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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação
Relatório Final de Atividades
PROJETO DE UMA FONTE CHAVEADA COM MÚULTIPLAS SAÍDAS ISOLADAS PARA O ACIONAMENTO DE CIRCUITOS DE BAIXA TENSÃO DE CONVERSORES ESTÁTICOS vinculado ao projeto Estudo e Implementação de Conversor Matricial para Alimentação de Cargas CA e CC, Utilizando Comutação Suave
Heitor Jose Tessaro Bolsista CNPq Engenharia Elétrica Data de ingresso no programa: 07/2013 Prof(ª). Dr(ª). Carlos Marcelo de Oliveira Stein
Área do Conhecimento: (Eletrônica de Potência, Conversão e Retificacão de Energia Elétrica)
CAMPUS PATO BRANCO, 2014
PROJETO DE UMA FONTE CHAVEADA COM MÚULTIPLAS SAÍDAS ISOLADAS PARA O ACIONAMENTO DE CIRCUITOS DE BAIXA TENSÃO DE CONVERSORES ESTÁTICOS Heitor José Tessaro [Bolsista PIBIC] 1, Carlos Marcelo De Oliveira Stein [Orientador] 2 1
Coord. De Engenharia Elétrica
2
Coord. De Engenharia Elétrica
Campus Pato Branco Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR Via do Conhecimento, Km 1 – Pato Branco/PR, Brasil - CEP 85503-390
[email protected],
[email protected]
Resumo – Este relatório aborda o desenvolvimento de um conversor com múltiplas saídas que utiliza a topologia meia ponte a ser utilizado na alimentação dos circuitos de controle e drivers de conversores mais complexos, como conversores matriciais. Inicialmente é realizada uma introdução das princípais partes do circuito, comentando o funcionamento do circuito inversor meia ponte, do circuito snubber, do circuito Buck de saída e finalmente é apresentado o circuito completo. Na sequência é apresentado a lista dos componentes projetados, juntamente com algumas simulações do circuito. Palavras-chave: Conversor meia ponte, fonte de alimentação chaveada, conversor de múltiplas saídas. Abstract – This report discusses the development of a half bridge converter with multiple isolated outputs to powered control and driver circuits. First, is made an introduction about main circuit parts, tanking about inverter, snubber, and Buck circuits and their operation. After, the complete circuit is shown. Finaly, the projected components list a,d some simulations are shown. Keywords: Half bridge converter, SMPS, multiple isolated outputs converter.
INTRODUÇÃO No início de seu trabalho, Guepfrih [1], faz uma breve apresentação sobre o consumo percentual de energia elétrica nos setores industrial, comercial e residencial, demonstrando que o maior consumo está concentrado em aplicações industriais. Ele também apresenta dados os quais comprovam que o aumento percentual do consumo vem sendo maior que o da oferta de energia elétrica. Motivado por estes dados e pelo aumento do uso de conversores estáticos de energia nos últimos anos, ele apresenta uma nova topologia de acionamento de conversores, visando a diminuição das perdas com comutação. Juntamente com o aumento do uso dos conversores, a utilização de inversores está crescendo progressivamente, principalmente no controle de motores. Outra aplicação que utiliza chaves semicondutoras controladas são os retificadores controlados, que dentre as aplicações pode ser citada a utilização em unidades eólicas de geração. Circuitos de conversores, como apresentado por Guepfrih [1], de inversores e retificadores controlados, possuem chaves semicondutoras, circuitos de comando, circuito de controle e sensores que não possuem o mesmo nível de terra, necessitando de fontes distintas
para seus acionamentos a fim de evitar um curto circuito. Uma alternativa à utilização de fontes lineares, que segundo Mohan [2], possuem eficiência entre 30% e 60% e utilizam transformadores volumosos por operarem em baixas frequências, seria a utilização de fontes chaveadas isoladas, que, conforme descrito por Kassakian [3], se diferem pela adição de um transformador de alta frequência em um conversor chaveado, proporcionando assim, isolamento galvânico. Com a necessidade de alimentar circuitos que não estejam no mesmo referencial de terra, Kassakian [3], Erickson [4] e Mohan [1] afirmam que as fontes chaveadas isoladas podem ser aplicadas, onde a isolação se dá através da adição de um transformador ao circuito de um conversor chaveado. Os mesmo autores, juntamente com Rashid [5], dizem que além da isolacão, as fontes chaveadas trazem como benefícios a alta eficiência, uma significante reducão no tamanho do transformador utilizado, por operar em alta frequência, e a possibilidade de existirem várias saídas isoladas em uma mesma fonte, devido à adição de enrolamentos secundários ao transformador ou à adição de transformadores em paralelo. Segundo Mohan [2], Rashid [5], Hart [6] e Barbi [7], as principais topologias de fontes chaveadas são Flyback, Forward, Push-Pull, Half-Bridge (Meia Ponte) e Full-Bridge (Ponte Completa). Comparativos entre as topologias, apresentados por Rashid [5] e Hart [6], auxiliaram na escolha do circuito Meia Ponte na realização deste projeto. Segundo Mohan [2], Rashid [5] e Hart [6], as principais desvantagens das topologias Forward e Flyback se comparadas com o de Meia Ponte, são o tamanho dos transformadores os quais necessitam ser maiores por utilizarem apenas meio ciclo na conversão feita pelo transformador. Rashid [5] e Hart [6] complementam dizendo que a tensão de bloqueio nas chaves é o dobro do que no de Meia Ponte. Na comparação da topologia de Ponte Completa, Rashid [5] traz como vantagem da topologia de Meia Ponte a utilização de menos chaves, ocasionando na necessidade de menos circuitos de acionamento e menor complexidadee. METODOLOGIA Inversor meia ponte. O inversor meia ponte ou half bridge, pode ser exemplificado pela figura 1. Basicamente é composto por duas fontes de CC (corrente contínua), por duas chaves e pela carga. As duas fontes CC podem ser formadas por um divisor de tensão capacitivo, que pode ser carregado através de um retificador, por meio de uma fonte CA (corrente alternada) [5]. Tomando como base a figura 1, o processo desenvolvido pelo inversor meia ponte pode ser dividido em dois intervalos, que correspondem aos intervalos em que cada umas das chaves Ss está conduzindo. Assm, sendo S1 à conduzir inicialmente, aparecerá uma corrente fornecida pela fonte superior, que passará por S1, por R, finalmente retornando à fonte superior. No momento em que S1 para de conduzir e S2 passa para o estado de condução, a corrente fornecida à carga, e fornecida pela fonte inferior, ocasionando na inversão da polarização da tensão sobre R. A corrente agora, flui do terminal positivo da fonte inferior, passa pela carga, por S2 e retorna à fonte. O sinal de tensão Vr e das correntes i1 e i2, são apresentadas na figura 2 [5].
Vs/2
S1
i1
S2
i2
Vr R
Vs/2
Figura 1. Circuito inversor meia ponte. Vr Vs/2
0
T/2
T
-Vs/2
i1 Vs/2R 0
T/2
T
i2 0
T/2
T
-Vs/2R
Figura 2. Onda de tensão Vr, e das correntes i1 e i2.
Conversor Buck. Em um conversor CC-CC Buck, a tensão média de saída Vo é menor que a tensão de entrada Vi. A figura 3 apresenta o circuito de um conversor CC-CC Buck, o qual apresenta um filtro de saída formado pelo indutor L e pelo capacitor C, e utiliza um MOSFET como chave semicondutora. A operação deste circuito pode ser dividida em dois modos. O modo 1 se inicia quando o transistor S é ligado em t = 0 e a corrente de entrada, que cresce, flui através do indutor de filtro L, do capacitor C e da carga. O modo 2 se inicia quando o transistor S é desligado em t = t1 e o diodo de comutação D conduz devido à energia armazenada no indutor e a corrente continua a fluir através de L, C, carga e diodo D. A corrente no indutor decresce até que o transistor S conduza novamente no próximo ciclo [6]. L S DC
D
C
R
Figura 3. Circuito de um conversor Buck.
Snubber. Os circuitos snubbers, são circuitos utilizados para amortecer o stress sofrido pelas chaves semicondutoras em momentos de transição. Os snubbers podem ser utilizados para limitar a tensão aplicada aos dispositivos durante a comutação para o estado de bloqueio, limitar corrente durante a comutação para o estado de comutação e para limitar a varição de corrente, tanto durante a comutação para o estado de comutação quanto para o estado de bloqueio. Dependendo de sua função, a configuração do circuito snubber é modificada [2]. Nos períodos transitórios de comutação, as chaves semicondutoras sofrem grande stress, devido as sobretenções e sobrecorrentes presentes respectivamente no bloqueio e no início da condução. Esse stress sofrido pelas chaves ocasiona em uma alta dissipação de potência, o que pode danificar o dispositivo [2]. Os circuitos snubber turn-off (para bloqueio) são compostos por um circuito RCD (resistor, diodo e capacitor), proporcionando a eliminação da sobretenção no momento do bloqueio da chave semicondutora. Um exemplo da configuração do circuito é apresentado na figura 4 [2]. A atuação do circuito da figura 4 pode ser exemplificada da seguinte forma: antes de realizar a comutação para o estado de bloqueio, a tensão sobre a chave, e por consequência sobre o circuito snubber, é zero. Quando a chave realiza a comutação para o estado de bloqueio, a corrente que estava passando por ela, começa a passar através do diodo e do capacitor do circuito snubber, diminuindo a corrente na chave imediatamente para zero. Devido ao funcionamento do capacitor, a tensão sobre a chave e do circuito snubber varia lentamente, até que o capacitor esteja carregado, fazendo com que não ocorra sobretensão sobre a chave. No próximo periodo de condução da chave, a energia armazenada no capacitor é dissipada através da mesma e do resistor do circuito snubber [2]. Snubber
R
D
S
C
Figura 4. Circuito snubber para bloqueio. Circuito completo do conversor. Baseando-se nos autores [2, 3, 4, 5, 6 e 7] , desenvolveu-se o circuito completo do conversor apresentado na figura 5. Por simplificação, o circuito da figura 5 contêm apenas duas saídas, que representam os dois níveis de tensão que serão utilizados nas 6 saídas desejadas.
L1 D7
D9
D5 S1 D1
D3
R1
C1
C5
R3
C6
R4
C3 D8
D10
Fonte S2 D2
D4
C2
L2
D6 R2
D11
D13
C4
D12
D14
Figura 5. Circuito completo proposto.
A primeira parte do circuito da figura 5, constituída pela fonte e pelos diodos D1, D2, D3 e D4, sendo que estes constituiem o circuito retificador. Os capacitores C1 e C2 atuam como filtro para o retificador e como o divisor de tensão capacitivo para o circuito inversor. As Chaves S1 e S2 também fazem parte do circuito inversor. Já diodos D5 e D6, os resistores R1 e R2, e os capacitores C3 e C4 contituem os dois circuitos snubbers das chaves S1 e S2. Os diodos D7 à D10 constituem o retificador da saída 1 além de fazer parte do circuito Buck simplificado, juntamente com o indutor L1, o capacitor C5 e o resistor R3, que representa a carga. O mesmo é valido para os diodos D11 à D14, o indutor L2, o capacitor C6 e o resistor R4. RESULTADOS E DISCUSSÃO Requisitos. Como requisitos para o projeto do conversor estão a tensão de entrada, o número de saídas, o valor de tensão e de potência para cada saída. Considerou-se o valor de tensão de 127 Vrms para a entrada do conversor. Em relação ao número de saídas, difiniu-se o número de duas saídas de 5 V e 5 W, destinadas à alimentação de circuitos de controle, sendo um o controlador do conversor, e cinco saídas de 12 V e 12 W, destinada à alimentação de drivers. Definiu-se que a frequência de chaveamento seria de 50 KHz, resultando em um sinal de frequência de 100 KHz aplicado ao filtro dos circuitos Buck, isso devido à característica de dobra da frequência do circuito inversor meia ponte. Sendo que a estratégia de controle adotada foi PI. Projeto dos dispositivos. Baseando-se na literatura, projetou-se os componentes do circuito presentes na figura 5. A tabela 1 apresenta a lista dos componentes projetados. Simulação do Circuito. A figura 6 apresenta os sinais de tensão presentes em uma das saídas de 5 V e em uma das saídas de 12 V. Para esta simulação adotou-se o controle somente da saída de 5 V, e realizou-se as seguintes perturbações no circuito: alívio de carga de 50% da carga em uma das saídas de 12 V, seguido por um aumento de carga de 50% na saída de 5 V, e por fim, um alívio de carga na mesma saída de 5 V. Já para a simulação da figura 7 adotouse o controle de duas saídas, considerando uma participação de 70% na ação de controle proveniente do erro de uma das saídas de 5 V, e os 30 % restantes, provenientes do erro de uma das saídas de 12 V.
Tabela 1. Lista dos componentes projetados. Dispositivo ou parâmetro D1, D2, D3 e D4 C1 e C2 C3 e C4 D7, D8, D9, D10, D11, D12, D13 e D14 C5 e C6 L1 e L2 S1 e S2 Transformador de Ferrite Microcontrolador
Valor e características 1N5404 4700 µF / 100 V 1,11 ηF / 200 V UF5404 10 µF / 50 V 90 µH IRF610 1 entrada / 7 saídas Piccolo F28x 32-bit
Figura 6. Sinal de tensão das saídas de 5 V e 12 V, semi-controlado.
Figura 6. Sinal de tensão das saídas de 5 V e 12 V, controlando ambas as saídas.
CONCLUSÕES Após realizado o projeto dos componentes e realizadas as simulações, pode-se afirmar que o circuito proposto atende aos requisitos de projeto, de fornecer múltimas fontes de tensão isoladas, podendo assim, alimentar vários circuitos com diferentes referênciais, sem correr o risco de curto circuito. Com relação ao controle proposto, como por ser verificados nas figuras 6 e 7, em ambas as situações a resposta foi satisfatória. A escolha entre uma das topologias depende das características do circuito onde este irá ser utilizado. Drivers normalmente aceitam escursões de tensão entre 10 V e 20 V, sendo assim, ambas as opções são aceitas. Mas para prevenir excursoes de tensão abaixo de 10 V, nas saídas destinadas à alimentação de drivers, a segunda alternativa é mais aconselhavel, já que considera o erro de tensão em tais saídas, e não apresenta variações de tensão tão significativas nas saídas de 5V, já que circuitos de controle normalmente operam com tensões entre 3,5 V e 6 V. Outro benefício do circuito proposto, é a fácil ampliação do mesmo, sendo necessário apenas redimensionar a potência do circuito retificador, inversor, e alteração do trafo, podendo assim, se ter um maior número de saídas com um único circuito. Entre as possíveis formas de melhoria e continuidade do projeto está a implementação do mesmo para que pode-se realizar ajustes nescessários e verificação do funcionamento, além do aumento do número de saídas do circuito, ou variação da potência ou tensão das mesmas. AGRADECIMENTOS Agradecimento ao Prof. Dr. Carlos Marcelo de Oliveira Stein pela oportunidade de projeto, à UTFPR e ao CNPq pelo apoio financeiro. REFERÊNCIAS [1] GUEPFRIH, Marcelo F. Conversor Matricial com Comutação Suave. Dissertação (Mestrado) – Dissertação – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, 2012. [2] MOHAN, Ned; UNDELAND, Torre M.; ROBBINS, Willian P. Power Eletronics: Converters, Aplications and Design. 3ª ed. John Wiley & Sons, 2003. [3] KASSAKIAN, John G.; SCHLECHT, Martin F.; VERGHESE, George C. Principles of Power Eletronics. ADDSION-WESLEY PUBLISHING COMPANY, 1991. [4] ERICKSON, Robert W.; MAKSIMOVIC, Dragan. Fundam Design of Power Eletronics, 2ª ed. Kluwer Academic Publishers, 2004. [5] RASHID, Muhammed H. Power Eletronics – Circuits, Devices and Applications, 3ªed. Pearson Education, 2004. [6] HART, Daniel W. Eletrônica de Potência: análise e projetos de circuitos. McGraw-Hill, 2012. [7] BARBI, Ivo. Eletrônica de Potência: Projetos de Fontes Chaveadas. 2ª ed. UFSC, 2006.
