Novo princípio de integração de Circuitos de Auxílio à Comutação: Estudo do Caso ZVT

Abstract

This work proposes the concept of integrated auxiliary commutation circuits applied to systems with several power conversion stages. With this concept, it is possible to reduce the number of additional elements as well as to minimize the circu-lating reactive energy. A new integrated ZVT auxiliary commutation circuit is applied to a double-conversion UPS to demon-strate the functionality of this new concept. By using this new circuit, the main switches operate under soft-commutation of ZVT type, and the auxiliary switches are turned-on and turned-off under ZCS or ZVS. Experimental results of a 1kW@100kHz proto-type are presented to demonstrate the good performance of the new integrated ZVT auxiliary commutation circuit and the feasi-bility of the proposed concept.

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NOVO PRINCÍPIO DE INTEGRAÇÃO DE CIRCUITOS DE AUXÍLIO Á COMUTAÇÃO:
ESTUDO DO CASO ZVT
L. SCHUCH
Curso de Sistemas de Informação, Unidade Santa Maria, Universidade Luterana do Brasil
Br 287, Km 252, Trevo Maneco Pedroso, Bairro Boca do Monte
CEP 97020-001, Santa Maria, RS, BRASIL, Fone: +55-55-214-2333
E-mail: lschuch@ieee.org - http://www.ulbra.br
CASSIANO. RECH, JOSÉ. R. PINHEIRO
Grupo de Eletrônica de Potência e Controle, Universidade Federal de Santa Maria
Centro de Tecnologia, Av. Roraima S/N, Camobi
CEP 97105-900, Santa Maria, RS, BRASIL, Fone: +55-55-220-8463
E-mail: cassiano@ieee.org; renes@ctlab.ufsm.br - http://www.ufsm.br/gepoc/
Abstract¾ ¾ This work proposes the concept of integrated auxiliary commutation circuits applied to systems with several power
conversion stages. With this concept, it is possible to reduce the number of additional elements as well as to minimize the circu-
lating reactive energy. A new integrated ZVT auxiliary commutation circuit is applied to a double-conversion UPS to demon-
strate the functionality of this new concept. By using this new circuit, the main switches operate under soft-commutation of ZVT
type, and the auxiliary switches are turned-on and turned-off under ZCS or ZVS. Experimental results of a 1kW@100kHz proto-
type are presented to demonstrate the good performance of the new integrated ZVT auxiliary commutation circuit and the feasi-
bility of the proposed concept.
Keywords¾ ¾ Soft-switching, ZVT, UPS.
Resumo¾ ¾ Este trabalho propõe o princípio da integração de circuitos de auxílio à comutação aplicado a sistemas com vários es-
tágios de conversão de energia. Dessa forma, consegue-se reduzir o número de elementos adicionais e ainda minimizar a energia
reativa circulante. Para demonstrar a funcionalidade desse novo princípio foi utilizada a técnica ZVT a qual foi aplicada a uma
UPS double-conversion, obtendo-se um novo circuito de auxílio à comutação ZVT integrado. Desse modo, consegue-se comuta-
ção ZVT nos interruptores principais e ZCS ou ZVS nos interruptores auxiliares. Resultados experimentais de um protótipo de
1kW@100kHz são apresentados para demonstrar funcionamento do circuito de auxílio à comutação ZVT integrado e do princí-
pio proposto.
Palavras Chaves¾ ¾ comutação-suave, ZVT, UPS.
1. Introdução
Os conversores PWM podem ser obtidos a partir da
célula PWM apresentado na Figura 1. Dessa forma,
as comutações, nesses conversores, ocorrem do inter-
ruptor para o diodo ou do diodo para o interruptor,
causando perdas e geração de EMI (interferência
eletromagnética), devido principalmente às caracte-
rísticas dos semicondutores utilizados. No intuito de
minimizar esses problemas, foram apresentadas di-
versas técnicas de auxílio à comutação não dissipati-
vas e com o controle do di/dt e/ou dv/dt, onde se
destacam snubber passivos (Makamura et al, 2001) e
ativos (Dehong et al, 2001), circuitos de auxilio a
comutação ZVS (Lee, 1988), ZCS (Lee, 1988), ZVT
(Hua et al, 1992), ZCT (Yang et al, 1994) e ZCZVT
(Stein et al, 2000).
Ao utilizar alguma das técnicas de auxílio à co-
mutação citada acima, em sistemas com diversos
estágios de conversão de energia é necessário utilizar
mais de um circuito de auxílio à comutação (CAC)
independente, elevando o custo de todo o sistema
(Xinxiang, 2002). Assim, este trabalho propõe o
princípio da integração de CAC, onde a energia rea-
tiva envolvida em uma comutação auxilia uma outra
comutação subseqüente do sistema, minimizando a
energia reativa circulante. Existindo a possibilidade
de se integrar diferentes técnicas de auxílio à comuta-
ção em um mesmo sistema. Sendo esse princípio
aplicado a sistemas com mais de um estágio de pro-
cessamento de energia, tais como fontes para teleco-
municações, drives de motores, fontes de potência
CA, UPS (fonte ininterrupta de energia), entre outros.
Com a utilização desse princípio é possível reduzir o
número de componentes adicionais, reduzindo o
custo e elevando a eficiência do sistema.
Dentre as técnicas de auxílio à comutação, a
ZVT é uma das mais difundidas no meio acadêmico
(Smith, 1997) e no meio industrial (Noon, 2003),
(Saic, 2003), por processar apenas uma fração da
energia do conversor em um pequeno intervalo de
tempo. Desse modo, praticamente não altera as carac-
terísticas do conversor PWM original. O circuito
responsável por obter a comutação ZVT foi proposto

a
b
c
S1
S2

Figura 1. Célula PWM.

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inicialmente por Hua et al (1992), desde então os
pesquisadores desenvolveram inúmeras variações
topológicas (Kim et al, 2000) e metodologias de
projetos (Russi et al, 2003), a fim de melhorar a per-
formance dessa técnica (ZVT). Contudo, o número
de dispositivos adicionais e a complexidade do sis-
tema aumentaram significativamente. Assim, redu-
zindo o interesse da indústria por esses novos circui-
tos.
Logo, o circuito de auxílio à comutação ZVT
proposto originalmente por Hua et al (1992), mostra-
do na Figura 2, é o de menor número de componentes
adicionais, de fácil projeto e reduz significativamente
as perdas por comutação, resultando em um sistema
de elevado rendimento indo ao encontro com a ne-
cessidade da indústria (baixo custo e simplicidade).
Pelas características citadas anteriormente, op-
tou-se em utilizar a técnica ZVT baseada na topolo-
gia proposta por Hua et al (1992), como ponto de
partida e topologia referência de comparação. É
importante destacar que se pode aplicar esse princí-
pio de integração a outras técnicas de auxílio à comu-
tação, bem como realizar combinações de diferentes
técnicas para facilitar a integração o que possibilita a
redução do número de componentes adicionais, mi-
nimizando a energia reativa necessária para realizar a
comutação suave.
2. Princípio do Circuito de Auxílio à Comutação
ZVT Integrado
O principio da integração dos circuitos de auxílio à
comutação é válido para sistemas onde existem mais
de um estágio de conversão de energia. Para explicar
o princípio da integração será inicialmente mostrado
o processo de comutação ZVT, na célula PWM
(Figura 1). Na comutação ZVT a entrada em condu-
ção do interruptor principal ocorre em zero de tensão,
então sempre que a corrente do conversor estiver
circulando pelo diodo em antiparalelo de um dos
interruptores (S1 ou S2) é necessário desviar essa
corrente para o CAC. Deste modo, inicia-se o proces-
so ressonante, o qual leva a tensão sobre o interruptor
à zero. A energia acumulada, no CAC no final do
processo ressonante, deve ser regenerada para carga
(Hua et al, 1992) ou para fonte de entrada (Filho et
al, 1994) para se obter um elevado rendimento.
Contudo, de acordo com o sentido da corrente do
conversor existem dois modos distintos de ocorrer à
comutação suave do diodo para o interruptor como
visto na Figura 3(a) e (b). Na Figura 3(a) pode-se
observar que é necessário desviar a corrente para o
CAC e na Figura 3(b) é exatamente o oposto, ou seja,
o CAC deve ser capaz de injetar uma corrente supe-
rior a corrente do conversor (Iy), para iniciar a resso-
nância. Assim, existem apenas dois diferentes tipos
de comutação na entrada em condução dos converso-
res PWM sobre comutação ZVT, a saber: comutação
tipo buck (necessário injetar uma corrente) e comuta-
ção do tipo boost (necessário desviar a corrente).
Pelo exposto e através da Figura 3 pode-se ob-
servar que um único CAC pode ser utilizado para
realizar a comutação dos dois sistemas, dessa forma
reduzindo o número de elementos adicionais e redu-
zindo a energia reativa circulante no circuito de auxí-
lio a comutação ZVT. Para tanto, deve-se utilizar a
energia presente no final do processo da comutação
do primeiro sistema (comutação principal), ver
Figura 3(a), a qual seria regenerada, para se realizar a
comutação do interruptor principal do segundo siste-
ma (comutação secundário), ver Figura 3(b). Para
tanto, os dois sistemas devem operar sincronisada-
mente, ou seja, ao final da primeira comutação inicia-
se a segunda.
Esse princípio pode ser estendido a aplicações
com “p” sistemas (e/ou braços), operando de forma
síncrona. Podendo existir “m” comutações principais,
operando em paralelo e da mesma forma “n” comuta-
ções secundárias, também operando em paralelo,
sendo p = n +m , como ilustra a Figura 4.

Vin
L
D
S
Lr
Da1
Da2
Sa
C
R

Figura 2. Circuito auxílio à comutação proposto por Hua et al
(1992), aplicado ao conversor boost.

ACC
Ix
Dx
Sx

(a)

ACC
Iy
Sy
Dy

(b)
Figura 3. Princípio da comutação ZVT nos conversores PWM de
acordo com o sentido da corrente do conversor: (a) comutação de
Dx para Sx, (b) comutação de Dy para Sy.

IACC
I x (1)
D x (1)
S x (1)
I y (1)
S y(1)
D y (1)
I y ( n - 1)

D y ( n )
S y ( n - 1)
D y ( n - 1)
I y ( n )
S y ( n )
...
...
...
...
I x (m - 1)
D x (m - 1)
S x (m - 1)
I x (m)
D x (m)
S x (m)

Figura 4. Generalização do princípio da integração para aplicações
com “p” sistemas (p=n+m).

bypass
Rede
pública
carga
crítica
Banco
de
baterias
Lb
Lf
S1
S2
S3
S4
S5
S6
D1
Tr
Lo
Co
D2
Cb
S7

Figura 5. Estágio de Potência da UPS double-conversion utiliza-
da.

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3. CACI Aplicado a uma UPS Double-Conversion
Para demonstrar a aplicabilidade do princípio da
integração do circuito de auxílio à comutação ZVT
será utilizado uma UPS double-conversion, vista na
Figura 5, que é uma típica aplicação de um sistema
com diversos estágios de conversão de energia. Essa
UPS é composta por um conversor pré-regulador
(boost), responsável pela PFC e também pelo modo
backup (Ho et al, 1997), desse modo reduzindo o
custo da UPS, um carregador de baterias (buck), para
recarregar o banco de baterias e manter o estado de
carga completa das mesmas, um inversor (full-
brigde), para alimentar a carga com um alto nível de
qualidade.
A UPS apresentada na Figura 5 opera em dife-
rentes modos conforme o estado da rede pública e do
estado do banco de baterias, fazendo com que a
estrutura do sistema se altere. Além desses fatores,
conforme o sentido da corrente da saída do inversor o
processo de comutação ocorre de forma diferente.
Assim, em sistemas onde a estrutura do mesmo se
altera e com vários estágios de conversão de energia,
como nesse caso, o principio da integração se aplica
com grande eficácia. O circuito de auxílio à comuta-
ção integrado (CACI) proposto para ser utilizado
nessa UPS é apresentado na Figura 6(b) a qual apre-
senta o circuito simplificado da UPS. Optou-se em
operar com o inversor com um baço em 60Hz (S5 e
S6). Desse modo, consegue-se reduzir o número de
componentes do CAC, sem penalizar o volume do
filtro de saída, pois o sistema vai operar em alta fre-
qüência.
O CACI é composto por apenas dois indutores
ressonantes (Lr1 e Lr2), três diodos auxiliares (Da1,
Da2 e Da3) e três interruptores auxiliares (Sa1, Sa2 e
Sa3). Com a utilização do CACI proposto os interrup-
tores principais apresentam comutação suave do tipo
ZVT livres de sobrecorrente e sobretensão e os inter-
ruptores auxiliares apresentam comutação do tipo

ZCS (Sa1), e ZVS (Sa2 e Sa3). O CACI proposto apre-
senta uma significativa redução no número de com-
ponentes (8 componentes a menos), quando compa-
rada à mesma UPS utilizando circuitos ZVT indepen-
dentes (Hua et al, 1992), conforme ilustra a Figura
6(a), outra vantagem é com respeito à comutação dos
interruptores auxiliares que no circuito da Figura 6(a)
apresenta perdas devido a capacitância intrínseco, no
caso de MOSFETs ou perdas devido a corrente de
calda, no caso de IGBTs. Sendo este problema mini-
mizado no CACI proposto, pois as comutações pas-
sam a ser ZCS ou ZVS. Por fim, pode-se utilizar um
MOSFET como interruptor auxiliar Sa2 (comutação
do tipo ZVS), o qual apresenta um diodo intrínseco
que pode ser utilizado como diodo (D2), do carrega-
dor de bateias reduzindo ainda mais os custos do
sistema como um todo.
Na UPS proposta o número de comutações prin-
cipais e comutações secundárias variam de acordo
com os modos de operação e com o sentido da cor-
rente de saída do inversor. Durante o modo normal e
backup existem dois processos de comutação distin-
tos para cada modo, como apresentado na Figura 7.
No modo normal (Figura 7(a) e (b)), estão operando
o conversor pré-regulador (boost, CA-CC), o carre-
gador de baterias (buck) e o inversor (full-brigde).
No modo backup (Figura 7(c) e (d)), o conversor pré-
regulador passa a funcionar como um conversor
boost CC-CC, utilizando como fonte tensão de entra-
da o banco de baterias, o carregador de baterias
(buck) é desativado e o inversor (full-brigde), conti-
nua a operar normalmente.
4. Metodologia de Projeto do CACI
A escolha dos interruptores do CACI é feita em fun-
ção do tipo de comutação apresentada em cada semi-
condutor. Pelo fato da comutação do interruptor
auxiliar Sa1 ser do tipo ZCS, optou-se em utilizar um
IGBT. Para o caso dos interruptores auxiliares Sa2 e
Iin
S1
S2
S3
S4
S5
S6
D1
Io
D2
Ibat
Vo
Lr1 Da1
Da2
Sa1
Lr2
Lr3
Lr4
Sa2
Da3
Da4
Sa3
Sa4
Da8
Da5
Da7

(a)

Iin
S1
S2
S3
S4
S5
S6
D1
Io
D2
Ibat
Vo
Lr1
Da1
Da2
Sa1
Lr2
Sa2
Da3
Sa3

(b)
Figura 6. Circuito equivalente simplificado da UPS: (a) UPS utilizando CAC ZVT independentes, (b) UPS utilizando CACI proposto.

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Sa3 que apresentam comutação do tipo ZVS a escolha
foi MOSFETs. Assim, consegue-se reduzir as perdas
por comutação nesses interruptores.
O projeto dos indutores ressonantes Lr1 e Lr2 é
feito em função do máximo di/dt permitido nos semi-
condutores (mesmo critério utilizado no projeto da
maioria dos CAC ZVT (Russi et al, 2003)), conforme
segue:
V
L
di dt
Por fim, deve-se projetar o valor dos capacitores
ressonantes (CS1, CS2, CS3 e CS4), posicionados em
antiparalelo com os interruptores principais, a fim de
garantir a comutação suave com a menor energia
reativa.
O projeto dos capacitores deve ser realizado para
o caso crítico, ou seja, quando o sistema está operan-
do no modo normal e com o sentido da corrente da
saída do inversor indicado na Figura 7(a), pois nesse
modo a energia no final do processo de comutação do
interruptor principal S1 vai ser utilizada para realizar
a comutação suave dos interruptores S2 e S3. Além
disso, deve-se considerar que o conversor pré-
regulador apresenta corrente próxima de zero e os
conversores buck e full-brigde apresentam correntes
()
/
L
r
máx
=

(1)
máximas.
O plano de fase e o circuito equivalente do pro-
cesso de comutação do conversor pré-regulador são
mostrados na Figura 8(a) e (c), sendo a corrente Ip1, a
qual esta acumulada no indutor ressonante Lr1, será
utilizada para a comutação dos outros dois interrup-
tores principais (S2 e S3), cujo plano de fase e circuito
equivalente são mostrado na Figura 8(b) e (d). Desse
modo, para garantir a comutação suave deve-se ga-
rantir que as correntes de pico dos dois planos de fase
sejam iguais. Assim, obtém-se o valor de CS1 como:
(
cceq
S
V
onde:
L
Z
=
)
cc
eqeq
IZVC
C
2
1
+
=
,
(2)
eq
r
eq
C
1
,
(3)
1
1
1
S
r
L
C
C
+
C
L
Z
=
,
(4)
43
i
2
SSS
=
eq
CCC
++=
I
=
.
(5)
(6)
inv
+
bat
i
+
eq
C
,
432
SSSeq
CC
,
(7)
Vcc = tensão do barramento CC.
Assim, através da equação (2) e utilizando os ca-
pacitores intrínsecos dos interruptores S2, S3 e S4
(para redução de volume), conclui-se o projeto do
CACI.
5. Resultados Experimentais
Um protótipo do sistema proposto, em malha aber-
ta, foi construído no laboratório para verificar o prin-
cípio de operação do CACI aplicado a uma UPS
double-conversion, mostrado na Figura 9. Na Tabela
1 são apresentados os principais parâmetros do proje-
to. Os resultados experimentais irão demonstrar o
princípio de operação para cada modo de operação
individualmente.
Na Figura 10 apresenta o processo de comutação
para o sistema operando no modo normal e quando a
corrente de carga tiver o sentido ilustrado na Figura
7(a). Durante este modo existe uma comutação do
tipo boost para auxiliar duas comutações do tipo
buck. Como explicado na seção anterior, o CACI
deve ser projetado para o este caso, pois se tratar do
caso crítico, assim garantindo a comutação suave
para os demais modos. A Figura 10(a) apresenta a
Tabela 1. Especificações da UPS.
Potência nominal (Po)
Tensão de saída (Vo)
Tensão de entrada (Vin)
Tensão do banco de baterias
(Vbat)
Corrente de carga do banco de
baterias (Ibat)
Freqüência de comutação (Fs)
Indutores ressonantes (Lr1 e Lr2) 9µH
Capacitor CS1
Capacitores CS2, CS3 e CS4



(a)


(b)


(c)


(d)
Figura 7. Processos de comutação: (a) modo normal - uma comu-
tação principal e duas secundárias; (b) modo normal – duas comu-
tações principais e uma secundária; (c) modo backup – uma
comutação principal e uma secundária; (d) modo backup - duas
principais.
ILr1Z1
Ip1
R1
VCS1
Vcc

(a)
ILr1Zeq
Ip2
R2
VCS1
Vcc
Ieq

(b)

Lr1
CS1
Ipre≅0

(c)

+
-
Lr1
Ceq
Ieq
Vcc

(d)
Figura 8. Processo de comutação: (a) Plano de fase da comutação
de S1; (b) Plano de fase da comutação de S2 e S3; (c) circuito
equivalente (comutação de S1); (d) circuito equivalente (comuta-
ção de SS ).
1000W
220Vrms
220Vrms ±10%
96V (8 baterias de 12V ligadas
em série (7A/h))
1,4A
100kHz
2,2nF
480pF (intrínsecos)

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comutação ZVT dos interruptores principais S1 e S3 e
a Figura 10(b) ilustra a comutação dos interruptores
principais S2 e S3, que ocorrem em paralelo. A comu-
tação ZVS do interruptor auxiliar Sa2 é apresentada
na Figura 10(c) e a comutação ZCS do interruptor
auxiliar Sa1 é mostrada em Figura 10(d). Por fim, a
tensão sobre o interruptor Sa3 é aproximadamente
zero no instante da comutação, porque VS2 ≅ VS3 co-
mo pode-se observar na Figura 10(b).
Na Figura 11 é apresentado os resultados do pro-
cesso de comutação durante o modo normal, porém
agora com o sentido da corrente de carga mostrado
na Figura 7(b). Neste modo de operação tem-se duas
comutações do tipo boost para auxiliar uma comuta-
ção do tipo buck. Na Figura 11(a) é apresentada a
comutação ZVT dos interruptores principais S1 e S4.
A Figura 11(b) mostrada a comutação do interruptor
S2 que também ocorre sobre tensão nula (ZVT). A
comutação ZVS do interruptor auxiliar Sa2 é mostra-
da na Figura 11(c) e a comutação ZCS do interruptor
auxiliar Sa1 é apresentada na Figura 11(d).
Os resultados experimentais para o modo backup
não serão apresentados porque eles são similares aos

apresentados para o modo normal. A principal dife-
rença esta no fato que o carregador de baterias é
desabilitado, operando apenas como circuito auxiliar
para os demais conversores e o conversor pré-
regulador utiliza o banco de baterias como fonte de
tensão de entrada.
6. Conclusões
Através da utilização do princípio da integração de
circuitos de auxílio à comutação, a sistemas com mais
de um estágio de processamento de energia, conse-
gue-se uma redução significativa no número elemen-
tos adicionais necessários para obter a comutação
suave. Dessa forma, elevando-se o rendimento do
sistema com reduzido volume.
Para demonstrar a aplicabilidade do novo princí-
pio de integração de circuitos de auxílio à comutação
ZVT foi utilizado uma UPS double-conversion, sen-
do o circuito ZVT proposto por Hua et al (1992), o
escolhido para se utilizado como topologia de com-
paração e ponto de partida para realizar a integração
por ser o de menor número de elementos adicionais,
fácil projeto e difundido no mundo acadêmico e


vac
S1
S2
S3
S4
S5
S6
D1
Vbat
Lr1
Da1
Da2
Sa1
Lr2
Sa2
Da3
Sa3
Lpre
Lbat
Carga
Cdc
CS4
CS3
CS1

Figura 9. Protótipo implementado no laboratório.
iLr1
vGE-S3
vDS-S1
vCE-S3

(a)
iLr1
vGS-Sa2
vDS-Sa2

(c)

iLr1
vGE-S3
vDS-S1
vCE-S3

(b)

iLr1
vGS-Sa1

(d)
Figura 10. Resultado experimental durante e modo normal e o inversor apresentando comutação do tipo buck: (a) sinal de comando e tensão
sobre S3, tensão sobre S1 e corrente através de Lr1; (b) sinal de comando e tensão sobre S3, tensão sobre S2 e corrente através de Lr1; (c) sinal
de comando e tensão sobre Sa2 e corrente através de Lr1; (d) sinal de comando de Sa1 e corrente através de Lr1.