Análise, Projeto e Desenvolvimento de um Conversor Duplo Forward Zcs com Ressonânica Dupla para Aplicação em Fontes Chaveadas Isoladas

Authors

  • Alexandre M. de Andrade Universidade Federal de Uberlândia (UFU) - Uberlândia, Minas Gerais
  • Fabrício A. Borges Universidade Federal de Uberlândia (UFU) - Uberlândia, Minas Gerais
  • Luiz C. de Freitas Universidade Federal de Uberlândia (UFU) - Uberlândia, Minas Gerais
  • Ernane A. A. Coelho Universidade Federal de Uberlândia (UFU) - Uberlândia, Minas Gerais
  • Valdeir J. Farias Universidade Federal de Uberlândia (UFU) - Uberlândia, Minas Gerais
  • Luiz C. G. Freitas Universidade Federal de Uberlândia (UFU) - Uberlândia, Minas Gerais

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.2013.2.896907

Keywords:

comutação suave, Duplo Forward, Fontes chaveadas, ZCS

Abstract

Este trabalho apresenta um novo conversor Duplo Forward que consiste de dois conversores Forward acoplados ao mesmo núcleo magnético permitindo o uso completo do ciclo de histerese do transformador. No intuito de reduzir as perdas por chaveamento e interferências eletromagnéticas, uma célula de comutação suave, a qual permite a comutação dos interruptores sob corrente nula (ZCS), é utilizada. Essa estrutura propicia comutação não dissipativa para uma ampla faixa de carga e uma melhor distribuição de corrente entre os interruptores utilizados. O estudo teórico completo acerca do conversor Duplo Forward proposto é apresentado e corroborado por resultados experimentais obtidos com a construção de um protótipo de 450 W.

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Author Biographies

Alexandre M. de Andrade, Universidade Federal de Uberlândia (UFU) - Uberlândia, Minas Gerais

nascido em Uberlândia (MG), em 1987, é graduado em (2009), com ênfase em Sistemas de Energia, e mestre (2012) Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Uberlândia – Faculdade de Engenharia Elétrica (UFU/FEELT). Atualmente presta serviços de execução de engenharia elétrica. Suas áreas de interesse incluem instalações elétricas industriais e automação industrial.

Fabrício A. Borges, Universidade Federal de Uberlândia (UFU) - Uberlândia, Minas Gerais

nascido em Itumbiara (GO), em 1987, é graduado em Engenharia Elétrica (2011) com ênfase em Sistemas de Energia pela UFU/FEELT. Atualmente é aluno de Mestrado vinculado ao Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) da mesma universidade. Suas áreas de interesse incluem conversores CA-CC e CC-CC, correção ativa do fator de potência, retificadores híbridos, técnicas de comutação não dissipativa, técnicas de controle analógicas e digitais e fontes alternativas de energia conectadas à rede elétrica.

Luiz C. de Freitas, Universidade Federal de Uberlândia (UFU) - Uberlândia, Minas Gerais

nascido em Monte Alegre (MG), em 1952, é engenheiro eletricista (1975) pela UFU/FEELT, mestre (1985) e doutor (1992) em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina – Instituto de Eletrônica de Potência (UFSC/INEP). Atualmente é professor titular da UFU/FEELT, Bolsista de Produtividade em Pesquisa 1B do CNPq, e membro fundador do Núcleo de Pesquisas em Eletrônica de Potência (NUPEP) da mesma Universidade. Ele já publicou diversos artigos em congressos e periódicos relacionados a conversores CC-CC, CC-CA e CA-CC. Publicou no PESC’92, no APEC’93, no PESC’93 e na IEEE Transactions on Power Electronics – Jan/1995, a evolução de células de comutação suave, as quais têm sido amplamente utilizadas em pesquisas relativas à Eletrônica de Potência desde então.

Ernane A. A. Coelho, Universidade Federal de Uberlândia (UFU) - Uberlândia, Minas Gerais

nascido em Teófilo Otoni, Minas Gerais, em 1962, é engenheiro eletricista (1987) pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, mestre (1989) pela UFSC/INEP, e doutor (2000) pela UFMG. Atualmente é professor associado da UFU/FEELT. Sua área de atuação envolve inversores PWM, microredes, paralelismo de inversores e novas tecnologias usando controle digital.

Valdeir J. Farias, Universidade Federal de Uberlândia (UFU) - Uberlândia, Minas Gerais

nascido em Araguari, Minas Gerais, Brasil, em 1947. Formou-se em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Uberlândia em 1975, recebeu o título de mestre em 1981 pela UFMG e o título de doutor 1989 pela Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Atualmente é pesquisador aposentado e colaborador do programa de pós-graduação da UFU/FEELT, vinculado ao NUPEP, e bolsista de Produtividade em Pesquisa 1C do CNPq. Até a presente data, ele já publicou diversos artigos em congressos e periódicos, orientou 7 teses de doutorado e 11 dissertações de mestrado na área de Eletrônica de Potência.

Luiz C. G. Freitas, Universidade Federal de Uberlândia (UFU) - Uberlândia, Minas Gerais

nascido em Uberlândia (MG), em 1976, é engenheiro eletricista (2001) e mestre (2003) e doutor (2006) pela Universidade Federal de Uberlândia – Faculdade de Engenharia Elétrica (UFU-FEELT). De 2006/2 a 2008/1 foi professor do IFG-Campus Jataí. Entre 2007 e 2009 foi Pesquisador Visitante na UNESP-FEIS, vinculado ao Laboratório de Eletrônica de Potência (LEP). Desde 2008/2 é professor da Faculdade de Engenharia Elétrica da UFU, onde atualmente é Professor Adjunto II vinculado ao NUPEP. Em 2011 e 2012 trabalhos na área de retificadores híbridos desenvolvidos sob sua orientação foram agraciados com os prêmios de 3º Lugar na 20º Edição do Prêmio SME de Ciência e Tecnologia da Sociedade Mineira de Engenheiros e 2nd Prize Paper Award do IEEE-IAS-Industrial Automation and Control Committee (IACC), respectivamente. Possui experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Conversão e Retificação da Energia Elétrica, atuando em diversos temas atrelados à Eletrônica de Potência, Qualidade da Energia Elétrica e Fontes Renováveis de Energia.

References

D. F. Cruz, "Contribuição ao estudo dos fenômenos de radio-interferência provocados por fontes chaveadas: Análise, propostas de solução e resultados experimentais", Dissertação de Mestrado em Engenharia Elétrica, UFU, 1996.

R. W. Erickson, Fundamentals of power electronics, New York, Chapman & Hall, 1996. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-7646-4 DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4615-7646-4

E. Adib, , H. Farzanehfard, "Family of zero current zero voltage transition PWM converters", IET Power Electron., vol. 1, nº 2, pp. 214-223, July 2008. https://doi.org/10.1049/iet-pel:20070225 DOI: https://doi.org/10.1049/iet-pel:20070225

R. L. Klein, R. J. M. dos Santos, A. F. de Paiva, A. L. Batschauer e M. Mezaroba, "Conversor CC-CC Elevador/Abaixador ZVZCS PWM com grampeamento ativo", Eletrônica de Potência, Vol. 17, nº2, pp. 503-512, Maio 2012. https://doi.org/10.18618/REP.2012.2.503512 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2012.2.503512

L. H. S. C. Barreto, E. A. A., Coelho, V. J. Farias, , L. C. de Freitas, and J. B. Vieira Jr., "Soft-switching interleaved boost converter with high voltage gain", in Proc. of Power Electr. Spec. Conf., pp.4157- 4161, 2008. https://doi.org/10.1109/PESC.2008.4592607

M. Mezaroba, D. C. Martins, I. Barbi, "Novo inversor ZVS PWM com grampeamento ativo utilizando um único interruptor", Eletrônica de Potência, Vol. 9, nº2, pp. 45-52, Novembro 2004. https://doi.org/10.18618/REP.2004.2.045052 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2004.2.045052

L. H. S. C. Barreto, E. A. A. Coelho, V. J. Farias, L. C. Freitas, and J. B. Vieira Jr., "Soft-switching interleaved boost converter with high voltage gain", inProc. of Power Electr. Spec. Conf., pp.4157- 4161, 2008. https://doi.org/10.1109/PESC.2008.4592607 DOI: https://doi.org/10.1109/PESC.2008.4592607

B. P. Divakar, K. W. E. Cheng, D. Sutanto, "Zero-Voltage and zero-current switching buck-boost inverter with low voltage and current stresses", IET Power Electron., vol. 1, nº 3, pp. 297- 304, Setembro 2008. https://doi.org/10.1049/iet-pel:20070038 DOI: https://doi.org/10.1049/iet-pel:20070038

M. L. S. Martins, C. M. O. Stein, J. L.Russi, J. R. Pinheiro, H. L. Hey, "ZCZVT inverters with magnetically coupled auxiliary pole", Eletrônica de Potência, vol. 15, nº 2, pp. 125-134, Maio 2010. https://doi.org/10.18618/REP.2010.2.125134 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2010.2.125134

J. R. Pinheiro, J. E.Baggio, L.Schuch, "Um circuito de auxílio à comutação quase-ZVS aplicado a conversores Forward com dois interruptores", Eletrônica de Potência, vol. 5, nº 2, pp. 25-31, Novembro 2000. https://doi.org/10.18618/REP.2000.2.025031 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2000.2.025031

C. M. Wang, "Novel zero-voltage-transition PWM DC/DC Converters", IEEE Trans. Ind. Electronics, vol.53, nº 1, pp.254-262, Fevereiro 2006. https://doi.org/10.1109/TIE.2005.862253 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2005.862253

G. Ivensky, D. Sidi, and S. Ben-Yaakow, "A soft switcher optimized for IGBT's in PWM topologies", in Proc. IEEE APEC, pp. 900-906, 1995. https://doi.org/10.1109/EEIS.1995.514190 DOI: https://doi.org/10.1109/EEIS.1995.514190

C. A. Canesin and I. Barbi, "Novel zero-current-switching PWM converter", IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 44, no. 3, pp. 372-381, Jun. 1997. https://doi.org/10.1109/41.585835 DOI: https://doi.org/10.1109/41.585835

F. T. Wakabayashi, M. J. Bonato, and C. A. Canesin, "A New family of zero-current-switching PWM converters", in Proc. of IEEE PESC, pp. 451-456, 1999. https://doi.org/10.1109/TIE.2005.851636 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2005.851636

C.-M. Wang, "New family of zero-current-switching PWM converters using a new zero-current-switching PWM auxiliary circuit",IEEE Trans. Ind. Electron.., Vol. 53, nº3, pp768-777, Junho 2006. https://doi.org/10.1109/TIE.2006.874416 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2006.874416

T.-F. Wu, J.-C. Hung, J.-T. Tsai, C.-T. Tsai, and Y.-M. Chen, "An active clamp push-pull converter for battery sourcing applications", IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 44, no. 1, pp. 196-204, Jan. 2008. https://doi.org/10.1109/TIA.2007.912748 DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2007.912748

L. Yan and B. Lehman, "Integrated magnetic full wave converter with flexible output inductor", IEEE Trans. Power Electron., vol. 18, no. 2, pp. 670-678, Mar. 2003. https://doi.org/10.1109/TPEL.2003.809357 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2003.809357

J. Sun, K. F. Webb, and V. Mehrotra, "Integrated magnetics for current doubler rectifiers", IEEE Trans. Power Electron., vol. 19, no. 3, pp. 582-590, May 2004. https://doi.org/10.1109/TPEL.2004.826423 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2004.826423

T. Qian and B. Lehman, "Coupled input-series and output-parallel dual interleaved flyback converter for high input voltage application", IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 1, pp. 88-95, Jan. 2008. https://doi.org/10.1109/TPEL.2007.911867 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2007.911867

T. Jin, K. Zhang, K. Zhang, and K.M. Smedley, "A new interleaved series input parallel output (ISIPO) forward converter with inherent demagnetizing features", IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 2, pp. 888-895, Mar. 2008. https://doi.org/10.1109/TPEL.2007.914813 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2007.914813

J. M. Zhang, X. G. Xie, X. K. Wu, Z. Qian, "Comparison study of phase-shifted full bridge ZVS converters", in Proc. of IEEE Power Electron. Spec. Conf. 2004, vol.1, pp. 533-539, June 2004. https://doi.org/10.1109/PESC.2004.1355803 DOI: https://doi.org/10.1109/PESC.2004.1355803

X. Ruan and Y. Yan, "Soft-switching techniques for PWM dc/dc full-bridge converters", in Proc. of Power Electron. Spec. Conf., pp. 634-639, 2000. [23]X. Ruan and Y. Yan, "A novel zero-voltage and zero-current-switching PWM full bridge converter using two diodes in series with the lagging leg", IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 48, no. 4, pp. 777-785, Aug. 2001. https://doi.org/10.1109/41.937410 DOI: https://doi.org/10.1109/41.937410

W. Chen, X. Ruan, and R. Zhang, "A novel zero-voltage-switching PWM full bridge converter", IEEE Trans. Power Electron., vol. 27, no. 2, pp. 793-801, Mar. 2008. https://doi.org/10.1109/TPEL.2007.915764 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2007.915764

X. Ruan and B. Li, "Zero-voltage and zero current switching PWM hybrid full-bridge three-level converter", IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 52, no. 1, pp. 213-220, Feb. 2005. https://doi.org/10.1109/TIE.2004.837911 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2004.837911

X. Wu, X. Xie, J. Zhang, R. Zhao, and Z. Qian, "Soft switched full bridge dc-dc converter with reduced circulating loss and filter requirement", IEEE Trans. Power Electron., vol. 22, no. 5, pp. 1949-1955, Sep. 2007. https://doi.org/10.1109/TPEL.2007.904211 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2007.904211

Y. Jang and M. M. Jovanovic, "A new PWM ZVS full-bridge converter", IEEE Trans. Power Electron., vol. 22, no. 3, pp. 987-994, May 2007. https://doi.org/10.1109/TPEL.2007.897008 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2007.897008

N. H. Kutkut, G. Luckjiff, and D. M. Divan, "A dual bridge high current dc-to-dc converter with soft switching capability", in Proc. of IEEE Ind. Appl. Soc. Ann. Meeting, vol. 2, pp. 1398-1405, 1997. https://doi.org/10.1109/IAS.1997.629039 DOI: https://doi.org/10.1109/IAS.1997.629039

X. Liang, H. Wei, and X. Ruan, "An interleaved three-level forward converter-suitable for the application of voltage regulatormodule (VRM)", in Proc. of Power Electron. Spec. Conf., vol. 1, pp. 127-131, 2003. https://doi.org/10.1109/PESC.2003.1218284 DOI: https://doi.org/10.1109/PESC.2003.1218284

D. de S. Oliveira Jr., C. E. de A. e Silva, R. P. T.-Bascopé, F. L. Tofoli, C. A. Bissochi Jr., J. B Vieira Jr., V. J. Farias, L. C. de Freitas, "Analysis, design and experimentation of a Double forward converter with soft switching characteristics for all switches", IEEE Trans. Power Electron., vol. 26, no. 8, pp. 2137-994, August 2011. https://doi.org/10.1109/TPEL.2010.2104331 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2010.2104331

L. C. Freitas, V. J. Farias, P. S. Caparelli, J. B. Vieira, Jr., H. L. Hey, and D. F. Cruz, "An optimum ZVS-PWM dc-dc converter family: analysis, simulation and experimental results," in Proc. of IEEE Power Electron. Spec. Conf., 1992, pp. 229-235. https://doi.org/10.1109/PESC.1992.254668 DOI: https://doi.org/10.1109/PESC.1992.254668

L. C. Freitas and P. R. C. Gomes, "A high-power high-frequency ZCSZVS- PWM buck converter using a feedback resonant circuit", IEEE Trans. Power Electron., vol. 10, no. 1, pp. 19-24, Jan. 1995. https://doi.org/10.1109/63.368465 DOI: https://doi.org/10.1109/63.368465

E. C. Dias, L.C.G. Freitas, E.A.A. Coelho, J.B. Vieira Jr., L.C. de Freitas, "Novel true zero current turn-on and turn-off converter family: analysis and experimental results", IET Power Electron., vol. 3, nº. 1, pp. 33-42, 2010. https://doi.org/10.1049/iet-pel.2008.0246 DOI: https://doi.org/10.1049/iet-pel.2008.0246

F. D. Tan, "The forward converter: From the classic to the contemporary", in Proc. of 17th IEEE Appl. Power Electron. Conf. Expo, pp. 857-863, Mar. 2002. https://doi.org/10.1109/APEC.2002.989344 DOI: https://doi.org/10.1109/APEC.2002.989344

R. Torrico-Bascopé and I. Barbi, "A double ZVS-PWM active-clamping forward converter: Analysis, design, and experimentation", IEEE Trans. Power Electron., vol. 16, no. 6, pp. 745-751, Nov. 2001. https://doi.org/10.1109/63.974372 DOI: https://doi.org/10.1109/63.974372

L. F. P. Mello, Projetos de Fontes chaveadas, São Paulo: Érica, 292p, 1987.

Published

2013-05-31

How to Cite

[1]
A. M. de Andrade, F. A. Borges, L. C. de Freitas, E. A. A. Coelho, V. J. Farias, and L. C. G. Freitas, “Análise, Projeto e Desenvolvimento de um Conversor Duplo Forward Zcs com Ressonânica Dupla para Aplicação em Fontes Chaveadas Isoladas”, Eletrônica de Potência, vol. 18, no. 2, pp. 896–907, May 2013.

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Original Papers