METODOLOGIA DE SÍNTESE DE TOPOLOGIAS ZVT SIMPLIFICADAS APLICADAS A PÓLOS PWM BIDIRECIONAIS

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA METODOLOGIA DE SÍNTESE DE TOPOLOGIAS ZVT SIMPLIFICADAS APLICADAS A PÓLOS PWM BIDIRECIONAIS DISSERTAÇÃO DE MESTRADO Rafael Concao Belrame Sana Maria, RS, Brasil 2009

2 33 CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Inrodução Nese capíulo é realizada uma revisão acerca das principais écnicas de comuação. Assim, a classificação quano ao mecanismo empregado em cada écnica é discuido de maneira sucina, quando as principais caracerísicas são apresenadas. Em um segundo momeno, foca-se no esudo das principais opologias de conversores ZVT empregados em inversores de ensão rifásicos. Assim, são apresenadas as opologias clássicas e, poseriormene, direciona-se a abordagem às opologias ZVT inegradas e simplificadas, ou seja, ao anseio pela obenção de circuios de auxílio à comuação (CAC) compacos. Por fim, apresenam-se os rabalhos que buscam a generalização dos conversores ZVT. 2.2 Jusificaiva do emprego de écnicas de comuação De maneira geral, a dissipação de energia resulane das perdas em um disposiivo semiconduor de poência normalmene implica em um aumeno de sua emperaura de operação, podendo compromeer sua vida-úil e, principalmene, a eficiência do conversor. Sabe-se que a energia envolvida na comuação é função das rajeórias das formas de onda de ensão e correne durane o chaveameno e da freqüência de operação do conversor. Assim, a redução da eficiência do conversor pode implicar no aumeno do volume de dissipadores ou no emprego (ou aumeno) de venilação forçada, compromeendo o cuso e o volume final do sisema. Além disso, a exisência de elemenos parasias no circuio do conversor induâncias de rilhas e conexões, capaciâncias inrínsecas dos semiconduores, e nãoidealidades dos induores e capaciores empregados conribui na geração de sobrecorrenes e sobreensões que podem, inclusive, exceder aos limies da área de operação segura (Safe Operaing Area SOA) dos disposiivos semiconduores [2], obrigando o sobredimensionameno dos mesmos. Adicionalmene, as alas axas de variações de ensão (dv/d) e correne (di/d) caracerísicas da modulação PWM, podem ambém conribuir na geração de inerferência eleromagnéica [19].

3 34 Assim, com o objeivo principal de relaxar o compromisso exisene enre a elevação da freqüência de operação e o rendimeno do conversor [20], écnicas de comuação podem ser empregadas. Nesse senido, ano a indúsria quando a academia em despendido esforços nas úlimas décadas na pesquisa e no desenvolvimeno de novas écnicas de comuação, resulando no desenvolvimeno de inúmeras opologias. Mais recenemene, alguns rabalhos êm focado na idenificação dos mérios e limiações eficiência, número de componenes e EMI de algumas das opologias proposas [21,22,8]. 2.3 Mecanismos de comuação dos semiconduores Sob o pono de visa do disposiivo semiconduor, as condições de comuação sob carga induiva [23] são de rês ipos: (i) comuação dissipaiva (hard swiching); (ii) comuação pseudo- (pseudo sof-swiching); e (iii) comuação verdadeiramene (rue sof-swiching) [2]. As formas de onda eóricas relaivas aos rês ipos de comuação (enrada em condução) são apresenadas na Figura 2.1, onde (), (), () e p s () represenam, respecivamene, o sinal de comando, a ensão, a correne e a poência insanânea no disposiivo semiconduor. Na comuação dissipaiva, represenada na Figura 2.1 (a), exise uma considerável sobreposição enre as formas de onda de ensão e correne no inervalo [ 0, 2 ], resulando em um valor não nulo de energia que deve ser removida do disposiivo aravés do sisema de dissipação. Com o emprego de uma écnica de comuação pseudo-, as axas de di/d (enrada em condução) e/ou dv/d (bloqueio) são reduzidas. Assim, as perdas resulanes da sobreposição enre ensão e correne podem ser minimizadas, conforme demonsrado na Figura 2.1 (b) para o inervalo [ 0, 1 ]. Idealmene, a eliminação complea das perdas de comuação do disposiivo pode ser obida pelo emprego de uma écnica verdadeiramene, conforme represenado na Figura 2.1 (c) no inervalo [ 1, 2 ], onde normalmene o dv/d e o di/d são simulaneamene limiados. As écnicas de auxílio à comuação exisenes empregam, de maneira geral, um CAC que proporciona uma comuação verdadeiramene (enrada em condução ou bloqueio), enquano que a comuação complemenar ocorre assisida por um elemeno armazenador de energia, caracerizando uma comuação pseudo-. Quando a comuação verdadeiramene ocorre na enrada em condução do disposiivo semiconduor a ensão sobre o disposiivo é reduzida a zero preliminarmene ao seu acionameno, a écnica é denominada

4 35 comuação sob zero de ensão (Zero Volage Swiching, ZVS, ou Zero Volage Transiion, ZVT, dependendo da disposição do circuio auxiliar). Por ouro lado, quando a comuação verdadeiramene ocorre no bloqueio do disposiivo semiconduor a correne pelo mesmo é reduzida a zero previamene ao seu bloqueio, em-se a écnica denominada comuação sob zero de correne (Zero Curren Swiching, ZCS, ou Zero Curren Transiion, ZCT). As comuações pseudo-s são ambém designadas por comuações snubber. No caso em que ambas as comuações são verdadeiras, em-se uma comuação sob zero de correne e zero de ensão (Zero Curren and Zero Volage Swiching, ZCZVS, ou Zero Curren and Zero Volage Transiion, ZCZVT). Comuação Dissipaiva Comuação - Comuação Verdadeiramene p s p s p s (a) (b) (c) Figura 2.1 Enrada em condução de um semiconduor conrolado. (a) Comuação dissipaiva. (b) Comuação pseudo-. (c) Comuação verdadeiramene [2]. Os ermos ZVS e ZCS são ambém comumenemene empregados para designar o ipo de comuação observada no disposiivo semiconduor. Por exemplo, quando se em uma comuação verdadeiramene no acionameno, denomina-se a comuação por ZVS verdadeira, enquano que a comuação complemenar de bloqueio (pseudo-) é designada por pseudo ZVS (ou snubber). Equivalenemene, o mesmo pode ser afirmado com relação ao ermo ZCS. Um diagrama com as condições de cada ipo de comuação é apresenado na Figura 2.2. A écnica ZCS, Figura 2.2 (b), consise do desvio da correne pelo semiconduor previamene ao bloqueio do mesmo. De maneira geral, emprega-se um elemeno induivo associado a ouros componenes auxiliares para prover o desvio da correne do semiconduor a ser comuado. Assim, durane o bloqueio, em-se uma comuação verdadeiramene. Por sua vez, durane a enrada em condução do disposiivo semiconduor, o mesmo elemeno induivo limia a di/d, minimizando as perdas de comuação oriundas da sobreposição das

5 36 formas de onda de ensão e correne. Tem-se, assim, uma comuação pseudo- durane a enrada em condução. Conforme comenado em [2], apesar das perdas por sobreposição serem significaivamene reduzidas na enrada em condução, a energia acumulada nas capaciâncias inrínsecas do semiconduor é dissipada sobre o mesmo, fenômeno denominado de perdas capaciivas de acionameno (urn-on capaciive losses). Snubber (a) ZCS Verdadeiramene (b) ZVS Verdadeiramene (c) ZCZVS Verdadeiramene Verdadeiramene Figura 2.2 Técnicas de auxílio à comuação: diagrama das principais formas de onda de ensão e correne [24]. (d) A écnica ZVS, Figura 2.2 (c), consise da redução da ensão sobre o disposiivo semiconduor a zero previamene ao acionameno do mesmo. Normalmene um elemeno capaciivo comparilhando o mesmo nó do disposiivo, associado a ouros componenes auxiliares, é empregado nesse processo. Assim, durane o acionameno, em-se uma comuação verdadeiramene. Por ouro lado, durane o bloqueio do disposiivo semiconduor, o mesmo elemeno capaciivo limia a dv/d, minimizando as perdas de comuação oriundas da sobreposição das formas de onda de ensão e correne. Dessa forma, em-se uma comuação pseudo- no bloqueio.

6 37 Nas écnicas ZCZVS e ZCZVT que diferem apenas na disposição dos componenes auxiliares as comuações de enrada em condução e bloqueio ocorrem de maneira verdadeiramene, com di/d e dv/d limiados, conforme Figura 2.2 (d). 2.4 Técnicas de auxílio à comuação aplicadas a inversores alimenados em ensão Com base na classificação originalmene proposa em [25] para circuios de comuação forçada aplicados a irisores e, poseriormene esendida a disposiivos com capacidade de bloqueio [26], as écnicas de comuação aplicadas a inversores alimenados em ensão (Volage-Souce Inverers VSI) podem ser arranjadas de acordo com a disposição do CAC em rês grandes grupos: (i) inversores com CAC juno à carga (comuação de carga); (ii) inversores com CAC juno ao barrameno CC (comuação de linha); e (iii) inversores com CAC aplicado aos pólos PWM (comuação de chave) Circuio de auxílio à comuação aplicado à carga Os inversores com o circuio auxiliar aplicado à carga [27,28] empregam um anque ressonane associado à carga de forma a prover oscilações nas formas de onda de ensão e correne, produzindo condições favoráveis à comuação dos semiconduores sob assisência (comuações sob ZCS ou ZVS). Como o anque ressonane enconra-se juno à carga, a obenção das condições de comuação sob ZCS ou ZVS orna-se dependene da correne de carga, não sendo garanida para uma faixa muio grande de cargas. Os principais problemas relacionados a esse grupo de CACs são os esforços adicionais de ensão e/ou correne nos semiconduores, aumenando as perdas de condução e, ainda, forçando um sobredimensionameno dos disposiivos [2] Circuio de auxílio à comuação aplicado ao barrameno CC Os inversores que empregam essa écnica possuem o CAC associado ao barrameno CC [29,30], proporcionando uma oscilação da ensão do barrameno e, conseqüenemene, condições de zero de ensão à comuação dos semiconduores. Normalmene, as chaves semiconduoras dos pólos PWM do inversor devem apresenar sincronismo no seu acionameno, reduzindo, assim, os graus de liberdade da modulação do inversor. Como