ANÁLISE E IMPLEMENTAÇÃO DA ETAPA DE POTÊNCIA DE UM UPS UTILIZANDO UM CONVERSOR CC-CC BOOST DE 300W COM ESTÁGIO MULTIPLICADOR DE TENSÃO

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1 ANÁLISE E IMPLEMENTAÇÃO DA ETAPA DE POTÊNCIA DE UM UPS UTILIZANDO UM CONVERSOR CC-CC BOOST DE 3W COM ESTÁGIO MULTIPLICADOR DE TENSÃO Miranda, Rodrigo Alves.Graduando. enge_pr@yahoo.com.br Borges, Rodrigo da Silva.Graduando. rosgers@yahoo.com.br Bueno, Márcio Reginaldo.Graduando. marcioreginaldo@yahoo.com.br Gules, Roger. Engenheiro Eletricista,Dr. (orientador) rgules@gmail.com RESUMO O presente trabalho é uma abordagem de conversores CC-CC tipo Boost com blocos multiplicadores de tensão quando associados às configurações de inversores monofásicos meia-ponte ou ponte-completa com modulação senoidal a dois níveis. Sabe-se que os conversores Boost tradicionais apresentam algumas limitações tais como ganho estático intimamente ligado à razão cíclica de chaveamento do semicondutor de potência, o qual tipicamente é representado por um Mosfet, operação com elevada razão cíclica ou necessidade de maiores níveis de tensão dreno-fonte destes elementos para aplicações de elevada potência (elevada tensão de saída). A utilização de estágios multiplicadores de tensão nessa clássica topologia possibilita a especificação de Mosfets com característica de menor nível de tensão dreno-fonte além de permitir que esses semicondutores operem com menor razão cíclica de chaveamento, reduzindo perdas por condução e prolongando a vida útil desses componentes. O conhecimento do rendimento e do comportamento da etapa de potência como um todo, a qual pode ser composta pelas configurações de conversores CC-CC e de inversores abordadas, exige uma análise mais detalhada para uma possível aplicação em sistemas UPS de baixa potência. Palavras chave: Conversores CC-CC, Boost, razão cíclica, UPS, Mosfet. 1 INTRODUÇÃO A evolução tecnológica vivenciada pelas áreas de telecomunicações e informática no decorrer das duas últimas décadas e nos dias atuais é acompanhada da necessidade de fornecimento ininterrupto de energia de qualidade. Sabe-se que os sistemas de fornecimento ininterrupto de energia (do inglês UPS) e no Brasil conhecidos popularmente por No-Breaks desempenham um papel fundamental como cobertura no fornecimento de energia elétrica a equipamentos de grandes Centrais telefônicas, Centros de Processamento de Dados (CPD s) de diversas empresas (como os Bancos) e iluminação de emergência. Diversas são as topologias possíveis, havendo no mercado vários fabricantes e marcas associadas a esses equipamentos, os quais possuem custos de aquisição elevados em aplicações de grande porte. Em alguns casos, não havendo um equipamento específico para determinada aplicação, torna-se necessária a adaptação de um outro conforme disponibilidade de comercialização, o que também eleva os custos. Tendo em vista a necessidade de otimização dos circuitos, reduzindo perdas de energia, volume e custo desses equipamentos, a utilização de conversores CC-CC tipo Boost com estágio multiplicador de tensão em associação a inversores pode ser uma alternativa. Os sistemas UPS comerciais em geral utilizam conversores isolados, ou seja, necessitam de um transformador, o que eleva os custos, volume e peso desses equipamentos. Sabe-se que os conversores Boost tradicionais utilizam semicondutores de potência e elementos passivos como indutores e capacitores de forma a controlar o fluxo de potência elétrica da fonte para a carga. Contudo, os circuitos que se utilizam dessa topologia

2 apresentam algumas limitações tais como utilização de Mosfets com maior resistência de condução. Além disso, operações de elevada potência exigem razão cíclica maior, aumentando as perdas por condução e reduzindo a vida útil do componente. Por fim, um outro fato relevante diz respeito ao projeto dos indutores de entrada. Como esses conversores costumam trabalhar com elevada razão cíclica, isso significa uma maior corrente nesses elementos. Como conseqüência os indutores projetados são maiores, contribuindo também para a elevação das perdas, custos, volume e peso do equipamento. A utilização de um estágio multiplicador de tensão na topologia clássica permite que seja usada uma fonte de menor nível de tensão na entrada para um determinado ganho estático exigido para o circuito. De outra forma, pode-se entender que a utilização de uma fonte de mesmo nível de tensão em um conversor Boost clássico e um que utilize blocos multiplicadores permitiria ao segundo a adoção de um Mosfet de menor potência, significando uma menor resistência de condução e por conseqüência menor perda por condução desse componente. Além disso, essa elevação de tensão contribui para o fluxo de potência do circuito, possibilitando que o Mosfet fique menos tempo em condução, ou seja, exigindo uma menor razão cíclica no sinal modulado por largura de pulso aplicado ao componente. A utilização desse estágio na clássica topologia Boost resultando em um conversor CC-CC elevador com menos limitações deve ser avaliada como possível opção para etapas de potência de pequenos UPS. Assim, propõe-se um estudo do comportamento dessa topologia associada a inversores de tensão monofásicos tipo meiaponte e ponte-completa modulados a dois níveis. 2 METODOLOGIA O presente trabalho tem como escopo a análise e implementação de um conversor Boost com estágio elevador de tensão microcontrolado associado a um inversor de tensão ( o qual, nesse caso, pode ser meia-ponte ou ponte completa a dois níveis), objetivando conhecer o comportamento dessa associação e as perdas no circuito. Para tanto foram estabelecidos objetivos específicos para se chegar ao que foi proposto: - Conhecer o funcionamento da topologia do conversor CC-CC não-isolado tipo Boost com estágios multiplicadores de tensão; - Conhecer o funcionamento das topologias de conversores CC-CA monofásicos tipo meia-ponte e pontecompleta, acionados através de modulação por largura de pulso (MLP); - Simular a topologia proposta no programa de simulação de circuitos PSpice; - Analisar o desempenho dessa topologia quando associada ao estágio inversor de tensão; - Identificar os possíveis benefícios da aplicação dessa topologia; - Implementar a associação entre conversor CC-CC não-isolado BOOST com estágio multiplicador de tensão e os conversores CC-CA meia-ponte e ponte-completa monofásicos. - Comparar os dados obtidos na simulação e implementação; - Verificar as possíveis vantagens da utilização da topologia conversor CC-CC não-isolado BOOST com estágio multiplicador de tensão na etapa de potência de um UPS; 2.1 Conversores CC-CC não-isolados tipo Boost O ganho estático para um conversor Boost clássico ideal é definido pela equação (2.1). Quando a razão cíclica D é igual a um, o ganho estático tende ao infinito. Percebe-se por esta expressão que o valor mínimo de saída é igual a valor da tensão de entrada. A figura (2.1) apresenta a topologia para esse circuito.

3 Fig Conversor CC-CC elevador de Tensão (Boost). E E 1 = 1 D (2.1) A incorporação de um estágio multiplicador de tensão no circuito anterior conforme figura (2.2) permite a elevação do ganho estático sem uma dependência exclusiva da razão cíclica D de chaveamento do Mosfet. Fig Conversor CC-CC Boost com bloco. A equação (2.2) é a representação do ganho estático obtido para esse novo circuito, sendo M o número de blocos presentes no circuito. V V in M + 1 = 1 D (2.2) A pequena indutância Lr limita os efeitos da corrente de recuperação reversa dos diodos quando a chave S encontra-se fechada, ou seja, limita as perdas do Mosfet por condução da corrente de recuperação reversa. 2.2 Inversores de tensão monofásicos Os inversores de tensão monofásicos podem ser classificados em meia-ponte ou ponte-completa. A figura (2.3) apresenta um inversor na configuração meia-ponte enquanto na figura (2.4) está representada a configuração ponte-completa.

4 Fig Inversor de tensão monofásico meia-ponte. Fig Inversor de tensão monofásico ponte-completa. No contexto do projeto proposto utilizou-se a modulação senoidal a dois níveis. Nessa técnica de modulação a largura de cada pulso é definida proporcionalmente às amplitudes de um sinal de referência senoidal. Isso permite uma redução significativa do fator de distorção e das harmônicas de mais baixa ordem. Essa modulação é gerada a partir da comparação do sinal de referência senoidal de freqüência fo com uma onda portadora triangular de freqüência fp.a freqüência da componente fundamental do sinal de saída é definida pela freqüência do sinal de referência senoidal enquanto a amplitude deste ( Ar ) controla o chamado índice de modulação ( IM ), o qual está relacionado com a tensão de saída rms do inversor ( V ). O índice de modulação ( IM ) é obtido através da equação (2.3), sendo Ap a amplitude da onda portadora triangular. Ar IM = (2.3) Ap A tensão de saída rms ( V ) do inversor obtida na utilização dessa técnica é definida pela equação seguinte:

5 V p δm = V S m= 1 π 1 2 (2.4) sendo p o número de pulsos eδm a largura do m-ésimo pulso. 2.3 Módulo com microcontrolador MSP43F149 Optou-se pela utilização desse microcontrolador da Texas Instruments pelas características interessantes como baixo consumo, facilidade de programação, bem como facilidade de obtenção de kits de desenvolvimento e hardware. O MSP43F149 possui arquitetura RISC (Reduced Instruction Set Computer) e processamento em 16 bits, apresentando como principais características: conversor A/D com resolução 12 bits, oito entradas analógicas, memória Flash com 6 kb, memória RAM com 2 kb, duas portas seriais, 48 pinos de entrada e saída, tensão de alimentação de 1,8 a 3,6 Vcc, programação on board (sem a necessidade da remoção do componente), tamanho físico reduzido (aproximadamente 1 x 1 mm). Dentre as saídas disponíveis oito podem ser programadas para sinais MLP, atendendo a exigência mínima do projeto a qual é de três saídas MLP disponíveis. Sua programação foi desenvolvida no Software IAR Embedded Workbench. A figura (2.5) apresenta o fluxograma da programação. Início Configuração do A/D e saídas MLP Definir o vetor de 1 posições da senóide amostral para a saída na freqüência de 6Hz Ler A/D Calcular Razão Cíclica de Saída do MLP1 do Boost Ajustar tempo morto para saídas MLP2 e MLP3 do inversor baseado na posição atual da senóide amostral S Tempo de Interrupção alcançado? N Definir próxima posição da senóide amostral Fig Fluxograma da lógica de programação 3 RESULTADOS O projeto pode ser representado pelo diagrama geral de blocos disponibilizado na figura (3.1).

6 Módulo com microcontrolador MSP43F149 Etapa isolação ótica com circuito driver Conversor CC- CC Circuito inversor de tensão monofásico Ajuste externo MLP do conversor Boost Fig. 3.1 : Diagrama de blocos simplificado para o circuito proposto. Um potenciômetro externo é utilizado para o ajuste do sinal modulado por largura de pulso aplicado ao gate do Mosfet do conversor Boost. Esse sinal é gerado pelo módulo com microcontrolador juntamente com os sinais MLP definidos no programa. Esses sinais são aplicados a um circuito formado por optoacopladores do tipo 6N136 e drivers com o CI NE555. Dessa maneira o circuito de potência é isolado da etapa de controle, proporcionando mais segurança. A tensão de entrada de 24 do conversor CC-CC é fornecida pela associação em série de duas fontes Vcc ATX utilizando-se os conectores de 12 V. cc 3.1 SIMULAÇÃO As simulações foram realizadas para 3 ensaios possíveis: (a)boost clássico com inversor pontecompleta; (b)boost com bloco e inversor meia-ponte; e (c)boost com bloco e inversor ponte-completa. Para o ensaio (a) foram obtidos os sinais de saída e tensão sobre o Mosfet conforme figura (3.2). Fig. 3.2 : Sinal de saída e tensão sobre o mosfet para o ensaio (a). Na figura (3.3) estão os mesmos parâmetros obtidos para o ensaio (b). Fig. 3.3 : Sinal de saída e tensão sobre o mosfet para o ensaio (b).

7 4 CONCLUSÕES O desenvolvimento desse trabalho exigiu a realização de diversas etapas tais como revisões bibliográficas, estudo do funcionamento de conversores CC-CC não-isolados tipo Boost e inversores de tensão monofásicos. A realização da revisão bibliográfica permitiu uma análise do modo de operação dos circuitos propostos possibilitando o projeto e a especificação dos componentes utilizados no protótipo implementado. Após o projeto do protótipo, a utilização do simulador de circuitos Pspice proporcionou a visualização do comportamento dos circuitos projetados. Foram realizadas medições nos diversos pontos desses circuitos simulados, o que contribuiu para a verificação das características de operação já conhecidas. Cita-se, por exemplo, a razão cíclica mais elevada observada no conversor Boost clássico em relação à topologia Boost com bloco multiplicador de tensão. A tensão mais elevada sobre o Mosfet do Boost clássico foi outra característica também observada. Após as simulações iniciou-se a fase de implementação do protótipo. Como condição pré-estabelecida os conversores Boost deveriam operar a uma freqüência de chaveamento de 4kHz enquanto os inversores de tensão necessitariam de uma freqüência de 2kHz. O protótipo foi construído com jumpers previstos na placa de modo a facilitar a mudança da configuração do circuito e por conseqüência permitir a realização dos três ensaios. O acionamento dos mosfets do conversor CC-CC e do inversor foi realizado pelo módulo MSP43F149, o qual gerou os sinais modulados por largura de pulso. Os resultados obtidos com a implementação ficaram próximos aos obtidos no Pspice. Esses últimos permitiram concluir que as maiores perdas por dissipação no mosfet e nos diodos ocorreram no conversor Boost com bloco multiplicador e inversor ponte-completa enquanto a menor ficou para o que utiliza a configuração meia-ponte. No entanto características como elevada razão cíclica no Boost clássico também devem ser relevadas na definição da topologia a ser utilizada. 5 REFERÊNCIAS AHMED, Ashfaq. Eletrônica de Potência. São Paulo: Prentice Hall, 2. BARBI, Ivo; MARTINS, Denizar Cruz. Conversores CC-CC Básicos não-isolados. Florianópolis: Ed. dos Autores, 2. BARBI, Ivo. Projetos de Fontes Chaveadas. Florianópolis: Ed. do Autor, 21. BARBI, Ivo; ILLA FONT, Carlos Henrique; ALVES, Ricardo Luiz. Projeto Físico de Indutores e Transformadores. Florianópolis, 22. BOHM, Carlos André Raffi; GULES, Roger. High-Frequency UPS for Low Power Single-Phase Induction Motors. In: IV INDUSCON. Joinville, 24. INEP: DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA. No-Breaks (UPS) para não Projetistas. Florianópolis, INEP: DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA. Modulação PWM. Florianópolis, POMÍLIO, José Antenor. Conversores CC-CA. Disponível em: < Acesso em: 5 set. 26. POMÍLIO, José Antenor. Fontes Chaveadas. Disponível em: < Acesso em: 3 out. 26. PRUDENTE, M.; PFITSCHER, L.; GULES, R.A Boost Converter with Voltage Multiplier Cells. Universidade do Vale do Rio dos Sinos, São Leopoldo,[s.d.]. RASHID, Muhammad H. Power Electronics: Circuits, Devices and Applications.2nd ed.new Jersey: Prentice Hall, 1993.