conversores boost-flyback integrados para aplicações com alto ganho de tensão

188 Pages·2012·6.01 MB·Portuguese

by  Jacson Rodrigo Dreher

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
CAMPUS PATO BRANCO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
PPGEE

JACSON RODRIGO DREHER

CONVERSORES BOOST-FLYBACK INTEGRADOS PARA
APLICAÇÕES COM ALTO GANHO DE TENSÃO

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

PATO BRANCO
2012
JACSON RODRIGO DREHER

CONVERSORES BOOST-FLYBACK INTEGRADOS PARA
APLICAÇÕES COM ALTO GANHO DE TENSÃO

Dissertação apresentada ao Programa de
Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
da Universidade Tecnológica Federal do

Paraná como requisito parcial para

obtenção do título de “Mestre em

Engenharia Elétrica” – Área de

concentração: “Sistemas e

Processamento de Energia”.

Orientador: Prof. Mário Lúcio da Silva
Martins, Dr.

PATO BRANCO
2012
Catalogação na Fonte por Elda Lopes Lira CRB9/1295

D771c Dreher, Jacson Rodrigo
Conversores boost-flyback integrados para aplicações com alto ganho de
tensão / Jacson Rodrigo Dreher – 2012.
186 f. : il.; 30 cm.

Orientador: Mário Lúcio da Silva Martins
Dissertação (Mestrado) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Pato Branco/PR, 2012.
Bibliografia: f. 182-186

1.Boost. 2.Flyback. 3.Ganho estático. 4.Eficiência. 5.Células fotovoltaicas.
I.Martins, Mário Lúcio da Silva, orient. II.Universidade Tecnológica Federal do
Paraná. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. III. Título.

CDD(22. ed.) 621.3

A minha esposa, aos meus filhos Isadora
e Heitor, que sempre foram minha
inspiração e força.
AGRADECIMENTOS

Esta é a hora de lembrar-se das pessoas que fizeram diferença durante a
realização deste trabalho. Gostaria de agradecer a todos que de alguma forma
deram sua contribuição, mas principalmente:
Ao Prof. Dr. Mário Lúcio da Silva Martins que me orientou e não mediu
esforços nos momentos decisivos.
A minha mãe pelo auxílio fundamental durante a trajetória do trabalho.
Ao Instituto Federal de Santa Catarina pela liberação que permitiu a
realização deste mestrado e por permitir a utilização dos laboratórios.
Aos colegas do laboratório e de trabalho que de alguma forma sempre
colaboraram.
A UTFPR pela oportunidade de aprofundar os meus estudos.
E a todos os demais que por algum motivo ajudaram na realização desta
pesquisa.
Ao CNPq, CAPES, SETI, ao IFSC e a UTFPR pelo apoio financeiro.
RESUMO
DREHER, Jacson R. Conversores boost-flyback integrados para aplicações
com alto ganho de tensão. 2012. 186. Dissertação (Mestrado em Engenharia
Elétrica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Pato Branco, 2012.
A crescente demanda energética mundial é um dos principais problemas a
ser enfrentado pela sociedade, uma vez que, a produção de energia elétrica na
atualidade tem sua base em combustíveis fósseis, os quais possuem reservas não
perenes e seus efeitos maléficos ao meio ambiente tem causado um impacto muito
grande na natureza. Estes fatores têm incentivado a busca por alternativas para
produção de energia elétrica a partir de fontes renováveis, principalmente em
unidades de Geração Distribuída. A energia solar fotovoltaica se destaca neste
contexto principalmente por sua flexibilidade quanto à potência e o ponto de
conexão dos geradores, indo ao encontro do conceito de Geração Distribuída.
Visando a expansão do emprego de geradores fotovoltaicos a redução do custo da
energia gerada é fundamental, para tanto se deve conceber conversores eletrônicos
capazes de adequar a energia CC produzida pelos geradores para que esta seja
diretamente injetada na rede elétrica CA. No caso de geradores com um único
módulo fotovoltaico, tem-se a oportunidade de extrair a máxima potência gerada
pelo mesmo evitando-se problemas de sombreamento e dissimilaridades entre
módulos, todavia o emprego de conversores eletrônicos com alto ganho de tensão
com a maior eficiência possível é imprescindível. Nesta dissertação é proposta uma
nova metodologia de integração de conversores estáticos, permitindo que novos
conversores estáticos não isolados com alto ganho de tensão sejam derivados. Esta
metodologia baseia-se no emprego de indutores acoplados que são compartilhados
pelos conversores integrados e cujas seções e terminais são associados de modo
que a topologia resultante possua um ganho de tensão que corresponde a soma dos
ganhos individuais de cada conversor. Como exemplo e estudo de caso é analisada
a integração dos conversores boost e flyback. São apresentados os modos de
operação e as principais características dos conversores boost-flyback derivados
neste trabalho, bem como uma metodologia de projeto para os circuitos e resultados
experimentais. Os protótipos avaliados em laboratório mostram que os conversores
boost-flyback derivados operando com ganho estático de dez vezes podem obter
eficiência superior a 90% quando aplicados em um painel fotovoltaico de 200W.

Palavras-chave: Boost. Flyback. Ganho estático. Eficiência. Células fotovoltaicas
ABSTRACT
DREHER, Jacson R. Integrated boost-flyback converters for applications with
high voltage gain. 2012. 186. Dissertation (Master in Electrical Engineering) -
Federal Technology University - Parana. Pato Branco, 2012.
World increasing demand for energy is one of the most challenging problems to be
faced by societies in the near future. And it is getting worst because the fossil fuels
retain the majority of the world energy share. Besides the risk of outage caused by
the depletion of fossil fuel sources, their side effects on the environment have
causing a huge impact on the environment. These issues have motivating the search
for renewable sources of energy, mainly in distributed generation units. In the
renewable resources scenario, the photovoltaic energy has a major role due to its
advantages, such as its power flexibility and easy on site placement of generators,
which is very favorable for Distributed Generators Systems. Aiming to ensure the
worldwide applications of PV systems, it is required to lower the PV energy cost per
watt, which can be achieved with more efficient power processing systems that are
used to convert the DC power produced by the PV modules in AC power to be
injected to the grid. In systems with a power converter per PV module the best
performance of the module is achieved in terms of energy efficiency, avoiding
shadowing and aging dissimilarity problems that may plague PV generators with a
large amount of PV modules. However, to achieve such benefits, power converters
with high efficiency and large conversion range are required. In this dissertation it is
proposed a novel methodology to synthesize integrated non-isolated DC/DC power
converters with wide conversion range. This methodology is based on the use of
coupled inductors to integrate the input sections of two power converters, meanwhile
their output sections are associated in either, series, parallel or cascade
configuration, yielding in a conversion ratio that is the sum of the individual integrated
converters. As a case study, the integrated boost-flyback topologies are analyzed.
Their modes of operation, chief characteristics as well as design rules are discussed.
The analyses are validated by means of experimental results obtained from three
laboratory prototypes. The prototypes operate with conversion ratio greater than ten
times and the efficiency achiever is higher than 90% when designed for a 200W PV
module.

Keywords: Boost. Flyback. Voltage conversion ratio. Efficiency. Photovoltaic Cells.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Cenário energético mundial. (a) Matriz energética; (b) Curvas de depleção
das reservas energéticas. Fonte: Adaptado de [5]. ................................................... 20
Figura 2 - Diagrama de uma microrrede típica incluindo as cargas locais, os
geradores distribuídos (GD) e os dispositivos de armazenamento de energia (AD).
Fonte: Adaptado de [8]. ............................................................................................. 21
Figura 3 – Corrente versus tensão de uma célula fotovoltaica. (a) Para diferentes
valores de irradiação. (b) Para diferentes valores de temperatura. ........................... 23
Figura 4 – Configurações de sistemas fotovoltaicos. (a) Inversor central; (b) Inversor
multi-linhas; (c) Inversor linha; (d) Inversor integrado. .............................................. 25
Figura 5 – Sistema fotovoltaico monofásico distribuído conectado a rede. ............... 26
Figura 6 – Conversor boost. (a) Circuito equivalente com MOSFET em condução; (b)
Circuito equivalente com MOSFET em bloqueio; (c) Modelo médio [22]. ................. 27
Figura 7 – Influência do RSE no conversor boost, considerando uma razão teórica
RSE/R = 0,028. (a) Ganho de tensão e (b) eficiência do conversor boost em função
da razão cíclica. ........................................................................................................ 29
Figura 8 – Conversor CC-CC Boost com múltiplos estágios em cascata. ................. 38
Figura 9 – Conversores boost com estágios em cascata integrados. (a) Conversor
com múltiplos estágios. (b) Boost quadrático. ........................................................... 39
Figura 10 – Conversores boost com estágios em série. (a) Boost três níveis. (b)
Boost três níveis com um único indutor de entrada. .................................................. 40
Figura 11 – Retificador Cockcroft-Walton .................................................................. 40
Figura 12 – Conversores boost com células dobradoras de tensão. (a) Adaptado de
[47]; (b) Ref. [33]; (c) Ref. [34]. .................................................................................. 41
Figura 13 – Conversor SEPIC. (a) Topologia convencional. (b) Topologia com
circuito de elevação de tensão (self-lift). (c) Malha com tensão média nula. (d) Nó
com corrente média nula. .......................................................................................... 42
Figura 14 – Célula “super-elevadora” para conversores CC-CC. (a) Tipo 1. (b)
Aplicada ao conversor SEPIC. (c) Múltiplas células elevadoras aplicadas ao SEPIC.
.................................................................................................................................. 43
Figura 15 – Célula “super-elevadora”. (a) Aplicada individualmente. (b) Múltiplas
células integradas. .................................................................................................... 44
Figura 16 – Conversores com indutor acoplado. (a) Conversor boost. (b) Conversor
boost-flyback. (c) Conversor boost-flyback com saída em ponte-completa. ............. 45
Figura 17 – Conversores com indutor acoplado e grampeamento passivo. (a)
Conversor boost. (b) Conversor buckboost. .............................................................. 46
Figura 18 – Conversores integrados. (a) Circuito dos conversores. (b) Circuito
integrado. .................................................................................................................. 46
Figura 19 – Circuitos derivados da integração. (a) Com retificador em ponte. (b) Com
múltiplas saídas. ........................................................................................................ 47
Figura 20 - Seções de um conversor CC-CC ............................................................ 48
Figura 21 - Conversores CC-CC básicos: (a) buck, (b) boost, (c) buckboost, (d) Cuk,
(e) Zeta e (f) SEPIC ................................................................................................... 49
Figura 22 - Configurações permitidas para seção de entrada: (a) fonte de tensão em
série com chave ou (b) fonte de corrente em paralelo com chave. ........................... 50
Figura 23 – Derivação de fontes: (a) fontes de tensão e corrente em série, (b) fontes
de tensão e corrente em paralelo. ............................................................................. 51
Figura 24 - Derivação da seção de entrada: (a) seção de entrada e intermediária, (b)
alteração da posição entre a fonte de corrente e chave e em (c) degeneração das
fontes. ....................................................................................................................... 51
Figura 25 – Seções de um conversor isolado ........................................................... 53
Figura 26 - Conversor isolado com as seções de entrada em paralelo e de saída em
cascata ...................................................................................................................... 53
Figura 27 – Fluxograma para aplicação da Metodologia de Integração para obtenção
de conversores com elevado ganho estático. ........................................................... 55
Figura 28 – Seções de entrada boost e flyback em paralelo ..................................... 56
Figura 29 – Conversores Boost e Flyback: (a) e (d) etapa de magnetização (t -t ); (b)
0 1
e (e) etapa de desmagnetização (t -t ); (c) e (f) tensão sobre os indutores. ............. 58
1 2
Figura 30 – Integração das seções de entrada. (a) Ramo comum compartilhado. (b)
Ramo da chave e do indutor do flyback é reorganizado. (c) Chaves em paralelo são
integradas.................................................................................................................. 59
Figura 31 – Conversores boost e flyback integrados através da chave. (a) Etapa de
magnetização (t -t ). (b) Etapa de desmagnetização (t -t ). ...................................... 60
0 1 1 2
Figura 32 - Integração dos indutores dos conversores boost e flyback: (a) indutores
em paralelo e (b) substituídos por um equivalente .................................................... 62
Figura 33 – Principais formas de onda de corrente: (a) no conversor boost, (b) no
conversor flyback e (c) nos conversores integrados. ................................................ 63
Figura 34 – Elementos ativos do conversor integrado através da seção de entrada
nas etapas de: (a) magnetização (t -t ) e (b) desmagnetização (t -t ). ..................... 63
0 1 1 2
Figura 35 - Seções de saída: (a) boost e (b) flyback. ................................................ 65
Figura 36 - Associação série das portas de saídas. Fonte: Adaptada de [44]. ......... 66
Figura 37 - Integração das seções de saída em paralelo. (a) Os capacitores das
seções de saída são associados em paralelo. (b) Os capacitores são substituídos
por um equivalente. ................................................................................................... 67
Figura 38 - Seções de saída em paralelo com conexão do nó w ao: (a)nó x , (b) nó u
e (c) nó y. .................................................................................................................. 68
Figura 39 - Associação de conversores em cascata. ................................................ 69
Figura 40 - Associação de seções de saída em cascata. ......................................... 69
Figura 41 - Integração cascata das seções de saída. ............................................... 69
Figura 42 - Representação N-port: (a) seção intermediária e de saída do conversor
flyback e (b) conversor com as seções de saídas boost e flyback em cascata. ........ 70
Figura 43 – Elementos ativos na Topologia Boost-Flyback Série. (a) Etapa de
magnetização. (b) Etapa de desmagnetização. ....................................................... 74
Figura 44 – Elementos ativos no conversor Boost-Flyback Paralelo wx. (a) Etapa de
magnetização. (b) Epata de desmagnetização. ........................................................ 76
Figura 45 - Diodo da seção flyback em condução. .................................................... 78