Módulo de Potência

Na Figura 5.1 está representado o módulo de potência do sistema de carregamento já com a respetiva assemblagem efetuada, incluindo o conversor CA-CC boost trifásico, e o conversor CC-CC buck. Como é possível analisar através da figura, trata-se de um sistema compacto onde todos os componentes estão acoplados a um dissipador, que contém um ventilador para fazer a circulação do ar, que expele do sistema o ar quente e simultaneamente arrefece os elementos de potência, prevenindo o seu sobreaquecimento. É também visível o banco de condensadores do barramento CC, e uma vez que o

hardware implementado nesta dissertação faz parte de um protótipo para um sistema de carregamento rápido de um outro trabalho, este é partilhado com um outro conversor.

Figura 5.1 – Módulo de potência do sistema de carregamento rápido (Conversores CA-CC trifásico e CC-CC): 1 – Módulos de IGBTs; 2 – Condensadores de snubber; 3 – Drivers dos IGBTs;

4 – Placas de proteção dos IGBTs.

Os componentes utilizados para a implementação dos conversores CA-CC e CC-CC, estão identificados na Figura 5.1 através da numeração de 1 a 4, onde 1 corresponde aos módulos de IGBTs, 2 aos condensadores de snubber, 3 às placas de driver dos IGBTs e 4 às placas de proteção de gate dos IGBTs. De notar, que tal como está representado na figura são utilizados três conjuntos de componentes para o conversor CA-CC e um conjunto para o conversor CC-CC.

Entre a rede elétrica trifásica e o conversor CA-CC está localizada uma caixa (Figura 5.2) responsável por fazer a pré-carga dos condensadores do barramento CC.

Figura 5.2 – Caixa com circuito de pré-carga dos condensadores do barramento CC.

Banco de Condensadores

1

₁2

2

2

1

₁

2

3

3

3

3

4

₄

4

₄

O esquema elétrico do conteúdo da caixa pode ser observado na Figura 5.3, e é composto por um disjuntor, um contactor que é acionado através de uma botoneira manual para permitir o fluxo de potência entre a rede elétrica e o conversor CA-CC e as resistências de pré-carga com um contactor em paralelo que é responsável pelo bypass a estas assim que o microcontrolador o autorize, isto é, assim que a pré-carga esteja completa.

Figura 5.3 – Esquema elétrico dos componentes necessários para a pré-carga dos condensadores do barramento CC.

Módulo de IGBTs

O módulo de IGBTs utilizado foi o modelo SKM100GB125DN da Semikron e que está representado na Figura 5.4 (a). Cada módulo é composto por dois IGBTs, cada um com um díodo em antiparalelo capaz de aguentar com correntes reversas de 95 A a uma temperatura de 150ºC. No que diz respeito aos valores nominais estes são capazes de suportar uma tensão de 1200 V entre o coletor e emissor, e conduzir uma corrente de 100 A quando opera a uma temperatura de 150ºC [93]. Na Figura 5.4 (b) é possível ver o esquema elétrico do módulo.

(a) (b)

Figura 5.4 – Módulo IGBTs SKM100GB125DN: (a) Fotografia; (b) Esquema elétrico do módulo [94].

Disjuntor Rede Elétrica Trifásica Botoneira Manual Contactor Botoneira Automática Contactor Resistências Conversor CA-CC 3 2 1 4 5 6 7

Condensador de Snubber

De forma a proteger os IGBTs contra eventuais picos de tensão (provenientes do barramento CC) superiores aos valores que estes conseguem suportar durante as suas comutações, foram instalados condensadores de snubber em cada um dos módulos de IGBTs (três do conversor CA-CC e um do conversor CC-CC), conectados entre os pontos 1 e 2 da Figura 5.4 (b). O condensador de snubber empregue no sistema está exibido na Figura 5.5.

Figura 5.5 – Condensador de snubber [95].

Este condensador é um componente da EPCOS/TDK, modelo B32656S0105K561, com o material dielétrico em filme de polipropileno, com uma capacidade de 1 µF que suporta tensões até 1000 V e capaz de operar até uma temperatura máxima de 100ºC [96].

Condensadores do Barramento CC

No que diz respeito ao banco de condensadores utilizados no barramento CC, este é constituídos por 20 condensadores Panasonic modelo EETUQ2W561DA, em que o desenho da placa PCB (Printed Circuit Board) e disposição destes pode-se observar na Figura 5.6. Cada condensador tem uma capacidade de 560 µF, o que na totalidade dos condensadores corresponde a 2800 µF. Estes são capazes de individualmente suportar tensões de 450 V a uma temperatura máxima de 85ºC [97].

Figura 5.6 – Desenho em PADS da placa do banco de condensadores do barramento CC.

O desenho do banco de condensadores foi elaborado através do software PADS para posterior impressão em placa PCB. No entanto, dadas as dimensões da placa, não foi

possível a sua impressão nas oficinas da universidade, optando-se por desenhar e fazer as respetivas furações manualmente.

Bobinas dos Conversores CA-CC e CC-CC

Apesar de não estarem representadas na Figura 5.1, foram utilizadas quatro bobinas em série com os conversores do sistema implementado, três para o conversor CA-CC e uma para o conversor CC-CC, tal como é possível observar na Figura 4.1 do capítulo anterior.

Para o conversor CA-CC foram utilizadas três bobinas, iguais à da Figura 5.7 com um valor de 2,6 mH cada (uma para cada fase), valor este que foi obtido através da conexão em série entre os dois enrolamentos da bobina que partilham o mesmo núcleo.

Figura 5.7 – Bobina conectada em série com a rede elétrica e o conversor CA-CC.

A bobina utilizada no conversor CC-CC pode ser vista na Figura 5.8, e à semelhança do valor utilizado nas simulações efetuadas ao conversor, tem um valor de 3 mH.

Placa de Proteção de Gate dos IGBTs

Entre os módulos de IGBTs e as placas de driver destes, foram utilizadas placas de proteção de gate que estão representadas na Figura 5.9. Estas placas têm o propósito de proteger a gate dos IGBTs de eventuais picos de tensão, sejam eles positivos ou negativos, e previne comutações indesejadas por parte destes.

Figura 5.9 – Placa de proteção de gate dos IGBTs.

Cada placa está preparada para ser acoplada diretamente nos módulos de IGBTs e é constituída por dois circuitos elétricos simétricos, em que cada um controla o IGBT a que se encontra conectado. O esquema elétrico de um desses circuitos elétritos pode ser visto na Figura 5.10, onde os números assinalados correspondem às ligações que cada circuito efetua no módulo de IGBTs representado na Figura 5.4 (b).

Figura 5.10 – Esquema elétrico, de um dos circuitos elétricos, das placas de proteção de gate com as respetivas ligações.

Como é possível observar através da figura anterior, o circuito é composto por uma resistência de 10 kΩ em paralelo com dois díodos de zener de 16 V (1 W) que se encontram em série.

Placa de Driver dos IGBTs

Na Figura 5.11 está representada a placa de driver utilizada e respetivo driver. A escolha do driver depende diretamente do módulo de IGBTs que se utiliza, logo, segundo recomendação da Semikron, para o módulo utilizado nesta dissertação recorreu-se ao modelo de driver SKHI 22A H4 R da mesma empresa.

Gate (4 e 6)

Emissor (5 e 7) Sinal de PWM

Figura 5.11 – Placa de driver dos IGBTs.

O driver é responsável por efetuar a comunicação entre as placas de comando e os módulos de IGBTs, tendo como principais funções garantir o isolamento elétrico entre o módulo de potência e o sistema de controlo, o deadtime que garante que os semicondutores de potência em cada módulo nunca entrem em condução simultaneamente, e ainda, oferece proteção contra curto-circuitos. O driver é também responsável por prover a alimentação necessária para os IGBTs entrarem em condução ou estarem ao corte, aplicando para isso uma tensão entre o coletor e o emissor (VGE) de

+15 V ou -7V, respetivamente. A placa contém também as resistências de gate dos IGBTs, que devem estar de acordo com os valores facultados pelo fabricante, sendo que para os módulos em utilização têm um valor de 15 Ω cada [98].