CONVERSOR COM ELEVADO FATOR DE POTNCIA DE ESTGIO NICO E SEM CAPACITORES ELETROLTICOS

PARA ACIONAR LEDS DE POTNCIA

1ZITO P. DA FONSECA,

2MARCELO D. PEDROSO,

3ARNADO J. PERIN,

4MAURCIO DOS S. KASTER,

5CLAUDINOR B.

NASCIMENTO

1,2,4,5Universidade Tecnolgica Federal do Paran - Departamento de Eletrnica Cmpus Ponta Grossa

Av. Monteiro Lobato Km 04- Pitangui Ponta Grossa PR Cep 84016-210 Tel.:(42)32204825/Fax (42)32204810

3INEP Isnstituto de Eletrnica de Potncia

Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Engenharia Eletrica Florianpolis Santa Catarina

E-mails: 1zitofonseca@utfpr.edu.br;

2md.pedroso@hotmail.com;

3arnaldo.perin@inep.ufsc.br;

4mkaster@utfpr.edu.br;

5claudinor@utfpr.edu.br

Abstract This paper proposes the use of a single-stage high-power-factor converter for power LEDs, without electrolytic DC bus capacitor. The power factor correction is obtained through direct connection of the Boost

Inductor between inverter stage and two input capacitor. A rectifier with output capacitor filter connected

between the inverter stage and DC bus capacitors is used to obtain DC current in power LEDs. Experimental

results are presented to prove proposed design methodology.

Keywords Power LEDs, Single stage, Power Factor correction, electrolytic capacitor, lighting system.

Resumo Este trabalho prope a utilizao de um conversor de estgio nico para a correo de fator de potncia e para acionar LEDs de potncia, sem a utilizao de capacitores eletrolticos no barramento CC. A correo do fator de potncia obtida atra-vs da conexo direta, realizada por um indutor Boost, entre o estgio inversor e dois capacitores conectados antes do estgio re-

tificador. A corrente contnua nos LEDs obtida atravs de um retificador com um filtro capacitivo conectado entre o estgio in-

versor e o ponto central de dois capacitores do barramento CC. Resultados experimentais so apresentados para validar a meto-dologia de projeto proposta.

Palavras-chave LEDs, Estgio Integrado, Correo do Fator de Potncia, capacitor eletroltico, sistemas de iluminao.

1 Introduo

Sistemas de iluminao com LEDs vm sendo

cada vez mais utilizados para substituir lmpadas

convencionais como as incandescentes, fluorescentes

ou de vapor de sdio. Embora os LEDs tenham sido

principalmente utilizados em sinais de trnsito, ilu-

minao interna de veculos, iluminao de ambien-

tes arquitetnicos e painis luminosos com cores

plenas, suas aplicaes como lmpadas vem apresen-

tando um crescimento expressivo nos ltimos anos

(Carvalho, 2007; Craford, 1992). Os LEDs de alto

brilho ou HB-LED combinam elevada eficincia e

durabilidade (que pode chegar a 100.000 horas, que

no mnimo 100 vezes maior que as lmpadas con-

vencionais) (Aoyama, 2008).

Atualmente, j possvel encontrar comercial-

mente alguns LEDs que possuem eficcia luminosa

superior a 100 lm/W, que elevada se comparada

com a eficcia luminosa das lmpadas fluorescentes

e de algumas lmpadas de descarga de alta intensida-

de (HID High Intensity Discharge) (DOE U.S. DEPARTMENT OF ENERGY, 2009). No entanto,

para que no haja perdas desta eficcia luminosa,

necessrio que os sistemas eletrnicos, utilizados

para acionar e controlar os LEDs, forneam uma

corrente contnua e com pouca ondulao. Mas, em

se tratando de conversores chaveados, normalmente a

ondulao da corrente de sada depende do valor do

capacitor utilizado no barramento CC. Como estes

capacitores tm que filtrar praticamente toda a cor-

rente alternada imposta pelo conversor, eles acabam

operando com correntes eficazes mais elevadas,

reduzindo a sua vida til. Quanto maior for a capaci-

tncia e a tenso de operao de um capacitor, menor

ser a sua vida til (Maddula, 2005; Wang, 2010).

Uma das solues para resolver este problema a

utilizao de capacitores de filmes metalizados. Po-

rm, medida que se aumenta o valor das suas capa-

citncias e a tenso de operao, aumenta-se tambm

o seu peso e volume. Em sistemas eletrnicos para

iluminao, como o peso e volume so fundamentais

quando se deseja uma aplicao comercial, a utiliza-

o dos capacitores de filmes metalizados descarta-

da.

Como soluo para a reduo do valor dos capa-

citores de barramento, algumas topologias alternati-

vas de conversores podem ser utilizadas. Os conver-

sores interleaved reduzem a ondulao dos induto-res, reduzindo o valor do capacitor de barramento,

porm necessitam de uma quantidade de interrupto-

res maior com estratgias de comutao mais com-

plexas (Mao, 2007; Wang, 2006; Illic, 2005 e Schit-

tler, 2011). Outras solues so a utilizao de topo-

logias isoladas que, neste caso, podem aumentar o

volume e reduzirem o rendimento dos conversores

(Huber, 2009; Chuang, 2010; Wang, 2010). As topo-

logias com estgios integrados, sem isolamento na

sada, so muito eficazes na alimentao de lmpadas

fluorescentes (Moo, 2009; Ekkaravarodome, 2012;

Hesieh, 2009; Qian, 1997 e 2000; Nascimento, 2005

e 2008; Pereira, 2004), porm no so muito explo-

radas nas aplicaes com LEDs, pelo fato de fornecer

uma tenso muito elevada na sua sada, exigindo uma

quantidade muito grande de LEDs conectados em

srie (Alonso, 2012; Ye, 2009), alm de um capacitor

de elevado valor.

Quanto qualidade de energia, importante que

os sistemas eletrnicos utilizados para alimentar

LEDs atendam as normas como, por exemplo, a IEC

61000-3-2 classe C, principalmente em relao

correo do fator de potncia. Normalmente, um

conversor Boost utilizado para realizar a correo

do fator de potncia do conversor, seja ele integrado

ao estgio de sada ou no. No entanto, a sua utiliza-

o fica limitada para o caso de alimentaes de

entrada de 220 V. Assim, com estas topologias, para

reduzir a tenso de sada em nveis abaixo de 50 V,

necessrio utilizar um transformador (Huber, 2009;

Chuang, 2010; Wang, 2010).

Assim, este trabalho prope a utilizao de um

conversor com estgio integrado para proporcionar a

correo do fator de potncia e acionar e controlar a

corrente de LEDs de potncia. A topologia proposta

apresenta caractersticas de funcionamento que redu-

zem o valor dos capacitores de barramento para valo-

res menores que 25 F, podendo, desta forma, utili-

zar capacitores de polipropileno.

2 Topologia proposta

A Fig. 1 apresenta um conversor de estgio inte-

grado, com correo do fator de potncia, sem trans-

formador isolador, para acionar e controlar LEDs de

potncia. O indutor LB realiza a conexo do estgio

inversor de sada com o estgio de entrada, ativando

a correo do fator de potncia do sistema. Os capa-

citores Cd1 e Cd2, conectados ao indutor LB, criam um

caminho alternativo para a corrente de LB dobrando a

frequncia da corrente instantnea fornecida pela

fonte de alimentao de entrada em relao fre-

quncia de comutao dos interruptores S1 e S2. O

indutor LL limita a corrente fornecida para os LEDs.

Como a corrente de LL depende exclusivamente das

tenses dos capacitores CB1 e CB2, sua forma de onda

uma triangular simtrica com frequncia de comu-

tao fs. Para obter uma corrente contnua (ILED) nos

LEDs, utilizado um retificador com filtro capaciti-

vo conectado entre o indutor LL e os capacitores de

barramento CB1 e CB2.

LF

Cd1

D1

D2

D3

D4

LB LL

CB2

CB1

S1

S2

Cd2

CF

D5

D6

D7

D8CL

LED

V(t)

Fig. 1 Topologia proposta.

Durante as etapas de operao do conversor, ser

possvel observar que toda a energia fornecida pelos

capacitores CB1 e CB2 ao indutor LL e consequente-

mente aos LEDs, durante um intervalo de funciona-

mento, novamente recebida por eles em outro in-

tervalo, fazendo com que haja um equilbrio de ener-

gia entregue e recebida entre LL e CB1 ou CB2. Assim,

para manter a tenso de sada em nveis que ativam a

correo do fator de potncia do sistema, os capacito-

res CB1 e CB2 recebem energia somente do indutor

LB. Desta forma, os valores das capacitncias destes

elementos tornam-se reduzidos, quando comparados

aos conversores clssicos do tipo Buck, Buck-Boost

ou Boost.

Em relao alimentao do conversor, atravs

do controle da frequncia de comutao dos interrup-

tores S1 e S2 em funo da tenso utilizada na entrada,

possvel torn-lo com entrada de alimentao uni-

versal sem alterar os elementos passivos do sistema.

2.2 Princpio de funcionamento em regime perma-

nente

Para demonstrar o princpio de funcionamento

do conversor, as seguintes situaes sero considera-

das:

A frequncia de comutao fs muito maior que a frequncia da rede f60Hz. Assim, a tenso de

entrada v(t) e as tenses sobres os capacitores vCB1(t)

e vCB2(t) sero consideradas constantes;

As tenses sobre os capacitores Cd1 e Cd2 sero iguais metade da tenso da fonte v(t);

As etapas sero apresentadas para o semi-ciclo positivo da rede;

Os interruptores S1 e S2 so comandados de forma complementar com 180

0 de defasagem;

A ponte retificadora de sada, juntamente com a carga, ser considerada um diodo em srie com

uma tenso VLED.

Primeira etapa (t0-t1): Antes desta etapa, D4 e

S1 estavam conduzindo e os indutores LB e LL forne-

cendo energia para CB2 e CB1, respectivamente. Em

t0, as correntes iLB(t) e iLL(t) torna-se iguais a zero, D4

bloqueia e D1 passa a conduzir a corrente iLB(t). A

partir deste instante, LB recebe energia de v(t) en-

quanto que LL recebe de CB1. Esta etapa termina

quando S1 comandado a bloquear. A Fig. 2 apre-

senta esta etapa de operao.

Segunda etapa (t1-t2): Em t1, S1 bloqueia e S2

(Drl2) passa a conduzir as correntes iLB(t) e iLL(t).

Durante este intervalo, toda energia acumulada por

LB e LL, na etapa anterior, fornecida para CB1 e CB2,

respectivamente. Esta etapa termina quando as cor-

rentes iLB(t) e iLL(t) tornam-se iguais a zero. A Fig. 3

apresenta esta etapa de operao.

Terceira etapa (t2-t3): Em t2, as correntes iLB(t)

e iLL(t) tornam-se iguais a zero, D1 bloqueia e D4

passa a conduzir a corrente iLB(t). A partir deste ins-

tante, LB recebe energia de v(t) enquanto que LL de

CB2. Esta etapa termina quando S2 comandado a

bloquear. A Fig. 4 apresenta esta etapa de operao.

Quarta etapa (t3-t4): Em t3, S2 bloqueia e S1

(Drl1) passa a conduzir as correntes iLB(t) e iLL(t).

Durante este intervalo, toda energia acumulada por

LB e LL, na etapa anterior, fornecida para CB2 e CB1,

respectivamente. Esta etapa termina quando as cor-

rentes iLB(t) e iLL(t) tornam-se iguais a zero e o ciclo

volta a se repetir. A Fig. 5 apresenta esta etapa de

operao.

Cd1

D1

D2

D3

D4

LB LL

CB1S1

S2

Cd2

Drl1

Drl2

iLL

VLED

|V(t)/2|

|V(t)/2|

iS1 iLLiLB

CB2

V(t)

Fig. 2 Primeira etapa de operao.

Cd1

D1

D2

D3

D4

LB LL

CB1S1

S2

Cd2

Drl1

Drl2

iLL

VLED

|V(t)/2|

|V(t)/2| iS2

iLB

CB2

V(t)

iLL+iLB

Fig. 3 Segunda etapa de operao.

Cd1

D1

D2

D3

D4

LB LL

CB1S1

S2

Cd2

Drl1

Drl2

iLL

VLED

|V(t)/2|

|V(t)/2| iS2

iLB

CB2

V(t)

iLL

Fig. 4 Terceira etapa de operao.

Cd1

D1

D2

D3

D4

LB LL

CB1S1

S2

Cd2

Drl1

Drl2

iLL

VLED

|V(t)/2|

|V(t)/2|

iS1

iLB

CB2

V(t)

iLB

iLL+iLB

Fig. 5 Quarta etapa de operao.

A Fig. 6 apresenta as formas de onda tericas em

regime permanente do conversor proposto.

t0 t1 t2 t3 t41 etapa 2

3 etapa 4

iLL(t)

VLL(t)

T(S)

T(S)

VB-VLED VB+VLED

t0 t1 t2 t3 t41 etapa 2

3 etapa 4

iLB(t)

VLB(t)

T(S)

T(S)

|V(t)/2| VB-|V(t)/2|

Fig. 6 Formas de onda tericas do conversor em regime perma-nente de operao.

2.3 Modelo matemtico do conversor

Para o desenvolvimento matemtico do conver-

sor so consideradas as seguintes situaes:

= () (1)

Onde:

v(t) Fonte de tenso de alimentao de entrada com tenso de pico Vp.

=

(2)

Onde:

vLB(t) Tenso sobre o indutor LB;

iLB(t) corrente do indutor LB.

=

(3)

Onde:

vLL(t) Tenso sobre o indutor LL;

iLL(t) corrente do indutor LL.

= + (4)

Onde:

VLED Tenso sobres os LEDs;

ILED corrente dos LEDs.

O projeto do conversor ser realizado conside-rando o momento de mxima transferncia de ener-

gia, ou seja, no valor de pico da tenso de alimenta-

o de entrada;

Na frequncia de comutao tem-se que:

1 = 2 =

2 (5)

1 = 2 = (6)

2.3.1 Indutor LB Atravs da primeira etapa de operao tem-se:

= ()

21 (7)

Onde:

ILBp Valor de pico da corrente do indutor LB;

t1B instante de tempo para ILBp.

Durante a segunda etapa de operao tem-se:

=(4 () )( 21 )

4 (8)

Onde:

Ts Perodo de comutao dos interruptores S1 e S2.

Fazendo (7) igual a (8), tem-se que:

1 = 4 ()

8 (9)

Considerando que cada capacitor Cd1 e Cd2 con-

duzem a metade da corrente iLB(t), tem-se:

= 2 (10)

Onde:

IP Valor de pico da corrente da fonte de a-limentao de entrada v(t).

Sabendo-se que o valor mdio da corrente iLB(t)

durante o intervalo de t0 a t2 igual :

=

2 (11)

Sabendo-se que a corrente instantnea fornecida

pela fonte v(t) possui o dobro da frequncia de comu-

tao fs, tem-se que:

= 8 (12)

Onde:

IAVG Valor mdio da corrente da fonte de alimentao de entrada v(t) para um perodo de co-

mutao.

A potncia mdia entregue por v(t), na frequn-

cia de comutao fs pode ser calculada por (13), ou

seja:

=1

0

(13)

No entanto, considerando fs>>f60Hz, tem-se que:

= () (14)

Na mxima transferncia de potncia tem-se que

|v(t)| = VP, assim:

= (15)

Sabendo que:

= ()

(16)

E que:

= (17)

Manipulando-se as equaes (7), (9), (12), (16) e

(17), encontra-se:

= () 2 4 ()

128 (18)

2.3.2 Indutor LL Seguindo os passos utilizados para obter LB, po-

de-se calcular LL, porm considerando que a corrente

mdia de iLL(t) durante o intervalo t0 t2 igual

corrente dos LEDs ILED. Assim, obtm-se as seguin-

tes equaes:

1 = +

4 (19)

=

1 (20)

= 2 (21)

Manipulando as equaes (19), (20) e (21), en-

contra-se o valor de LL dado pela equao (22).

=

2 2

8

(22)

2.3.3 Capacitores CB1 e CB2 Considerando que a energia entregue pelo capa-

citor CB1 no intervalo de 0 a 1 igual a energia re-cebida entre o intervalo 3 e 4, em relao , toda a energia para manter depende somente de . Logo, ao obter a mdia de () de 1 a 2 e de 3 a 4 na freqncia fs e considerando que esta mdia varia de 0 a , pode-se obter a ondulao de em funo da mdia de () em baixa frequncia.

A Fig. 7 apresenta as formas de onda relaciona-

das aos capacitores CB. Pode-se observar, atravs da

Fig. 7 (a), que o valor mximo da ondulao da ten-

so sobre os capacitores vCB ocorre em /4. Assim, sabendo que a corrente mdia dos capacitores CB

igual ao dobro do valor mdio da corrente iLB(t) do

intervalo de t1 a t2, ao obter ILBAVG, determina-se

ICBAVG.

ZOOM

VCB(t)

iCB(t)

iCB(t)

/2

t

t0 t1 t2t3 t4

iLBP

iLLP

iLLP

iLLP+iLBP(c)

(b)

(a)

/4

iLLP

t

VCB

T(S)

Fig. 7 Formas de onda de tenso e de corrente dos capacitores CB: (a) ondulao da tenso vB(t) em 120Hz; (b) corrente iCB(t) em

60Hz e (c) corrente iCB(t) na frequncia de comutao fs.

De t1 t2 tem-se que:

= 21

2 (23)

Assim, considerando a variao de iLB(t) em

60Hz, tem-se:

() = 21

2sin() (24)

Substituindo (16) em (12) e o resultado em (24),

tem-se:

() =2 21

sin()

(25)

Sabendo que a corrente mdia do capacitor CB na

frequncia de comutao o dobro da corrente do

indutor LB, tem-se:

() = 4

() (1

2 1

) sin() (26)

Substituindo (9) em (26) e integrando-se o resul-

tado de 0 a /4, tem-se:

1 = 2 = 0,58

2120 (27)

Onde:

vCB Ondulao das tenses dos capacito-res CB1 e CB2 na frequncia de 120Hz.

2.3.3 Capacitor CL

Para o clculo do capacitor de sada CL do retifi-

cador que alimenta os LEDs, apresentado o circuito

equivalente na Fig. 8. Neste circuito, a sada do in-

versor considerada uma fonte de corrente ideal

iLL(t).

CLVLED

ILED

iLLR(t)

iCL(t)

iLL(t)

Fig. 8 Circuito equivalente para clculo do capaci-tor CL.

Atravs da Fig. 9 possvel observar as formas

de onda das correntes iLLR(t), iCL(t) e a ondulao da

tenso do capacitor CL, vCL.

t0 t1 t2 t3 t4

iLLR(t)

T(S)

T(S)

T(S)

VLED VCL

iLLP

iLLP-ILEDiCL(t)

VCL(t)

Fig. 9 Formas de onda tericas do circuito apresentado na Fig. 8.

Sabendo que a corrente iLLR(t) igual a corrente

iLL(t) retificada, pode-se afirmar que:

() = () (28)

E que:

() = 2 1

1 (29)

Atravs da equao (30) possvel integrar a

equao (29) de t1/2 a t1, conforme a equao (31) e

obter CL apresentado na equao (32).

() = ()

(30)

()0

=

1

12

2 1

1

(31)

=( + )

8

(32)

Onde:

vCL Ondulao das tenses dos capacito-res CL na frequncia fs.

O projeto do filtro LC de entrada j foi ampla-

mente difundido no meio cientfico e no ser apre-

sentado neste trabalho. Vale ressaltar que a frequn-

cia da corrente instantnea de entrada o dobro da

frequncia de comutao dos interruptores, reduzin-

do o volume do indutor Lf.

3 Resultados experimentais

Para verificar a metodologia de projeto apresenta-

da, um prottipo para alimentar 12 LEDs, conectados

em srie, foi implementado. A tabela I apresenta os

dados de projeto do conversor.

Tabela I Dados do projeto implementado.

Parmetros Valor

Vp 180 V

fs 45 KHz

|VB| 120 V

ILED 1 A

vCB 0,1 |VB|

vCL 0,05 VLED 85 %

f120Hz 120 Hz

A tabela II apresenta os valores dos parmetros

utilizados no conversor. Utilizando as equaes (18),

(22), (27) e (32), encontra-se os valores de

LB=394 H, LL=293 H, CB1=19 F e CL=1,8 F

Tabela II Parmetros utilizados no prottipo.

Parmetros Valor

Lf 1 mH

Cf 47 F

Cd1, Cd2 100 nF

D1, D2, D3 e D4 1n4937

D4, D5, D6 e D7 MUR260

S1 e S2 IRF830

LB 400 H

CB1 e CB2 25 F/250 V polipropileno

LL 300 H

CL 3,3 F/63 V

LEDs LXK2-PWC4-0200

A Fig. 10 apresenta a tenso e a corrente forne-

cida pela fonte de entrada e a corrente nos LEDs. O

fator de potncia de 0,982. A Fig. 11 apresenta o

espectro harmnico da corrente de entrada com THD

de 19 %. A Fig. 12 apresenta a tenso e a corrente

nos LEDs. A ondulao da corrente em 60 Hz

200mA e pode ser reduzida com o aumento dos ca-

pacitores de barramento CB1 e CB2. Pode-se observar

juntamente com a Fig. 10 que o rendimento da estru-

tura de 81%. A Fig. 13 apresenta a corrente do

indutor LB. A Fig. 14 apresenta a corrente do indutor

LL. As figuras 15 (a) e 15 (b) apresentam a tenso e a

corrente em um dos interruptores. Pode-se observar

atravs da Fig. 15(b) que a comutao dos interrupto-

res suave e que o valor mdio da tenso dos capaci-

tores CB1 e CB2 de 120 V.

4 Concluso

Este trabalho apresentou um conversor de est-

gio nico para a correo do fator de potncia para

acionar e controlar LEDs de potncia. Os resultados

experimentais comprovam a metodologia de projeto

desenvolvida. Com poucos componentes, rendimento

aceitvel e sem capacitor eletroltico, a topologia

proposta se apresenta como uma boa alternativa para

as aplicaes em sistemas de iluminao com LEDs.

Estudos futuros podem comprovar que a topologia

proposta tambm pode ser alimentada em 220 V,

sendo possvel alimentar o sistema com fonte univer-

sal, alm de permitir variar o fluxo luminoso emitido

pelos LEDs.

Fig. 10 Tenso (CH1) e corrente (CH4) fornecida pela fonte v(t)

e corrente nos LEDs (CH3).

Fig. 11 Espectro harmnico da corrente de entrada com THD =

19%.

Fig. 12 Tenso (CH1) e corrente (CH3) nos LEDs.

Fig. 13 Corrente do indutor LB (R1 na frequncia da rede; CH3

na frequncia de comutao).

Fig. 14 Corrente do indutor LL (R2 na frequncia da rede; CH3

na frequncia de comutao).

(a)

(b)

Fig. 15 Tenso (CH1) e corrente (CH3) em um dos interrupto-res. (a) em 60Hz; (b) na frequncia de comutao.

THD = 19%

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