UFSM

Tese de Doutorado

PROJETO DE CONVERSORES ESTTICOS FAZENDO USO DE UMA METODOLOGIA DE MINIMIZAO DE

VOLUME/PERDAS/CUSTO

Hamiltom Confortin Sartori

PPGEE

Santa Maria, RS, Brasil

2013

PROJETO DE CONVERSORES ESTTICOS FAZENDO USO DE UMA METODOLOGIA DE MINIMIZAO DE

VOLUME/PERDAS/CUSTO

Hamiltom Confortin Sartori

Tese de doutorado apresentada ao curso de doutorado do Programa de Ps Graduao em Engenharia Eltrica, rea de Eletrnica de Potencia e

Processamento de Energia, da Universidade Federal de Santa Maria,(UFSM, RS), como requisito parcial para obteno de grau de

Doutor em Engenharia Eltrica

Orientador: Prof. Jos Renes Pinheiro

Santa Maria, RS, Brasil. 2004

__________________________________________________________________________

2013 Todos os direitos autorais reservados a Hamiltom Confortin Sartori. A reproduo de partes ou do todo deste trabalho s poder ser com autorizao por escrito do autor. Endereo: Rua Baro do Triunfo, n 1670/304, Santa Maria, RS, 97070-015 Fone (0xx)55 3220.8463; Endereo eletrnico: hamiltomsar@gmail.com ___________________________________________________________________________

Para Antnio Carlos e Norma, meus pais, para Carla e Luis Filipe, meus irmos e

para os familiares e amigos que sempre me apoiaram.

Suba o primeiro degrau com f. No necessrio que

voc veja toda a escada. Apenas d o primeiro passo. Martin Luther King

A mente que se abre a uma nova idia jamais voltar ao seu tamanho original.

Albert Einstein

A coisa mais indispensvel a um homem reconhecer o uso que deve fazer do seu prprio

conhecimento.

Plato

Agradecimentos

Ao professor Jos Renes Pinheiro, por sua amizade, colaborao e por me conceder a oportunidade de realizar este trabalho sob sua orientao.

Aos professores Hlio Lees Hey, Humberto Pinheiro, Hilton Ablio Grundling, Jos Eduardo Baggio, Luciano Schuch, Jumar Russi e Mario Lcio da Silva Martins pela amizade, conhecimento e experincia transmitidos no decorrer do Doutorado, contribuindo de forma relevante na elaborao deste trabalho.

Aos colegas e ex colegas do GEPOC, Cleber Zanatta, Diorge Bo Zambra, Paulo Canuto Ficagna, Fernando Beltrame, Jonatan Zientarsky, Braian Kaiser Zaninni, Thiago Rampelotto, Everton Cocco Cancian e Henrique Figueira que de alguma forma colaboraram com o desenvolvimento deste trabalho e pelos fortes laos de amizade criados entre ns.

Aos amigos do NUPEDEE e da PPGEE que colaboraram na realizao desse trabalho. Universidade Federal de Santa Maria, a CAPES e ao CNPq pelo apoio financeiro

indispensvel para a realizao de uma pesquisa de qualidade. Aos meus pais, Antnio Carlos e Norma, a os meus irmos Luis Filipe e Carla e a

toda minha famlia, pelos ensinamentos que carregarei por toda a vida, pela confiana, incentivo e pelo amor em mim depositado.

minha namorada Giane Arajo Tonial pelo apoio, confiana e amor mim dedicados.

A Deus.

RESUMO

Tese de Doutorado Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica

Universidade Federal de Santa Maria

PROJETO DE CONVERSORES ESTTICOS FAZENDO USO DE UMA METODOLOGIA DE MINIMIZAO DE VOLUME/PERDAS/CUSTO

Autor: Hamiltom Confortin Sartori Orientador: Professor Dr. Jos Renes Pinheiro Local e Data da Defesa: Santa Maria, agosto de 2013.

Esta tese apresenta uma nova metodologia de projetos para conversores eletrnicos de

potncia, com otimizao de volume, custo e rendimento. A metodologia de otimizao,

desenvolvida atravs de interaes matemticas, baseada no conceito de projeto integrado do

conversor, em outras palavras, os principais componentes do sistema so projetados

simultaneamente em funo de uma varivel comum. O projeto integrado disponibiliza reduo

de tempo e custo do projeto fornecendo uma soluo completa de acordo com o objetivo de

otimizao. A metodologia proposta ilustrada com a ajuda do estudo de caso do conversor Boost

com correo do fator de potncia (do ingls power factor corrector - PFC), com a incluso de

um filtro de EMI. Para este estudo de caso, trs diferentes tecnologias de materiais magnticos so

utilizadas nos projetos do indutor Boost e dos indutores de filtro, diferentes tecnologias de

semicondutores e perfis de dissipadores tambm so analisadas, objetivando avaliar o impacto de

cada diferente tecnologia no volume, custo e rendimento do conversor. Alm disso, circuitos de

auxlio comutao (snubber e ZVT) so projetados e os resultados de seu volume, custo e

rendimento comparados aos do conversor com comutao forada. Para validar os modelos

adotados e as analises tericas, medidas eltricas, trmicas e mecnicas so obtidas

experimentalmente.

Palavras-Chave: Metodologia de projetos, otimizao, volume, custo, rendimento.

ABSTRACT

Ph.D. Thesis Postgraduate Program in Electrical Engineering Federal University of Santa Maria, RS, Brazil

ANALYSIS OF THE DESIGN OF STATIC CONVERTERS MAKING USE OF A METHODOLOGY FOR MINIMISING VOLUME

/LOSSES/COST

Author: Hamiltom Confortin Sartori Research Supervisor: Professor Dr. Jos Renes Pinheiro August 2013 Santa Maria.

This thesis presents a new optimization design methodology for power electronics

converters with volume, cost and efficiency objectives. The optimization methodology,

achieved by mathematical interactions, is based on the concept of the converter integrated

design. In other words, the main physical converter components are designed simultaneously

in the function of a common variable. The integrated design provides for the reduction of cost

and time of the system design and also gives complete and matched solutions with the

objective of the proposed optimization. The proposed methodology is illustrated with the help

of a case study of a Boost Power Factor Correction converter (PFC) including an input EMI

filter. In this case study, three different magnetic materials are used in both inductors designs

(Boost and EMI filter), different semiconductors technologies and heat sink profile are also

analyzed, aiming to demonstrate how technology affects the volume, cost and efficiency of

the converter. Furthermore, switching auxiliary circuits (snubber and ZVT) are designed and its

volume, cost and efficiency results are compared to the converter with hard switching. To

confirm the models and theoretical analysis that was carried out, the experimental mechanical,

electrical and thermal measurements are presented.

Keywords Design methodology, optimization, volume, cost and efficiency.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1: Conversor Boost PFC, definio dos principais componentes. ...........................................27 Figura 1.2: Comportamento do volume/perdas dos principais componentes do conversor Boost, (a) considerando frequncia de comutao constante e (b) considerando ripple constante. .......................28 Figura 1.3: Conversor Buck. ..................................................................................................................32 Figura 1.4: Comportamento da corrente do indutor. ..............................................................................33 Figura 2.1: Fluxograma da metodologia de projetos..............................................................................40 Figura 2.2: Simulao da corrente de entrada para frequncia de comutao de 14kHz. ......................44 Figura 2.3: Simulao da corrente de entrada para frequncia de comutao de 29kHz. ......................44 Figura 2.4: Simulao da corrente de entrada para frequncia de comutao de 74kHz. ......................44 Figura 2.5: Variao da resistncia srie equivalente do capacitor (ESR). ............................................46 Figura 2.6: Perdas no capacitor de sada em funo do ponto de operao. ..........................................46 Figura 3.1: Efeito fringing flux em ncleos com entreferro a ar. ...........................................................50 Figura 3.2: Efeito fringing flux em ncleos powder...............................................................................50 Figura 3.3: Curva para seleo de ncleos para o material MPP. ..........................................................52 Figura 3.4: Curva para seleo de ncleos para o material High Flux...................................................52 Figura 3.5: Curva para seleo de ncleos para o material KoolM. ....................................................53 Figura 3.6: Comportamento do volume do indutor para o material magntico MPP em funo da varredura em (i @ fs). ..........................................................................................................................54 Figura 3.7: Comportamento do volume do indutor para o material magntico High Flux em funo da varredura em (i @ fs). ..........................................................................................................................54 Figura 3.8: Comportamento do volume do indutor para o material magntico KoolM em funo da varredura em (i @ fs). ..........................................................................................................................55 Figura 3.9: Permeabilidade em funo da fora magnetizante para o material MPP.............................57 Figura 3.10: Permeabilidade em funo da fora magnetizante para o material High Flux. .................57 Figura 3.11: Permeabilidade em funo da fora magnetizante para o material KoolM. ....................58 Figura 3.12: Variao da permeabilidade em funo da temperatura para o material MPP. .................59 Figura 3.13: Variao da permeabilidade em funo da densidade de fluxo CA para o material MPP.59 Figura 3.14:Variao da permeabilidade em funo da frequncia de operao para o material MPP.59 Figura 3.15: Corrente de entrada considerando o efeito da variao da permeabilidade para o material MPP. ... 62 Figura 3.16: Corrente de entrada considerando o efeito da variao da permeabilidade para o material High Flux. ..............................................................................................................................................62

Figura 3.17:Correntede entrada considerando o efeito da variao da permeabilidade para o material KoolM. .................................................................................................................................................62 Figura 3.18: Comportamento das perdas no cobre do indutor para o material magntico MPP em funo da varredura em (i @ fs)...........................................................................................................65 Figura 3.19: Comportamento das perdas no cobre do indutor para o material magntico High Flux em funo da varredura em (i @ fs)...........................................................................................................66 Figura 3.20: Comportamento das perdas no cobre do indutor para o material magntico KoolM em funo da varredura em (i @ fs)...........................................................................................................66 Figura 3.21: Curva de magnetizao para o material MPP. ...................................................................68 Figura 3.22: Curva de magnetizao para o material High Flux............................................................68 Figura 3.23: Curva de magnetizao para o material KoolM. .............................................................69 Figura 3.24: Comportamento das perdas no ncleo para o material magntico MPP em funo da varredura em (i @ fs). ..........................................................................................................................69 Figura 3.25: Comportamento das perdas no ncleo para o material magntico High Flux em funo da varredura em (i @ fs). ..........................................................................................................................70 Figura 3.26: Comportamento das perdas no ncleo para o material magntico KoolM em funo da varredura em (i @ fs). ..........................................................................................................................70 Figura 3.27: Comportamento das perdas no ncleo para o material magntico KoolM em funo da varredura em (i @ fs). ..........................................................................................................................71 Figura 3.28: Comportamento das perdas no ncleo para o material magntico KoolM em funo da varredura em (i @ fs). ..........................................................................................................................71 Figura 3.29: Comportamento das perdas no ncleo para o material magntico KoolM em funo da varredura em (i @ fs). ..........................................................................................................................72 Figura 3.30: Fluxograma para o projeto do indutor. ..............................................................................73 Figura 4.1: Circuito para o rudo de modo diferencial. ..........................................................................76 Figura 4.2: Circuito para o rudo de modo comum. ...............................................................................77 Figura 4.3: Limites de quase-pico para interferncia conduzida segundo a norma CISPR-22. .............78 Figura 4.4: Interferncia eletromagntica de modo diferencial gerada pelo conversor para frequncia de comutao de 14kHz. ........................................................................................................................79 Figura 4.5: Interferncia eletromagntica de modo diferencial gerada pelo conversor para frequncia de comutao de 78kHz. ........................................................................................................................80 Figura 4.6: Estrutura da topologia duplo .............................................................................................81 Figura 4.7: Volume do filtro de EMI em funo do ponto de operao para a topologia duplo e para o material magntico MPP. ....................................................................................................................84

Figura 4.8: Volume do filtro de EMI em funo do ponto de operao para a topologia duplo e para o material magntico High Flux.............................................................................................................84

Figura 4.9: Volume do filtro de EMI em funo do ponto de operao para a topologia duplo e para o material magntico KoolM. ..............................................................................................................84 Figura 4.10: Perdas no filtro de EMI em funo do ponto de operao para a topologia duplo e para o material magntico MPP. ....................................................................................................................85 Figura 4.11: Perdas no filtro de EMI em funo do ponto de operao para a topologia duplo e para o material magntico High Flux.............................................................................................................86 Figura 4.12: Perdas no filtro de EMI em funo do ponto de operao para a topologia duplo e para o material magntico KoolM. ..............................................................................................................86 Figura 4.13: Fluxograma para o projeto do filtro de EMI......................................................................87 Figura 5.1: Demonstrao da corrente de recuperao reversa..............................................................92 Figura 5.2: Comportamento da carga de recuperao reversa para o diodo 15ETH06..........................93 Figura 5.3: Comportamento do tempo de recuperao reversa para o diodo 15ETH06. .......................94 Figura 5.4: Perdas totais para o diodo SI 15ETH06...............................................................................95 Figura 5.5: Entrada em conduo do MOSFET. ....................................................................................96 Figura 5.6: Perdas totais para o MOSFET IRF450A. ............................................................................99 Figura 5.7: Perdas totais para o CoolMOS IPP60R299CP. .................................................................100 Figura 5.8: Perdas totais para o CoolMOS SPP17N80C3....................................................................100 Figura 5.9: Perdas totais para o IGBT IRG4BC20UD.........................................................................101 Figura 5.10: Modelo Unidimensional para Resistncia Trmica. ........................................................102 Figura 5.11: Comportamento da resistncia trmica em relao variao da temperatura de juno e a temperatura ambiente. ..........................................................................................................................103 Figura 5.12: Fator de Correo de Comprimento.................................................................................104 Figura 5.13: Dimenses do dissipador para o perfil HS 12132 em (mm). ...........................................105 Figura 5.14: Dimenses do dissipador para o perfil HS 7624 em (mm). .............................................105 Figura 5.15: Dimenses do dissipador para o perfil HS 11450 em (mm). ...........................................105 Figura 5.16: Dimenses do dissipador para o perfil HS 6524 em (mm). .............................................106 Figura 5.17: Volume do dissipador trmico para o perfil HS 12132. ..................................................106 Figura 5.18: Volume do dissipador trmico para o perfil HS 7624. ....................................................107 Figura 5.19: Volume do dissipador trmico para o perfil HS 11450. ..................................................107 Figura 5.20: Volume do dissipador trmico para o perfil HS 6524. ....................................................107 Figura 5.21: Fluxograma para seleo dos semicondutores e projeto dos dissipadores.......................108 Figura 6.1: Volume e perdas do conversor em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e MOSFET IRFP450A) e material magntico MPP............................................................111 Figura 6.2: Volume e perdas do conversor em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e MOSFET IRFP450A) e material magntico High Flux. ..................................................111 Figura 6.3: Volume e perdas do conversor em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e MOSFET IRFP450A) e material magntico KoolM. .....................................................112

Figura 6.4: Volume e perdas do conversor em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e CoolMOS SPP17N80C3) e material magntico MPP. .....................................................113 Figura 6.5: Volume e perdas do conversor em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e CoolMOS SPP17N80C3) e material magntico High Flux..............................................113 Figura 6.6: Volume e perdas do conversor em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e CoolMOS SPP17N80C3) e material magntico KoolM. ...............................................113 Figura 6.7: Volume e perdas do conversor em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e CoolMOS IPP60R299CP) e material magntico MPP.....................................................114 Figura 6.8: Volume e perdas do conversor em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e CoolMOS IPP60R299CP) e material magntico High Flux.............................................115 Figura 6.9: Volume e perdas do conversor em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e CoolMOS IPP60R299CP) e material magntico KoolM. ..............................................115 Figura 6.10: Formas de ondas da tenso de entrada do retificador (120Hz) e corrente no indutor Boost......... 117 Figura 6.11: Dados de entrada e sada do conversor. Eficincia (1) e fator de potncia (1). ...........118 Figura 6.12: Compotamento da temperatura do ncleo do indutor Boost em funo do ponto de operao para o material magntico KoolM. .....................................................................................119 Figura 6.13: Compotamento da temperatura de case do MOSFET em funo do ponto de operao.119 Figura 6.14: Compotamento da temperatura de case do diodo em funo do ponto de operao. ......119 Figura 6.15: Imagens trmicas: (a) indutor Boost (b) case do MOSFET; (c) case do diodo...............120 Figura 6.16: Comparao entre o rudo medido e o estimado, limite da norma CISPR-22, Class B...120 Figura 6.17: Comparao entre rudos do conversor: (a) sem filtro; (b) com filtro. ............................121 Figura 6.18: Diferena de volume entre o ponto de mnimo volume e o segundo ponto.....................122 Figura 6.19: Diferena das perdas entre o ponto de mnimo volume e o segundo ponto.....................122 Figura 6.20: Formas de ondas da tenso de entrada do retificador (120Hz) e corrente no indutor Boost. .... 123 Figura 6.21: Dados de entrada e sada do conversor para o segundo ponto. Eficincia (1) e fator de potncia (1).........................................................................................................................................123 Figura 6.22: Comportamento da temperatura do indutor Boost para o ponto de timo volume e para o segundo ponto. .....................................................................................................................................124 Figura 6.23: Comportamento da temperatura de case do MOSFET para o ponto de timo volume e para o segundo ponto. ..........................................................................................................................124 Figura 6.24: Comportamento da temperatura de case do diodo para o ponto de timo volume e para o segundo ponto. .....................................................................................................................................125 Figura 6.25: Imagens trmicas: (a) indutor Boost (b) case do MOSFET; (c) case do diodo...............125 Figura 6.26: Comparao entre rudos do conversor (projetado para o segndo ponto de operao): (a) sem filtro; (b) com filtro.......................................................................................................................126 Figura 7.1: Conversor Boost com snubber passivo de capacitor flutuante [78]...................................129 Figura 7.2: Estgios topolgicos para o circuito com snubber de capacitor flutuante [78]..............131

Figura 7.3: Formas de ondas para o snubber com capacitor flutuante [78]......................................131 Figura 7.4: Volume e perdas do conversor (com snubber) em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e MOSFET IRFP450A) e material magntico MPP............................................132 Figura 7.5: Volume e perdas do conversor (com snubber) em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e MOSFET IRFP450A) e material magntico High Flux. ..................................132 Figura 7.6: Volume e perdas do conversor (com snubber) em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e MOSFET IRFP450A) e material magntico KoolM. .....................................133 Figura 7.7: Volume e perdas do conversor (com snubber) em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e CoolMOS SPP17N80C3) e material magntico MPP. .....................................134 Figura 7.8: Volume e perdas do conversor (com snubber) em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e CoolMOS SPP17N80C3) e material magntico High Flux..............................134 Figura 7.9: Volume e perdas do conversor (com snubber) em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e CoolMOS SPP17N80C3) e material magntico KoolM. ...............................134 Figura 7.10: Volume e perdas do conversor (com snubber) em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e CoolMOS IPP60R299CP) e material magntico MPP.....................................135 Figura 7.11: Volume e perdas do conversor (com snubber) em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e CoolMOS IPP60R299CP) e material magntico High Flux.............................136 Figura 7.12: Volume e perdas do conversor (com snubber) em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e CoolMOS IPP60R299CP) e material magntico KoolM. ..............................136 Figura 7.13: Conversor boost com circuito ZVT. ................................................................................138 Figura 7.14: Formas de ondas para o circuito ZVT [86]......................................................................138 Figura 7.15: Volume e perdas do conversor (com circuito ZVT) em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e MOSFET IRFP450A) e material magntico MPP...................................139 Figura 7.16: Volume e perdas do conversor (com circuito ZVT) em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e MOSFET IRFP450A) e material magntico High Flux. .........................139 Figura 7.17: Volume e perdas do conversor (com circuito ZVT) em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e MOSFET IRFP450A) e material magntico KoolM.............................140 Figura 7.18: Volume e perdas do conversor (com circuito ZVT) em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e CoolMOS SPP17N80C3) e material magntico MPP.............................141 Figura 7.19: Volume e perdas do conversor (com circuito ZVT) em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e CoolMOS SPP17N80C3) e material magntico High Flux.....................141 Figura 7.20: Volume e perdas do conversor (com circuito ZVT) em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e CoolMOS SPP17N80C3) e material magntico KoolM. ......................142 Figura 7.21: Volume e perdas do conversor (com circuito ZVT) em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e CoolMOS IPP60R299CP) e material magntico MPP............................143 Figura 7.22: Volume e perdas do conversor (com circuito ZVT) em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e CoolMOS IPP60R299CP) e material magntico High Flux....................143

Figura 7.23: Volume e perdas do conversor (com circuito ZVT) em funo do ponto de operao para o par (diodo SI 15ETH06 e CoolMOS IPP60R299CP) e material magntico KoolM. .....................143 Figura 7.24: Volume mnimo e mxima eficincia do conversor considerando diferentes tecnologias de materiais magnticos e circuitos de auxilio comutao para os semicondutores MOSFET IRF450A e diodo 15ETH06. ................................................................................................................145 Figura 7.25: Volume mnimo e mxima eficincia do conversor considerando diferentes tecnologias de materiais magnticos e circuitos de auxilio comutao para os semicondutores CoolMOS IPP60R299CP e diodo 15ETH06.........................................................................................................145 Figura 7.26: Volume mnimo e mxima eficincia do conversor considerando diferentes tecnologias de materiais magnticos e circuitos de auxilio comutao para os semicondutores CoolMOS SPP17N80C3 e diodo 15ETH06. .........................................................................................................146 Figura 7.27: Custo do conversor considerando diferentes tecnologias de materiais magnticos e ciruitos de auxilio comutao para os semicondutores MOSFET IRF450A e diodo 15ETH06. ......146 Figura 7.28: Custo do conversor considerando diferentes tecnologias de materiais magnticos e ciruitos de auxilio comutao para os semicondutores CoolMOS IPP60R299CP e diodo 15ETH06........................147 Figura 7.29: Custo do conversor considerando diferentes tecnologias de materiais magnticos e ciruitos de auxilio comutao para os semicondutores CoolMOS SPP17N80C3 e diodo 15ETH06.........................147

LISTA DE TABELAS

Tabela I. - Parmetros de entrada para o conversor implementado. ......................................................91 Tabela II. - Parmetros para o ponto de operao de menor volume do conversor, para o MOSFET.112 Tabela III. - Parmetros para o ponto de operao de mxima eficincia do conversor, para o

MOSFET. .....................................................................................................................................112 Tabela IV. - Parmetros para o ponto de operao de menor volume do conversor, para o CooMOS

C3. ................................................................................................................................................114 Tabela V. - Parmetros para o ponto de operao de mxima eficincia do conversor, para o CooMOS C3.

......................................................................................................................................................114

Tabela VI. - Parmetros para o ponto de operao de menor volume do conversor, para o CooMOS CP. ................................................................................................................................................115

Tabela VII. - Parmetros para o ponto de operao de mxima eficincia do conversor, para o CooMOS CP. ................................................................................................................................................116

Tabela VIII. - Parmetros de entrada para o conversor implementado................................................117 Tabela IX. - Anlise trmica comparativa entre resultados experimental e simulaes. .....................120 Tabela X. - Parmetros do indutor Boost para o projeto do segundo ponto. .......................................122 Tabela XI. - Anlise trmica comparativa entre resultados experimental e simulaes para o segundo

ponto.............................................................................................................................................125 Tabela XII. - Parmetros para o ponto de operao de menor volume do conversor (com a incluso do

circuito de snubber), para o MOSFET. ........................................................................................133 Tabela XIII. - Parmetros para o ponto de operao de mxima eficincia do conversor (com a

incluso do circuito de snubber), para o MOSFET. .....................................................................133 Tabela XIV. - Parmetros para o ponto de operao de menor volume do conversor (com a incluso do

circuito de snubber), para o CoolMOSC3. ...................................................................................135 Tabela XV. - Parmetros para o ponto de operao de mxima eficincia do conversor (com a incluso

do circuito de snubber), para o CoolMOSC3. ..............................................................................135 Tabela XVI. - Parmetros para o ponto de operao de menor volume do conversor (com a incluso do

circuito de snubber), para o CoolMOSCP....................................................................................136 Tabela XVII. - P Parmetros para o ponto de operao de mxima eficincia do conversor (com a

incluso do circuito de snubber), para o CoolMOSCP.................................................................137 Tabela XVIII. - Parmetros para o ponto de operao de menor volume do conversor (com a incluso

do circuito de ZVT), para o MOSFET. ........................................................................................140

Tabela XIX. - Parmetros para o ponto de operao de mxima eficincia do conversor (com a incluso do circuito de snubber), para o MOSFET. .....................................................................141

Tabela XX. - Parmetros para o ponto de operao de menor volume do conversor (com a incluso do circuito de ZVT), para o CoolMOSC3. ........................................................................................142

Tabela XXI. - Parmetros para o ponto de operao de mxima eficincia do conversor (com a incluso do circuito de ZVT), para o CoolMOSC3......................................................................142

Tabela XXII. - Parmetros para o ponto de operao de menor volume do conversor (com a incluso do circuito de ZVT), para o CoolMOSCP....................................................................................144

Tabela XXIII. - Parmetros para o ponto de operao de mxima eficincia do conversor (com a incluso do circuito de ZVT), para o CoolMOSCP......................................................................144

SIMBOLOGIAS E ABREVIATURAS

FP Fator de potncia THD Total harmonic distortion

Defasagem angular entre tenso e corrente de entrada Vin Tenso RMS de entrada fs Frequncia de comutao i

Ondulao da corrente de entrada de pico a pico

Pout Potncia de sada V0 Tenso de sada frede Frequncia da rede CA Corrente alternada CC Corrente contnua Tj Temperatura de juno Tamb Temperatura ambiente LB Indutncia do indutor Boost Ta Perodo de amostragem da discretizao KP Ganho proporcional

KI Ganho integral GC Ganho do controlador Z Frequncia de ganho unitrio da funo de transferncia de malha aberta ZC Zero da funo de transferncia do compensador C0 Capacitncia do capacitor de barramento D

Razo cclica

B Amplitude da variao de fluxo magntico BMx Mxima densidade de fluxo ELB Energia armazenada no indutor FB Frequncia onde ocorre a variao de fluxo magntico Aw rea interna do ncleo (rea de janela) Ae

rea de seo transversal do ncleo

RCA Resistncia CA em funo da frequncia do harmnico de corrente lT Comprimento mdio de uma espira do enrolamento CU Resistividade do cobre C Permeabilidade do cobre fh Frequncia do harmnico d Dimetro do condutor t Distncia entre centros de dois condutores adjacentes NW Nmero de camadas de enrolamentos iL(rms) Corrente RMS no indutor Boost iL(f) Harmnico de corrente para cada frequncia de interesse RCC Resistncia hmica do enrolamento. PCU Perdas no cobre C, m e n Coeficientes de Steinmetz ton Tempo de conduo do transistor por perodo de chaveamento toff Tempo de conduo do diodo por perodo de chaveamento le

Comprimento mdio do ncleo Permeabilidade magntica i

Permeabilidade magntica inicial o

Permeabilidade do ar eff Permeabilidade magntica efetiva eff_mn Mnima permeabilidade efetiva Linicial Indutncia Boost inicial Lreal Indutncia Boost real HMx Mxima induo magntica por semiciclo pu Valor por unidade da permeabilidade inicial Ninicial Nmero de espiras inicial para o indutor Boost Nfinal Nmero de espiras final para o indutor Boost FT Transformada de Fourier FFT Transformada rpida de Fourier Fc Frequncia de corte LCM Indutncia de filtro para o rudo de modo comum LDM Indutncia de disperso Cx Capacitncia de filtro de modo diferencial

Cy

Capacitncia de filtro de modo comum Vint Tenso interferente

Nfiltro Nmero de espiras para o indutor de filtro dtil Dimetro til do fio J Densidade de corrente PFC Corretor do fator de potncia IF Corrente mdia de conduo para os diodos VF Tenso direta nos diodos nTs Nmero de perodos de comutao Pcond Perdas em conduo para os diodos IR Corrente de recuperao reversa tRR Tempo de recuperao reversa QRR Carga de recuperao reversa PSW Perdas nas comutaes PON Perdas em conduo para os interruptores RON Resistncia de conduo CGD Capacitncia entre gate e dreno CGS Capacitncia entre gate e source CDS Capacitncia entre dreno e source VG Tenso de gate QGD Carga do capacitor CGD QGS Carga do capacitor CGS CISS Capacitncia total na entrada em conduo COSS Capacitncia total na sada de conduo CRSS Capacitncia de transferncia reversa IG Corrente de gate ISW Corrente mdia no interruptor VSW Tenso mdia no interruptor PSW Potncia mdia dissipada no interruptor por perodo de comutao IC Corrente de coletor VCE Tenso entre coletor e emissor

RJC Resistncia trmica entre juno e case (cpsula) RCD Resistncia trmica entre case (cpsula) e dissipador

RSA Resistncia trmica entre dissipador e ambiente Tamb Temperatura ambiente TD Temperatura do dissipador FCtemp Fator de correo de temperatura L Indutor Boost e comprimento do dissipador FCC Fator de correo de comprimento RTP Resistncia trmica do dissipador para quatro polegadas

SUMRIO

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................... 10 LISTA DE TABELAS .................................................................................................................. 16 SIMBOLOGIAS E ABREVIATURAS........................................................................................ 18 CAPTULO 1 - INTRODUO ............................................................................................... 21

1.1 - Introduo ............................................................................................................. 21 1.2 - Otimizao de conversores................................................................................... 24 1.3 - Estado da arte........................................................................................................ 28 1.4 - Anlise do ponto de operao dos conversores ................................................... 32 1.5 - Contribuies ........................................................................................................ 35 1.6 - Organizao do trabalho....................................................................................... 36

CAPTULO 2 METODOLOGIA DE PROJETOS ............................................................. 38 2.1 - Introduo.............................................................................................................. 38 2.2 - Estudo de caso conversor Boost PFC ............................................................... 38 2.3 - Etapas de projeto para o estudo de caso............................................................... 41

Primeira etapa........................................................................................................ 41 Segunda etapa........................................................................................................ 41 Terceira etapa ........................................................................................................ 41 Quarta etapa........................................................................................................... 43 Quinta etapa........................................................................................................... 45 Sexta etapa............................................................................................................. 45 Stima etapa .......................................................................................................... 45 Etapa final.............................................................................................................. 47

2.4 - Concluso.............................................................................................................. 47 CAPTULO 3 PROJETO DO INDUTOR PARA O ESTUDO DE CASO ..................... 48

3.1 - Introduo ............................................................................................................. 48 3.2 - Indutores e transformadores materiais magnticos........................................... 48 3.3 - Mtodo de seleo dos ncleos ............................................................................ 51 3.4 - Modelagem da variao da permeabilidade efetiva ............................................ 55 3.5 - Anlise do rendimento.......................................................................................... 63 3.6 - Perdas no cobre..................................................................................................... 63 3.7 - Perdas no ncleo ................................................................................................... 67

3.8 - Perdas totais no indutor ........................................................................................ 71 3.9 - Concluso.............................................................................................................. 74

CAPTULO 4 - ANLISE DA INTERFERNCIA ELETROMAGNTICA E PROJETO DO FILTRO DE EMI ................................................................................................................. 75

4.1 - Introduo ............................................................................................................. 75 4.2 - Anlise da interferncia eletromagntica............................................................. 75 4.3 - Conversor Boost PFC interferncia eletromagntica ....................................... 78 4.4 - Projeto do filtro de EMI ....................................................................................... 80 4.5 - Anlise do rendimento.......................................................................................... 85 4.6 - Concluso.............................................................................................................. 88

CAPTULO 5 - SELEO DOS SEMICONDUTORES E PROJETO DO SISTEMA DE TRANSFERNCIA DE CALOR (DISSIPADORES)............................................................ 89

5.1 - Introduo ............................................................................................................. 89 5.2 - Semicondutores..................................................................................................... 89 5.3 - Anlise e clculo de perdas .................................................................................. 91 5.4 - Projeto do sistema de transferncia de calor - dissipadores .............................. 101 5.5 - Concluso............................................................................................................ 109

CAPTULO 6 - RESULTADOS DE SIMULAES E EXPERIMENTAIS.................. 110 6.1 - Introduo ........................................................................................................... 110 6.2 - Resultados de simulaes ................................................................................... 110 6.3 - Resultados experimentais ................................................................................... 116 6.4 - Anlise trmica ................................................................................................... 118 6.5 - Anlise da interferncia eletromagntica conduzida ......................................... 120 6.6 - Segundo ponto .................................................................................................... 121 6.7 - Anlise trmica ................................................................................................... 123 6.8 - Anlise da interferncia eletromagntica conduzida ......................................... 126 6.9 - Concluses .......................................................................................................... 126

CAPTULO 7 - CIRCUITOS DE AUXLIO COMUTAO........................................ 128 7.1 - Introduo ........................................................................................................... 128 7.2 - Snubber passivo com capacitor flutuante ....................................................... 129 7.3 - Comutao em zero de tenso (ZVT) ................................................................ 137 7.4 - Comparao dos Resultados............................................................................... 144 7.5 - Concluses .......................................................................................................... 147

CAPTULO 8 - CONCLUSES GERAIS, PROPOSTAS FUTURAS E PUBLICAES....149 8.1 - Concluses gerais ............................................................................................... 149 8.2 - Propostas, projetos e investigaes futuras........................................................ 152

8.3 - Publicaes.......................................................................................................... 153 REFERNCIAS .......................................................................................................................... 155

Captulo 1

INTRODUO

1.1 Introduo

Com o atual crescente desenvolvimento das mais diversas reas da engenharia como microeletrnica, telecomunicaes, processamento de sinais, fontes de energias renovveis, entre outras, h a iminncia de um maior nmero de aplicaes para a eletrnica de potncia. Esta rea trata do condicionamento da energia entregue pela fonte para os sistemas eletrnicos em geral, transformando de corrente contnua em corrente alternada (inversores) ou em corrente contnua com amplitude diferente (choppers). Da mesma forma, corrente alternada pode ser transformada em corrente contnua (retificadores e PFCs) ou para corrente alternada com diferentes amplitudes e frequncias.

O processo de converso de energia pode ser realizado atravs de conversores estticos. Estes conversores operam atravs da comutao de interruptores semicondutores e cargas e descargas de elementos armazenadores de energia como capacitores e indutores. Estes dispositivos podem converter energia tanto de fontes estticas, como banco de baterias, quanto de fontes dinmicas como geradores. A sada de energia pode ser em alta ou em baixa tenso (CC ou CA) e em diferentes frequncias (CA).

Existe a tendncia na indstria de uma forma geral em reduzir volume e custos dos equipamentos e sistemas com mximo rendimento. Em reas como telecomunicaes, eletrnica e processamento de sinais um novo equipamento com melhor desempenho, volume otimizado e mais barato grande diferencial de mercado. Desta forma, muitos recursos financeiros e tcnicos so destinados a pesquisas.

Com o objetivo de diminuir o volume dos elementos magnticos (armazenadores), existe a tendncia do aumento da frequncia de operao dos conversores. Entretanto, este

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aumento acarreta em maiores perdas nos semicondutores, que so proporcionais a frequncia e ao nvel de potncia envolvido. Maiores perdas nos semicondutores resultam em menor rendimento global e em volumosos dissipadores trmicos para garantir sua ideal operao e razovel vida til. Portanto, o aumento da frequncia de operao em conversores estticos de potncia limitado devido s perdas de comutao de seus dispositivos semicondutores. Os principais fatores limitadores dos nveis de frequncia que contribuem para o aumento das perdas nas comutaes dos conversores estticos so:

Os semicondutores possuem tempos de comutaes no nulos. Durante estes intervalos existe significante sobreposio entre tenso e corrente (tanto na entrada de conduo quanto no bloqueio), isto resulta em uma grande quantidade de energia a qual dissipada em forma de calor por estes dispositivos.

Em altas frequncias grandes taxas de variao de tenso dv/dt e de corrente di/dt provocam oscilaes de tenso e corrente nas capacitncias e indutncias parasitas do circuito durante os intervalos de comutaes. Estas oscilaes provocam picos de tenso e corrente atravs dos dispositivos, aumentando as perdas nas comutaes. Alm de ser uma fonte de interferncia eletromagntica conduzida de modo comum.

A maioria dos dispositivos semicondutores habilitada em tenso. Nestes dispositivos a energia armazenada nas capacitncias parasitas de seus terminais (CGD, CGS e CDS) e diretamente dissipada sobre o dispositivo. Estas perdas so conhecidas como turn-on capacitive losses.

Desta forma, identifica-se limitao no aumento da densidade de potncia causada pelo elevado volume do sistema de transferncia de calor (dissipadores trmicos). Tendo em vista que o aumento da frequncia de comutao o primeiro passo para a diminuio do volume global de conversores, a indstria tem disponibilizado esforos em pesquisas buscando a diminuio de perdas nos semicondutores. Recentes avanos em tecnologias de semicondutores tm colaborado com a reduo de perdas e mostrado ganhos significativos no que tange a densidade de potncia em conversores estticos. A utilizao da famlia de MOSFETs do tipo CoolMOS e dos diodos de Silicon Carbide (SiC) tm propiciado uma significativa elevao na frequncia de operao dos sistemas estticos de potncia, favorecendo ganhos importantes em termos de densidade volumtrica de potncia e

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eficincia, mantendo as perdas de comutao dos dispositivos semicondutores dentro de nveis aceitveis [1] - [5].

As correntes de recuperao reversa dos diodos so responsveis em grande parte pelas perdas de comutao que ocorrem em conversores. Os diodos Silicon Carbide (SiC) apresentam uma grande vantagem em relao aos diodos shottky comuns, eles englobam a adio das ligas silicon carbide aos diodos shottky, essa tecnologia faz com que a corrente de recuperao reversa seja to baixa que sua influncia pode ser desprezada [6] e [7].

Quanto a tecnologias de transistores, os novos CoolMOS tem se sobressado. Esta uma tecnologia relativamente nova, foi desenvolvida a partir do MOSFET, com o objetivo de reduzir a resistncia srie deste componente. Criado em 2001 pela Infineon, a primeira gerao, o CoolMOS C3, apresenta uma reduo bastante significativa em sua resistncia de conduo, atingindo valores at cinco vezes menores que os MOSFETs comuns. Isto possvel atravs do aumento da rea interna de juno p-n, chamada de super juno, o que cria um caminho de menor resistncia corrente [8]. Esta propriedade faz com que as perdas durante a conduo tornem-se atrativamente baixas, o que indica a utilizao deste semicondutor em aplicaes com baixos nveis de tenso de entrada, onde o conversor opera com valores mais altos de corrente.

A tecnologia CP uma nova gerao de CoolMOS. Lanada em 2005 pela infineon, tem como principal vantagem as muito baixas capacitncias de gate CGD e CGS e uma baixa capacitncia entre dreno e fonte CDS. Este semicondutor consegue aliar reduzidas perdas de conduo com baixssimas perdas nas comutaes. Os tempos em que ocorrem as transies so muito pequenos, na ordem de dezenas de nano segundos [9].

Para operaes em frequncias e nveis de potncias mais elevados sem comprometer o volume e a eficincia do conversor, outra conhecida alternativa pode ser empregada. Trata-se de circuitos de auxilio comutao, ou tcnicas de comutao suave [10] e [11]. Estes circuitos podem ser dissipativos ou regenerativos; ativos ou passivos (os circuitos ativos necessitam de acionamento e comando); snubber ou comutao suave (circuitos de snubber so atenuadores, fazendo com que as grandezas tenso ou corrente, variem de forma mais suave reduzindo as sobreposies, enquanto que circuitos com comutao suave propiciam zero de tenso e/ou corrente nos instantes de comutao). O objetivo principal atenuar ou reduzir por completo as sobreposies das formas de onda de tenso e corrente durante as comutaes dos dispositivos semicondutores.

A incluso de circuitos de auxlio comutao pode diminuir consideravelmente as perdas nos intervalos de comutaes, de acordo com as tecnologias envolvidas nos projetos.

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Entretanto, h o acrscimo de um maior nmero de elementos passivos e, algumas vezes ativos o que resulta em maiores custos e complexidade de projeto.

Outro aspecto diretamente influenciado pelo aumento da frequncia de comutao e pela ondulao de tenso ou corrente de entrada a interferncia eletromagntica gerada pelos conversores comutados (Electromagnetic Interference ou EMI). Este um termo aplicado aos distrbios provocados intencionalmente ou de forma no intencional pelos circuitos internos dos equipamentos eletro-eletrnicos ou por eventos naturais (descargas atmosfricas) os quais podem causar resposta indesejada, mau funcionamento ou degradao de desempenho de outros equipamentos. Esta interferncia pode ser danosa a outros equipamentos conectados a mesma rede eltrica ou prximos fisicamente [5].

A EMI pode ser responsvel por diversos problemas em equipamentos eletrnicos. Dentre eles pode-se citar falhas nas comunicaes entre dispositivos (como em uma rede de computadores), alarmes acionados sem motivos aparentes, falhas espordicas e que no seguem uma lgica, queima de circuitos eletrnicos, entre outros problemas. Os efeitos destas interferncias so particularmente preocupantes quando ocorrem em equipamentos eletromdicos, em ambiente hospitalar, sobretudo em caso de monitoramento ou suporte vida de um paciente. Para limitar a insero deste rudo eletromagntico na rede, normas, como a CISPR-22 foram criadas, e devem ser respeitadas.

1.2 Otimizao de conversores

A busca por tcnicas matemticas de otimizao em projetos de circuitos eletrnicos no nova em Eletrnica de Potncia. Na dcada de 1970, mtodos para circuitos automticos comearam a aparecer e, nas ltimas dcadas, diferentes mtodos com este propsito tem sido propostos [12] - [16]. Entretanto, desenvolver um projeto otimizado de um conversor no uma tarefa fcil. As especificaes eltricas para determinadas tecnologias de componentes e materiais, projetos trmicos, normatizaes, modos de operao, entre outras anlises devem ser levadas em considerao no projeto de todos os componentes de um conversor esttico.

De uma maneira geral, existem dois mtodos principais de otimizao. O primeiro conhecido como mtodo derivativo (algoritmos heursticos como algoritmo gentico, otimizao em colnia de formiga, entre outros) e o segundo como mtodo no derivativo [16] e [17]. No primeiro mtodo, uma analtica relao entre a funo objetivo da otimizao e os parmetros

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do conversor precisa ser realizada. Assim, a informao derivativa usada para encontrar os valores mximos e mnimos da funo objetivo. No segundo, o desempenho de cada parmetro individual precisa ser avaliado e operar de acordo com o algoritmo para obter os parmetros otimizados. No que tange a projetos de conversores, existem trs principais objetivos de otimizao: minimizao de volume e peso, minimizao de custo e maximizao de rendimento. O projeto de otimizao para cada um destes objetivos separadamente pode ser similar, mas no o mesmo, e tambm, otimizao de custo pode conflitar com a otimizao de volume e o rendimento.

O mais difundido objetivo de otimizao o custo [18] e [19]. A otimizao do custo muito importante e pode solucionar um grande problema industrial de competio de mercado. Entretanto, os custos dos componentes do conversor envolvem muitas variveis no determinsticas que dependem das tecnologias, fabricantes, localizao geogrfica do pas, disponibilidade, competio de mercado, entre outros. Por esta razo, os resultados obtidos para o objetivo de otimizao custo podem variar muito dependendo de onde e quando os projetos so realizados, tornando isto muito pontual e com dificuldade de ser conclusivo para outros projetos e situaes.

Por outro lado, ter o volume e o rendimento como objetivos de otimizao pode ser mais usual e aplicado em diferentes situaes. Estes objetivos de otimizao apontam para uma forte relao entre eles e com o comportamento eltrico, trmico e mecnico do conversor. Ao contrrio da otimizao do custo, as otimizaes do volume e do rendimento dependem apenas de variveis fsicas do sistema conversor e das tecnologias dos componentes e materiais envolvidos nos projetos e, tambm, o projeto otimizado destes dois ltimos objetivos vai sofrer menor influncia de variveis externas. Desta forma, a otimizao do volume e do rendimento um simples e efetivo caminho para se obter um projeto otimizado. O objetivo de otimizao custo, ser sempre um compromisso para os outros objetivos, uma vez que, com a reduo do volume haver a diminuio de material envolvido no projeto e, consequentemente, menor custo (quando as mesmas tecnologias so utilizadas nos projetos).

Como mencionado na seo anterior, existe uma crescente tendncia mundial na utilizao de conversores estticos. Conversores retificadores que podem operar como corretores de fator de potncia tm aplicao garantida em fontes de alimentao. Entre eles pode-se citar os no isolados Boost, Buck, Buck-Boost, Sepic e os isolados Full Bridge, Half Bridge, Flyback, entre outros. A exigncia da otimizao de matria prima (volume) e custo

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(maior quantidade de matria prima resulta em um maior custo) destes conversores tem feito com que engenheiros e projetistas dispendam esforos para buscar estes objetivos.

Os conversores isolados so largamente empregados em fontes de alimentao de computadores, equipamentos para telecomunicaes, equipamentos mdicos, aparelhos eletrodomsticos e vrios outros equipamentos de uso residencial, comercial e industrial. Isto ocorre fundamentalmente por operar com elevado rendimento e permitir o isolamento galvnico com transformadores de alta frequncia. No entanto, a incluso do transformador pode tornar o conversor mais volumoso e caro a partir de determinados nveis de potncias. Para estas aplicaes os conversores no isolados so mais atrativos em termos de volume e custo.

Cada topologia de conversor esttico tem suas diferenas e particularidades. De maneira geral, os semicondutores, elementos magnticos (como indutores e transformadores), capacitores, filtros, drivers e sistemas de transferncia de calor so responsveis por maior impacto quando se busca otimizar volume, rendimento ou custo de conversores. O sistema de transferncia de calor definido por dissipadores e, quando necessrio, sistema de resfriamento forado (fluxo de ar, gua ou leo). Neste sentido, muitos esforos em pesquisas tm sido dispendidos para otimizar estes subsistemas e componentes individuais dos conversores [20] - [23]. Esta anlise e projeto de conversores por partes, para otimizao individual de componentes e sistemas pode efetivamente resultar na otimizao de um parmetro ou componente do conversor, mas no garante que todo o sistema conversor seja otimizado.

Para desenvolver um projeto global otimizado de conversores estticos necessrio relacionar os projetos individuais de todos os principais componentes fsicos do sistema em um nico parmetro, transformando o sistema conversor em um nico componente. Esta relao encontrada atravs do ponto de operao (ondulao da corrente de entrada e frequncia de comutao, (i @ fS)). O par (i @ fS) tem influncia direta nos nveis de tenses e correntes (RMS, mdia e de pico) envolvidas em todo sistema dos conversores de potncia. A partir destes nveis de tenses e correntes e das tecnologias envolvidas nos projetos, os componentes fsicos dos conversores, seu volume, perdas e custo podem ser definidos de acordo com os modelos em restries de projeto.

Para identificar a importncia do projeto integrado dos conversores, utiliza-se como exemplo o conversor elevador Boost PFC com incluso de um filtro de EMI. A Figura 1.1 mostra a topologia do conversor e a identificao dos principais componentes do sistema, ou seja, os componentes de maior influncia no volume, rendimento e no custo do conversor. Para o conversor Boost, os principais componentes so o indutor Boost (LBOOST), o filtro de EMI, os

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semicondutores, transistor (SW) e diodo (D) e seu sistema de transferncia de calor (dissipadores), alm do capacitor de sada. Entretanto, a influncia da variao do ponto de operao no projeto do capacitor de sada muito pequena. Este componente pode ser projetado, no melhor caso, apenas para limitar a ondulao da tenso de sada em duas vezes a frequncia da rede. Alm disso, em muitos casos este capacitor deve operar como armazenador de energia para garantir certo tempo de operao para a carga. Este tempo normatizado e normalmente chamado de hold up time. Desta forma, de acordo com os parmetros de entrada e sada pr-definidos, o volume do capacitor de sada permanecer constante para qualquer variao do ponto de operao. Assim, o volume deste componente no ser considerado no projeto otimizado do volume do conversor. Entretanto, o volume do capacitor dever ser acrescentado aos resultados finais apresentados.

Os capacitores eletrolticos no so capacitores ideais e apresentam considervel ERS (resistncia srie equivalente). A ondulao de corrente presente em conversores PFCs, tambm circula pelo capacitor de sada, resultando em perdas (devido a resistncia srie equivalente) e consequente elevao da temperatura. Desta forma, estas perdas sero analisadas para o projeto otimizados do rendimento.

D

+ +

-

-

D D

DD

Sw CR

Vin Vout1 2

43

+ ++ +

-

-

Filtrode EMI

LBOOST D

+ +

-

-

D D

DD

Sw CR

Vin Vout1 2

43

+ ++ +

-

-

Filtrode EMI

LBOOST

Figura 1.1: Conversor Boost PFC, definio dos principais componentes.

De uma maneira geral, com o aumento da frequncia de comutao ocorre a reduo da indutncia do indutor Boost e consequentemente seu volume, custo e rendimento. Com esse aumento da frequncia h o aumento de perdas nas comutaes dos semicondutores, e assim, o aumento do volume e custo do sistema de transferncia de calor. O volume do filtro de EMI tambm funo da frequncia de comutao apresentando picos e vales em seu comportamento de acordo com a frequncia de comutao e seus mltiplos. Comportamento similar ocorre para a variao da ondulao (ripple) da corrente de entrada. Com o aumento do ripple ocorre a reduo da indutncia do indutor Boost, em contrapartida h o aumento do volume do filtro de EMI. As perdas nos semicondutores sofrem pequena influncia em funo da variao do ripple. A Figura 1.2 (a) e (b) exemplificam o comportamento do volume e

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perdas nos principais componentes do sistema, para as mesmas variveis de entrada, (a) considerando frequncia de comutao constante e (b) considerando ripple constante.

Atravs dos grficos ilustrativos da Figura 1.2 possvel definir que o ponto de operao para a otimizao de um nico componente do conversor pode resultar em um projeto inadequado de outro. Assim, identificado que o projeto integrado a forma ideal de realizar um projeto otimizado de um conversor esttico.

Figura 1.2: Comportamento do volume/perdas dos principais componentes do conversor Boost, (a) considerando frequncia de comutao constante e (b) considerando ripple constante.

A partir do descrito at aqui, neste trabalho apresentada uma nova metodologia de projetos baseada no projeto eltrico, trmico, magntico e mecnico dos conversores de forma integrada, transformando todo o sistema conversor em um componente projetado em funo do par (i @ fS), e assim, encontrando o ponto de operao em que o conversor encontra o menor volume, e/ou rendimento e/ou custo.

1.3 Estado da arte

A literatura apresenta muitos trabalhos que visam otimizar de diferentes maneiras o projeto de componentes individualmente. Estes trabalhos so importantes em uma forma pontual, mas em um mbito geral, o projeto pode ser prejudicado.

Em [24] desenvolvido o projeto otimizado de um filtro de EMI para o inversor PWM. Este projeto realizado para um conversor operando com uma frequncia fixa de 94kHz. Nesse trabalho so utilizadas tcnicas de interaes computacionais para a definio do melhor projeto do filtro de EMI. Para o projeto do filtro, so modeladas as capacitncias parasitas do conversor, definindo os pontos de baixa impedncia para o rudo, otimizando assim o projeto do filtro. Operar com frequncia de 94kHz pode resultar na otimizao do filtro, e reduzir volume de componentes magnticos, entretanto, desconsidera as perdas nos

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semicondutores e no realiza projeto de dissipadores, o que pode reduzir o rendimento e aumentar o volume e o custo de todo o sistema.

Em [25] o projeto do filtro realizado a partir de uma anlise de todas as fontes geradoras de rudo no conversor, analisando ressonncias e parasitas. As anlises so realizadas para o conversor operando com ponto de operao (i @ fS) fixo. Quando se trabalha com otimizao, e esta realizada atravs de varredura de projetos, torna-se invivel modelar todos os elementos parasitas do sistema, uma vez que estes variam para cada diferente ponto de operao de projeto e para cada diferente tecnologia aplicada resultando em inmeras interaes matemticas, aumentando muito o tempo de processamento e consequentemente o custo de projeto.

J em [23] analisado o impacto do layout do indutor Boost na interferncia eletromagntica conduzida. A anlise realizada para seis diferentes frequncias de comutao mltiplas de 70kHz. Porm a ondulao da corrente de entrada fixa e o impacto destes pontos de operao no projeto dos dissipadores no considerado.

Em [26] foi desenvolvida uma metodologia de projetos para indutores. Um modelo foi adotado para representar o comportamento do conversor em simulaes. A partir deste modelo foi possvel aproximar a interferncia eletromagntica de modo comum gerada atravs de capacitncias parasitas do indutor. Para que a interferncia gerada fosse minimizada, o indutor foi desenvolvido em uma nica camada de enrolamento, tornando o indutor volumoso. Alm disso, com o objetivo de reduzir o nmero de espiras, a frequncia de comutao e a ondulao da corrente de entrada foram aumentadas, majorando significativamente perdas nos semicondutores, resultando em volumosos dissipadores. Como alternativa s perdas, foram utilizados semicondutores ultra-rpidos, com baixas perdas, no entanto, com custo elevado.

Em [27] analisado o impacto das comutaes do interruptor principal (dv/dt e di/dt), na interferncia eletromagntica conduzida gerada pelo conversor. Foi identificado que com o aumento da resistncia de gate ocorre significativa reduo na interferncia eletromagntica gerada pelo conversor. Apesar de reduzir EMI, o aumento da resistncia de gate resulta em significativo aumento nas perdas durante as comutaes, aumentando volume e custo do sistema de transferncia de calor e reduzindo rendimento, isto no foi considerado nos projetos. Esta anlise tambm foi realizada para um conversor operando com frequncia fixa de 50kHz e tambm no foi verificado o impacto do ponto de operao no projeto do indutor Boost.

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Em [28] verificado o impacto da frequncia de comutao no volume final dos dissipadores, modelando as perdas nos semicondutores e mostrando as vantagens da utilizao da tecnologia de MOSFETs de potncia CoolMOS C3, que apresentam baixas perdas de conduo e relativamente baixas perdas nas comutaes. analisado tambm o impacto da frequncia na variao da permeabilidade efetiva do indutor para o conversor Boost.

J em [18] em um trabalho mais detalhado, foi desenvolvida uma ferramenta computacional que realiza uma profunda modelagem trmica e eletromagntica do conversor Boost, com o objetivo de minimizar parasitas e consequentes diminuies da interferncia eletromagntica gerada, sempre levando em considerao a eficincia do sistema. O trabalho foi desenvolvido para um conversor operando com potncia de sada fixa, utilizando a mesma tecnologia de semicondutores e de materiais magnticos e para diferentes faixas de frequncias.

Destaca-se tambm o trabalho [29], onde foi analisado o impacto da frequncia de comutao na otimizao do custo final do conversor Boost, mostrando que o conversor operando com frequncia prxima a 24kHz, pode ter seu custo diminudo em at 60% em comparao com o conversor operando a 100kHz, de acordo com as tecnologias envolvidas nas anlises pontuais. Porm, a ondulao da corrente de entrada foi mantida fixa.

J em [30] e [31] o impacto da ondulao da corrente de entrada no projeto do indutor e na interferncia eletromagntica tambm considerada, mas para casos muito prximos e com frequncia fixa. Alm disso, o enfoque do trabalho a seleo dos elementos magnticos (indutor Boost e indutores de filtro), desconsiderando o projeto dos dissipadores, podendo aumentar o volume e custo e diminuir o rendimento.

Em [32] foi realizada a verificao do impacto da frequncia de comutao na interferncia eletromagntica gerada e no volume do indutor Boost. Esse estudo foi realizado para a topologia Boost, Boost PFC trs nveis e para o dual Boost. Porm, mais uma vez, o impacto da ondulao da corrente de entrada no foi levado em considerao.

Esta mesma caracterstica de projeto tambm se expande a outras topologias de conversores. Em [33] desenvolvida uma metodologia de controle para o conversor flyback operando como corretor de fator de potncia. O conversor opera em modo de conduo descontnuo permitindo assim um aumento na frequncia com baixas perdas diminuindo volume e custo do transformador. No entanto, no considerada a ondulao da corrente de entrada e a interferncia eletromagntica gerada por este conversor. O conversor opera com frequncia fixa de 50kHz.

31

Em [34] realizada uma anlise comparativa entre os modos de conduo dos interruptores, tendo como concluso que o modo de operao descontnuo (DCM) apresenta maior rendimento para o conversor full bridge. O conversor foi implementado para uma frequncia de 100kHz objetivando diminuir o volume dos elementos magnticos. Entretanto, a influncia da ondulao da corrente de entrada e da interferncia eletromagntica gerada no foi considerada.

A partir dos trabalhos encontrados, pde-se identificar que os projetos de conversores tm sido desenvolvidos de maneira incompleta. Para um adequado projeto otimizado necessrio levar em considerao de forma integrada o impacto do volume, da eficincia e do custo de cada elemento do conversor. A relao direta entre o ponto de operao (i @ fS) e o projeto destes elementos torna possvel realizar o desejvel projeto integrado. Esta uma das grandes contribuies desta metodologia. A maior parte dos trabalhos estuda o efeito da frequncia de comutao no projeto de um ou dois componentes dos sistemas conversores negligenciando a ondulao da corrente de entrada. Os que consideram o impacto dos dois efeitos (i @ fS) negligenciam o impacto no volume dos dissipadores, que dependendo do projeto e das tecnologias envolvidas, podem chegar a 80% do volume final do conversor [35].

Sabendo da importncia do ponto de operao no desenvolvimento dos conversores e, sabendo que cada componente individual apresenta um par (i @ fS) de projeto timo diferente, surge a necessidade de encontrar o ponto em que o conversor como um todo atinja seu nvel de projeto otimizado, ou seja, seu par (i @ fS) ideal de projeto.

De posse destas informaes, desenvolvida neste trabalho uma metodologia de projeto para encontrar o ponto de operao (i @ fS) otimizado para cada conversor, partindo das variveis de entrada e normas vigentes. Estes resultados so obtidos atravs da interpolao de uma ferramenta computacional que simula o conversor fazendo uma varredura entre vrios pontos de operaes diferentes. Para cada ponto de operao simulado calculado o volume de todos os elementos individualmente. Estes volumes so somados para que se encontre o volume total para aquele ponto. Atravs desta varredura possvel encontrar o ponto de operao em que o conversor realmente atinja o volume final mnimo.

Com o objetivo de atender as mais diversas aplicaes, novas tecnologias de materiais magnticos, semicondutores e perfis de dissipadores aparecem com frequncia no meio industrial. Essas tecnologias apresentam diferenas entre si, o que inviabiliza a escolha de um ponto de operao nico para o menor volume de qualquer conversor. Assim, necessrio que o programa computacional que realiza o projeto considere de forma rpida e interativa as mais novas tecnologias.

32

Com ampla difuso literria, circuitos de auxilio a comutao tambm so considerados nos projetos. A adio destes circuitos pode permitir operaes em altas frequncias, com significativa reduo do volume de magnticos e dissipadores trmicos, entretanto h o aumento no nmero de componentes, que devem ser considerados no clculo do volume, da eficincia e do custo dos conversores. Estas anlises so realizadas no captulo 7 desta tese.

1.4 Anlise do ponto de operao dos conversores

Com o objetivo de definir o conceito de ponto de operao, o conversor Buck, Figura

1.3 utilizado. Para simplificar a anlise do circuito, assumido que o capacitor de sada (C0)

grande o suficiente para que a tenso de sada possa ser considerada constante durante um

perodo de comutao (T). Assim, a corrente atravs do indutor (L) pode ser definida de

acordo com a equao (1.1).

Figura 1.3: Conversor Buck.

( ) ( )0LL Lvi t t i tL= + (1.1)

Uma vez que a tenso vL=Vi Vo, a corrente pode ser expressa como (1.2).

( ) ( )0i oL LV Vi t t i tL

= + (1.2)

Onde t varia continuamente a partir de t = t0 atravs de t = ton, Figura 1.4.

33

Figura 1.4: Comportamento da corrente do indutor.

Por isso, de (2) pode ser definido que a corrente atravs do indutor L a diferena

entre os valores de corrente em t=t0 e t=ton, equao (1.3):

( ) ( ) ( ) ( )0 0 0i oL L on L on L LV Vi i t i t t i t i tL = = +

(1.3)

Simplificando a equao 1.3 chega-se na equao 1.4:

i o i oL on

S

V V V V Di tL L f = =

(1.4)

Onde, ton=D/fS, e D a razo cclica.

A equao de projeto para a indutncia L pode ser encontrada resolvendo a equao

(1.4), chegando equao (1.5).

( )i o cL s L s

V V D KLi f i f

= =

(1.5)

Onde Kc=(Vi Vo)D e uma constante que depende apenas das especificaes do

conversor Vi e Vo, e da ao do controle na razo cclica. Isto significa que a indutncia L

uma funo do ponto de operao definido pelo par (i @ fS).

Alm disso, a partir das formas de onda da Figura 1.4, pode ser dito que os valores

mdio, RMS e de pico da corrente atravs do indutor dependem do valor de L e

34

consequentemente, do ponto de operao, como pode ser visto nas equaes (1.6), (1.7), e

(1.8), respectivamente.

( ) ( ) 2L

L AVG L oiI i t = +

(1.6)

2

( ) ( )( )

1 2i1+3L RMS L AVG L AVG

I II

=

(1.7)

( ) ( ) 2L

L PK L AVGiI i = +

(1.8)

Uma vez que todos os outros projetos dos componentes do conversor so dependentes

do valor mdio, RMS e de pico da corrente, fica estabelecida a direta relao entre os projetos

individuais dos componentes do conversor, com o ponto de operao de projeto dos mesmos.

Para o caso de conversores que realizam a correo do fator de potncia (PFCs),

inversores PWM e outras aplicaes, uma baixa frequncia est sobreposta a forma de onda

na frequncia de comutao. Assim, para definir o mximo valor da corrente do ponto de

operao necessrio o uso da equao (1.9), para obter o mximo valor de corrente em baixa

frequncia a partir do valor RMS da tenso.

Para os conversores PFCs, uma tenso de entrada senoidal fornecida. Neste sentido,

a forma de onda da corrente deve ser prxima a senoidal e em fase com a tenso de entrada.

Neste caso, a mxima corrente RMS e de pico so representadas pela equao (1.9) e (1.10)

respectivamente.

1_ 2inMAXin

PIV

= (1.9)

1_I I 2PK MAXi

= + (1.10)

35

1.5 Contribuies

As principais contribuies deste trabalho teoria de projeto de conversores estticos so apresentadas como segue:

1 Proposio, desenvolvimento e avaliao de uma nova metodologia de projetos de conversores estticos que leva em considerao e integra o que segue:

Modelos matemticos dos principais componentes e dispositivos que processam a energia eltrica entre a entrada e a sada do conversor esttico de potncia.

Desenvolvimento de uma ferramenta computacional (MATLAB) que processa de forma rpida e iterativa, segundo regras e inferncias, um algoritmo matemtico.

Definio de um conjunto de variveis independentes de projeto comuns a todos os principais componentes do conversor esttico de potncia.

Integrao de projetos de componentes do sistema conversor, de acordo com modelos matemticos de componentes individuais, processados simultaneamente atravs de interaes computacionais.

Plataforma grfica demonstrativa de inmeros projetos, definidos pelo projetista, que dentro do cenrio estudado apresenta o timo ponto de operao segundo critrios objetivos de deciso.

2 Anlise comparativa para tomada de deciso, realizada atravs da ferramenta computacional desenvolvida, entre diferentes tecnologias de materiais magnticos (High Flux, Molypermalloy e KoolM) para aplicaes em ncleos magnticos de indutores de circuitos de potncia e de filtros.

3 Anlise comparativa para tomada de deciso, realizada atravs da ferramenta computacional, entre tecnologias de semicondutores (transistores e diodos), para aplicaes em conversores estticos de potncia.

4 Anlise comparativa entre diferentes perfis de dissipadores trmicos aplicados a semicondutores (transistores e diodos), abrangendo volume e/ou custo.

5 Anlise comparativa, realizada atravs da ferramenta computacional desenvolvida, entre diferentes associaes de tecnologias (materiais magnticos, semicondutores e perfis de

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dissipadores) aplicadas aos projetos de componentes e dispositivos, utilizados em conversores estticos de potncia.

6 Anlise comparativa, realizada atravs da ferramenta computacional, entre diferentes associaes de tecnologias (materiais magnticos, semicondutores e perfis de dissipadores) aplicadas aos projetos dos componentes e dispositivos, do conversor Boost PFC, com a incluso de circuitos de auxlio comutao (snubber e ZVT).

7 Anlise comparativa entre os circuitos de auxlio comutao (snubber e ZVT) e o conversor Boost PFC operando com comutao forada, para cada diferente associao de tecnologias utilizadas nos projetos.

1.6 Organizao do trabalho

O captulo 1 apresentou uma breve introduo, indicando a motivao do trabalho, os objetivos principais, e uma reviso bibliogrfica referente ao estado da arte em projetos otimizados de componentes dos conversores estticos. Foi demonstrada a inter-relao entre os projetos dos componentes dos conversores e o ponto de operao, bem como a importncia dos projetos integrados destes componentes em funo deste par de variveis, alm das contribuies do trabalho.

No Captulo 2 demonstrada a metodologia de projetos para otimizao de conversores, proposta deste trabalho. Os passos de projeto so enumerados e a sequncia da metodologia demonstrada. Equaes, matrizes, simulaes e um fluxograma so apresentados para melhor entendimento da metodologia.

No Captulo 3 apresentado o projeto do indutor para o estudo de caso, conversor Boost PFC. Diferentes tecnologias e geometrias de materiais magnticos so testadas e comparadas, seus modelos so apresentados. Os projetos eltrico, eletromagntico e trmico so detalhados. Resultados de simulao indicam o comportamento do volume e das perdas do indutor Boost em funo do ponto de operao.

No Captulo 4 realizada uma aprofundada anlise da interferncia eletromagntica gerada pelo conversor do estudo de caso. Atravs dos modelos matemticos adotados, simulaes apontam a influncia do ponto de operao na interferncia eletromagntica gerada pelo conversor. Uma normatizao para limitar esse efeito apresentada e o projeto do

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filtro realizado. Da mesma forma que o projeto do indutor Boost, diferentes tecnologias de materiais magnticos so utilizadas nos projetos dos indutores de filtro, com o objetivo de avaliar a relao custo benefcio de cada tecnologia. Resultados de simulao mostram o comportamento do volume e das perdas do filtro em funo do ponto de operao.

No Captulo 5 detalhada a modelagem das perdas de conduo e comutao nos semicondutores (transistores e diodos). Diferentes tecnologias de semicondutores so testadas para verificao do impacto dos nveis de corrente e da frequncia de comutao nas perdas destes dispositivos. Um circuito trmico equivalente apresentado, com isso, o projeto dos dissipadores trmicos realizado e, mais uma vez, diferentes perfis de dissipadores so testados para avaliao da sua relao custo benefcios. Resultados de simulao mostram a influncia do ponto de operao nas perdas e no volume destes subsistemas.

No Captulo 6 so apresentados os resultados de simulaes, realizando o projeto do conversor Boost atravs da metodologia desenvolvida. Os resultados apontam o ponto de operao para o menor volume ou menores perdas para o conversor, projetado de acordo com as especificaes e tecnologias escolhidas. Resultados experimentais so apresentados, com o conversor projetado para o ponto timo de menor volume definido pela metodologia. Resultados eltricos, mecnicos, trmicos e eletromagnticos so apresentados para a validao dos modelos matemticos utilizados.

O Captulo 7 apresenta o impacto dos circuitos de auxilio comutao no volume, rendimento e custo do conversor. Duas topologias de circuitos auxiliares so projetados. Um circuito de snubber passivo regenerativo com capacitor flutuante e um circuito de comutao em zero de tenso (ZVT). Resultados de simulaes so realizados indicando o impacto dos circuitos de auxlio comutao no volume, rendimento e custo do conversor. Uma comparao entre o conversor operando com comutao forada e com cada uma das topologias de circuitos auxiliares apresentada.

O Captulo 8 composto pelas concluses gerais, trabalhos futuros e publicaes.

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Captulo 2

METODOLOGIA DE PROJETOS

2.1 Introduo

Como demonstrado no captulo anterior, os elementos de maior influncia no volume total dos conversores esto diretamente relacionados ao ponto de operao (i @ fs). Atravs dos projetos individuais dos indutores, transformadores, filtros, capacitores, controladores, sistemas de transferncia de calor, entre outros possvel encontrar o ponto de operao de menor volume, ou mximo rendimento ou menor custo para cada elemento. A realizao do projeto integrado e a ideal escolha do ponto de operao so os nicos caminhos para que se possa chegar ao projeto otimizado dos conversores. Neste captulo ser apresentado um estudo de caso para o conversor Boost PFC e demonstrada a metodologia de projetos atravs de um fluxograma e das etapas de projeto para este conversor.

2.2 Estudo de caso conversor Boost PFC

Com o objetivo de demonstrar a metodologia de projetos para otimizao de conversores estticos proposta, um estudo de caso para o conversor Boost PFC (Figura 1.1) operando em modo de conduo contnua foi desenvolvido. Devido a sua simplicidade e baixo custo, este conversor tem sido amplamente difundido para aplicaes em baixas e mdias potncias, em circuitos monofsicos, com o objetivo de atender as limitaes estabelecidas por normas e regulamentaes para distoro harmnica de baixa ordem [36].

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Para a realizao do projeto integrado, alguns parmetros do conversor devem ser pr-definidos. Por exemplo, potncia de entrada (Pin), tenso de entrada (Vin), tenso de sada (Vo), frequncia da rede (fr), temperatura ambiente (Tamb) e temperatura de juno dos semicondutores (Tj), alm das normatizaes envolvidas no projeto. A partir destes parmetros iniciais, possvel determinar todas as correntes e tenses envolvidas no projeto e, a partir destas informaes, todos os componentes fsicos do sistema conversor podem ser projetados.

Para o conversor Boost PFC, como descrito na seo anterior, os componentes com maior influncia no volume, custo e rendimento so o indutor Boost, o filtro de EMI, os semicondutores e seu sistema de transferncia de calor, alm do capacitor de sada (no considerado nas anlises). O projeto integrado destes componentes em funo do par de variveis (i @ fS) comuns a todos eles a forma proposta para o projeto otimizado. Assim, a metodologia consiste em uma matriz de projetos, realizando uma grande varredura para diferentes pontos de operao, encontrando assim, o ponto de operao do conversor para o mnimo volume, ou o ponto para as menores perdas, ou menor custo. Para atingir este objetivo, um algoritmo baseado em interaes computacionais mutliobjetivas foi desenvolvido. O clculo do volume e das perdas totais do conversor para cada ponto de operao realizado, atravs do software desenvolvido, de acordo com as equaes (2.1) e (2.2), respectivamente.

( @ ) ( @ ) ( @ ) ( @ )_ _ _i fs i fs i fs i fsVol Vol L Vol Diss Vol EMI = + + (2.1)

( @ ) ( @ ) ( @ ) ( @ )_ _ _i fs i fs i fs i fsPerdas P L P semicond P EMI = + + (2.2)

Onde Vol volume do conversor em funo do ponto de operao; Vol_L volume do indutor Boost; Vol_Diss soma dos volumes de dissipadores, transistor e diodo; Vol_EMI volume do filtro de EMI. A partir das equaes (2.1) e (2.2) matrizes de projetos so realizadas atravs da ferramenta computacional desenvolvida. As matrizes abaixo mostram uma varredura completa para definir o ponto de operao para o menor volume (2.3) e para as menores perdas (2.4). Um fluxograma mostrando os passos de projeto da metodologia apresentado na Figura 2.1.

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(1@1) (1@2) (1@ )

(2@1) (2@2) (2@ )

( @ )

( @1) ( @2) ( @ )

.............

.............

. . . .

.............

n

n

i fs

n n n n

Vol Vol VolVol Vol Vol

Vol

Vol Vol Vol

=

& & & && & & && & & && & & && & & && & & && & & && & & && & & && & & && & & &

(2.3)

(1@1) (1@2) (1@ )

(2@1) (2@2) (2@ )

( @ )

( @1) ( @2) ( @ )

.............

.............

. . . .

.............

n

n

i fs

n n n n

P P PP P P

P

P P P

=

& & & && & & && & & && & & && & & && & & && & & && & & && & & && & & && & & &

(2.4)

Figura 2.1: Fluxograma da metodologia de projetos.

41

2.3 Etapas de projeto para o estudo de caso

Primeira etapa

Inicialmente so definidas as especificaes de projeto. Os valores de potncia de entrada, tenso de entrada e tenso de barramento devem ser fixados. A temperatura ambiente e a temperatura de juno dos semicondutores tambm precisam ser pr-determinadas. A partir da definio destes parmetros so calculados os valores de tenses e correntes mnimas e mximas envolvidas no sistema. As tecnologias de materiais magnticos, semicondutores e perfis de dissipadores envolvidas nos projetos tambm devem ser definidas.

Definir a aplicao do conversor tambm de suma importncia, a partir desta definio sero escolhidas as normas regulamentadoras, que tambm fazem parte das variveis de entrada e influenciam no resultado final.

Segunda etapa

Nesta etapa realizada a seleo do ncleo magntico do indutor em funo das definies paramtricas e tecnolgicas definidas na etapa anterior. Atravs da varredura em diferentes pontos de operao, os valores de indutncias so encontrados, e os ncleos so escolhidos em funo de energia, de acordo com os catlogos do fabricante. Aps a seleo do ncleo realizado o clculo do nmero de espiras. Para tecnologias de materiais magnticos do tipo powder (p de ligas metlicas), deve ser determinada a indutncia mnima atravs da anlise da variao da permeabilidade efetiva. A indutncia ser mnima quando a corrente de entrada for mxima, que ocorre no pico da senoide para cada semiciclo de 120Hz. Nestes casos, para o total controle da ondulao da corrente de entrada, o projeto deve ser realizado para sua mxima amplitude, desta forma, o nmero de espiras reajustado para que a ondulao da corrente no exceda os limites de amplitude mximos.

Terceira etapa

Na terceira etapa realizado o projeto do con