ADIÇÃO DE NOVOS COMPONENTES

Novos part numbers de interruptores, diodos de potência e capacitores foram adicionados ao banco de dados e os novos resultados são apresentados nesta seção. Uma investigação do volume resultante destes novos projetos será discutida.

Dessa forma, para a inclusão de um novo semicondutor, os seguintes parâmetros devem ser informados ao banco de dados da metodologia:

Número do modelo do fabricante;
Tempos de comutação;

Capacitância de saída;

Resistências térmicas (junção/encapsulamento e encapsulamento/dissipador);
Temperatura de junção;

Duas curvas modeladas, Vf x If , para 25ºC e 175ºC. Estas curvas podem ser

representadas por uma equação polinomial de 4ª ordem. Logo, os coeficientes desta equação devem ser informados.

Capacitores:

Número do modelo do fabricante;
Capacitância;

Dimensões do componente;
Resistência série equivalente;
Corrente máxima;

Tensão de operação. Núcleos magnéticos:

Número do modelo do fabricante;

Tipo de núcleo;

Dimensões do núcleo;
Permeabilidade magnética;

Constantes das perdas do núcleo. Estas constantes são os coeficientes da equação de Steinmetz;

Constantes das curvas B x H e µ x H; Dissipadores:

Número do modelo do fabricante;
Resistência térmica;

Dimensões do modelo de dissipador.

Os novos semicondutores modelados e inseridos ao banco de dados são ilustrados na Tabela 3.7, sendo os interruptores do tipo CoolMOSTM e diodos de potência do tipo Silicon

Carbide Schottky. Doze diferentes modelos de capacitores para entrada e dezoito part numbers para saída foram também acrescidos, com diferentes capacitâncias, níveis de tensão,

Tabela 3.7 - Semicondutores considerados adicionados.

Interruptor Diodo

Part Number VF IF (100ºC) Ron Part Number Tensão Corrente IPP60R190C6 650 V 12,8 A 0,190 Ω IDH04G65C 650 V 4 A

IPP65R225C7 700 V 7 A 0,225 Ω C3D04060F 600 V 4 A

IPP60R099CP 650 V 19 A 0,099 Ω C3D02060A 600 V 2 A

IPA50R199CP 550 V 11 A 0,199 Ω C3D06065A 650 V 6 A

Fonte: DATASHEET DOS COMPONENTES, disponível em http://www.alldatasheet.com.

Nesta nova análise, os projetos dos capacitores de entrada e de saída são considerados, bem como as perdas no capacitor de entrada que haviam sido desconsideradas inicialmente. Além disso, a partir de agora a metodologia proposta será capaz de selecionar o número de núcleos empilhados, diferentemente das simulações anteriores onde este número era fixado pelo projetista. Deve-se somente definir o número máximo de núcleos.

Quanto ao projeto do dissipador, vale ressaltar que o mesmo é desenvolvido para cada ponto de operação e para cada semicondutor. Nas simulações anteriores, o comprimento do dissipador foi fixado e utilizou-se um único para os semicondutores. Diferentes modelos de dissipadores podem ser adicionados à metodologia, mas optou-se por simular apenas um, modelo HS 7324. Ao final de cada projeto, o volume total resultante (dissipadores, capacitores e magnético) é calculado para futuras análises.

Portanto, tem-se agora novos graus de liberdade para a seleção do projeto ótimo, além dos já considerados inicialmente (fs, ∆i, materiais magnéticos e seção de condutores), como:

Empilhamento de núcleos magnéticos;
Interruptores;

Diodos de potência;
Capacitores de entrada;
Capacitores de saída.

O detalhamento dos novos projetos selecionados são apresentados na Tabela 3.8. O volume das soluções também é descrito. Os mesmos materiais magnéticos e seções de condutores utilizados anteriormente foram novamente considerados. Fixou-se em três, o número máximo de núcleos empilhados. A densidade de corrente testada é de 400A/cm² para todos os projetos dos indutores.

Tabela 3.8 - Parâmetros dos projetos ótimos selecionados por ηw. Kool Mµ High-Flux MPP ηw (%) 98,15 98,22 98,31 Volume Total (cm³) 815,5 1800,4 1071,7 fs (kHz) 37,5 42,5 42,5 ∆iL (%) 11 22 26 L (mH) 1,8 0,808 0,683 Nº de espiras 77 64 69 Núcleo magnético 77616 58337 55102 Permeabilidade do núcleo 40µ 26µ 26µ Nº de núcleos empilhados 3 3 3

Condutor Selecionado 7 x 22 AWG 7 x 22 AWG 7 x 22 AWG

Cin (µF) 1000 1000 1000

Cout (µF) 470 470 470

Interruptor IPP60R099CP IPP60R099CP IPP60R099CP

Diodo C3D04060F C3D04060F C3D04060F

Fonte: Próprio autor.

Estes novos resultados consideraram uma faixa de 5% a 35%, para a ondulação de corrente variando-se de 1 em 1%, enquanto que fs, variou-se de 15 kHz a 170 kHz, com intervalos de 2,5 kHz. Logo, 1953 soluções ótimas quanto à ηw são pré-selecionados

independentemente do volume e custos resultantes. O resultado disso são soluções com elevado valor de ηw e volumes consideráveis, como pode ser observado pela Figura 3.9 e

Figura 3.10, onde o comportamento das soluções resultantes do material magnético do tipo

Kool Mµ é exposto.

Figura 3.9 - Eficiências resultantes dos projetos ótimos selecionados por ηw .

Figura 3.10 - Volumes resultante dos projetos ótimos selecionados por ηw.

Fonte: Próprio autor.

A distribuição percentual do volume e das perdas das soluções descritas na Tabela 3.8 são respresentadas pela Figura 3.11 e Figura 3.12, respectivamente.

Figura 3.11 - Volumes percentuais resultante das soluções selecionadas por ηw.

Fonte: Próprio autor.

Figura 3.12 - Perdas percentuais dos compontentes das soluções selecionadas por ηw.

Para garantir projetos com altos valores de ηw, a metodologia optou por selecionar

componentes eficientes, sem considerar o volume resultante. O diodo semicondutor, por exemplo, apresenta reduzidas perdas, quando comparado ao indutor e o interruptor (Figura 3.12), mas em contrapartida, apresenta um volume expressivo para as três soluções supracitadas (Figura 3.11). Isto se deve ao fato deste componente possuir uma resistência térmica de junção-encapsulamento elevada (11,5 ºC/W). Por mais que as perdas neste elemento sejam baixas, um volume considerável de dissipador é necessário.

No caso do indutor, a metodologia optou por selecionar frequências não tão elevadas, grandes núcleos e com baixas permeabilidades. Para o material magnético do tipo High-flux, por exemplo, foi selecionado um núcleo com permeabilidade 26µ (volume individual do modelo: 220 cm³), ao invés do núcleo com permeabilidade 60µ (volume individual do modelo: 91,4 cm³). O núcleo com permeabilidade 26µ resulta em um indutor mais volumoso, com 64 espiras, contra 37 espiras do outro núcleo. Isso para uma mesma frequência e ondulação de corrente (42,5 kHz @ 11%).

Menos espiras resultam em menores perdas de condução. No entanto, essa redução das perdas de condução é significativa em altas potências (altas corrente), onde não afeta significativamente ηw. Logo, a seleção dos núcleos com menores permeabilidades

(volumosos) está associada às perdas no núcleo. Núcleos com altas permeabilidades apresentam maiores valores de densidade de fluxo, para uma mesma força magnetizante, como pode ser visto pela Figura 3.13.

Figura 3.13 - Curvas de magnetização para do material High-Flux.

Quanto maior a variação da densidade de fluxo, maiores as perdas no núcleo. Além disso, os núcleos do tipo iron powder têm significativa elevação das perdas no núcleo à medida que se aumenta fs. O resultado disso são indutores volumosos para ambas as soluções.

No caso da solução que considera o material magnético do tipo High-flux, a metodologia escolheu um núcleo que proporcionou um indutor exageradamente volumoso, 1267,2 cm³. Este valor representa aproximadamente 70% do volume total desta solução, além de ser maior que o volume total das outras duas soluções. Apesar disso, o alto rendimento foi garantido.

Logo, para tentar diminuir o volume das soluções, outra proposta de seleção dos projetos será verificada. A nova alternativa irá priorizar o volume total do conversor e analisar o impacto desta escolha sobre ηw.