CONVERSOR CC-CC FB-ZVS-PWM-PS PARA GERAÇÃO DE PLASMA

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1 CONVERSOR CC-CC FB-ZVS-PWM-PS PARA GERAÇÃO DE PLASMA Marcello Mezaroba, Dr. Eng.; Luis César Fonana, Dr.; Jonahan Dômini Sperb, Eng.; Rafael Luis Klein Universidade do Esado de Sana Caarina UDESC. Cenro de Ciências Tecnológicas Campus Universiário Prof. Avelino Marcane, s/n, CEP: , Joinville, SC - Brasil. mezaroba@joinville.udesc.br; fonana@joinville.udesc.br; jonahan@joinville.udesc.br; rafaelluisklein@yahoo.com.br Absrac Ese rabalho apresena o projeo de um conversor CC-CC FB-ZVS-PWM-PS. Uma de suas principais caracerísicas é o isolameno em ala freqüência, resulando em ransformadores menores e comuação suave, diminuindo as perdas de comuação. A fone pode ser usada para produzir descargas em gases, ou seja, plasma. Para a obenção da ala ensão necessária para o plasma, são uilizados secundários em série. Apresena ainda conroladores de ensão e correne independenes, para a conenção de arcos volaicos e flexibilidade de uilização. Index Terms Conversor Isolado, fone chaveada, plasma. I. INTRODUÇÃO O raameno superficial de maeriais é um processo largamene uilizado na indúsria para melhorar propriedades caracerísicas da superfície dos maeriais como resisência ao desgase, resisência à corrosão, refleividade ou absorção de radiação, conduividade e superconduividade elérica, caálise enre ouras. O méodo mais uilizado para esa finalidade é o raameno químico, que em como principal desvanagem seu alo grau de poluição. Para a mesma finalidade, há ambém um campo de crescene desaque: raameno por plasma. O raameno superficial de maeriais por plasma é um processo físico, não poluene, e apresena vanagens ecnológicas sobre os processos químicos, principalmene no conrole dos parâmeros do processo que permiem excelene reproduibilidade dos resulados. Diversos resulados experimenais mosram que o plasma (quaro esado da maéria) gera insabilidade eleromagnéica no processo, induzindo arcos volaicos. Tano a fone de alimenação quano o maerial em raameno podem ser danificados na ocorrência de um arco inenso. Para conenção de arcos normalmene uiliza-se fones de ensão pulsada. Como solução alernaiva, procura-se implemenar uma fone de alimenação com um sisema de conrole capaz de auar eficazmene na conenção dos arcos, minimizando seus efeios. Desa maneira, propõe-se a uilização de um conversor CC-CC isolado, alimenado a parir da rede elérica monofásica uilizando um conversor CA-CC, com um sisema permanene de conrole de correne e ensão de saída visando à eliminação de arcos volaicos e uilizando uma écnica de comuação suave para reduzir as perdas de comuação. II. CIRCUITO PROPOSTO O circuio da eapa de poência do conversor é apresenado na figura 1. O conversor CC-CC FB-ZVS- PWM-PS em as iniciais das palavras que descrevem suas principais caracerísicas, que são: FB - Pone Complea (Full Bridge), ZVS - Comuação sob Tensão Nula (Zero Volage Swiching), PWM Modulação por Largura de Pulso (Pulse Widh Modulaion) e PS Deslocameno de Fase (Phase Shif). Vin A B T D5 D7 D9 1 Fig. 1. Circuio proposo. D6 Lo D8 Co Na écnica de modulação conhecida como Phase Shif (PS) os sinais de comando de cada braço são complemenares. A ensão V AB e a poência ransferida a carga são conroladas pela defasagem enre os sinais de comando dos braços, conforme represenado na figura 2. Vi -Vi Vab T Ts/2 Fig. 2. Sinais de comando e ensão V AB 2 Ts Ro

2 O conversor uiliza um ransformador de ala freqüência, que apresena como vanagem seu volume reduzido em comparação com ransformadores em baixa freqüência e irá proporcionar a isolação enrada-saída. Para ober uma ala ensão de saída, uiliza-se o ransformador com dois secundários ligados em série, de maneira que a ensão reversa nos diodos de saída seja reduzida. III. ETAPAS DE OPERAÇÃO Para simplificar a análise das eapas de operação, o ransformador é removido e a carga é represenada por uma fone de correne ideal, cujo valor é igual a I, que equivale à correne no secundário referenciada para o primário do ransformador. Todos os demais componenes são considerados ideais. Primeira eapa ( - 1 ): No insane a fone de correne I, que represena a carga, enconra-se curo-circuiada pelos diodos reificadores de saída. A correne do induor ressonane L r circula por S 2 e D 1. Segunda eapa ( 1-2 ): No insane 1 a chave S 2 é bloqueada. As ensões V e V, e a correne I variam de forma ressonane aé o insane 2, quando a ensão V ornase igual a zero. Terceira eapa ( 2-3 ): No insane 2 quando a ensão no capacior C 4 ainge zero, o diodo D 4 é polarizado direamene e enra em condução. A correne no induor decresce linearmene. Durane esa eapa a chave S 4 deve ser comandada a conduzir. Quara eapa ( 3-4 ): Esa eapa inicia no insane 3 quando a correne no induor L r ainge zero e invere de senido, circulando por S 1 e S 4. A correne no induor cresce linearmene e no final desa eapa ainge I `. Quina eapa ( 4-5 ): Durane esa eapa ocorre a ransferência de poência, aravés de S 1 e S 4. Sexa eapa ( 5-6 ): No insane 5 a chave S 1 é bloqueada. As ensões V e V variam de forma ressonane aé o insane 6, quando a ensão no capacior C 3 orna-se igual a zero. Séima eapa ( 6-7 ): No insane 6, quando a ensão no capacior C 3 ainge zero, o diodo D 3 é polarizado direamene enrando em condução. Durane esa eapa os diodos do eságio de saída se manêm em curo-circuio e a correne no induor L r circula por D 3 e S 4. Oiava eapa ( 7-8 ): No insane 7 a chave S 4 é bloqueada. As ensões V e V e a correne I variam de forma ressonane aé o insane 8, quando a ensão V ornase igual a zero. Nona eapa ( 8-9 ): A nona eapa inicia no insane 8 quando a ensão no capacior C 2 ainge zero, polarizando direamene o diodo D 2. A correne no induor decresce linearmene. Durane esa eapa a chave S 2 deve ser comandada a conduzir. Décima eapa ( 9-1 ): No insane 9 a correne em L r ainge zero e invere de senido, passando a circular por S 3 e S 2. Essa mesma correne cresce linearmene, igualando-se a I ` no insane 1. Décima primeira eapa ( 1-11 ): Durane esa eapa ocorre a ransferência de poência para a carga aravés de S 2 e S 3. Décima segunda eapa ( ): No insane 11 a chave S 3 é bloqueada. As ensões V e V variam de forma linear aé o insane 12, quando V orna-se igual à zero. As principais formas de onda para odas as eapas podem ser visas na figura 3. Os circuios equivalenes das eapas de operação esão apresenados na Figura 4. IV. CARACTERÍSTICAS DO PROJETO Vin = 311V Vo = 1V Vo máx = 13V Io nom = 1A Po = 1W Fs = 7kHz Vi -Vi Vi I' -I' I' I I Vab V' I I I V V I D5 I D8 ID6 I D7 Tensão de Barrameno Tensão Nominal de Saída Tensão Máxima de Saída Correne Máxima de Saída Poência Nominal Freqüência de Chaveameno Ts Fig. 3. Principais formas de onda.

3 Primeira Eapa Segunda Eapa Terceira Eapa Quara Eapa Quina Eapa Sexa Eapa Séima Eapa Oiava Eapa Nona Eapa Décima Eapa Décima Primeira Eapa Décima Segunda Eapa Fig. 4. Eapas de operação. V. COMANDO E CONTROLE O diagrama de blocos do circuio de comando e conrole pode ser observado na Figura 5. I ref V ref Conrolador de correne Conrolador de ensão Sensor de Correne Modulador Phase Shif Sensor de Tensão Alimenação Eapa de Poência Filro de Saída Fig. 5. Diagrama de blocos da lógica de conrole. V ou Foi uilizada uma lógica para o conrole em que os sinais de conrole são concorrenes, ou seja, ambos os conroladores podem auar nas condições de saída, sendo o conrole de correne predominane. Quando a correne de saída esá abaixo do valor de referência, o conrolador de correne permanece saurado e o conrole de ensão maném a ensão de saída regulada. Se a correne de saída enar exceder o valor da referência de correne, o conrolador de correne aua de maneira a reduzir a defasagem e, reduzindo a ensão de saída, a correne de saída fique conrolada. Esa lógica de conrole permie que ambos os conroladores sejam rápidos e consigam conrolar de maneira saisfaória ensão e correne de saída. A função de ransferência da plana de correne é dada em (1). Ns Vin Rsh 1 Gcor = 2 (1) Np Vd Lo s Onde: N s : número de espiras do secundário; V in : ensão de enrada; R sh : valor da resisência do sensor de correne; N P : número de espiras do primário; V d : ampliude da ensão da poradora do inegrado; L o : induância do filro de saída. Para o conrolador de correne foi uilizada uma esruura que apresena dois pólos e um zero, conforme definido em (2). ( s + ωzi ) Gccor = K (2) i s + ω s ( pi )

4 Para o projeo do conrolador de correne foram uilizados os seguines parâmeros: F Freqüência de cruzameno: s ; 5 Freqüência do pólo: F s ; 2 Freqüência do zero: F s. O diagrama de bode do conrolador, da plana e a função de ransferência de malha abera para a malha de correne são mosrados na figura 6. Para esas condições, a FTMA cor apresena Margem de fase de 6,3º e margem de ganho infinia. Mód (db) Fase 8 (graus) 1 G cor Gccor FTMAcor f(hz) f(hz) Fig. 6. Diagrama de bode da malha de correne. Para o conrolador de ensão foi uilizada uma esruura que apresena dois pólos e dois zeros, conforme definido em (4). ( s+ ωzv 1)( s+ ωzv2) Gcen = K (4) v ( s+ ω pv ) s Para o projeo do conrolador de correne foram uilizados os seguines parâmeros: Freqüência de cruzameno: Freqüência do pólo: Freqüência dos zeros: F s ; 4 C o F s ; 1 L o (freq. dos pólos da plana). O diagrama de bode do conrolador, da plana e a função de ransferência de malha abera para a malha de ensão são mosrados na figura 7. Para esas condições, a FTMA en apresena Margem de fase de 99,5º e margem de ganho infinia. Mód (db) Fase (graus) G en Gcen() f FTMAen f A função de ransferência da plana de ensão é apresenada em (3). Ns Vin AV 1 Gen = (3) Np Vd 2 Lo Co Lo s + s+ 1 Ro Onde: N s : número de espiras do secundário; V in : ensão de enrada; A V : ganho do sensor de ensão; N P : número de espiras do primário; V d : ampliude da ensão da poradora do inegrado; L o : induância do filro de saída; C o : capaciância do filro de saída; R o : resisência nominal da carga f Fig. 7. Diagramas de bode da malha de ensão. O conrolador foi desenvolvido uilizando amplificadores operacionais. Para ober o deslocameno de fase dos pulsos de comando, uilizou-se o inegrado UC VI. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Os principais componenes do circuio são apresenados na Tabela 1. A Figura 8 mosra a forma de onda de ensão no primário do ransformador e de um dos secundários, para poência nominal, com carga resisiva. Pela ensão do secundário pode-se observar a ensão reversa nos diodos de saída em orno de 7V.

5 TABELA I Principais componenes do Circuio de Poência Elemeno Tipo/Valor Dealhes S 1 S 4 IRGP35B6PD IGBT - Inernaional Recifier D 5 D 12 MUR 81 Diodo Ulra Rápido Lo 1,9mH Induor com núcleo de Ferrie. Co nf Capacior de Polipropileno 6,6 µh Induor com núcleo de Ferrie. T Ns 2,16 Np = Transformador, um primário, dois secundádios Nese caso, obeve-se a ensão de saída máxima do conversor, com correne reduzida. As formas de onda de ensão e correne de saída podem ser observadas na figura 11. Fig. 1. Tensão e correne na saída. (V/div, ma/div, 2µs /div) Fig. 8. Tensões no primário e secundário do ransformador. (1V/div, 2V/div, 2µs/div) A ocorrência de comuação suave pode ser visa na Figura 9. Há uma pequena sobreposição no insane do bloqueio, proveniene da circulação da correne pelo capacior inrínseco da chave. Fig. 11. Tensão e correne de saída do conversor, no plasma. (V/div; ma/div, ms/div) Fig. 9. Tensão e correne na chave. (1V/div, 1A/div, 2µs /div) A ensão e a correne aplicadas em carga resisiva podem ser observadas na Figura 1. As formas de onda foram adquiridas com ensão e correne ligeiramene acima da nominal. Ensaiou-se o conversor ligando-o ao reaor de plasma. Fig. 12. Tensão e correne de saída na ocorrência de um arco. (V/div, 5A/div, µs/div)

6 Pode-se observar ensão e correne de saída do conversor durane a ocorrência de arcos na figura 12. Observa-se o comporameno ransiório da ensão e o pico de correne provocado pela descarga do capacior de saída. Foram ambém levanadas curvas de ensão versus correne para a geração de descargas eléricas em gases (plasma), uilizando o conversor. No ensaio foi uilizado gás nirogênio puro à baixa pressão (~1-4 am; 1, mbar). A descarga é feia enre dois elerodos denro de uma câmara de vácuo. O elerodo uilizado como caodo da descarga, em nosso experimeno, é uma peça de cobre, com o formao e dimensões mosradas na figura 13. Correne (ma) Tensão (V),2 mbar,4 mbar Fig. 15. Caracerísica ensão x correne em Plasma de nirogênio a,2 mbar e,4 mbar. A figura 16 mosra o aspeco final do conversor monado. A figura 17 mosra o reaor onde foi ensaiado o conversor. 12,5mm 14,5mm 8,mm 38,1mm Fig. 13. Elerodo usado como caodo da descarga em um meio gasoso (plasma de nirogênio). Para diversos valores de pressão foi medida a correne em função da ensão aplicada. Os gráficos de ensão versus correne podem ser visos na figuras 14 e 15. O esado de plasma apresenou-se basane esável. Os micro-arcos volaicos, que é um fenômeno caracerísico de plasma produzido enre dois elerodos, foram aenuados pela forma de alimenação da fone. Isso permiiu elevar a emperaura do caodo aé cerca de 1ºC pelo bombardeameno iônico dos íons produzidos no plasma. Correne (ma) Tensão (V) 1 mbar 2 mbar Fig. 16. Reaor de Plasma uilizado nos ensaios. Fig. 14. Caracerísica ensão x correne em Plasma de nirogênio a 1 mbar e 2 mbar. Fig. 17. Conversor monado.

7 VII. CONCLUSÕES A uilização do conversor CC-CC FB-ZVS-PWM-PS é basane vanajosa, pois o circuio apresena diversas caracerísicas apreciáveis em circuios chaveados. A écnica da comuação suave é exremamene inerressane, pois melhora o rendimeno do conversor, uma vez que as perdas de comuação ornam-se basane reduzidas. A uilização de uma freqüência de chaveameno ala (7kHz) implica na redução considerável dos componenes magnéicos. Enreano, para freqüências mais elevadas, écnicas alernaivas para consrução dos elemenos magnéicos devem ser uilizadas, principalmene visando redução do efeio de proximidade e do efeio Skin. A comuação suave só aconece quando há energia suficiene armazenada no induor ressonane, ou seja, para poências próximas à nominal. Para poências muio baixas, a comuação suave deixa de aconecer e as perdas de comuação aumenam sensivelmene. Enreano, com poência abaixo da nominal, as perdas por condução são menores compensando o aumeno das perdas por comuação. Uilizando dois secundários, com reificação em pone complea, em série, foi possível alcançar a ala ensão necessária para fazer a ignição do plasma, sem que para isso fosse necessário o uso de diodos com ensão reversa muio elevada. Pôde-se observar que o sisema de conrole de correne mosrou-se muio eficaz na conenção de arcos. Com a uilização do conrolador de correne, a ocorrência de arcos e seus efeios desasrosos são minimizados e, com isso, elimina-se a possibilidade de danificar a fone. Com a uilização conjuna do conrole de ensão, obevese como diferencial a possibilidade de er-se uma ensão de saída esabilizada, consane e conrolada durane os períodos de operação normal (sem arco) e conrolada em correne na presença de arcos. Devido ao pequeno capacior de saída uilizado, pôde-se verificar que os arcos são conrolados e não há energia suficiene no capacior de saída para que ocorram problemas durane o processo, na evenual ocorrência de arcos. A uilização de conroles concorrenes possibiliou o uso de freqüências de cruzameno alas e desempenho dinâmico basane rápido em ambos os conroladores, garanindo o bom funcionameno do conversor no plasma, mesmo na presença de arcos. A descarga produzida em amosfera de nirogênio, alimenada por ese ipo de fone, mosrou-se muio eficiene para a aplicação em raameno de superfícies de maeriais, como nireação por plasma. O bombardeameno iônico do caodo proporcionou uma grande axa de ransferência de energia, elevando rapidamene a sua emperaura para aproximadamene 1ºC. REFERÊNCIAS [1] I. Barbi,F. P. Souza, Conversores CC-CC Isolados de Ala Freqüência com Comuação Suave, Edição dos Auores, Florianópolis, [2] I. Barbi, Projeos de Fones Chaveadas, Edição do Auor, Florianópolis, 1. [3] A. Marignoni, Transformadores, Ediora Globo, Poro Alegre, [4] R. P. T. Bascopé, A.J. Perin, O Transisor IGBT Aplicado em Elerônica de Poência, Sagra Luzzao, Poro Alegre, [5] M. L. Heldwein, Unidade Reificadora Trifásica de Alo Desempenho para Aplicação em Telecomunicação, Tese de Mesrado, Florianópolis, [6] S. V. G. Oliveira, Oimização de Projeo de Fones de Alimenação para Cenrais de Telecomunicações, Tese de Mesrado, Florianópolis, 1..