CONVERSOR CC-CC BOOST ZVS PWM DE TRÊS NÍVEIS COM GRAMPEAMENTO ATIVO

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1 CONERSOR CC-CC BOOST ZS PWM DE TRÊS NÍEIS COM GRAMPEAMENTO ATIO JEAN P. RODRIGUES, RODRIGO CIANFRONI, IO BARBI, ARNALDO J. PERIN INEP - EEL - UFSC Caxa Pstal 5119, Flranópls SC E-mals: jeanp@nep.ufsc.br, rdrg.canfrn@gmal.cm, vbarb@nep.ufsc.br, arnald.pern@nep.ufsc.br Abstract Ths wrk presents the study f a three level resnant CC-CC bst-bst cnverter wth sft swtch (ZS), actve clampng and PWM mdulatn wth cnstant frequency. The man advantages f ths tplgy are the hgh effcency and lwer vltage effrts n the swtches when cmparng wth tw level bst-bst cnverters. Keywrds CC-CC cnverter, Bst, sft swtch, PWM, three levels, multlevel. Resum Este trabalh apresenta estud de um cnversr ressnante CC-CC bst-bst de três níves cm cmutaçã nã dsspatva d tp ZS, grampeament atv e mdulaçã PWM cm freqüênca cnstante. As prncpas vantagens desta tplga sã alt rendment e menr tensã aplcada sbre s nterruptres cmandads em relaçã a cnversr bst-bst de ds níves. Palavras-chave Cnversr CC-CC, Bst, cmutaçã suave, PWM, três níves, multnível. 1 Intrduçã O us de cnversres ressnantes cm cmutaçã suave tem pr prncpal bjetv a reduçã das perdas de cmutaçã, que permte peraçã em freqüêncas mas elevadas. N entant, s cnversres ressnantes (Duarte, 1997) apresentam cm prncpas desvantagens mar perda em cnduçã e mar tensã aplcada sbre s semcndutres. Assm, cm a fnaldade de dmnur a tensã sbre s semcndutres, este trabalh prpõe uma estrutura cm um mar númer de níves. O presente trabalh tem pr bjetv um estud ncal de cnversres CC-CC multníves cm cmutaçã suave ZS (zer vltage swtchng), grampeament atv e mdulaçã PWM (pulse wdth mdulatn) cm freqüênca cnstante. A ênfase deste trabalh é dada a cnversr CC-CC bst de três níves cm grampeament atv também d tp bst, pr st este cnversr é chamad de bstbst. As tplgas de três níves têm cm prncpal vantagem a reduçã pela metade d valr de tensã que s nterruptres cmandads terã que suprtar, em relaçã a cnversr de ds níves também cm cmutaçã ZS e mdulaçã PWM. A referênca (Duarte, 1997) estuda váras famílas de cnversres de ds níves CC-CC ZS PWM cm grampeament atv. Estas famílas de cnversres cm cmutaçã ZS apresentam suas característcas mas próxmas as cnversres PWM cnvencnas à medda que elas utlzam mens a ressnânca. Dentre estas famílas de cnversres, bst-bst de ds níves também está detalhad na referênca (Duarte, 1997), mstrad na Fg. 1. O mtv de esclher cnversr CC-CC tp bst, deve-se a fat d mesm já apresentar aplcações medatas. Na seqüênca, detalha-se estud d cnversr bst-bst de três níves, mstrad na Fg. 2, através de suas etapas de peraçã, prncpas frmas de nda, característca externa, análse matemátca vsand prjet e smulações. Fg. 1 Bst-bst de ds níves cm cmutaçã ZS. 2 Cnversr Bst-Bst de Três Níves Ns estuds ncas das tplgas de ds e três níves, as seguntes cnsderações sã fetas: O cnversr está perand em regme permanente; Os nterruptres sã cnsderads deas; O ndutr de entrada d cnversr pssu uma rdem de grandeza tal que, juntamente cm a fnte de almentaçã, pssa ser representad pr uma fnte de crrente cnstante, assm cm capactr de saída pde ser representad pr uma fnte de tensã cnstante; O ndutr L r armazena uma quantdade de energa sufcente para cmpletar as cargas e descargas ds capactres ressnantes (C 1, C 2, C 3 e C 4 C r ) e plarzar s dds ntrínsecs ds nterruptres; A freqüênca de ressnânca d crcut frmad pr L r e a capactânca vsta pel barrament auxlar (C c ) é mut menr que a freqüênca de ressnânca d crcut frmad pr L r e C r. Ou seja, s capactres d barrament auxlar sã mut mares 220 f 225

2 que C r, pdend ser representads pr fntes de tensã cnstante. Na Fg. 2 é apresentada a célula de cmutaçã d cnversr bst-bst de três níves. Fg. 2 Bst-bst de três níves cm cmutaçã ZS. Para facltar a análse d cnversr prpst, a Fg. 2 pde também ser redesenhada cnfrme a Fg. 3. Fg. 3 Cnversr bst-bst de três níves redesenhad. 2.1 Característca de Transferênca Estátca Na Fg. 4 sã mstrads s snas de cmand ds nterruptres e as crrentes n ndutr ressnante e ns capactres C 5 e C 6, cnsderand a tensã 6 lgeramente mar que 5 e supnd que n nstante t 3 capactr C 1 alcança a tensã 6 e n nstante t 9 capactr C 4 atnge a tensã 5. A cndçã necessára para que crra cmutaçã cm tensã nula (ZS) ns nterruptres é cmandar cada nterruptr de md que cmand só se nce quand capactr, que está em paralel cm respectv nterruptr, estver descarregad. Em utras palavras, para que as cmutações nã sejam dsspatvas níc d nterval de cmand ds nterruptres S 1 e S 2 ( G1G2 ) deve estar entre t 10 e t 13 e níc d nterval de cmand ds nterruptres S 3 e S 4 ( G3G4 ) deve ser entre t 4 e t 7. A segur sã apresentadas as etapas de peraçã, utlzand as cnsderações descrtas neste tem. A Fg. 4 apresenta as prncpas frmas de nda d cnversr. A partr destas, descreve-se nterval de cada etapa de peraçã. 1ª Etapa [t 1 -t 2 ] Os nterruptres S 1 e S 2 cnduzem e a crrente n ndutr L r é pstva, cnstante e gual à I, ps dd D nã está plarzad. 2ª Etapa [t 2 -t 3 ] O nterruptr S 1 é blquead, mas S 2 anda cnduz. A crrente dvde-se entre s capactres ressnantes C 1, C 3 e C 4. Ou seja, a crrente d ndutr L r, que é cnstante e gual à I, é dvdda, 2I /3 para C 1 e I /3 para C 3 e C 4. Assm, a tensã sbre capactr C 1 cresce de zer até 6, a tensã de C 3 decresce de 6 para 6 /2 e a tensã sbre C 4 decresce de 5 para 5 6 /2. 3ª Etapa [t 3 -t 4 ] O nterruptr S 1 está blquead, mas S 2 anda cnduz. Esta etapa se nca quand a tensã d capactr C 1 alcança a tensã da fnte 6. Assm dd D 6 é plarzad e cnduz a crrente d ndutr L r, que anda é cnstante e gual à I. I 3 2I 3 I Fg. 4 Prncpas frmas de nda d cnversr bst-bst de três níves cm cmutaçã ZS. 221 f 225

3 Fg. 5 Etapas de peraçã d cnversr bst-bst de três níves cm cmutaçã ZS. 4ª Etapa [t 4 -t 5 ] O nterruptr S 2 é blquead e crre uma dvsã de crrente gual à da segunda etapa. Cnsderand a tensã 6 um puc mar que 5 entã as tensões sbre s capactres C 2 e C 3 a fnal desta etapa anda nã se anulam, cnfrme mstra a Fg. 5. 5ª Etapa [t 5 -t 6 ] Nesta etapa s dds D 4 e D 6 estã plarzads e a crrente d ndutr L r é dvdda gualmente (I /2) entre s capactres C 2 e C 3. Esta etapa é quase nstantânea e dura até a tensã d capactr C 3 se trnar nula. 6ª Etapa [t 6 -t 7 ] O dd D 3 é plarzad e a crrente d ndutr L r decresce lnearmente 222 f 225 prprcnal à ( 5 6 )/L r, desde I até chegar a zer. 7ª Etapa [t 7 -t 8 ] Os nterruptres S 3 e S 4, que já estavam habltads antes de t 7, cnduzem. A crrente d ndutr L r cntnua decrescend lnearmente, prprcnal à ( 5 6 )/L r, varand de zer até I. 8ª Etapa [t 8 -t 9 ] O nterruptr S 3 cntnua habltad e nterruptr S 4 é blquead. Ocrre um dvsr de crrente nvamente; um terç da crrente d ndutr carregará s capactres C 1 e C 2. Os utrs ds terçs desta crrente descarregam capactr C 4 até a tensã sbre este se anular.

4 9ª Etapa [t 9 -t 10 ] Nesta etapa nterruptr S 3 cntnua cnduznd e dd D 5 é plarzad, passand a cnduzr a crrente d ndutr L r. 10ª Etapa [t 10 -t 11 ] O nterruptr S 3 é blquead. Entã s capactres C 1 e C 2 cnduzem um terç da crrente d ndutr L r e capactr C 3 cnduz ds terçs desta crrente. O capactr C 2 é descarregad de 5 /2 até zer. O capactr C 1 também é descarregad até 5 /2, prém sua tensã em t 11 nã é nula e capactr C 3 é carregad cm dbr da descarga de C 2. Em t 11 a tensã em C 2 é gual à 5. 11ª Etapa [t 11 -t 12 ] Neste nterval s dds D 2 e D 5 estã plarzads e a crrente d ndutr L r é dvdda gualmente entre s capactres C 2 e C 3. Esta etapa tem duraçã quase nstantânea e termna quand C 2 é ttalmente descarregad. 12ª Etapa [t 12 -t 13 ] Agra dd D 5 é blquead e dd D 1 plarzad. Assm, a crrente crcula pr D 1 e D 2, crescend lnearmente prprcnal à /L r, de aprxmadamente I até zer. 13ª Etapa [t 13 -t 1 ] Nesta etapa s nterruptres S 1 e S 2, que já estavam habltads antes de t 13, cnduzem. A crrente d ndutr L r cntnua a crescer lnearmente prprcnal à /L r, desde zer até I. 2.2 Característca de Transferênca Estátca Cm bjetv de facltar s cálculs da característca de transferênca estátca desprezam-se s ntervals mut pequens, entre t 2 e t 6 e entre t 8 e t 12. Desta frma, a Fg. 4 é redesenhada cnfrme a Fg. 6. Observa-se nesta fgura que a razã cíclca D é defnda cm nterval entre blque ds nterruptres S 3 e S 4 e blque ds nterruptres S 1 e S 2. A razã cíclca é defnda desta frma, ps nã necessaramente cmand ds nterruptres deve ser cmplementar. ( ) (1) C5(t) C6(t) (t) I.t Lr Sabe-se que valr méd da equaçã (1) é nul, ps sstema é estável. Assm, ntegrand (1) encntra-se a expressã da tensã sbre barrament auxlar ( ), cnfrme mstra a equaçã a segur. 2L I r T(1 s D) (2) Para estud d cnversr sã defndas as seguntes varáves: β Relaçã da tensã d barrament auxlar cm a tensã de saída; (3) q Relaçã da tensã de saída cm a tensã de entrada; (4) L n Indutânca nrmalzada; A ndutânca nrmalzada L n é uma grandeza admensnal que f defnda em funçã da tensã de entrada, crrente de saída e períd de cmutaçã, cnfrme apresentad em (5). I I L n Lr Lr T T (5) s s O cálcul de β é realzad substtund (2) e (5) em (3). 2L β n 1 (1 D) (6) A partr de (6) é traçad um gráfc de β para dferentes valres da razã cíclca D. β Fg. 6 Frmas de nda smplfcadas d cnversr bst-bst de três níves. Utlzand estas aprxmações, a característca de transferênca estátca d cnversr bst-bst para ds u três níves é a mesma. Sabe-se que a crrente ncal ns capactres C 5 e C 6 é I. Entã, a crrente nestes capactres é descrta pela expressã (1). Fg. 7 Tensã nrmalzada n barrament auxlar. Para cnversr bst-bst de ds níves a tensã máxma sbre s nterruptres S 1 e S 2 é gual à tensã de barrament. erfca-se na Fg. 3 que n mesm cnversr, prém de três níves, a tensã nrmalzada máxma aplcada sbre s nterruptres é gual à /2. Observa-se na Fg. 7 que, quant menr fr valr da ndutânca ressnante 223 f 225

5 nrmalzada(l n ), menr será a tensã n barrament auxlar. A expressã da característca de transferênca é calculada a partr de (7). Esta equaçã se rgna pel fat d sstema ser estável. O valr méd das tensões ns ndutres L r e L sã nulas. Lg, tem-se a segunte relaçã entre a tensã e : 5 5, 0.999) 4, 0.9), 0.8), 0.6), 0.4), 0.2), 0), 0) (1 D) (7) Assm, q (1 D) Substtund (6) em (8), btém-se (9). n (8) 1 1 q u q (9) 1 D 2L 1 (D Δ 1.f ) Fg. 8 Característca de transferênca externa. Na Fg. 8 apresenta-se a característca de transferênca estátca d cnversr bst-bst cm dferentes valres da razã cíclca D. 2.3 Prjet Para mar cmpreensã d dmensnament ds cmpnentes d crcut, realzu-se um prjet cm as seguntes especfcações: 126 Tensã de entrada. f s 10kHz Freqüênca de cmutaçã. 490 Tensã de saída. P 1kW Ptênca de saída. Δ 1% Ondulaçã da tensã de saída. ΔI 45% Ondulaçã da crrente de entrada. Δ 15% Ondulaçã da tensã de barrament.. C r 8,2nF alr ds capactres ressnantes C r (C 1, C 2, C 3 e C 4 ). η 0,96 Rendment. Para a esclha da ndutânca ressnante, deve-se levar em cnta ajuste d cmand. Os snas de s cmands ds nterruptres S 1 e S 2 só pdem ser ncads após a descarga ds capactres ressnantes C 1 e C 2, prém estes cmands devem ser ncads antes da crrente n ndutr L r se trnar pstva para que a cmutaçã nã seja dsspatva. Para prprcnar uma determnada margem de segurança a cmand esclheu-se neste prjet uma ndutânca de 105µH, ps sua ndutânca mínma, aprxmadamente 50µH, dfcultara ajuste. L r 105μH L n 0,017. A razã cíclca é calculada sland D da expressã (9). n D 0,777 D 1 2.L A crrente efcaz na entrada e a resstênca de saída sã calculadas pelas expressões: P I 8,27A η. 2 R 240Ω P O dmensnament d capactr de saída é calculad da mesma manera que em um bst tradcnal. C D. f. Δ..R s C 32,3μ F Devd às capacdades de crrente especfcadas pels fabrcantes de capactres esclheu-se C 235μ F. O valr d ndutr de entrada pde ser calculad a partr da varaçã de crrente d mesm n nterval t 61. L ( ).t ΔI L 61 2,53mH ( ) ( ) 1 D 2.I.L r L. ΔI fs Cm a ntegral da expressã da crrente ns capactres C 5 e C 6 e a especfcaçã da varaçã das tensões ns mesms (Δ ) calcula-se C 5 e C 6. C ( ) ( ) ( ) 2 I.1 D.1 D C Δ.fs 4. Δ.L r.fs C5 C6 1,13μ F C5 C6 1,2μ F Utlzand (7) tem-se valr da tensã d barrament auxlar. (1 D) 565,5 2.4 Resultads Expermentas Os resultads prátcs d cnversr bst-bst de três níves cm as especfcações d prjet anterr, apresentadas na Fg. 9, estã representadas nas Fg. 10 e Fg f 225

6 v v C5 v C6 C5 C 5 1,2 F S 4 Ts 100 s D Tn 19,26 s 5 v G4 Tdelay 79,65 s D 6 S 3 Ts 100 s Tn 19,87 s v G3 Tdelay 79,65 s Ts 100 s Tn 78,51 s Tdelay 0 s S 2 v G2 C 6 1,2 F S 1 Ts 100 s v G1 Tn 77,90 s Tdelay 0 s C6 C 4 8,2nF C 3 8,2nF Lr Lr 105 H C 2 8,2nF C 1 8,2nF D L 2,54mH C 235 F Fg. 9 Crcut mplementad em labratór. v 126 R 240 entrada. Os rendments para 100%, 68% e 37% de carga fram respectvamente: 95,7%, 96,6% e 97,4%. Observu-se que para cargas menres que 70% s capactres ressnantes nã estã ttalmente descarregads n blque ds transstres, e a cmutaçã nã é ZS. Prém, nestes cass as perdas de blque sã cmpensadas pr menres perdas de cnduçã ns cmpnentes d crcut. Neste prjet as tensões sbre s capactres C 5 e C 6, que defnem dmensnament em tensã ds nterruptres, permanecem equlbradas para varações da tensã de entrada de zer até. erfcu-se que se fsse reduzd valr ds capactres ressnantes, aumentara a faxa de carga cm peraçã ZS, prém dfcultara ajuste das tensões em C 5 e C 6 de md a cnvergr para um valr aprxmad cm aument da tensã de entrada. 3 Cnclusã Fg. 10 Tensã sbre s nterruptres S 1 e S 2, tensã de cmand de S 1 e crrente d ndutr ressnante. Observu-se ns ensas que tds s transstres blqueam e entram em cnduçã cm tensã nula (cmutaçã ZS). As tensões e crrentes de entrada e de saída estã apresentadas da Fg. 11. As tplgas bst cm cmutaçã ZS têm a vantagem de reduzr as perdas de cmutaçã em relaçã a cnversr bst tradcnal. Assm, elas peram cm mar rendment em freqüêncas elevadas. Cmparand a tplga prpsta cm cnversr bst-bst ZS de ds níves (Duarte, 1997), verfca-se que na tplga em estud crre a reduçã da tensã ns nterruptres pela metade. Prém, cnversr de três níves pssu ds nterruptres bdrecnas em crrente e um capactr adcnal para cmpr a tensã de barrament auxlar, em relaçã a cnversr de ds níves. N cnversr de ds níves a tensã sbre únc capactr de barrament é estável, ps este capactr está submetd smente à tensã de barrament, que pssu valr méd cnstante em regme permanente. Já ns cnversres de três u mas níves, smente a sma das tensões sbre s capactres de barrament é sempre estável em regme permanente, prém as tensões médas ndvduas em regme permanente sbre cada um destes capactres, dependem d cmand e ds parâmetrs d crcut. P η P Fg. 11 Tensões e crrentes de entrada e de saída. 95,7% O crcut da Fg. 9 já pssu um ajuste de cmand para equlíbr das tensões ns capactres C 5 e C 6. Neste crcut também fram realzads ensas cm varaçã de carga e tensã de Referêncas Bblgráfcas Barb, I., Susa, F. P. de. (1999). Cnversres CC- CC Islads de Alta Freqüênca cm Cmutaçã Suave, Edçã ds Autres, Flranópls. Duarte, C. M. C. (1997). Cnversres CC-CC ZS- PWM cm Grampeament Atv, Tese de Dutrad, Flranópls, SC. Duarte, C. M. C. (2002). An Imprved Famly f ZS-PWM Actve-Clampng DC-t-DC Cnverters, Analyss and Realzatn f a Pulsewdth. IEEE Trans. On Pwer Electrncs, 17 vl f 225