g / até atingir seu máxim em t = t 1, quand a chave é aberta. 2ª tapa (t 1 < t < t 2 ): m t 1 a chave é aberta. A crrente armazenada n indutr circula de frma ressnante pels capacitres C s e C d. A crrente n indutr permanece praticamente cnstante durante a etapa. A tensã em C d decresce linearmente até zer. A tensã em C s cresce linearmente até atingir g + em t = t 2. 3ª tapa (t 2 < t < t 3 ): m t 2 a tensã sbre did é zer. A crrente n indutr clca did em cnduçã circuland através d did para a fnte, descarregand indutr. A crrente decresce linearmente cm derivada /, passand pr zer e crescend negativamente enquant há transferência da energia da recuperaçã reversa d did para indutr. N instante t 3, quand tda a energia é trans-

3 ferida para indutr, a crrente chega a seu máxim negativ I R e did blqueia. 4ª tapa (t 3 < t < t 4 ): m t 3 did blqueiase e a crrente armazenada n indutr circula de frma ressnante pels capacitres C s e C d. A crrente n indutr permanece praticamente cnstante durante a etapa. A tensã em C decresce linearmente até zer. A tensã em C d cresce linearmente até atingir g + em t = t 4. 5ª tapa (t 4 < t < T): m t 4 a tensã sbre did é igual à zer. A crrente armazenada n indutr clca did em cnduçã, transferind a energia armazenada n indutr para a fnte g. urante esta etapa a chave deve ser cmandada a cnduzir, para que pssa entrar em cnduçã cm tensã nula. m T a energia armazenada n indutr é cmpletamente transferida para a fnte g e a crrente n did chega à zer, encerrand a etapa. Primeira tapa egunda tapa Terceira tapa Quarta tapa Quinta tapa Figura 4. tapas de Operaçã. I V I I M -I R - I M + g V I - - g I V V I M -I R I R - - g t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 T Figura 5. Frmas de nda teóricas ns cmpnentes. 4 quacinament Básic. N md ZV, cnversr tem cmprtament análg à peraçã em cnduçã cntínua, apesar da crrente n indutr passar pr zer. Pde-se bservar iss através da tensã sb indutr, que nunca permanece em zer. Um equacinament detalhad d md de cnduçã cntínua cnvencinal é apresentad pr Barbi, I., e Martins,. C. (2000). Cnsiderand a tensã média sbre indutr send sempre igual a zer e que as etapas 2 e 4 pdem ser descnsideradas pr terem temp de duraçã muit menr que as demais etapas, chega-se à razã cíclica, cnfrme (1). ef = (1) + O temp de recuperaçã reversa d did, de acrd cm Mezarba, M., Martins,.C., e Barbi, I. (2003), pde ser encntrad através da equaçã (2). 3 Qrr 3 Qrr trr = = (2) di dt O pic de crrente negativa pde ser btid de acrd cm (3). IR = trr (3) esta maneira, pde-se determinar temp de duraçã da 5ª etapa, cnfrme (4) I R t5 T t4 = (4) g

4 Cm a chave deve ser fechada durante a quinta etapa, a equaçã (5) apresenta a mínima razã cíclica que deve ser aplicada à chave para que crra a cmutaçã suave, nde f s é a freqüência de chaveament d cnversr Buck-Bst. min = fs t5 (5) A razã cíclica aplicada à chave deve respeitar interval definid pela equaçã (6). < < (6) min A crrente máxima, I M, cnfrme pde ser bservad graficamente, pde ser btida pela equaçã (7). ef g M = IR fs I (7) O valr da crrente média na fnte é definida pela equaçã (8) ( ) ( 1 I ) = IM IR (8) 2 Através da tensã e crrente média na fnte, pde-se determinar a ptência prcessada pel cnversr Buck-Bst, cnfrme a equaçã (9) P = I (9) bb Para garantir que acnteça cmutaçã suave é necessári garantir que a energia armazenada n indutr n final da 3ª etapa seja suficiente para realizar a carga e descarga ds capacitres C s e d durante a 4ª etapa. Igualand-se as energias, chega-se à equaçã (10). 3( C ) ( ) 2 d + + Qrr > (10) 4 5 Metdlgia de Prjet Cm equacinament apresentad na seçã anterir, pdem-se determinar s principais elements d circuit, bem cm as principais infrmações sbre funcinament d circuit. Os dads de prjet necessáris sã as tensões e g e a ptência prcessada P bb. sses parâmetrs sã btids através da análise d inversr u pr simulaçã e serã abrdadas em utr artig. As tensões estã relacinadas cm s limites máxims suprtads pels semicndutres utilizads e a ptência prcessada pel Buck- Bst é a mesma que nubber de Undeland manda para capacitr C g. A carga de recuperaçã d did Q rr pde ser btida através da equaçã (2), infrmand t rr e di/dt d catálg d cmpnente. Cm estas infrmações, a partir da equaçã (1) determina-se a razã cíclica ef. Cm a equaçã (9) determina-se a crrente média I. Cm I é a crrente média sbre did, pde-se esclher did que será utilizad n circuit. A partir das equações (3), (7) e (8) pde-se encntrar valr da indutância, chegand-se às equações (11), (12) e (13). 2 ( ) ( 1 ) 2 = a a b (11) 1 4 Q a = + 2 fs I 6 I rr 2 (12) 1 b = fs I (13) Calcula-se a crrente na chave de md a pder esclhê-la. Verifica-se a equaçã (10), para garantir que circuit tenha cndições de perar cm cmutaçã suave. Cas a cndiçã nã seja atendia, devese esclher utr did, cm nvs valres de Q rr e C d u utra chave, cm um nv valr de C s. A partir da equaçã (6) verifica-se a faixa de razã cíclica que deve ser aplicada à chave para que circuit pere cm cmutaçã suave. Cabe lembrar que valr esclhid pde ser fix e deve estar dentr da faixa prevista na equaçã (6). Quand a ptência de saída d inversr está a- baix da nminal, nubber transfere mens energia para capacitr C g, resultand em uma reduçã na tensã g. esta maneira, as derivadas de subida da crrente ( g /) ficam menres e, cnseqüentemente, a crrente máxima I M assume valres menres. A- lém diss, temp da 5ª etapa aumenta, cnfrme se pde bservar através da equaçã (4). Pde-se, desta frma, afirmar que circuit auxiliar irá perar cm cmutaçã suave mesm quand inversr prcessar ptências abaix da nminal. 6 xempl de prjet. Os dads para prjet d circuit de regeneraçã sã mstrads na Tabela 1. A Tabela 2 mstra s principais cmpnentes utilizads n prtótip d Inversr. A A esclha da chave d cnversr auxiliar teve cm parâmetr a dispnibilidade d cmpnente n labratóri, já que é a mesma utilizada n circuit de ptência d inversr. Tabela 3 apresenta s resultads btids cm a metdlgia de prjet apresentada, na seçã 5. = 600V P bb = 50W t rr_d = 100ns (50A/µs) Tabela 1. ads d prjet. g = 30V C = 60pF f s = 50kHz Tabela 2. Principais cmpnentes utilizads n Inversr 1 6 = IRG4PF50W 1 6 = did intern C 1, C 2, C 3 = 5µF 1, 2, 3 = 226µH = 4,7nF s = 1µH 1 6 MUR 8100 Cg = 2x470µF A esclha da chave d cnversr auxiliar teve cm parâmetr a dispnibilidade d cmpnente n labratóri, já que é a mesma utilizada n circuit de ptência d inversr.

5 Tabela 3. Resultads d prjet. Q rr = 165nC I = 83,3mA = 0,952 = 98µH I R = 1,167A I M = 4,667A t rr = 286ns t 4-T = 3,81µs 0,762 ef 0,952 Is ef =2,352A Is méd = 1,178A I _med = 111,1mA C = 200pF I _med = 83,3mA id: MUR 8100 Chave: IRG4PF50W 7 Resultads xperimentais. Fi cnstruíd um inversr trifásic, cm ptência de 4,5kVA, seguind circuit da Figura 1. Os resultads fram btids sb cndições nminais, cm carga resistiva e sinal senidal na saída. A Figura 6 mstra tensã e crrente de saída de uma fase d inversr. Pde-se cmprvar cmprtament resistiv da carga. Neste cas tem-se uma tensã de 218V eficazes e uma crrente de 7,4A eficazes, resultand em uma ptência de 1610W pr fase. Figura 8. Tensã e crrente n indutr d cnversr Buck-Bst. (2A/div, 250V/div 5µs/div) A Figura 9 apresenta tensã de cmand e tensã V C da chave d cnversr Buck-Bst. Pde-se bservar que a chave é cmutada durante períd e cnduçã d did, garantind cmutaçã sb tensã nula. Figura 6. Tensã e crrente de saída d inversr. (100V/div, 5A/div, 5ms/div) Figura 9. Tensã de cmand na chave e tensã cletr-emissr da chave. (10V/div, 250V/div, 5µs/div) Pde-se bservar na Figura 10 a tensã g, especificada n prjet. Nta-se que seu valr é cnstante, em trn de 32V e apresenta puca variaçã cm s períds de chaveament Figura 7. Tensões de saída d inversr. (100V/div, 2ms/div) A Figura 8 mstra tensã e crrente n indutr Buck-Bst. Pde-se verificar a semelhança cm as frmas de nda teóricas apresentadas, cnfirmand s resultads. Pdem-se bter através da figura s valres de I M = 4,8A e de I R = -1,2A, valres que sã semelhantes as prjetads. Figura 10. Tensã e tensã de cmand da chave (10V/div, 25V/div, 10µs/div)

6 8 Cnclusões O inversr trifásic, cm nubber de Undeland mdificad, utilizand cnversr Buck-Bst QC- ZV, para regeneraçã de energia d nubber, apresenta uma sluçã bastante interessante. Além d cnversr auxiliar apresentar uma metdlgia de prjet bastante simplificada, é de fácil implementaçã, uma vez que pucs cmpnentes sã adicinads (indutr, chave e did). Apresenta cmand bastante simplificad, cm razã cíclica fixa e que pde utilizar a mesma prtadra d cmand d inversr trifásic, perand na mesma freqüência. O cnversr auxiliar nã apresenta as scilações características d md de peraçã descntínua e sua peraçã n md ZV é cnseguida através da metdlgia de prjet, sem a inclusã de nvs cmpnentes, send essa sua principal vantagem em relaçã a trabalh de Batschauer, A.., Heerdt, J. A., e Mezarba, M. (2006). Cm seu funcinament é ZV, as perdas de cmutaçã sã reduzidas, que pssibilita perar cnversr em freqüências mais elevadas e, desta maneira, bter indutres cm vlume reduzid e ausência de ruíd audível. Os cálculs apresentads refletiram cm precisã satisfatória s resultads da implementaçã prática, verificand a validade d estud. N ensai preliminar, inversr apresentu rendiment aprximad η = 0,90. Pde-se bservar que a ptência prcessada pel circuit de regeneraçã é apenas 1,1% da ptência nminal d inversr. Assim send, deve-se adequar prjet d snubber de Undeland para que mais energia da cmutaçã seja transferida para capacitr Cg, aumentand rendiment. Referências Barbi, I. e Martins,. C. (2000). Cnversres CC- CC básics nã islads, diçã d Autr, Flrianóplis, pp Barbi, I. (2002). letrônica de Ptência, d. d Autr, Flrianóplis: INP/UFC, 4ª diçã, Bassett. (1995). New Zer Vltage witching High Frequency Bst Cnverter Tplgy fr Pwer Factr Crrectin, INTC 95, pp Batschauer, A.., Heerdt, J. A. e Mezarba, M. (2006). Cnversr CC-CA para Amplificaçã de Frmas de Onda Genéricas mpregand nubber Regenerativ, Iduscn Bingen. (1985). High Current and Vltage Transistr Utilizatin. Prceedings f First urpean Cnference n Pwer lectrnics and Applicatins, pp Cheriti, A. (1990). A Rugged ft Cmmutated PWM Inverter fr AC rivers, I PC, pp e ncker, R. W. e yns, J. P. (1990). The Auxiliary Resnant Cmmuted Ple Cnverter, Cnference Recrds f I IA Annual Meeting, pp Fch, Chern, M., Metz, M. e Meynard, T. (1991). Cmmutatin Mechanisms and ft Cmmutatin in tatic Cnverters, COBP, pp Hey, H.., tein, C. M. O., Pinheir, J. R., Pinheir, H. e Gründling, H. A. (2004). Zer-Current and Zer-Vltage ft-transitin Cmmutatin Cell fr PWM Inverters, I Transactins n Pwer lectrnics, v.19, n.2,. Hltz, J., alama,. F. e Werner, K. (1987). A Nndissipative nubber Circuit fr High- Pwer GTO-Inverters, I Industry Applicatins, pp anger, H. G., Freigien, G. e kudenly, H.C. (1987). A w ss Turn-n Turn-ff nubber fr GTO-Inverters, I, pp Mcmurray, W. (1990). Resnant nubbers with Auxiliary witches, Cnference Recrds f I IA Annual Meeting, pp Mezarba, M., Martins,.C. e Barbi, I. (2003). A ZV PWM three-phase inverter with active clamping technique using nly a single auxiliary switch, Internatinal ympsium n Industrial lectrnics, II '03, Pages: vl. 1. Mezarba, M., Martins,.C. e Barbi, I. (2004) A ZV PWM three-phase inverter with active clamping technique using the reverse recvery energy f the dides, Pwer lectrnics pecialists Cnference, Pages: Vl.6. Péres, A. (2000). Uma Nva Família de Inversres cm Cmutaçã uave mpregand a Técnica de Grampeament Ativ, INP UFC, Flrianóplis C. Tardiff,. e Bartn, T. H. (1989). A ummary f Resnant nubbers Circuits fr Transistrs and GTOs, I, pp Taufiq, J. A. (1993). Advanced Inverters rivers Fr Tractin. Undeland, T. M. (1976). witching tress Reductin in Pwer Transistr Cnverters, I Industry Applicatins ciety, pp Vrpérian, V. (1988). Quasi-quare-Wave Cnverters: Tplgies and Analysis, I Transactins n Pwer lectrnics, Vl 3, N. 2, pp