Projeto do sistema de transferência de calor

A temperatura gerada pelas perdas dos semicondutores durante o seu funciona- mento do conversor pode afetar na durabilidade e funcionalidade do sistema. Desta forma, a necessidade de sistemas de resfriamento que inibem altas temperaturas nestes compo- nentes durante o processo, um método de representação simples de resfriamento é através do modelo unidimensional, seu circuito equivalente térmico é apresentado na Figura 5.7. Com este modelo é possível calcular a resistência térmica do dissipador necessária para manter o diodo/transistor num nível adequado de temperatura.

Figura 5.7 – Circuito térmico equivalente unidimensional de um dispositivo semicondutor.

Rjc Rcd Rda

Tj Tc Td Ta

P

Fonte: Autor.

Este circuito é formado pela fonte de corrente (representa as perdas no semicondu- tor, P), pelas resistências térmicas (junção para o encapsulamento (Rjc), encapsulamento para o dissipador (Rcd) e do dissipador para o ambiente (Rda)) e pela fonte tensão (repre- senta a temperatura ambiente, Ta). Com base no circuito e tendo posse da perda total do semicondutor e das resistências térmicas é possível determinar a temperatura do dis- sipador (Td), da junção (Tj) e do encapsulamento (Tc), conforme (5.45), (5.46) e (5.47),

respectivamente. _T

d= Ta− P × Rda (5.45)

Tj = Td− P × (Rjc+ Rcd) (5.46)

Tc= Tj − P × Rjc (5.47)

O projeto de resfriamento para dois semicondutores diferentes montados em um único dissipador é realizado considerando a temperatura do dissipador a mesma para cada se- micondutor, conforme ilustrado na Figura 5.8. No entanto, a temperatura de junção para cada dispositivo é diferente. Então considera-se o componente com maior temperatura de junção e verifica-se se os dois semicondutores apresentam temperaturas na junção menores que a definida no projeto, caso isto ocorra, o sistema de resfriamento esta correto.

5.2.5.1 Projeto do dissipador

Com a obtenção das perdas em cada dispositivo semicondutor e conhecendo os parâmetros térmicos do componente (Rjc e Rcd) determinados no catálogo do fabricante,

Figura 5.8 – Modelo diodo e chave em um único dissipador. Rcd Rda Tc Td Ta Rjc Tj Psw Rjc Tj Pd T R_cd c Fonte: Autor.

projeta-se o sistema dissipação de temperatura dos semicondutores. Primeiramente, é necessário calcular a resistência térmica do dissipador para o ambiente. Esta resistência é calculada considerando o modelo unidimensional apresentado na Figura 5.7 e a tempe- ratura de junção do semicondutor constante.

Logo, aplicando as Leis de Kirchhoff, está resistência é calculada por (5.48), obtida a partir das perdas no semicondutor e das temperaturas do dissipador obtida em (5.45) e ambiente.

Rda =

Td− Ta

P (5.48)

Figura 5.9 – (a) Fator de correção do comprimento dissipador, (b) Fator de correção da temperatura dissipador 0 100 200 300 400 500 600 Comprimento [mm] 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 F ator de correção (a) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 10% 5% 15% 20% 25% 30% 0%

Aumento da resistência térmica

Diferença de temp eratura ( Δ t) (b) Fonte: Autor.

6.1 INTRODUÇÃO

Este capítulo detalha a metodologia de projeto empregada. São abordados o pro- cesso da escolha dos componentes e ponto ótimo de operação. Para tal é de suma impor- tância a determinação do perfil da missão do conversor. A fabricação de equipamentos compactos, a redução custos e elevada eficiência, são buscas constantes e naturalmente tendenciosas da indústria. Quando um equipamento detêm estas características, se torna atrativo aos consumidores e, com isso, abarca vantagens que o torna competitivo no mercado. Para áreas, que estão em constante expansão como telecomunicações, processa- mento de sinais e eletrônica, tais equipamentos tornam-se altamente atrativos (SARTORI et al., 2013)

Com a constante evolução de novas tecnologias de materiais semicondutores como Carbeto de Silício (SiC), Nitreto de Gálio (GaN) e o CoolMOS, surge a possibilidade de desenvolvimento de conversores com elevada densidade volumétrica de potência e efici- ência. Estas tecnologias, em função de sua construção e qualidade dos materiais utiliza- dos, apresentam menores perdas. As baixas capacitâncias parasitas, possibilitam maiores frequências de comutação, sem aumento significativo das perdas. Desta forma, possibi- lita aumentar a densidade volumétrica de potência devido a redução de elementos como indutores capacitores e dissipadores.(SARTORI et al., 2013)(WU; NARIMANI, 2017).

O dimensionamento de elementos ativos em conjunto com passivos não é uma tarefa trivial. A forma com que os componentes estão dispostos influencia na temperatura de operação dos elementos armazenadores de energia (indutor e capacitor), que podem ser danificados ou ter sua eficácia prejudicada frente a tal condicionante de operação. O aumento da frequência tende a diminuir o volume destes componentes, entretanto, provoca elevação nas perdas associadas aos semicondutores, o que reduz a eficiência global e torna necessário a utilização de dispositivos com maior capacidade de transferência de calor e por conseguinte, na maioria dos casos aumento no volume dos dissipadores.

Com o intuito de dirimir estas dificuldades, este trabalho abarca um método de otimização de projeto que rastreia as regiões de operação em busca da melhor eficiência e volume. Boost convencional e com N-Células. Executa-se uma varredura de parâmetros do projeto e a partir disso seleciona-se um ponto ótimo de operação (f s@∆Iin@j). Bancos de dados de componentes são utilizados de apoio aos cálculos. Esta metodologia é desen- volvida e implementada na plataforma Matlab , o qual auxiliará o projetista a encontrarR

pontos de operação onde cada conversor opera com melhor desempenho (frequência de chaveamento fs, ondulação de corrente no indutor∆IL, densidade corrente no condutorJ ,

e ainda, seleção dos componentes que proporcionam projetos ótimos como: material mag- nético, tipo de condutor, tipos de semicondutores e capacitores. Além disso, será possível determinar o número de células e modo de operação que melhor se adapta ao perfil da missão do conversor.

6.2 DESCRIÇÃO DA METODOLOGIA DE PROJETO

Para se ter um projeto otimizado deve-se primeiramente conhecer o perfil da missão do conversor (PEYGHAMI et al., 2018). Para isso, deve-se ter uma estimativa do perfil da carga, do comportamento da fonte de fornecimento de alimentação frente a carga demandada.

A Figura 6.1 apresenta a estrutura principal do fluxograma que representa a meto- dologia de projeto proposta. Este algorítimo, baseia-se na seleção de uma solução, através da varredura dos parâmetros de projeto (fs@∆IL@J ), do conversor Boost de N-Células paralelas intercaladas. A partir destes parâmetros, o algoritmo seleciona o melhor ponto de operação e também as tecnologias cuja associação global, tenha o melhor desempenho. Fazem parte destas tecnologias: de materiais magnéticos; diodos; chaves e capacitores. Esta trabalho, além das contribuições, dá continuidade a pesquisas como (SARTORI et al., 2013; BELTRAME, 2017; PIVETTA, 2017).

Através do escaneamento de parâmetros, associação de componentes e células em paralelo, pode-se encontrar projetos que resultem em elevadas eficiências, e altas densida- des volumétricas de potência, ou seja, volumes e perdas reduzidas, para ambos os modos de operação (CCM ) e (DCM ). O algoritmo, para aplicação do método, abarca toda modelagem matemática das etapas de operação do conversor (tanto em CCM , quanto

DCM ). O dimensionamento dos elementos e perdas são elaboradas conforme descritas

nos capítulos anteriores.

Como mostrado na Figura 6.1, sequencialmente, são definidos os parâmetros de operação do conversor para posterior escaneamento. Define-se a potência que será exigida da fonte de alimentação pelo conversor e seu comportamento em detrimento da potência drenada. São calculadas, então, as correntes e tensões que incidem sobre os elementos que compõem o conversor. Uma pré escolha de componentes é realizada, descartando os que não atendam as especificações de tensão, corrente, frequência e capacidade de transferência de calor.

Figura 6.1 – Estrutura principal do algorítimo proposto.

Parâmetros da Fonte de Alimentação

Obtenção do comportamento dinâmico nos componentes:

Tensões Correntes

Pré-seleção dos Componentes

Projeto Capacitor de entrada Resistência prasita: Cálculo de: Perdas: Projeto Indutor Resistência prasita: Cálculo de: Perdas: Projeto Capacitor de saída Resistência prasita: Cálculo de: Perdas: Projeto interruptor Resistência prasita: Cálculo de: Perdas: Projeto Diodo Resistência prasita: Cálculo de: Perdas Especificações das Variáveis de Entrada

Cálculo: Perdas globais: Impedância da Carga: (w) Loss P ( ) Load R W (w) ( ) in C R W (w) ( ) out C R W (w) ( ) L R W (w) ( ) SW R W (w) ( ) D R W

Erro =|PLoss[passo] PLoss[passo 1] |-

Erro = -

(Admissível)

Erro

Erro < _{Resistências Parasitas}

Não

Sim

Cálculo: rendimento; volume; densidade volumétrica de potência

Solução

Fonte: Autor.

O projeto de cada elemento é efetuado individualmente, porém no cálculo das cor- rentes e tensões, são inseridos a influência dos elementos com suas respectivas resistências parasitas. Além disso, a análise de perdas não negligência a influência da variação da

temperatura, trazendo maior eficácia na seleção dos componentes, dimensionamento e determinação do volume.

Em um primeiro passo as impedâncias parasitas recebem valores muito próximos de zero. Entretanto, neste mesmo passo já tem seus valores calculados e comparados com os valores atribuídos anteriormente. Caso a diferença entre estes valores não esteja compatível com a condição de erro pré especificada o valor é atribuído as resistências, o cálculo refeito e comparado até que a diferença entre o cálculo das perdas esteja dentro do valor de erro pré especificado. Sendo que o erro está relacionado a diferença entre o valor de eficiência do conversor de uma iteração anterior com a atual.

Estando o valor das resistência dentro do pretendido, é feita a soma das perdas de potência em cada componente. São calculados, em sequência: o rendimento; densidade volumétrica de potência; e o volume total do conversor para um pondo de operação. Este processo é elaborado para cada combinação de pontos dos vetores (fs@∆IL@J ). E Por fim, seleciona-se a melhor solução para a aplicação.

O método proposto, gera matrizes multidimensionais, como pode ser visto na Fi- gura 6.2, o qual mostra o rendimento total para cada ponto de operação do conversor. Para cada combinação dos pontos (fs@∆IL@J ) é elaborado um projeto com as tecnologias que de forma global apresentem o melhor resultado. Cada ponto de operação formado por esta trinca, contém todas as informações do projetos de cada elemento do conversor. A partir destas matrizes, seleciona-se o melhor ponto de operação que contenha a solução desejada pelo projetista (rendimento, densidade volumétrica de potência).

Figura 6.2 – Matriz multidimensional de rendimento resultante da metodologia de proje- tos.

Capacitores:

Número de condutores Número de espiras.

Semicondutores (interruptores, diodos)

Núcleo (Part Number)

Condutor (AWG)

6.2.1 Especificações das variáveis de entrada do conversor

Nesta primeira etapa define-se os parâmetros de varredura e as especificações do conversor com:

• Potência de entrada (Pin).

• Tensão de saída (Vout).

• Faixa de variação de frequência (fs(min) — fs(max))

• Faixa de variação de ondulação de corrente no indutor (∆IL(min) — ∆IL(max)).

• Faixa de variação da densidade de corrente no condutor (Jmin—Jmax).

• Número máximo de núcleos empilhados (Stack(max)).

• Número de Células Boost (N − Cell). • Temperatura ambiente (Tamb).

• Temperatura máxima de junção (Tj).

• Temperatura máxima de operação do indutor (Tind(max)).

• Tipo de material magnético utilizado.

• Número de capacitores em paralelo, filtro de entrada (Ncap(in)).

• Número de capacitores em paralelo, filtro de saída (Ncap(out)).

• Percentual de utilização da janela (Kw).

• Parâmetros da célula a combustível (Cativ, VN ernst, Rativ, Rohm).

• Ondulação máxima permitida na CaC (∆ICaC).

• Número de pontos para reconstrução das formas de onda das tensões e correntes. • Números de harmônicos.

6.2.2 Parâmetros da fonte de alimentação

Sempre que demandado um nível de potência (Pin) , a célula a combustível fornece diferentes níveis de:

• Tensão de entrada (Vin) • Corrente de entrada (Iin)

Os valores de tensão, corrente de entrada e potência são definidos em função das curvas estáticas da célula a combustível. A Figura 6.3 apresenta as curvas estáticas referentes ao modelo H-3000 da fabricante Horizon Fuel Cell Technologies . Os valores referentes asR

impedâncias intrínsecas, são definidos conforme capítulo que trata da célula a combustível.

Figura 6.3 – Curva de potência e tensão da célula combustível modelo H-3000-V1.2-EN.

Corrente [A] P otência [kW] 10 20 30 40 50 60 70 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 0 80 90

(a) Potência na CaC.

0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 Corrente [A] T ensão [V] (b) Tensão da CaC. Fonte: Autor.

6.2.3 Obtenção do comportamento dinâmico das tensões e correntes nos com-