Apresentação dissertação de mestrado - ANÁLISE, PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM RETIFICADOR...

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)1

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

Luiz Carlos Gomes de FreitasOrientador

Fabrício Alves BorgesMestrando

1

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)2

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

2

1Introdução

2Análise qualitativa e quantitativa do conversor

3 Procedimento de projeto

4Estratégia de controle

5Resultados de simulação e experimentais

6Conclusão

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)3

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

Introdução

2Análise qualitativa e quantitativa do conversor

3 Procedimento de projeto

4Estratégia de controle

5Resultados de simulação e experimentais

6Conclusão

1

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)4

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

1 Introdução

Evolução dos conversores chaveados

Baixo fator de potência

EMI

Perdas por chaveamento

Redução do volume e peso

Alta frequência de chaveamento

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)5

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

1 Introdução

Alta frequência de chaveamento e altas potências

Conversores Ressonantes (FM, PWM)

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)6

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

1 Introdução

Proposta:

Conversor chaveado com comutação não dissipativa ZCS;

Simplicidade e robustez;

Pré-regulador do fator de potência;

Corrente de entrada com baixo THDI ;

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)7

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

Introdução

3 Procedimento de projeto

4Estratégia de controle

5Resultados de simulação e experimentais

6Conclusão

1

2Análise qualitativa e quantitativa do conversor

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)8

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

2 Análise Qualitativa e Quantitativa do Conversor

Comutação ZCS em todas as chaves e toda faixa de carga

Cr

D3

D2 S2S3

S1D1

Lr2

Lr1

a

c

p

Frequência de chaveamento fixa em altos valores

Melhor distribuição de corrente nos semicondutores

Ausência de sobretensão nas chaves

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)9

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

Melhor distribuição de corrente nos semicondutores

2 Análise Qualitativa e Quantitativa do Conversor

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)10

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

2 Análise Qualitativa e Quantitativa do Conversor

Etapas de Operação:

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)11

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

2 Análise Qualitativa e Quantitativa do Conversor

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.

Etapas de Operação:

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)12

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

2 Análise Qualitativa e Quantitativa do Conversor

Primeira Etapa: ∆t1 (t0-t1)

iLr1 (t1)

iLr2 (t1) I0

IS3 (t1) 0

Vcr (t1)

∆t1

0101

Vo .sen(ω .(t))Z

01.cos( .( ))Vo Vo t

02

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)13

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

2 Análise Qualitativa e Quantitativa do Conversor

Segunda Etapa: ∆t2 (t1-t2)

iLr1 (t2) 0

iLr2 (t2) I0

IS3 (t2) 0

Vcr (t2) 2Vo

∆t2 012.

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)14

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

2 Análise Qualitativa e Quantitativa do Conversor

Terceira Etapa: ∆t3 (t2-t3)

iLr1 (t3) 0

iLr2 (t3) I0

IS3 (t3) 0

Vcr (t3) 2Vo

∆t3 02 012D T

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)15

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

2 Análise Qualitativa e Quantitativa do Conversor

Quarta Etapa: ∆t4 (t3-t4)

iLr1 (t4) 0

iLr2 (t4) 0

IS3 (t4) I0

Vcr (t4)

∆t4

21 1Vo

02

( )arcsen

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)16

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

2 Análise Qualitativa e Quantitativa do Conversor

Quinta Etapa: ∆t5 (t4-t5)

iLr1 (t5) 0

iLr2 (t5) 0

IS3 (t5) 0

Vcr (t5) 0

∆t5 202

1 1 1 1

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)17

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

2 Análise Qualitativa e Quantitativa do Conversor

Sexta Etapa: ∆t6 (t5-t6)

iLr1 (t6) 0

iLr2 (t6) 0

IS3 (t6) 0

Vcr (t6) 0

∆t6 1 2 3 4 5( )T t t t t t

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)18

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

2 Análise Qualitativa e Quantitativa do Conversor

Planos de Fases:

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)19

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

2 Análise Qualitativa e Quantitativa do Conversor

Ganho Estático:

0( )D med

VoGVo V

Etapas VD0(t) ∆t

1ª Etapa 0

2ª Etapa -Vo

3ª Etapa -Vo

4ª Etapa

5ª Etapa

6ª Etapa 0

02( ) cosvCr t Vo Vo t

2 0( ) . 1 1 .I

vCr t Vo tCr

102

t

2012.

t

302 012

t D T

402

( )arcsent

5 202

1 1 1 1t

6 1 5( ... )t T t t

2 2

02

1

1 112

GfD

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)20

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

2 Análise Qualitativa e Quantitativa do Conversor

Gráficos do Ganho Estático:

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)21

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

2 Análise Qualitativa e Quantitativa do Conversor

Gráficos do Ganho Estático:

2 2

02

1 1 112

fDG

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)22

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

2 Análise Qualitativa e Quantitativa do Conversor

Gráficos do Ganho Estático:

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)23

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

2 Análise Qualitativa e Quantitativa do Conversor

Equações das Correntes nos Interruptores do Conversor:

Correntes nos

indutores ressonantes

Tempos ∆t de cada etapa de operação

Equações correntes

nas chaves e diodos

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)24

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

Introdução

4Estratégia de controle

5Resultados de simulação e experimentais

6Conclusão

1

2Análise qualitativa e quantitativa do conversor

3 Procedimento de projeto

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)25

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

3 Procedimento de Projeto

Retificador monofásico ZCS Boost PFC

Vin

Vo

I0

Po

Aplicação Industrial

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)26

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

3 Procedimento de Projeto

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.

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)27

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

3 Procedimento de Projeto

(CMPS -> ±20V/15A)

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)28

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

3 Procedimento de Projeto

Especificações de ProjetoPotência de saída, Po 450WTensão de saída, Vo 102Vdc

Tensão de Entrada, Vin 40VacCorrente de carga, IL 4,41A

Resistência de carga, RL 23ΩFrequência 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 ±11%

102 49,42 35102 264 270

53000 0,09 20,22fVin DL H Hfs I

450 12702 2 60 0,09 102 102

PoCo Ffs Vo Vo

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)29

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

3 Procedimento de Projeto

Componentes da célula ressonante On-Off ZCS

max11

CriLr VoLr

max22

CriLr VoLr

011

2 1f

Lr Cr

021

2 2f

Lr Cr

f02 >> fs

iLr2max > I0

iLr1max menor possível

Tf01/2 < Dmin.Ts

Lr1, Lr2, Cr

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)30

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

3 Procedimento de Projeto

Componentes da célula ressonante On-Off ZCS

Tf01/2 < Dmin.Ts

min102 60 0,41102

pVo VinD

Vo

01minmin

64,632

sff kHzD

Lr1

01max2 1 1

VofLr iLr

Deseja-se iLr1max = 0,6.I0

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)31

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

3 Procedimento de Projeto

Componentes da célula ressonante On-Off ZCS

Lr1

01 max

12 1

VoLrf iLr

01minmin

64,632

sff kHzD

01 01min2f f

1 12Lr H

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)32

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

3 Procedimento de Projeto

Componentes da célula ressonante On-Off ZCS

Cr

2 2 2 2 601

1 1 147 1504 1 4 120000 12 10

Cr nF nFf Lr

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)33

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

3 Procedimento de Projeto

Componentes da célula ressonante On-Off ZCS

Lr2

02min 3,5 sf f

2 3,5Lr H

max 0max2iLr I

0max 18,6I A

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)34

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

3 Procedimento de Projeto

Componentes da célula ressonante On-Off ZCS

Lr1 - Lr2 - Cr

9

max 6

150 101 102 11,41 12 10

CriLr Vo ALr

9

max 6

150 102 102 21,112 3,5 10

CriLr Vo ALr

01 6 9

1 1 118,622 1 2 12 10 150 10

f kHzLr Cr

02 6 9

1 1 219,62 2 2 3,5 10 150 10

f kHzLr Cr

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)35

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

3 Procedimento de Projeto

Especificação dos semicondutores

Diodo D0

HFA30TA60CID0_pico = I0 18,4 A

ID0_RMS 12,4 A

ID0_med 8,47 A

PD0_total 11,35W

Diodo D1

HFA30TA60CID1_pico 11,4 A

ID1_RMS 3,8 A

ID1_med 0,9 A

PD1_total 1,08W

Diodo D2

HFA30TA60CID2_pico = I0 18,4 A

ID2_RMS 12,3 A

ID2_med 8,31 A

PD2_total 9,9W

Diodo D3

HFA30TA60CID3_pico = I0 18,4 A

ID3_RMS 4,57 A

ID3_med 0,92 A

PD3_total 1,1W

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)36

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

3 Procedimento de Projeto

Especificação dos semicondutores

Chave S1

IRFP4668IS1_pico 11,4 A

IS1_RMS 3,8 A

IS1_med 0,9 A

PS1_total 0,2W

Chave S2

IRFP4668IS2_pico 18,4 A

IS2_RMS 12,3 A

IS2_med 8,31 A

PS2_total 2,15W

Chave S3

IRFP4668IS3_pico = I0 18,4 A

IS3_RMS 4,57 A

IS3_med 0,92 A

PS3_total 0,3W

Retificador

TB358IPR_pico = I0 18,4 A

IPR_RMS 7,1 A

IPR_med 6,4 A

PPR_total 30,5W

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)37

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

3 Procedimento de Projeto

Análise das perdas totais

1 2 3 1 2 3 0 71,45Totais Lf S S S D D D D PR RSP P P P P P P P P P P W

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)38

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

3 Procedimento de Projeto

Análise das perdas totais

450(%) 100 100 86%450 71,45Totais

PoPo P

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)39

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

3 Procedimento de projeto

Introdução

5Resultados de simulação e experimentais

6Conclusão

1

2Análise qualitativa e quantitativa do conversor

Estratégia de controle4

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)40

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

4 Estratégia de controle

Pulsos para acionamento das chaves

CI UC3854N (1 pulso de controle)

Função Pré-regulador (PFC) Função ZCS

3 pulsos de controle

S1,S2,S3

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)41

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

4 Estratégia de controle

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

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)42

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

4 Estratégia de controle

Pulso para a chave S2

Abertura no instante em que a corrente iLr2 passar por zero (quarta etapa)

Quarta etapa é ressonante onde f02 da corrente iLr2 é conhecida

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

0 0202

2( ) s nVoiLr t I e tZ

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)43

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

4 Estratégia de controle

Pulso para a chave S2

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)44

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

4 Estratégia de controle

Pulso para a chave S2

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

chave S2.

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)45

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

4 Estratégia de controle

Correção do fator de potência – PFC

Controle por corrente média no indutor Lf

CI UC3854N – Texas Instruments

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)46

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

4 Estratégia de controle

Correção do fator de potência – PFC

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)47

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

4 Estratégia de controle

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.

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)48

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

4 Estratégia de controle

Circuito de controle da célula On-Off ZCS

1 11 1202

12 ln(0,5)

C R Rf

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)49

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

4 Estratégia de controle

Circuito de controle da célula On-Off ZCS

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)50

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

4 Estratégia de controle

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.

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)51

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

4 Estratégia de controle

Circuitos de gatilho

Para a chave S3 o pulso deve ser isolado.

SKHI-10op da Semikron

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)52

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

3 Procedimento de projeto

Introdução

6Conclusão

1

2Análise qualitativa e quantitativa do conversor

Estratégia de controle4

Resultados de simulação e experimentais5

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)53

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Resultados de simulação e experimentais

Resultados de simulação

Simulações realizadas no software PSIM®

Circuito de potência:

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)54

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Resultados de simulação e experimentais

Resultados de simulação

Circuito de controle:

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)55

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Resultados de simulação e experimentais

Resultados de simulação

Tensão e corrente na chave principal S2

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)56

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Resultados de simulação e experimentais

Resultados de simulação

Tensão e corrente na chave S1

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)57

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Resultados de simulação e experimentais

Resultados de simulação

Tensão e corrente na chave S3

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)58

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Resultados de simulação e experimentais

Resultados de simulação

Tensões no capacitor ressonante Cr e no diodo D0

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)59

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Resultados de simulação e experimentais

Resultados de simulação

Planos de fase

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)60

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Resultados de simulação e experimentais

Resultados de simulação

Corrente no indutor Lf

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)61

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Resultados de simulação e experimentais

Resultados de simulação

Tensão de controle gerada pelo CI UC3854

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)62

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Resultados de simulação e experimentais

Resultados de simulação

Correção do fator de potência

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)63

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Resultados de simulação e experimentais

Resultados experimentais

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)64

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Resultados de simulação e experimentais

Resultados experimentais

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)65

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Resultados de simulação e experimentais

Resultados experimentais

Boost PFC sem a célula On-Off ZCS

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)66

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Resultados de simulação e experimentais

Resultados experimentais

Boost PFC sem a célula On-Off ZCS

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)67

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Resultados de simulação e experimentais

Resultados experimentais

Boost PFC com a célula On-Off ZCS

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)68

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Resultados de simulação e experimentais

Resultados experimentais

Boost PFC com a célula On-Off ZCS

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)69

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Resultados de simulação e experimentais

Resultados experimentais

Boost PFC com a célula On-Off ZCS

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)70

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Resultados de simulação e experimentais

Resultados experimentais

Boost PFC com a célula On-Off ZCS

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)71

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Resultados de simulação e experimentais

Resultados experimentais

Boost PFC com a célula On-Off ZCS

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)72

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Resultados de simulação e experimentais

Resultados experimentais

Boost PFC com a célula On-Off ZCS

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)73

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Resultados de simulação e experimentais

Resultados experimentais

Boost PFC com a célula On-Off ZCS

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)74

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Resultados de simulação e experimentais

Resultados experimentais

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

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)75

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

3 Procedimento de projeto

Introdução1

2Análise qualitativa e quantitativa do conversor

Estratégia de controle4

Resultados de simulação e experimentais5

Conclusão6

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)76

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Conclusão

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;

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)77

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Conclusão

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;

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)78

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

Fabrício Alves Borges FEELT-UFU

5 Conclusão

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;

Trabalhos futuros