Análise em redução de processamento redundante de energia em conversores de dois estágios para iluminação Led
Resumo
Este trabalho apresenta a análise matemática, simulação e testes práticos dos conversores isolados forward e flyback, em relação às suas potencialidades na realização do conceito da redução de processamento redundante de energia, ou simplesmente R2P2, acrônimo em língua inglesa para “Reduced Redundant Power Processing”. A publicação da portaria nº 20 do INMETRO estabeleceu uma série de requisitos técnicos para sistemas de iluminação à base de LEDs. Dentre outras exigências, destaca-se a necessidade de cumprir a norma IEC 61000-3-2 Classe C, que estabelece limites ao conteúdo harmônico da corrente de entrada e fator de potência, bem como o atendimento a CISPR15, que regulamenta limites para interferências eletromagnéticas. Estas exigências, e em especial eficácias luminosas mínimas, abrem espaço para a utilização do conceito de R2P2 por permitir, teoricamente, melhorias na eficiência do conversor de dois estágios, além de reduções no tamanho físico e possivelmente custo. Dentre as configurações básicas possíveis do conceito R2P2, o tipo I-IIIB é o único que permite reduzir a quantidade de reprocessamento sem degradar o fator de potência, visto que nesta configuração, o estágio de correção de fator potência processa a totalidade da energia proveniente da rede elétrica e o segundo estágio controla a energia entregue à carga, processando apenas uma parcela da energia proveniente do estágio PFC. De acordo com (SPIAZZI, 2016), diversos autores têm publicado melhorias na eficiência de conversores que utilizam o conceito de maneira equivocada. O conversor buck-boost seria o único conversor não isolado que poderia ser conectado na configuração I-IIIB por apresentar tensão de saída com polaridade invertida em relação à entrada. Uma análise mais minuciosa mostra que o conversor buck-boost em configuração I-IIIB é equivalente a um conversor boost processando a totalidade da energia, portanto uma implementação equivocada do conceito R2P2. A implementação da configuração I-IIIB exige o uso de conversores isolados. Uma análise matemática, considerando as perdas por condução nos principais elementos de circuito presentes nos conversores forward e flyback é feita de maneira normalizada em relação ao conversor boost, e demonstra que é teoricamente possível atingir eficiências superiores às obtidas na contraparte boost. Os conversores isolados apresentam degradação acentuada das suas eficiências individuais quando processando pequenas parcelas de energia, em função da forma de interconexão I-IIIB, o que acaba por prejudicar o efeito da configuração R2P2. Uma vez conhecidas as eficiências dos conversores em comparação, é possível calcular a quantidade máxima de energia que pode ser processada para que haja melhorias de eficiência. Os testes realizados, tanto por simulação, quanto por meio da construção de protótipos demonstram que somente pequenas melhorias em eficiência são possíveis de se obter, frente a contraparte boost. Por outro lado, menores esforços de tensão em componentes como capacitor de saída e diodos foram observados. Aspectos como redução de tamanho físico, custo e confiabilidade, se apresentam como fatores adicionais a serem levados em conta na escolha da arquitetura R2P2 I-IIIB como opção para projetos de drivers para LED.
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