UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA ESCOLA POLITÉCNICA DA UFBA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA ESCOLA POLITÉCNICA DA UFBA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ENGC48 ELETRÔNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES DE PULSOS RESSONANTES Equipe 2: Daniel Gonçalves Elizeu Matias Rodrigo Barros Salvador, 12 de junho de 2012

2 Conversores de Pulsos Ressonantes Problemática Sinal PWM utilizado no controle dos dispositivos dos conversores eletrônicos. As chaves são ligadas e desligadas na corrente de carga com um alto valor de. As chaves são submetidas a um esforço de tensão elevada. As perdas de potência por chaveamento aumentam linearmente com a frequência de chaveamento, podendo se tornar bastante significativa em relação à perda total de potência do dispositivo. Também é produzida elevada interferência eletromagnética (EMI) devido aos altos valores de nas formas de onda do conversor. Solução As desvantagens do controle PWM podem ser eliminadas ou minimizadas se os dispositivos de chaveamento forem ligados e desligados quando a tensão sobre um dispositivo e/ou sua corrente torna-se zero. (LEMBRAR-SE DOS CIRCUITOS AMACIADORES) A tensão e a corrente são forçadas a passar através do zero pela criação de um circuito ressonante LC, chamado conversor de pulso ressonante. Representação das Comutações dos Dispositivos Eletrônicos: Tecnologias Convencionais e Tecnologia Ressonante Classificação dos Conversores Ressonantes 1) Inversores Ressonantes em Série; 2) Inversores Ressonantes Paralelos; 3) Conversores Ressonantes Classe E; 4) Retificadores Ressonantes Classe E; 5) Conversores Ressonantes com Chaveamento em Tensão Zero (ZVS); 6) Conversores Ressonantes com Chaveamento em Corrente Zero (ZCS); 7) Conversores Ressonantes com Chaveamento em Tensão Zero de Dois Quadrantes (ZVS); 8) Inversores Ressonantes com Interligação CC. Inversores Ressonantes em Série Baseados na oscilação de uma corrente ressonante.

3 Os componentes de comutação e dispositivos de chaveamento são colocados em série com a carga para formar um circuito subamortecido. A corrente através dos dispositivos de chaveamento cai a zero devido à característica natural do circuito. Produz uma forma de onda aproximadamente senoidal em uma alta frequência de saída, numa faixa de 200Hz a 100kHz. Usado em aplicações de saída relativamente fixa (por exemplo, aquecimento indutivo, sonares, iluminação fluorescente ou geradores ultrassônicos). Configurações Existem várias configurações de inversores ressonantes em série, dependendo da conexão dos dispositivos de chaveamento e da carga. Mas, eles podem ser classificados em duas categorias: a) Inversores Ressonantes em Série com Chaves Unidirecionais; b) Inversores Ressonantes em Série com Chaves Bidirecionais. Inversores Ressonantes em Série com Chaves Unidirecionais Análise de um circuito RLC série

4 Inversor Ressonante Série Básico Modos de Operação Para que o circuito seja subamortecido. Modo 1: condições iniciais. através da análise de malha. resposta ao pulso de tensão. frequência de ressonância. (pode ser obtida avaliando-se o valor máximo do módulo da F.T. do circuito RLC série, que ocorre para ω=ω r )

5 constante A 1. resposta ao pulso de tensão, em que. Quando a corrente passa pelo zero o tiristor é autocomutado. A partir de pode-se obter:. A tensão no capacitor pode ser encontrada a partir de:. Esse modo é válido para e termina quando se torna zero em. Modo 2: Durante esse modo, os tiristores T 1 e T 2 são desligados.. Modo 3: Esse modo começa quando T 2 é disparado e uma corrente ressonante reversa flui através da carga.. de malha. redefinindo a origem de tempo e através da análise condições iniciais. tensão no capacitor. Esse modo é válido para e termina quando torna-se zero.. O tempo disponível para comutação o tempo de comutação dos tiristores, t q., conhecido como zona morta, tem que ser maior que onde ω 0 é a frequência da tensão de saída em rad/s.

6 frequência máxima possível da saída. O circuito inversor ressonante série básico é muito simples. O fluxo de potência da fonte CC é descontínuo. A fonte CC terá um alto pico de corrente, e conterá harmônicos. Um melhoramento do inversor básico pode ser feito se os indutores são mutuamente acoplados. Quando T 1 é disparado e a corrente i 1 (t) começa a crescer, a tensão sobre L 1 será positiva. A tensão induzida em L 2 somará a tensão de C polarizando reversamente T 2, que será desligado. O resultado é que disparando um tiristor desliga-se o outro, mesmo antes de a corrente de carga alcançar zero. Inversor Ressonante em Série com Indutores Acoplados Inversor Ressonante em Série em Meia-Ponte O inversor em série em meia-ponte é utilizado para reduzir o esforço da fonte CC devido à alta corrente pulsada. A potência é fornecida pela fonte CC durante ambos os semiciclos da tensão de saída. Metade da corrente é fornecida pelo capacitor C 1 ou C 2 e a outra metade pela fonte CC. Inversor Ressonante em Série em Ponte Completa

7 A frequência ressonante e a zona morta disponível dependem da carga e, por essa razão, inversores ressonantes são mais apropriados para aplicações com carga fixa. A carga (ou resistor R) do inversor poderia também ser conectada em paralelo com o capacitor. Os tiristores podem ser substituídos por BJTs, MOSFETs, IGBTs e GTOs. Projeto: Especificações mínimas: V s, R, e t q ; Calcula-se ω r ; Descobre-se uma relação entre L e C; Escolhe um valor pra L e determina-se o valor de C. Sugestão: Exemplo 11.1, Capítulo 11, Eletrônica de Potência, Muhammad H. Rashid Inversores Ressonantes em Série com Chaves Bidirecionais Para os inversores ressonantes com chaves unidirecionais: Os dispositivos de potência têm de ser ligados em todos os semiciclos da tensão de saída, o que limita a frequência do inversor e a quantia de energia transferida da fonte para a carga. Além disso, os tiristores são submetidos à alta tensão de pico reverso. Melhoramento: Operação: Inversor Ressonante Série Básico com Chaves Bidirecionais Quando T 1 é disparado, um pulso ressonante de corrente circula e T 1 é autocomutado em t=t 1. Entretanto a oscilação ressonante (circuito subamortecido) continua através de D 1 até que a corrente caia novamente a zero no fim do ciclo. Observações: A tensão reversa do tiristor é limitada para a queda direta de tensão de um diodo, tipicamente 1V. Se o tempo de condução do diodo é maior que o tempo de desligamento do tiristor, não existe a necessidade de zona morta, e a frequência de saída é a mesma que a frequência ressonante.

8 Se t q é o tempo de desligamento de um tiristor, a frequência máxima do inversor é dada por: e f 0 deve ser menor que f máx. O diodo D 1 deve ser conectado o mais próximo possível do tiristor e os terminais de conexão devem ser mínimos para reduzir qualquer indutância parasita na malha formada por T 1 e D 1. Qualquer indutância no caminho do diodo reduziria a tensão reversa da rede sobre os terminais de T 1, que pode não desligar. Para superar esse problema, faz-se uso de um (RCT Tisistor de Condução Reversa), feito pela integração de um tiristor assimétrico e um diodo de recuperação rápida em uma única pastilha de silício. Inversor em Série em Meia-Ponte com Chaves Bidirecionais No modo sem sobreposição, o disparo do tiristor é atrasado, até que a última oscilação de corrente através do diodo tenha sido completada. Inversor em Série em Ponte Completa com Chaves Bidirecionais No modo com sobreposição, um tiristor é disparado, enquanto a corrente no diodo da outra parte ainda está circulando. Ele proporciona um aumento da frequência de saída, acompanhado pelo aumento da potência de saída. Limitação:

9 A frequência máxima dos inversores ressonantes é limitada devido aos requerimentos de comutação ou desligamento dos tiristores, tipicamente de 12 a 20us. Alternativa: Uso de transistores que requerem 1us ou menos para comutar. Inversor Ressonante Transistorizado em Meia-Ponte Sugestão: Exemplo 11.3, Capítulo 11, Eletrônica de Potência, Muhammad H. Rashid. Uma análise da resposta em frequência para diferentes configurações da carga no circuito LCR pode ser encontrada nos tópicos , e Cada configuração está associada a uma determinada aplicação Inversores Ressonantes Paralelos É o dual de um Inversor Ressonante em Série. É alimentado a partir de uma fonte de corrente tal que o circuito oferece uma alta impedância para o chaveamento de corrente. Como a corrente é continuamente controlada, esse inversor dá uma melhor proteção de curto-circuito sob condições de falta. Circuito Ressonante Paralelo análise de nó. condição inicial.

10 tensão de saída, em que. frequência ressonante amortecida. instante em que a tensão torna-se máxima, que pode ser aproximado por. Observação: A impedância de entrada pode ser escrita em função do fator de qualidade Q p e de ω/ω 0, assim como no inversor ressonante série. Existem configurações de carga que levam às mesmas impedâncias de entrada do caso série, sendo possível traçar a resposta em frequência do inversor. Na configuração acima: Inversor Ressonante Paralelo Transistorizado L e atua como uma fonte de corrente e o capacitor C é o elemento ressonante. L m é a indutância mútua do transformador e atua como o indutor ressonante. Uma corrente constante é chaveada alternativamente no circuito ressonante pelos transistores Q 1 e Q 2. O circuito equivalente pode ser obtido referindo a resistência de carga R L no lado primário e desprezando as indutâncias de dispersão do transformador.

11 Sinais de Disparo Inversor Ressonante Prático Utilizado no Disparo de Lâmpadas Fluorescentes Sugestão: Exemplo 11.8, Capítulo 11, Eletrônica de Potência, Muhammad H. Rashid. Inversores Ressonantes Classe E Um inversor ressonante classe E usa apenas um transistor e tem baixas perdas por chaveamento, produzindo uma alta eficiência de mais de 95%. Esse tipo de inversor é normalmente usado em aplicações que necessitam de baixa potência, requerendo menos de 100 W, particularmente em reatores eletrônicos de alta frequência para lâmpadas. O dispositivo de chaveamento tem de suportar uma alta tensão. Esse inversor é mais usado para tensões de saída fixas. Entretanto a tensão de saída pode ser alterada variandose a frequência de chaveamento. A operação deste circuito pode ser dividida em três modos: modo 1, modo 2 e modo 3 como serão detalhados a seguir.

12 Inversor Ressonante Classe E Modo 1: Durante esse modo, o transistor Q 1 está conduzindo. O circuito equivalente é mostrado abaixo: A corrente i T consiste da corrente da fonte i S e da corrente de carga i O afim de obter uma corrente de saída quase senoidal, os valores de L e C são escolhidos para ter um alto fator de qualidade, Q maior ou igual a sete, e baixa razão de amortecimento, usualmente 0,072. A chave é desligada em tensão zero. Quando a chave é desligada, sua corrente é imediatamente desviada através do capacitor C e. Modo 2: Durante esse modo, o transistor Q 1 está em corte. O circuito equivalente é mostrado abaixo: A corrente do capacitor i C torna-se a soma de i S com i O. A tensão da chave aumenta de zero a um valor máximo e cai a zero novamente. Quando a tensão da chave cai a zero, i C =C e dvt/dt normalmente será negativa. Assim, a tensão da chave tenderia a ser negativa. Para limitar essa tensão negativa, um diodo é conectado em antiparalelo, como mostrado na figura anterior do inversor ressonante classe E pelas linhas pontilhadas. Se utilizar chave MOSFET, sua tensão negativa é limitada por seu diodo interno a uma queda de diodo. Modo 3: Esse modo existirá somente se a tensão da chave cair a zero com inclinação negativa finita. O circuito equivalente é similar àquele para o modo 1, exceto as condições iniciais. A corrente de carga cai a zero no fim do modo 3. Entretanto, se os parâmetros do circuito fossem tais que a tensão da chave caísse a zero com uma inclinação zero, não haveria necessidade do diodo e esse modo não existiria. Isto é, VT=0 e dvt/dt =0. Os parâmetros ótimos que satisfazem a essa condição e dão máxima eficiência são fornecidas por: L e =0,4001R/ω s C e =2,165/(Rω s )

13 ω s L=1/(ω s C)=0,3533R Onde ω s é a frequência de chaveamento. O ciclo de trabalho é D= t on /T s =30,4%. Retificadores Ressonantes Classe E Como um conversor CC-CC geralmente consistem de um inversor ressonante CC-CA e de um retificador, um retificador a diodos de alta frequência sofre desvantagens tais como perdas por condução e chaveamento, oscilações parasitas e alto conteúdo harmônico da corrente de entrada. Um retificador classe E supera essas limitações. Ele usa o princípio de chaveamento em tensão zero do diodo. Isto é, o diodo corta em tensão zero. A capacitância de junção do diodo é incluída da capacitância ressonante C e, portanto, não afeta desfavoravelmente a operação do circuito. A operação do circuito pode ser dividida em dois modos: modo 1 e modo 2. Consideraremos que C f será suficientemente grande tal que a tensão média de saída V O será constante. A tensão de entrada é V S = V m.sen(ωt). Retificador Ressonante Classe E Modo 1: Durante esse modo, o diodo está cortado. O circuito equivalente é mostrado abaixo: Os valores de L e C são tais que na frequência de operação f O, a tensão que aparece sobre L e C é V LC = V S.sen(ωt) V O. Modo 2: Durante esse modo, o diodo está conduzindo. O circuito equivalente é mostrado abaixo:

14 A tensão que aparece sobre L é V L = V S.sen(ωt) V O. Quando a corrente do diodo i D, que é a mesma que a do indutor i L, atinge o zero, o diodo corta. No corte i D =i L =0 e V D =V C =0. Isto é, i C =CdV C /dt=0, que dá dvc/dt=0. Portanto a tensão do diodo é zero no corte, reduzindo, dessa forma, as perdas por chaveamento. A corrente no indutor pode ser expressa aproximadamente por i L = I m.sen(ωt-ф) I O. Em que I m = V m /R e I O = V O /R. Quando o diodo está conduzindo, o deslocamento ф será de 90. Quando o diodo está cortado, ele será 0, contanto que ω L = 1/(ω C ). Portanto, ф terá um valor entre 0 e 90, e seu valor depende da resistência de carga R. A corrente de pico a pico será de 2V m /R. A corrente de entrada tem uma componente CC I O e um atraso de fase ф. A fim de melhorar o fator de potência de entrada, normalmente é conectado um capacitor de entrada, como mostrado na figura anterior do retificador representado pelas linhas pontilhadas. Conversores Ressonantes com Chaveamento em Corrente Zero As chaves dos conversores ressonantes com chaveamento em corrente zero (ZCS) são ligadas e desligadas em corrente zero; São classificados em 2 tipos: L e M; Quando a corrente na chave for zero, haverá uma corrente circulando através da capacitância interna devido a uma inclinação finita da tensão sobre a chave no desligamento; Esse fluxo de corrente causa dissipação na chave e limita o chaveamento em alta frequência. Conversores Ressonantes ZCS Tipo L Configuração de Chaves para Conversores Ressonantes ZCS

15 Conversor Ressonante ZCS tipo L Formas de Onda ZCS tipo L Modo 1: Válido para. A chave é ligada e o diodo conduz. A corrente I L cresce linearmente. Modo 2: Válido para. A chave continua ligada, mas o diodo está cortado. corrente de pico. tensão de pico. Ao fim: e.

16 Modo 3: Válido para. A corrente no indutor cai de I 0 a zero. Ao fim:. Modo 4: Válido para. O capacitor fornece a corrente I 0, e sua tensão dada por: Modo 5: Válido para e termina quando.. Quando a tensão no capacitor tende a ser negativa, o diodo conduz. A corrente I 0 circula através do diodo e. Observação: A tensão máxima da chave é igual à tensão CC de alimentação, V S. Como a corrente na chave é zero, durante o corte e condução, as perdas por chaveamento, que são o produto de v e i, tornam-se muito pequenas. Conversores Ressonantes ZCS Tipo M Conversor Ressonante ZCS tipo M

17 Formas de Onda ZCS tipo M Uma análise semelhante a do ZCS tipo L pode ser feita para o ZCS tipo M. Conversores Ressonantes com Chaveamento em Tensão Zero As chaves de um conversor ressonante com chaveamento em tensão zero (ZVS) ligam e desligam em tensão zero. O capacitor C é conectado em paralelo com a chave para realizar o chaveamento em tensão zero. A capacitância interna da chave é somada a do capacitor C e afeta somente a frequência ressonante, não contribuindo dessa forma para dissipação de potência na chave. O conversor ressonante ZVS é o dual do conversor ressonante ZCS. As equações utilizadas no ZCS tipo M podem ser aplicadas se i L for substituída por v C, e vice-versa, L por C, e vice-versa, e V S e I 0, e vice-versa. Configuração de Chaves para Conversores Ressonantes ZVS

18 Conversor Ressonante ZVS Formas de Onda ZVS Conversores Ressonantes com Chaveamento em Tensão Zero de Dois Quadrantes (ZVS) O conceito ZVS pode ser estendido para um chopper classe A de dois quadrantes, como mostrado nas figuras abaixo: Conversor Ressonante ZVS de Dois Quadrantes

19 Onde os capacitores C + =C - =C/2. O indutor L tem um valor tal que forme um circuito ressonante. A frequência ressonante é f O = 1/(2π LC), e é muito maior que a frequência de chaveamento f S. Supondo que a capacitância do filtro C e seja grande, a carga é substituída por uma tensão CC V médio, como mostrado na figura anterior. As operações do circuito podem ser divididas em seis modos. Os circuitos equivalentes para vários modos são mostrados a seguir. Modo 1: A chave CH + está ligada. Supondo uma corrente inicial de I LO a corrente do indutor I L é dada por: I L =(V S /L)t Esse modo termina quando a tensão no capacitor C + é zero e CH + é desligada. A tensão em C - é V S. Modo 2: As chaves CH + e CH - estão, ambas, desligadas. Esse modo começa com C + tendo tensão zero e C - tendo V S. O equivalente desse modo pode ser simplificado para um circuito ressonante de C e L com uma corrente inicial do indutor I L1 ; I L pode ser aproximadamente representada por: i L =(V S - V médio ) ( / )sen.(ω O t) + I L1 A tensão pode ser aproximada para cair lentamente de V S até 0. Isto é, V O = V S (V S C/I L1 )t Esse modo termina quando V O torna-se zero e o diodo D - conduz. Modo 3: O diodo D - conduz; I L cai linearmente de I L2 (= I L1 ) para zero. Modo 4: A chave CH - é ligada quando I L e V O torna-se zero; I L continua a cair no sentido negativo de I L4, até que a tensão na chave se torne zero, e CH - é desligada.

20 Modo 5: as chaves CH + e CH - estão ambas desligadas. Esse modo começa com C - tendo tensão zero e C + tendo V S, e é similar ao modo 2. A tensão V O pode ser aproximada para um crescimento linear de zero até V S. Esse modo termina quando V O tende a tornar-se maior que V S e o diodo D + conduz. Modo 6: O diodo D + entra em condução; I L cai linearmente de I L5 até zero. Esse modo termina quando I L =0. CH + é ligada, e o ciclo é repetido. Inversores Ressonantes com Interligação CC Nos inversores ressonantes com interligação CC, um circuito ressonante é conectado entre a tensão CC de entrada e o inversor PWM, tal que a tensão de entrada para o inversor oscile entre zero e um valor ligeiramente maior que duas vezes a tensão CC de entrada. A interligação ressonante, que é similar ao inversor classe E do item anterior, é mostrada na figura abaixo: Inversor Ressonante Trifásico ZVS

21 Onde I O é a corrente consumida pelo inversor. Supondo um circuito sem perdas e R=0, a tensão da interligação é: V C = V S (1-cos(ω O t)) E a corrente do indutor I L é: I L = V S ( / ) sen(ω O t) + I O Sob condições sem perda, a oscilação continuará e não haverá necessidade de ligar a chave CH 1. Mas na prática existirá perda de potência em R, I L será senoidal amortecida e a CH 1 será ligada para trazer a corrente para o nível inicial. O valor de R é pequeno e o circuito é subamortecido. Sob essas condições I L e V C podem ser mostrados como: E a tensão no capacitor V C é: As formas de onda para V C e I L são mostradas abaixo: A chave CH 1 é ligada quando a tensão no capacitor cai a zero e é desligada quando a corrente I L alcança o nível da corrente inicial I LO. Pode-se notar que a tensão no capacitor depende somente da diferença I m (= I LO - I O ) e não da corrente de carga I O. Assim, o circuito de controle deveria monitorar (I L -I O ) quando a chave estivesse conduzindo e desligar a chave quando o valor desejado de I m fosse alcançado. Um inversor ressonante trifásico com interligação CC é mostrado na figura abaixo:

22 Inversor Trifásico Ressonante com Interligação CC Transistorizado Os seis dispositivos do inversor são comandados de uma maneira tal para estabelecer oscilações periódicas no circuito LC de interligação CC. Os dispositivos são ligados e desligados em tensões zero na interligação, realizando dessa forma a condução e o corte sem perdas de todos os dispositivos. As formas de onda para a tensão de interligação e as tensões de linha do inversor são mostradas abaixo:

23 Quadro Resumo: Os inversores ressonantes são utilizados em aplicações que necessitem de tensão de saída fixa; A frequência ressonante máxima é limitada pelo tempo de comutação dos tiristores ou transistores; Os inversores ressonantes permitem regulação limitada da tensão de saída; Os inversores ressonantes paralelos são alimentados a partir de uma fonte CC constante e dão uma tensão de saída senoidal; Os inversores e retificadores classe E são simples e usados principalmente para aplicações de baixa potência e alta frequência; Os conversores com chaveamento em tensão zero (ZVS) e chaveamento em corrente zero (ZCS) estão se tornando altamente populares, pois eles são ligados e desligados em corrente/tensão zero, eliminando, dessa forma, as perdas por chaveamento; Nos inversores ressonantes com interligação CC um circuito ressonante é conectado entre o inversor e a alimentação CC. Os pulsos de tensão ressonante são produzidos na entrada do inversor e os dispositivos do inversor são ligados e desligados em tensão zero.

24 Exercícios Propostos: 1) 2) O inversor classe E da Figura 11.19a opera em ressonância e tem V S =12V e R=10Ω. A frequência de chaveamento é f S =25kHz. Determinar os valores ótimos de L, C, C e e L e, o fator de amortecimento e a frequência de ressonância f O. Supor Q=7.

25 Referências: [1] Rashid, Muhammad H. Eletrônica de Potência: Circuitos, Dispositivos e Aplicações, Capítulo 11. [2] Pomilio, José Antenor. Eletrônica de Potência, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, UNICAMP, 1998.