NOVO INVERSOR COM ALTO RENDIMENTO PARA UTILIZAÇÃO EM SISTEMAS DE ALIMENTAÇÃO ININTERRUPTA (UPS)

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1 NOVO INVERSOR COM ALTO RENDIMENTO PARA UTILIZAÇÃO EM SISTEMAS DE ALIMENTAÇÃO ININTERRUPTA (UPS) Instituto de Eletrônica de Potência Depto. de Eng. Elétrica Universidade Federal de Santa tarina ixa Postal 5119, Florianópolis, SC, BRAZIL s: Resumo Este artigo apresenta um Inversor ZVS PWM com grampeamento de tensão que utiliza um único interruptor auxiliar. A estrutura é particularmente simples e robusta. Ela é muito atrativa para aplicações em UPS s monofásicas de alta potência. As perdas por comutação e condução são reduzidas com a implementação de um circuito snnuber simples e regenerativo que provém comutação ZVS para todos os interruptores. Suas principais vantagens são: Estratégia de controle simples, robustez, baixo peso e volume, baixo conteúdo de distorção harmônica da corrente de saída e alta eficiência. Principio de operação em regime permanente, análise matemática, procedimento de projeto e resultados experimentais de um protótipo de laboratório são apresentados. Abstract This paper presents a ZVS PWM inverter with voltage clamping technique using only a single auxiliary switch. The structure is particularly simple and robust. It is very attractive for singlephase high power UPS applications. Conduction and switching losses are reduced due to implementation of the simple active snubber circuit, that provides ZVS conditions for all switches, including the auxiliary one. Its main features are: Simple control strategy, robustness, lower weight and volume, lower harmonic distortion of the output current, and high efficiency. The principle of operation for steadystate conditions, mathematical analysis and experimental results from a laboratory prototype are presented. 1. Introdução A dependência do homem pela energia elétrica com o passar dos anos tem se tomado cada vez maior. A falta dela, mesmo na ordem dos milisegundos, pode causar perda de dados e afetar processos nas mais diversas áreas da atuação humana. Fatores aleatórios tomam impossível que uma queda da tensão comercial seja evitada. Este problema pode ser resolvido com a instalação de um sistema ininterrupto de energia (UPS Uninterruptible Power Supply). A história recente nos revela um grande esforço por parte dos pesquisadores de todo o mundo na tentativa de reduzir o conteúdo harmônico e o ruído audível na saída de inversores. Este objetivo tem sido alcançado com a elevação da freqüência de comutação dos inversores e com estratégias de modulação adequadas. Essa medida trás benefícios como a redução do peso e volume dos elementos magnéticos mas, passa a criar algumas dificuldades como as elevadas perdas por comutação e o surgimento de interferência eletromagnética. Esses fatores ocorrem principalmente em topologias inversoras que utilizam as configurações de interruptores em braço. No momento da entrada em condução, o interruptor principal faz com que ocorra o fenômeno de recuperação reversa do diodo antiparalelo do interruptor complementar. Esse fenômeno

2 caracterizase por submeter os interruptores a grande derivadas e picos de corrente, que elevam as perdas por comutação e causam interferência eletromagnética. Diversos trabalhos foram desenvolvidos com o objetivo de sanar este problemas e podem ser vistos em (Bigen 1985, McMurray 1990 e De Doncker 1990). Algumas pesquisas foram feitas recentemente com o objetivo de utilizar a energia da recuperação reversa dos diodos para obtenção de comutação suave dos interruptores controlados em retificadores préreguladores com alto fator de potência (Basset 1995 e Pietkiewicz e Tollic 1996). Esse trabalho apresenta um novo inversor que opera com comutação suave do tipo ZVS e tensão grampeada sobre os interruptores. O inversor proposto utiliza a técnica do aproveitamento da energia de recuperação reversa dos diodos para obter a comutação suave, tal como nos retificadores acima citados. A estrutura é particularmente simples e robusta. Ela é muito atrativa para aplicações em UPS s monofásicas de alta potência, como a da Fig.1. Rede Retificador ~ Inversor Baterias = = ~ rga Figura 1. Configuração Básica de UPS OnLine. Esta topologia apresenta inúmeras vantagens sobre os inversores com comutação suaves estudados na literatura, dentre elas destacamse: Comutação suave para toda a faixa de carga; Topologias simples e com número reduzido de componentes; Utilização de modulação PWM clássica; Utilização de apenas um interruptor auxiliar; Interruptor auxiliar opera com razão cíclica fixa em toda a faixa de operação; Utilização de diodos retificadores lentos e de baixo custo; Tensão de grampeamento reduzida; Baixos valores de corrente para os interruptores principais; Procedimento de projeto simples e com poucas restrições; Alto rendimento. 2. Apresentação do Circuito O conversor proposto é apresentado na Fig.2. Ele possui a configuração de inversor meia ponte com a inclusão de uma chave auxiliar, um capacitor e um pequeno indutor com ponto médio. O capacitor é responsável pelo armazenamento da energia da recuperação reversa dos diodos e grampeamento da tensão nas chaves. Os indutores e podem ser construídos sobre o mesmo núcleo e são: responsáveis pelo controle da derivada de corrente na recuperação dos diodos. As

3 principais vantagens deste conversor são a utilização de apenas um interruptor auxiliar, o grampeamento da tensão e a comutação ZVS em todos os interruptores. Lout Rout Figura 2. Inversor Proposto. 3. Etapas de Operação (Semiciclo Positivo) O inversor possui simetria de funcionamento para os dois semiciclos de corrente de carga. Sendo assim, será feita a análise apenas para o semiciclo positivo. Para a análise das etapas de operação do conversor são consideradas algumas simplificações: A tensão no capacitor e a corrente no indutor Lout são consideradas constantes durante um período de chaveamento. Definese E a tensão total de barramento (E = ) e Vg a tensão sobre o capacitor de grampeamento. Definese a soma dos indutores auxiliares ( = ). Primeira etapa: (tot1): Este intervalo inicia com a corrente de saída sendo levada para através do diodo. Ao mesmo tempo a corrente adicional i está fluindo no laço formado por,, e. Segunda etapa (t1t2): Inicia com o bloqueio do interruptor auxiliar. A corrente i inicia a carga da capacitância de 0 à EVg e a descarga de de EVg à zero. Terceira etapa (t2t3): Inicia quando a tensão sobre atinge zero e é grampeada pelo diodo antiparalelo possibilitando a entrada em condução ZVS para. É aplicada sobre os indutores e a tensão de entrada E = fazendo com que ambas as correntes decresçam linearmente. Quarta etapa (t3t4): Inicia quando a corrente em inverte de sentido e passa a circular por. A corrente i continua a decrescer até inverter de sentido, iniciando a recuperação de com sua corrente reversa limitada pela derivada de corrente no indutor. Quinta etapa (t4t5): Inicia com o término da recuperação de. A corrente i inicia a carga de de 0 a E Vg e a descarga de de E Vg a 0. Sexta etapa (t5t6): Inicia quando a tensão sobre o capacitor zera e é grampeada pela entrada em condução de, possibilitando a entrada em condução de com comutação ZVS. As correntes i e i crescem devido a aplicação da tensão Vg. Sétima etapa (t6t7): Inicia quando a corrente i inverte seu sentido e passa a circular pelo interruptor. A corrente i continua a crescer linearmente. Oitava etapa (t7t8): Inicia quando a chave principal é bloqueada. Neste momento a corrente em muda de sentido tornando a passar por. O capacitor passa a se carregar de 0 a E Vg e o capacitor passa a se descarregar de E Vg a 0. 3

4 Nona etapa (t8to): Inicia quando se descarrega e é grampeado pelo diodo. A corrente i continua crescendo. Este intervalo termina quando a corrente i inverte de sentido e passa a circular por, retornando à primeira etapa de operação. Na Fig.4. podese observar os circuitos equivalentes das etapas de operação descritas Principais Formas de Onda. As principais formas de onda, relativas a um período de funcionamento do inversor proposto,.são mostradas na Fig Equacionamento Básico Para garantir a comutação sob tensão nula é necessário que na etapa 2 exista energia suficiente armazenada em = para a descarga de e carga de. Desta forma, por inspeção a seguinte condição pode ser formulada: 2 2 If ( )( V Vg ) (1) Onde If é a corrente máxima em.e Vg é aproximadamente constante para um período de chaveamento. Assumindo Vg<<E temos: If min E (2) Para o dimensionamento dos interruptores e do capacitor é necessário que se conheça o comportamento da tensão de grampeamento, Vg. A corrente média no capacitor de grampeamento deve ser zero para um período de chaveamento em regime permanente. Onde: 1 t 7 1 Vg t Vg i mi ( t Ir) dt ( t Ir) dt (3) Ts 0 t7 Ts Período de Chaveamento

5 v i EVg v i EVg v i EVg i If i i Vg1 Vga t3 t4 t5 t6 t7t8 to t1 t2 Figura 3. Principais Formas de Onda. Primeira etapa de operação (tot1) Quarta etapa de operação (t3t4) Sétima etapa de operação (t6t7) Segunda etapa de operação (t1t2) Quinta etapa de operação (t4t5) Oitava etapa de operação (t7t8) Terceira etapa de operação (t2t3) Sexta etapa de operação (t5t6) Figura 4. Etapas de Operação Nona etapa de operação (t8t0) 5

6 Resolvendo a integral e considerando: Temos: D t7 Ts (4) t1 Ts (5) i mi 0 (6) 2 Vg Ir 1 D Ts Considerando que a corrente de saída seja senoidal e em fase com a tensão temos: (7) onde Zc é a impedância de carga que é expressa por: E ma sent Zc 2 (8) Rc Resistência de rga Lc Indutância de rga Sabendo que: Zc Rc 2 Lc 2 (9) D ma sent ma Índice de Modulação de Amplitude Combinando as Eqs. 7, 8 e 10 obtemos a expressão para tensão em. (10) Vg 2 Ts E ma 2 Zc ( t) Ir sent 1 ma sent (11) Onde Ir é o pico de recuperação reversa do diodo antiparalelo e pode ser obtido por: 4 Ir Qrr 3 Qrr rga de Recuperação Reversa A expressão da corrente If pode ser obtida analizando o comportamento da corrente no capacitor. E (12) Vg If t) Ts Ir ( (13) Combinando a Eq. (11 com a Eq. 13 e fazendo algumas simplificações obtémse a expressão que representa a evolução da corrente If. 2 E ma E ma 2 If ( t) Ir sent sen t 2 Zc Zc (14) Para garantir a comutação suave em toda faixa de carga o valor mínimo da corrente If deveser obtido a partir da Eq. 14 e esse valor deve ser superior ao encontrado a partir da Eq Exemplo de Projeto E = 400V Tensão de Barramento

7 Vout rms = 127 V Pout = 1000VA = 7,88A fs = 20KHz f = 60Hz Lc = 2,5mH Rc = 16 m=0,9 Tensão Eficaz de Saída Potência de Saída Corrente Eficaz de Saída Freqüência de Comutação Freqüência de rga Indutância de rga Resistência de rga Índice de Modulação 5.1 Escolha dos Indutores Auxiliares Os indutores auxiliares são responsáveis pela derivada de corrente no funcionamento do inversor. A derivada de corrente está diretamente relacionada com o máximo valor que atingirá a corrente de recuperação reversa dos diodos antiparalelo. Além disso, uma derivada de corrente muito alta implica numa elevada taxa de interferência eletromagnética emitida. Para favorecer o projeto, escolhese uma derivada de corrente que seja usual em catálogos de diodos fornecidos pelos fabricantes de maneira a facilitar a obtenção de parâmetros fundamentais para o dimensionamento do inversor. Sendo assim, optouse pela utilização de uma derivada de 40A/s. Sabendo que: A impedância de carga é dada pela Eq. 9. E 400V 10H di 40 A s dt (15) 2 2 Zc Hz 2,5mH 16 (16) Como já foi visto, é interessante para o desempenho do inversor que o diodo escolhido seja lento. Optouse pela utilização do diodo intrínseco do Mosfet IRFP 460 que possui as características abaixo relacionadas. Vdss = 500V Tensão Reversa Máxima Is = 20A Corrente Média do Diodo Qrr = 5.7C rga de Recuperação Reversa lculando o período de comutação: A corrente de recuperação é obtida com a Eq. 12. Ts s fs 20KHz (17) Utilizando a Eq. (11 obtémse o gráfico da Fig V Ir 5,7 C 17, 4A 3 10H (18) 3

8 8,0 ma=0,5 7,6 7,2 6,8 ma=0,9 Zc=16 6,4 0 Figura 5. Variação da Tensão de Grampeamento Observando que para Zc=16 e ma=0,9 a tensão máxima é aproximadamente 8V. Como já destacouse anteriormente, o acréscimo de tensão nos interruptores é muito pequeno em relação ao inversor convencional. O comportamento da corrente If é obtido com a utilização da Eq.14 e da Eq. 2, e pode ser visto na Fig. 6. Observase que a corrente If possui um ponto de mínimo que esta situado em /2 e a corrente diminui sua intensidade com o aumento da carga. Para garantir a comutação suave em toda faixa de carga o valor mínimo da corrente If, obtido a partir da Eq. 14, deve ser superior ao valor da reta traçada a partir da Eq If ma=0, Ifmin ma=0,9 Zc= Resultados Experimentais Figura 6. Variação da Corrente If. Um protótipo de 1KVA do inversor operando com modulação PWM foi construído com o objetivo de comprovar os estudos teóricos. Para a implementação foram utilizados os seguintes parâmetros: 6.1 Especificações do Protótipo Pout = 1000 W Potência de Saída E = 400V Tensão de Barramento Vout = 127V Tensão Eficaz de Saída fout = 60Hz Freqüência da rga fs = 20 KHz Freqüência de Chaveamento,, Q3 Interruptores IGBT IRG4PC50W,, D3 Diodo Intrínseco do Mosfet IRFP460,, pacitância Intrínseca dos Interruptores, Núcleo EE30/7 8 voltas6 fios 20AWG // pacitor Eletrolítico 2 x 220uF/35V

9 Lout Rout Indutor de rga L = 2,5mH Resistor de rga R = Formas de Onda Experimentais As Figs. 7, 8e 9 mostram as formas de onda de tensão e corrente nos interruptores. Na Fig. 10 pode ser observada a corrente nos indutores de auxilio a comutação em um período de chaveamento. A Fig. 11 apresenta a tensão sobre o capacitor de grampeamento durante um período de rede. Observase que a tensão sobre o capacitor é bem reduzida. A tensão e corrente sobre a carga podem ser observadas na Fig. 12. Nas Figs. 13 e14 podem ser vistas as curvas de rendimento e perdas versus potência de saída, para diversas situações de carga. V I Figura 7. Tensão e corrente em e Escalas: 100V/div, 5A/div, 1us/div V I Figura 8. Tensão e corrente em e Escalas: 100V/div, 5A/div, 1us/div 5

10 V I Figura 9. Tensão e corrente em e Escalas: 100V/div, 5A/div, 1us/div I I Figura 10. Corrente em e Escalas: 5A/div, 10us/div V Figura 11. Tensão em Escalas: 2V/div, 2ms/div

11 Vout Figura 12. Tensão e corrente de saída Escalas: 50V/div, 5A/div, 5ms/div Figura 13. Rendimento do Inversor Proposto Figura 14. Perdas no Inversor 7. Conclusão Este artigo mostrou um novo inversor com alto rendimento para utilização em sistemas de alimentação ininterrupta. Ele opera com modulação PWM, comutação ZVS e grampeamento da tensão nos interruptores com o auxílio de apenas um interruptor controlado. Foram apresentadas as etapas de operação, equacionamento básico, principais formas de onda e resultados experimentais. A tensão no capacitor de grampeamento mostrouse baixa, privilegiando o dimensionamento dos interruptores, que não vêem acrescidos seus esforços de tensão. 7

12 O inversor proposto apresentou comutação suave em toda a faixa de carga confirmando os estudos teóricos. 8. Referências Bibliográficas Basset, John A. (1995). New Zero Voltage Switching, High Frequency Boost Converter Topology for Power Factor Correction. INTELELEC 95, pp Bingen, G. (1985). Utilisation de Transistor a Fort Current e Tension Elevee. Proceedings of First European Conference on Power Electronics and Applications, pp De Doncker, R. W.; Lyons, J. P. (1990). The Auxiliary Resonant Commutaded Pole Converter. Conference Records of IEEE IAS Annual Meeting, pp McMurray, W. (1990). Ressonant Snubbers with Auxiliary Switches. Conference Records of IEEE IAS Annual Meeting, pp Pietkiewicz, A.; Tollik, D. (1996). New High Power SinglePhase Power Factor Corrector With SoftSwitching. INTELEC 96, pp