Uma Célula de Comutação ZCS-PWM para aplicações com Semicondutores do Tipo IGBT

Rodrigo C. Fuentes & Hélio L. Hey

Universidade Federal de Santa Maria
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Resumo:

Neste trabalho propõe-se uma célula de comutação (ZCS-PWM) adequada para aplicações que utilizem semicondutores do tipo IGBT como chaves de potência. Esta célula proporciona comutações sob zero de corrente (ZCS) para as chaves ativas com pequenos esforços adicionais de corrente, sem sobretensões e operação PWM em freqüência constante. A principal característica desta célula é apresentar uma redução substancial no pico da corrente ressonante que circula na chave principal, durante o processo de comutação. Com isto, a corrente eficaz através desta chave é muito próxima à observada nos conversores PWM com comutação dissipativa.
Para demonstrar a viabilidade desta célula de comutação ZCS-PWM, a mesma foi aplicada no conversor boost. O princípio de operação, a análise teórica completa, metodologia e exemplo de projeto, bem como as características gerais desta célula, são descritas e verificadas através de resultados experimentais, obtidos de um protótipo operando em 40 kHz, com uma tensão de alimentação de 155 V e 1 kWatt de potência de saída. O rendimento obtido para plena carga foi de 97,5%.

Abstract:

This paper introduces an improved Zero-Current-Switching Pulse-Width-Modulation (ZCS-PWM) commutation cell is proposed, which is suitable for high power applications using IGBTs as the power switches. It provides ZCS operation for active switches with low current stress, without voltage stress and PWM operating at constant frequency. The main advantage of this cell is a substantial reduction of the resonant current peak through the main switch during the commutation process. Therefore, the RMS current through it, is very close to that observed in the hard-switching PWM converters. Also, small rating auxiliary components can be used.
To demonstrate the feasibility of the proposed ZCS-PWM commutation cell, it was applied to a boost converter. Principle of operation, theoretical analysis, design guidelines and a design example are described and verified by experimental results obtained from a prototype operating at 40 kHz, with an input voltage rated at 155 V and 1 kWatt output power. The measured efficiency at full load was 97.5%.

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