CONVERSOR CC-CC PARA APLICACAO EM GERACAO FOTOVOLTAICA

Felipe Jung∗, Cleyton T. Paz∗, Tiago Dequigiovani∗, Marcos Fiorin∗

∗Instituto Federal Catarinense - IFC Campus LuzernaLuzerna, SC, Brazil, 89609-000

Emails: jung.flp@gmail.com, tcharles_mecatronica@yahoo.com.br,

tiago@luzerna.ifc.edu.br, marcos.fiorin@luzerna.ifc.edu.br

Abstract— This paper presents the design and implementation of a DC-DC converter for application inphotovoltaic power systems. The project?s purpose is to adapt a set of photovoltaic cells with 15 thru 30 Vccvoltage to a 400 Vcc bus and an output power up to 1 kW. The adopted topology possesses two conversionstages, DC/AC and AC/DC, with a high frequency transformer to isolate them. In this paper it is reported theoperation stages, it is also presented the design of the components and the experimental results. The preliminaryexperimental results were obtained with a prototype with 350 W power rating and 20 kHz switching frequency.It is ascertained that the waveforms obtained are according with theoretical analysis. For the final version of thispaper, it will be presented the experimental results with the rectifier stage and waveforms over the entire loadrange.

Keywords— Power converters, photovoltaic power systems, full-bridge converter, phase-shifting.

Resumo— Este artigo aborda o projeto e implementacao de um conversor CC-CC para aplicacoes em sistemasde geracao fotovoltaica. O projeto tem por objetivo adaptar um conjunto de placas fotovoltaicas com tensao de 15a 30 Vcc, para um barramento CC de 400 V e potencia de saıda de 1 kW. A topologia adotada possui 2 estagiosde conversao, CC/CA e CA/CC, sendo isolado atraves de um transformador operando em alta frequencia.Sao descritas as etapas de operacao, apresentado o projeto dos componentes e resultados experimentais. Osresultados experimentais sao parciais, e foram obtidos para um prototipo com potencia de 350 W e frequenciade chaveamento de 20 kHz. Verifica-se que as formas de onda obtidas sao coerentes com a analise teorica. Paraa versao final serao apresentados resultados experimentais com a etapa retificadora e o funcionamento em funcaoda curva de carga.

Palavras-chave— Conversores de potencia, geracao fotovoltaica, conversor ponte completa, modulacao des-locamento de fase.

1 Introducao

Nos ultimos anos, o interesse na pesquisa em fon-tes de energia renovaveis tem aumentado conside-ravelmente, devido a elevacao no consumo mun-dial, aquecimento global e poluicao. A exemplodas celulas solares e celulas a combustıvel, diver-sas fontes renovaveis fornecem energia eletrica naforma de corrente contınua (CC), sendo neces-saria aplicacao de conversores de potencia paraadequa-las a necessidade da carga a ser conectada(Carrasco et al., 2006). Especificamente sobre aenergia solar, de acordo com (Alves et al., 2014),relatorios recentes indicam que o Brasil tem po-tencial anual de geracao fotovoltaica de 24,993TWh, mas tem instalada ou em construcao apenas15,12 MW. Tais dados, em conjunto com o cenarioenergetico atual, mostram a defasagem no desen-volvimento de setor e justificam a necessidade deinvestimentos em pesquisa voltada a energia foto-voltaica no Brasil.

Neste trabalho, um conversor CC-CC isoladoe aplicado para a conexao de placas fotovoltaicasa um barramento CC, denominado DC microgrid.Uma microgrid e um sistema que pode operar deforma autonoma, sem a necessidade de conexao auma rede de distribuicao. Em termos de geracaode energia, a microgrid consiste em pequenos ge-radores eolicos, celulas a combustıvel, modulos depaineis fotovoltaicos, entre outros (Phurailatpam

et al., 2015). A Figura 1 mostra algumas aplica-coes deste barramento, no qual, atraves dos con-versores de potencia individuais podem ser conec-tadas diferentes fontes de energia, alem da alimen-tacao de cargas CC, CA e a carga de baterias.

Figura 1: Aplicacoes tıpicas de um barramento CC

Neste trabalho considera-se o uso de paineisfotovoltaicos com potencial de geracao de ate 240Wp (Watts pico) cada, atraves do fornecimento deate 30 V em corrente contınua. O conversor apre-sentado e projetado para tensao de saıda de 400V e potencia nominal de 1 kW, portanto suportaa conexao de ate quatro paineis fotovoltaicos naentrada, conectados em paralelo.

Nas secoes a seguir sao apresentadas as ca-

racterısticas do sistema fotovoltaico, a topologiae analise do conversor CC-CC adotado, definicoestecnicas e projeto dos componentes, resultados ex-perimentais e conclusoes.

2 Caracterısticas do Sistema Fotovoltaico

O projeto do conversor apresentado e adaptadopara a operacao com placas fotovoltaicas com asespecificacoes mostradas na Tabela 1. Os dadossao fornecidos pelo fabricante Kyocera.

Tabela 1: Especificacoes das placas fotovoltaicas

Irradiacao solar 1000 W/m2 800 W/m2

Temperatura da celula 25oC 45oC

Potencia maxima 240 W 172 W

Tensao maxima 29,8 V 26,7 V

Corrente maxima 8,06 A 6,45 A

Para verificar os dados da Tabela 1, na Figura2 sao mostrados os graficos de tensao gerada, co-letados de um sistema com 4 paineis fotovoltaicosconectados em paralelo, durante um perıodo de 7dias.

0

5

10

15

20

25

30

7:3

0

7:4

5

8:0

0

8:1

5

8:3

0

8:4

5

9:0

0

9:1

5

9:3

0

9:4

5

10

:00

10

:15

10

:30

10

:45

11

:00

11

:15

11

:30

11

:45

12

:00

12

:15

12

:30

12

:45

13

:00

13

:15

13

:30

13

:45

14

:00

14

:15

14

:30

14

:47

15

:02

15

:17

15

:32

15

:47

16

:02

16

:17

16

:32

16

:47

Ten

são

(V

)

Tensão (Carga de 2,8 Ω)

1o dia 2o dia 3o dia 4o dia Média

Figura 2: Tensao gerada pelas placas fotovoltaicas

Os graficos mostram os valores de tensao comcarga resistiva de 2,8 Ω, o que representa uma po-tencia de 270 W para a tensao de 27,5 V. Observa-se que a tensao tem valor maximo proximo de 27V, porem, devido variacoes na incidencia solar,decai facilmente para abaixo de 20 V. Tambem seobserva que existe muita oscilacao na energia ge-rada, principalmente no perıodo da tarde. Diantedos dados obtidos, considerou-se a faixa de 15 a30 V para a operacao nominal do conversor. Alemdisso, o conversor e projetado para a utilizacao deum ou ate 4 paineis fotovoltaicos conectados emparalelo, o que equivale a potencia instalada de960 Wp, e na tensao maxima, corresponde a cor-rente de 32 A.

3 Conversor CC-CC isolado

De modo a atender as especificacoes do projeto,foram pesquisadas topologias de conversores CC-

CC para o processamento da energia fotovoltaica.Uma vez que, ao barramento CC podem ser conec-tadas fontes de energia distintas, e requerido umconversor isolado para a conexao de cada fonte aobarramento.

Os conversores isolados apresentam uma iso-lacao galvanica entre entrada e saıda, obtida atra-ves de um transformador. Existem diversas to-pologias de conversores isolados, entre os quais,os mais conhecidos e utilizados sao os converso-res Flyback, push-pull, meia ponte (half-bridge) eponte completa (full bridge)(Mohan et al., 1989).Os conversores Flyback, push-pull e meia ponte,contudo, sao recomendados para aplicacoes ondea potencia media e inferior a 500 W. Ja o conver-sor em ponte completa e recomendado para apli-cacoes onde a potencia media e de ate 1500 W(Martins and Barbi, 2008). Conforme as espe-cificacoes deste projeto a potencia deve ser de 1kW,portanto o conversor adotado e a topologiaponte completa.

A topologia do conversor e mostrada na Fi-gura 3, o qual consiste em um inversor pontecompleta, um transformador operando em altafrequencia, um retificador em ponte no secunda-rio e filtro LC na saıda. A fonte E representa atensao gerada pelas placas fotovoltaicas.

S2

S1

S4

S3

E+-

DR2

DR1

DR4

DR3

Lf

Cf RL

NP NS

+

Vo

-

Figura 3: Topologia para conversor CC-CC em pontecompleta

Utilizou-se o transformador sem derivacaocentral, devido ao fato que a potencia aparentedo transformador e 11% maior do que a potenciaativa na carga, comparado a 57% do retificadorcom ponto medio. Alem disso a tensao reversanos diodos e igual a tensao de pico no secunda-rio, diferente da outra topologia que e o dobro(Barbi, 2006).

Neste conversor, portanto, existem dois es-tagios de conversao. Primeiramente, existe umaetapa inversora (conversao CC-CA), onde a tensaocontınua de entrada e transformada em alternadae conectada ao transformador; e no segundo esta-gio a tensao elevada pelo transformador e entaoretificada (conversao CA-CC).

3.1 Logica de Comando

A logica de comando adotada neste conversor con-siste na combinacao das tecnicas deslocamento

de fase (phase-shifting) e PWM (Pulse WidthModulation) (Sabate et al., 1990), (Martins andBarbi, 2008), no qual todas as chaves conduzempor metade do perıodo de chaveamento, e e in-serido um atraso no comando entre cada bracoinversor. Quando S1 e S4 conduzem, a tensao naentrada do transformador e +E, quando S1 e S3,ou S2 e S4 sao acionadas, a tensao na entrada dotransformador e 0 V e quando S2 e S3 conduzema tensao na entrada do transformador e −E. AFigura 4 mostra a sequencia de acionamento daschaves e a variavel para ajuste do tempo de atraso(td). Apos retificada, a tensao media na carga (Vo)

S4

S1 S2

S3

S1

t [s]

Sinal comandotd

S4

Ts

td

Figura 4: Logica de comando

e dada pela razao do tempo em que a tensao noprimario do transformador e E e o tempo em quea tensao e 0 V. Dessa forma, Vo pode ser descritapela Equacao 1.

V o =

[1 −

(2td

Ts

)]E

a(1)

onde:E e a tensao CC de entrada;Ns e o numero de espiras secundario;Np e o numero de espiras no primario;Ts e o perıodo de chaveamento;a e a relacao de transformacao (Np/Ns)

3.2 Etapas de Operacao

Para a descricao das etapas de funcionamentoconsidera-se que o indutor de filtro (Lf ) tem va-lor suficientemente grande para que a corrente decarga seja considerada constante, e os dispositivossemicondutores sao ideais.

Diversos trabalhos apresentam a analise desteconversor (Schmidt and Pinheiro, 2015), (Sabateet al., 1990), (Emami et al., 2011), (Mihalache,2004), com o objetivo principal em verificar os pro-cessos de comutacao entre os interruptores. Asetapas descritas a seguir sao realizadas conside-rando a indutancia de dispersao no primario dotransformador, e sao incluıdas as capacitancias in-trınsecas das chaves e o tempo morto.

Durante um perıodo de chaveamento pode-seobservar 8 etapas de operacao. As formas de ondareferente a cada estagio estao apresentadas na Fi-gura 5, e os circuitos equivalentes sao mostradosna Figura 6.

Primeira Etapa (t0 ≤ t < t1): Conside-rando o circuito em regime permanente, anterior

a t0, as chaves S3 e S2 estao conduzindo a cor-rente no primario do transformador (Ip). Em t0 eefetuado o comando para S1, ao mesmo tempo dobloqueio de S2, porem devido ao sentido previoda corrente e o diodo intrınseco da chave (DS1)que conduz, juntamente com S3, definindo um es-tagio de roda-livre no primario. No secundario osdiodos retificadores DR2 e DR3 conduzem a cor-rente de carga. A duracao desta etapa equivale aotempo de atraso (td).

Segunda Etapa (t1 ≤ t < t2): Em t1 ocorreo bloqueio de S3 e o comando para S4 conduzir.Neste instante a tensao VAB passa a ser igual a+E, e a energia previamente armazenada na indu-tancia Ldisp e transferida para a fonte atraves daconducao dos diodos DS1 e DS4

, conforme o sen-tido da corrente indicado no circuito equivalentea esta etapa. No secundario ocorre uma etapa deroda-livre, onde a corrente em DR2 e DR3 comecaa decrescer ao passo que DR1 e DR4 iniciam a con-duzir, o que mantem nula a tensao no secundario.Esta etapa termina quando Ip chega a 0 A.

Terceira Etapa (t2 ≤ t < t3): A terceiraetapa inicia com a inversao no sentido da correntedo primario, devido a transferencia de energia dafonte E para o indutor Ldisp e para a carga. Aschaves S1 e S4 passam a conduzir a corrente Ip.No secundario continua a etapa de roda-livre, po-rem devido a inversao no sentido da corrente notransformador, os diodos DR1 e DR4 passam aconduzir valor maior de corrente do que DR2 eDR3.

Quarta Etapa (t3 ≤ t < t4): Quando finali-zada a etapa de roda-livre no secundario, com osdiodos DR1 e DR4 assumindo o valor de Io, a ten-sao aplicada em VAB e transferida para o secun-dario, de acordo com a relacao de espiras (a) dotransformador. Durante esta etapa as chaves S1 eS4 conduzem a corrente refletida Io/a, e continuaa transferencia de energia da fonte para a carga.

Quinta Etapa (t4 ≤ t < t5): Em t4 a chaveS1 e bloqueada e efetuado o comando para S2, oque estabelece VAB e VS iguais a 0 V. Ocorre no-vamente uma etapa de roda-livre no primario de-vido a energia armazenada em Ldisp, porem coma corrente no sentido contrario aquela da primeiraetapa. A chave S3 e o diodo intrınseco DS2 con-duzem a corrente no primario. A duracao destaetapa e definida pelo tempo td.

Sexta Etapa (t5 ≤ t < t6): Esta etapa ini-cia com o bloqueio de S4 e o comando de S3. Atensao em VAB e igual a −E. Analogamente a se-gunda etapa, a energia armazenada na indutanciade dispersao e entao transferida para a fonte. Acorrente Ip comeca a decrescer linearmente, coma conducao dos diodos DS2 e DS3. No secundarioa tensao permanece nula devido a etapa de roda-livre.

Setima Etapa (t6 ≤ t < t7): Em t6 a cor-rente no primario chega a zero e passa a inverter

S2

S1

S4

S3

E+-

DR2

DR1

DR4

DR3

NP NS

1ª6Etapa6 [t0 – t1]

Io

Ldisp

Ip+6 VAB -

+Vs

-

IDR1 IDR3

IE

S2

S1

S4

S3

E+-

DR2

DR1

DR4

DR3

NP NS

2ª6Etapa6 [t1 – t2]

Io

Ldisp

Ip+6 VAB -

+Vs

-

IDR1 IDR3

IE

S2

S1

S4

S3

E+-

DR2

DR1

DR4

DR3

NP NS

3ª6Etapa6 [t2 – t3]

Io

Ldisp

Ip+6 VAB -

+Vs

-

IDR1 IDR3

IE

S2

S1

S4

S3

E+-

DR2

DR1

DR4

DR3

NP NS

4ª6Etapa6 [t3 – t4]

Io

Ldisp

Ip+6 VAB -

+Vs

-

IDR1 IDR3

IE

S2

S1

S4

S3

E+-

DR2

DR1

DR4

DR3

NP NS

5ª6Etapa6 [t4 – t5]

Io

Ldisp

Ip+6 VAB -

+Vs

-

IDR1 IDR3

IE

S2

S1

S4

S3

E+-

DR2

DR1

DR4

DR3

NP NS

6ª6Etapa6 [t5 – t6]

Io

Ldisp

Ip+6 VAB -

+Vs

-

IDR1 IDR3

IE

S2

S1

S4

S3

E+-

DR2

DR1

DR4

DR3

NP NS

7ª6Etapa6 [t6 – t7]

Io

Ldisp

Ip+6 VAB -

+Vs

-

IDR1 IDR3

IE

S2

S1

S4

S3

E+-

DR2

DR1

DR4

DR3

NP NS

8ª6Etapa6 [t7 – t8]

Io

Ldisp

Ip+6 VAB -

+Vs

-

IDR1 IDR3

IE

D1 D3

D2 D4

D1 D3

D2 D4

D1 D3

D2 D4

D1 D3

D2 D4

D1 D3

D2 D4

D1 D3

D2 D4

D1 D3

D2 D4

D1 D3

D2 D4

Figura 6: Circuito equivalente para cada etapa

o sentido. A fonte E transfere energia para o cir-cuito atraves da S2 e S3. No secundario continuao estagio de roda-livre e a tensao VS e nula.

Oitava Etapa (t7 ≤ t < t8): Em t7 o estagiode carga no indutor Ldisp e finalizado e as chavesS2 e S3 conduzem a corrente Io/a. No secunda-rio os diodos DR3 e DR2 conduzem a corrente decarga, e a tensao no secundario para a ser −E/a.Esta etapa termina com a comutacao de S2 paraS1, finalizando o perıodo de chaveamento, sendoo instante t8 igual a t0.

4 Projeto do Conversor

Na tabela 2 sao apresentadas as principais especi-ficacoes do conversor.

Tabela 2: Especificacoes do conversor CC-CC

Tensao de entrada (E) 15 a 30 V

Frequencia de chaveamento (fs) 20 kHz

Tensao de Saıda (Vo) 400 V

Potencia de Saıda (Po) 1 kW

Resistencia de carga (RL) 160 Ω

t [s]

VAB

t [s]

Ip

t [s]

IDR1 IDR3

t [s]

VS

S3

D1

S1

S4

S4

D2

D1

D4

D2

D3

S2

S3

t0 t1 t3 t4t2 t5 t6 t8t7

+E

-E

+Io/a

-Io/a

Io

+E/a

-E/a

td td

Figura 5: Formas de onda teoricas

Nas Tabelas 3, 4 e 5 sao mostradas as espe-cificacoes de projeto do transformador, filtro LC,e semicondutores utilizados, com base em meto-dologia apresentada em (Mohan et al., 1989) e(Martins and Barbi, 2008). A elevacao do trans-formador e de aproximadamente 27 vezes. Para

Tabela 3: Parametros do transformador

Nucleo escolhido EE 55/28/21

Espiras no primario (Np) 2 x 10 AWG18

Espiras no secundario (Ns) 54 x 1 AWG18

o projeto dos elementos do filtro LC, define-se afrequencia de corte para 4 kHz, 10 vezes menordo que a frequencia da forma de onda na saıda daponte retificadora. As especificacoes dos semicon-

Tabela 4: Parametros do filtro LC

Ondulacao de corrente 20%(2,5 A)

Indutancia (Lf) 5 mH

Nucleo EE 55/28/21 142 x 2 AWG21

Entreferro 1,8 mm

Capacitancia Cf 100 nF

Ondulacao de tensao 5%(400 V)

dutores sao mostradas na Tabela 5.

5 Resultados Experimentais

A seguir sao apresentados os resultados parciaisobtidos com a implementacao do primeiro estagio

Tabela 5: Dispositivos semicondutores

Descricao Especificacao

D1 a D4 HFA08TB120 (8A, 1200V, trr=28 ns)

S1 a S4 IRGP4063 (48A a 100oC)

(conversao CC-CA). As medicoes foram efetuadaspara a tensao de entrada de 25 V, com carga re-sistiva de 350 W na saıda e operacao em malhaaberta. Nao formam incluıdos circuitos snubber,a comutacao ocorre em hard switching. Devidoa disponibilidade de componente, esses resultadosforam obtidos com o MOSFET IRFP250N.

5.1 Logica de Comando e circuito de drive

A estrategia de chaveamento foi implementada nomicrocontrolador NXP LPC1343, no qual para ageracao dos sinais de comando para cada inter-ruptor utilizou-se da disponibilidade de hardwaredo microcontrolador, otimizando o tamanho dofirmware e a precisao nos intervalos de tempo dechaveamento. Para o circuito de drive foi utili-zado o CI HCPL3150, obtendo-se as formas deonda entre gate-source mostradas na Figura 7.

(a) (b)

(c) (d)

S1 S3

S4

S1

S1 S2 S3 S4

Figura 7: Tensao de comando nas chaves

Observa-se nas Figuras 7(a) e 7(b) que as cha-ves S1 e S2 e S3 e S4 nunca sao comandadasao mesmo tempo, existindo inclusive um tempomorto. A defasagem entre as chaves S1 e S4 eentre S2 e S3, definidas pelo tempo td pode serverificada nas Figuras 7(c) e 7(d).

5.2 Estagio de Conversao CC-CA

Para verificar o funcionamento da etapa inversora,inicialmente foi conectado no lugar do transforma-dor uma carga resistiva, correspondente a 350 Wde potencia. A Figura 8 mostra a forma de ondaentre os terminais drain-source do interruptor S1

e a tensao sobre a resistencia de carga. Observa-seque as formas de onda estao coerente com o espe-rado. A sobretensao no interruptor e proveniente

Figura 8: Tensao VDS sobre S1 (CH1) e tensao entreos bracos inversores (CH2)

das nao-idealidades da chave e do circuito, resul-tado de ressonancias entre capacitores e indutoresparasitas.

5.3 Formas de onda no transformador

A Figura 9 apresenta a tensao na entrada e nasaıda do transformador, onde pode-se verificar quea relacao entre os valores eficazes das tensoes desaıda e entrada e aproximadamente 30 vezes. As

Figura 9: Tensao no primario (CH1) e secundario(CH2) no transformador

oscilacoes que ocorrem nas formas de onda po-dem ser provenientes da indutancia de dispersaodo transformador, que podem ser atenuadas me-diante a implementacao de circuitos snubber.

6 Conclusoes

O conversor CC-CC estudado neste trabalho foiparcialmente implementado, apresentando resul-tados experimentais coerentes com a analise teo-rica. Os testes somente com carga resistiva mos-traram formas de onda coerentes porem com so-bretensoes nas chaves oriundas de ressonancias naordem de MHz, que, com o aumento da correnteno conversor, podem ocasionar interferencias nossinais de comando e provocar mau funcionamentodo conversor.

Com o circuito inversor alimentando o trans-formador, alem das oscilacoes ja existentes, foi ve-rificada outra frequencia de ressonancia na ten-sao sobre os interruptores, possivelmente causadapela indutancia de dispersao. Devido a isso torna-se necessaria a adicao de um snubber no circuitoprimario, para evitar que esta sobretensao ultra-passe a tensao de ruptura dos diodos do circuitoretificador.

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