Retificador Boost ZCS de alta potência

Análise, projeto e implementação de um retificador Boost
monofásico com alto fator de potência e comutação ZCS das chaves
Fabrício Alves Borges

FEELT-UFU

ANÁLISE, PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM RETIFICADOR BOOST
MONOFÁSICO COM ALTO FATOR DE POTÊNCIA E COMUTAÇÃO ZCS
DAS CHAVES

FEELT-UFU

Mestrando
1

Luiz Carlos Gomes de Freitas
Orientador

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)


1
2
3

4
5

6
2

FEELT-UFU

Introdução

Análise qualitativa e
quantitativa do conversor
Procedimento de projeto
Estratégia de controle
Resultados de simulação e
experimentais
Conclusão



1
2
3

4
5

6
3

FEELT-UFU

Introdução

experimentais
Conclusão



FEELT-UFU

Introdução
1

Evolução dos conversores
chaveados

4



FEELT-UFU

Introdução
1

Alta frequência
de chaveamento
e altas potências

Conversores
Ressonantes
(FM, PWM)
5



FEELT-UFU

Introdução
1

Proposta:
 Conversor chaveado com comutação não dissipativa ZCS;
 Simplicidade e robustez;
 Pré-regulador do fator de potência;
 Corrente de entrada com baixo THDI ;

6



1
2
3

4
5

6
7

FEELT-UFU

Introdução

experimentais
Conclusão



FEELT-UFU

Análise Qualitativa e Quantitativa do Conversor
2

Comutação ZCS em todas as chaves e toda faixa de carga
Lr1
D1

c

S1

Frequência de chaveamento fixa em altos valores

D3

a

Lr2

S3
D2

Ausência de sobretensão nas chaves

S2

Cr

Melhor distribuição de corrente nos semicondutores

p

8



FEELT-UFU

2

Melhor distribuição de corrente nos semicondutores

9



FEELT-UFU

2

Etapas de Operação:

10



FEELT-UFU

2

Etapas de Operação:

α – Condutância normalizada.
I0 – Corrente de entrada.
Vo – Tensão de saída.
Lr1 – Indutor ressonante.
Lr2 – Indutor ressonante.
Cr – Capacitor ressonante.
Z01 – Impedância característica do circuito ressonante formado por Lr1 e Cr.
Z02 – Impedância característica do circuito ressonante formado por Lr2 e Cr.
f01 – frequência de ressonância entre o indutor Lr1 e o capacitor Cr.
f02 – frequência de ressonância entre o indutor Lr2 e o capacitor Cr.

11



FEELT-UFU

2

Primeira Etapa: ∆t1 (t0-t1)

iLr1 (t1)
iLr2 (t1)

I0

IS3 (t1)

0

Vcr (t1)

Vo  Vo.cos(01.(t ))

∆t1
12

Vo
.sen(ω01.(t))
Z01


 02



FEELT-UFU

2

Segunda Etapa: ∆t2 (t1-t2)

iLr1 (t2)
iLr2 (t2)

I0

IS3 (t2)

0

Vcr (t2)

2Vo

∆t2
13

0


2.01



FEELT-UFU

2

Terceira Etapa: ∆t3 (t2-t3)

iLr1 (t3)

0

iLr2 (t3)

I0

IS3 (t3)

0

Vcr (t3)

2Vo

∆t3
14

D T 




02 201



FEELT-UFU

2

Quarta Etapa: ∆t4 (t3-t4)

iLr1 (t4)

0

iLr2 (t4)

0

IS3 (t4)

I0

Vcr (t4)
∆t4
15



Vo  1  1   2

arcsen( )



02



FEELT-UFU

2

Quinta Etapa: ∆t5 (t4-t5)

iLr1 (t5)
iLr2 (t5)

0

IS3 (t5)

0

Vcr (t5)

0

∆t5
16

0


1 1
1
 
1 
02  
2 





FEELT-UFU

2

Sexta Etapa: ∆t6 (t5-t6)

iLr1 (t6)
iLr2 (t6)

0

IS3 (t6)

0

Vcr (t6)

0

∆t6
17

0

T  (t1  t2  t3  t4  t5 )



FEELT-UFU

2

Planos de Fases:

18



FEELT-UFU

2

Ganho Estático:
Etapas
1ª Etapa

19

1
f  1 1 2  2 


1  D    
02 

2 



-Vo

4ª Etapa

G

-Vo

3ª Etapa

Vo
Vo  VD 0( med )

0

2ª Etapa

G

VD0(t)

vCr (t )  Vo  Vo  cos 02t 

5ª Etapa
6ª Etapa

∆t

02

t2 
2.01


t3  D  T 

02 201
t1 





vCr (t )  Vo. 1  1   2 

0

I0
.t
Cr

t 4 

t5 

arcsen( )

02


1 1
1
 
1 
2

02  




t6  T  (t1  ...  t5 )



FEELT-UFU

2

Gráficos do Ganho Estático:

20



FEELT-UFU

2


1
f
D  1 
G 02

21

1 1 2  2 





2 





FEELT-UFU

2


22



FEELT-UFU

2

Equações das Correntes nos Interruptores do Conversor:
Correntes
nos
indutores
ressonantes

Tempos ∆t
de cada
etapa de
operação

23

Equações
correntes
nas chaves
e diodos



1
2
3

4
5

6
24

FEELT-UFU

Introdução

experimentais
Conclusão



FEELT-UFU

Procedimento de Projeto
3

Retificador monofásico ZCS Boost PFC

Vin

Vo

Po

I0

Aplicação Industrial
25



FEELT-UFU

3

Aplicação industrial
 Fontes de alimentação de imãs corretores (CMPS –
Corrector Magnets Power Supplies) utilizados em
síncrotrons (aceleradores de partículas cíclicos);
 Os CMPS geralmente são bipolares com baixas
tensões e potências e alta precisão de regulação;

 Eram utilizadas fontes lineares e hoje estão sendo
substituídas por fontes chaveadas;
 São utilizados em dezenas ou até centenas de
unidades dependendo do tamanho do síncrotron.

26



FEELT-UFU

3

(CMPS -> ±20V/15A)

27



FEELT-UFU

3

Especificações de Projeto
Potência de saída, Po
Tensão de saída, Vo

102Vdc

Tensão de Entrada, Vin

40Vac

Corrente de carga, IL

4,41A

Resistência de carga, RL

23Ω

Frequência de chaveamento, fs

53kHz

Eficiência esperada, η

90%

Variação de corrente de entrada ∆I0

9%

Ripple da tensão de saída ∆Vo

9%

Variação da tensão de entrada Vin

28

450W

 102  49, 4 
2  35  

Vin  D
102

  264 H  270 H
Lf 

fs  I
53000  0, 09  20, 22

±11%

Co 

Po
450

 1270 F
2 fs  Vo Vo 2  60  0, 09 102 102



FEELT-UFU

3

Componentes da célula ressonante On-Off ZCS

 f02 >> fs

 iLr2max > I0
 iLr1max menor possível

1
2 Lr1  Cr
1
f 02 
2 Lr 2  Cr
f 01 

iLr1max  Vo

 Tf01/2 < Dmin.Ts
iLr 2max  Vo

29

Cr
Lr1

Lr1, Lr2, Cr

Cr
Lr 2



FEELT-UFU

3

Lr1
 Tf01/2 < Dmin.Ts

Dmin 

Vo  Vin p

f 01min 

f 01 

30

Vo



102  60
 0, 41
102

fs
 64, 63kHz
2 Dmin

Vo
2  Lr1  iLr1max

Deseja-se iLr1max = 0,6.I0



FEELT-UFU

3

Lr1
Lr1 

Vo
2  f 01  iLr1max

f 01min 

fs
 64, 63kHz
2 Dmin

f 01  2  f 01min

Lr1  12 H

31



FEELT-UFU

3

Cr
Cr 

32

1
1

 147 nF  150nF
2
2
2
2
6
4  f 01  Lr1 4 120000 12 10



FEELT-UFU

3

Lr2

f 02min  3,5  f s
iLr 2max  I 0max
I 0max  18, 6 A

Lr 2  3,5 H

33



FEELT-UFU

3

Lr1 - Lr2 - Cr
iLr1max

Cr
150 109
 Vo
 102
 11, 4 A
Lr1
12 106

iLr 2max

Cr
150 109
 Vo
 102
 21,11A
6
Lr 2
3,5 10

f 01 

f 02 

34

1
1

 118, 62kHz
6
9
2 Lr1 Cr 2 12 10 150 10

1
1

 219,6kHz
6
9
2 Lr 2  Cr 2 3,5 10 150 10



FEELT-UFU

3

Especificação dos semicondutores
Diodo D0

Diodo D1

Diodo D2

Diodo D3

HFA30TA60C

HFA30TA60C

HFA30TA60C

HFA30TA60C

ID0_pico = I0

ID1_pico

11,4 A

ID2_pico = I0

18,4 A

ID3_pico = I0

18,4 A

ID0_RMS

12,4 A

ID1_RMS

3,8 A

ID2_RMS

12,3 A

ID3_RMS

4,57 A

ID0_med

8,47 A

ID1_med

0,9 A

ID2_med

8,31 A

ID3_med

0,92 A

PD0_total

35

18,4 A

11,35W

PD1_total

1,08W

PD2_total

9,9W

PD3_total

1,1W



FEELT-UFU

3

Especificação dos semicondutores
Chave S1

Chave S2

Chave S3

Retificador

IRFP4668

IRFP4668

IRFP4668

TB358

IS1_pico

IS2_pico

18,4 A

IS3_pico = I0

18,4 A

IPR_pico = I0

18,4 A

IS1_RMS

3,8 A

IS2_RMS

12,3 A

IS3_RMS

4,57 A

IPR_RMS

7,1 A

IS1_med

0,9 A

IS2_med

8,31 A

IS3_med

0,92 A

IPR_med

6,4 A

PS1_total

36

11,4 A

0,2W

PS2_total

2,15W

PS3_total

0,3W

PPR_total

30,5W



FEELT-UFU

3

Análise das perdas totais
P
Totais  P  P 1  P 2  P 3  P 1  P 2  P 3  P 0  P
Lf
S
S
S
D
D
D
D
PR  P
RS  71, 45W

37



FEELT-UFU

3

Análise das perdas totais
 (%) 

38

Po
450
100 
100  86%
Po  P
450  71, 45
Totais



1
2
3

4
5

6
39

FEELT-UFU

Introdução

experimentais
Conclusão



FEELT-UFU

4

Pulsos para acionamento das chaves

Função Pré-regulador (PFC)

CI UC3854N (1 pulso de controle)

Função ZCS
3 pulsos de controle

S1,S2,S3
40



FEELT-UFU

4

Pulso para a chave S1
 Não necessidade de pulsos diferentes para as chaves S1 e S2
 Tensão (2Vo - Vo) sobre o diodo D1
 A tensão sobre S1 só aparecerá a partir da quinta etapa

41



FEELT-UFU

4

 Abertura no instante em que a corrente iLr2 passar por zero (quarta etapa)
 Quarta etapa é ressonante onde f02 da corrente iLr2 é conhecida
iLr 2(t )  I 0 

Vo
 s e n 02t 
Z 02

 O tempo em que iLr2 atinge zero depende do seu valor inicial
 Variação do período permitido para a abertura da chave S2
 Ajuste correto da abertura desta chave no instante de pico máximo

negativo de iLr2. Este tempo é Tr2/2 e pode ser calculado

42



FEELT-UFU

4


43



FEELT-UFU

4

 O pulso para a chave S3 deve ser enviado ∆t = Tr2/2 s antes da abertura da
chave S2.

44



FEELT-UFU

4

Correção do fator de potência – PFC
 Controle por corrente média no indutor Lf
 CI UC3854N – Texas Instruments

45



FEELT-UFU

4

Correção do fator de potência – PFC

46



FEELT-UFU

4

Circuito de controle da célula On-Off ZCS
 Defasagem ∆t do pulso “Vm” vindo do pino 16 do UC3854N através de um
circuito comparador utilizando o CI LM311.
 Pulso complementar de “Vm” através de um circuito inversor a transistor.

47



FEELT-UFU

4


C1   R11  R12   

48

1
2  f 02  ln(0,5)



FEELT-UFU

4


49



FEELT-UFU

4

Circuitos de gatilho
 Os terminais “Source” das chaves S1 e S2 estão conectados no mesmo
ponto e no terra do sistema.
 Circuito simples (push-pull) e de baixo custo.

50



FEELT-UFU

4

Circuitos de gatilho
 Para a chave S3 o pulso deve ser isolado.
 SKHI-10op da Semikron

51



1
2
3

4
5

6
52

FEELT-UFU

Introdução

experimentais
Conclusão



FEELT-UFU

Resultados de simulação e experimentais
5

Resultados de simulação
 Simulações realizadas no software PSIM®
 Circuito de potência:

53



FEELT-UFU

5

 Circuito de controle:

54



FEELT-UFU

5

 Tensão e corrente na chave principal S2

55



FEELT-UFU

5

 Tensão e corrente na chave S1

56



FEELT-UFU

5

 Tensão e corrente na chave S3

57



FEELT-UFU

5

 Tensões no capacitor ressonante Cr e no diodo D0

58



FEELT-UFU

5

 Planos de fase

59



FEELT-UFU

5

 Corrente no indutor Lf

60



FEELT-UFU

5

 Tensão de controle gerada pelo CI UC3854

61



FEELT-UFU

5

 Correção do fator de potência

62



FEELT-UFU

5

Resultados experimentais

63



FEELT-UFU

5


64



FEELT-UFU

5

 Boost PFC sem a célula On-Off ZCS

65



FEELT-UFU

5

 Boost PFC sem a célula On-Off ZCS

66



FEELT-UFU

5

 Boost PFC com a célula On-Off ZCS

67



FEELT-UFU

5


68



FEELT-UFU

5


69



FEELT-UFU

5


70



FEELT-UFU

5


71



FEELT-UFU

5


72



FEELT-UFU

5


73



FEELT-UFU

5

 Análise do rendimento do Boost PFC com a célula On-Off ZCS

74



1
2
3

4
5

6
75

FEELT-UFU

Introdução

experimentais
Conclusão



FEELT-UFU

Conclusão
5

 Análise qualitativa e quantitativa completa do conversor Boost
On-Off ZCS;
 Comutação com corrente nula (ZC) em todas as chaves;
 Ausência de sobrecorrente e sobretensão nas chaves;
 Redução do nível de EMI;
 Melhor distribuição de corrente nos semicondutores;

 Análise do ganho estático frente a variação de carga;
 Guia de projeto simples;
76



FEELT-UFU

Conclusão
5

 Controle do fator de potência com imposição de corrente de
entrada senoidal com baixo conteúdo harmônico;
 Técnica de controle por corrente média no indutor boost
utilizando o CI UC3854N da Texas Instruments®;
 Circuito de controle simples, robusto e de baixo custo;
 Resultados experimentais em conformidade com a análise

teórica e simulação computacional;
 Curva de rendimento;
77



FEELT-UFU

Conclusão
5

Trabalhos futuros
 Utilização do conversor proposto para tensão de alimentação
universal (80-270Vac);
 Ensaios de emissões de EMI;
 Utilização de IGBT’s para aplicações em alta frequência de
chaveamento e grande potências;
 Utilização de tiristores;

78


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