Análise e metodologia de projeto de conversores cc-cc isolados com comutação sob tensão nula: ponte-completa e duplo meia-ponte

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA. Julio Cristobal Maragaño Schmidt . ANÁLISE E METODOLOGIA DE PROJETO DE CONVERSORES CCCC ISOLADOS COM COMUTAÇÃO SOB TENSÃO NULA: PONTECOMPLETA E DUPLO MEIA-PONTE . Santa Maria, RS, Brasil 2017 .

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(3) Julio Cristobal Maragaño Schmidt ANÁLISE E METODOLOGIA DE PROJETO DE CONVERSORES CC-CC ISOLADOS COM COMUTAÇÃO SOB TENSÃO NULA: PONTE-COMPLETA E DUPLO MEIA-PONTE Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Área de Concentração em Processamento de Energia: Eletrônica de Potência, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica. Orientador: Prof. Dr. José Renes Pinheiro Santa Maria, RS, Brasil 2017 .

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(5) Julio Cristobal Maragaño Schmidt ANÁLISE E METODOLOGIA DE PROJETO DE CONVERSORES CC-CC ISOLADOS COM COMUTAÇÃO SOB TENSÃO NULA: PONTE-COMPLETA E DUPLO MEIA-PONTE Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Área de Concentração em Processamento de Energia: Eletrônica de Potência, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica. Aprovado em 10 de agosto de 2017: Santa Maria, RS 2017 .

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(7) AGRADECIMENTOS Aos professores do curso de Pós-graduação em Engenharia Elétrica do GEPOC em especial a meu orientador, professor José Renes Pinheiro, pelo apoio, a paciência o conhecimento e a experiência transmitida ao longo da realização deste trabalho, assim como os seus conselhos e a sua amizade.   Aos professores Domingo Ruiz Caballero e Gustavo Medeiros de Sousa Azevedo pelas contribuições e correções desta dissertação assim como a amizade desenvolvida neste tempo.   . A todos meus colegas e amigos do GEPOC, os que cada dia conviveram, colaboraram . e compartilharam em forma desinteressada e desenvolveram uma grande amizade comigo. A Cindy Ortiz, Wilmar Pineda, Antônio Spencer, Tadeu Vargas, Ronaldo Guisso, Jonathan Zientarski, Hamiltom Sartori, Joao Lenz, Caio Osório, Josemar de Oliveira, Gleisson Balen, Julian Giacomini, Guilherme de Souza, Gabriel Saccol, Rodrigo Cordeiro, Bernardo Andrés, Thieli Smidt, Gustavo Kosh, Samuel Queiroz, Ademir Toebe, Fernando Beltrame, Tális Piovesan, Lukas Feksa, Felipe Scalcon, Henrique Figueira, Henrique Jank, Rafael Scapini, Pablo Costa, André Nicolini, William Venturini, Lucas Bellinazo, Eder Bridi e demais colegas que foram parte deste importante processo de formação e de crescimento.   Ao pessoal de CTISM e NUPEDEE, quem disponibilizaram o tempo e equipamentos para o desenvolvimento das placas PCBs, ferramentas fundamentais para o projeto de pesquisa. A meus grandes amigos e amigas que fiz em Santa Maria e em Recife.   A meus grandes amigos latinos com quem compartilharam neste tempo as experiências de viver no Brasil. À minha família em Chile, a quem com amor e esperança sempre estão presente na minha vida.   À Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), especialmente ao Programa de PósGraduação em Engenharia Elétrica (PPGEE), pela grande possibilidade outorgada, assim como a acolhida para poder realizar este curso de Mestrado, em conjunto com a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), pelo apoio financeiro indispensável para ter feito este curso de pós-graduação.   A Deus, pelas belas oportunidades e as benções que nos oferece cada dia. .

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(9) . “Quando temos medo do desconhecido, não devemos nos concentrar no que podemos perder, mas sim no que podemos ganhar” (Mario Alonso Puig) .

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(11) RESUMO ANÁLISE E METODOLOGIA DE PROJETO DE CONVERSORES CC-CC ISOLADOS COM COMUTAÇÃO SOB TENSÃO NULA: PONTE-COMPLETA E DUPLO MEIA-PONTE AUTOR: Julio Cristobal Maragaño Schmidt ORIENTADOR: José Renes Pinheiro Este trabalho apresenta um estudo de uma metodologia de projeto de conversores CCCC isolados em comutação sob tensão nula (ZVS) e deslocamento de fase (PS), aplicados a os conversores ponte-completa (ZVS-PS-FB) e ao conversor duplo meia-ponte (ZVS-PS-DHB). O conversor duplo meia-ponte é introduzido como uma alternativa ao conversor pontecompleta com a vantagem de poder operar em comutação ZVS sobre toda faixa de potencias, assim como para toda faixa de tensões de saída (desde zero até tensão máxima). Um dos objetivos da metodologia de projeto é encontrar os parâmetros de operação em ZVS para toda faixa de cargas no conversor ZVS-PS-DHB e obter uma ampla faixa de operação em ZVS para o conversor ZVS-PS-FB. Adicionado a isto, a metodologia de projeto busca reduzir as perdas totais por estágios do conversor, mediante a escolha dos componentes mais apropriados para cumprir os objetivos de projeto. Propõe-se uma metodologia de otimização de projeto dos transformadores para cada conversor, cujo procedimento faz a escolha dos núcleos e seus parâmetros, baseado no método do produto das áreas modificada, que usa processos iterativos em combinação com restrições por regras básicas baseadas em conhecimentos práticos. Descreve-se a metodologia de projeto dos parâmetros do filtro de saída, e as considerações na escolha das chaves dos conversores. Como resultado final, este trabalho busca melhorar a eficiência dos conversores em estudo e seu desempenho na comutação suave sob tensão nula. Palavras-chave: Alta eficiência, comutação sob zero de tensão (ZVS), conversor duplo meiaponte, conversor ponte-completa. .

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(13) ABSTRACT ANÁLISE E METODOLOGIA DE PROJETO DE CONVERSORES CC-CC ISOLADOS COM COMUTAÇÃO SOB TENSÃO NULA: PONTE-COMPLETA E DUPLO MEIA-PONTE AUTHOR: Julio Cristobal Maragaño Schmidt SUPERVISOR: José Renes Pinheiro This work presents a study of an isolated DC-DC converter with zero-voltage switching (ZVS) and phase-shifted (PS) applied to full-bridge (ZVS-PS-FB) and double half-bridge converters (ZVS-PS-DHB). The double half-bridge converter is introduced as an alternative to the fullbridge converter with the additional advantage of operating ZVS over full power range, as well as for full output voltage ranges (from zero to maximum voltage). One of the objectives of the design methodology is to find out the converter´s parameters operating at ZVS for the entire range of loads in the ZVS-PS-DHB and to obtain a wide range of ZVS operation for the ZVSPS-FB converter. Added to this, the project methodology seeks to reduce the total losses by converter´s stages by choosing the most appropriate components to meet the design objectives. It is proposed a methodology of optimization of the high frequency transformers design for each converter, whose procedure makes the choice of cores and their parameters, based on the modified area product method, which uses iterative processes in combination with rules of thumb. The methodology for designing the parameters of the output filter is described, as well as the considerations in choosing the switches of the inverters. As result, this work seeks to improve the efficiency of the studied converters and their performance in soft switching under zero voltage. . . Keywords: High efficiency, zero voltage switching (ZVS), double half-bridge, full-bridge. .

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(15) LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 – Geração elétrica mundial por fonte de energia (2012 - 2040) (trilhão de kWh). . 29 Figura 1.2 – Consumo de energia elétrica mundial esperado (em TWh/ ano) desde 2010 até 2030. ......................................................................................................................................... 30 Figura 1.3 – Consumo esperado anual desde 2010 até 2030 para as áreas das TIC. ................ 31 Figura 1.4 – (a) Crescimento do tráfego total em data centers. (b) Crescimento do tráfego total de nuvens de dados. .................................................................................................................. 32 Figura 1.5 – Diagrama esquemático de um sistema avançado de distribuição de energia CC para datacenters para 2020. ...................................................................................................... 33 Figura 1.6 – Diagrama de estado da arte e melhoria do desempenho futuro de sistemas de eletrônica de potência e variáveis de interesse no desempenho do conversor.......................... 34 Figura 1.7 – (a) Fronteira de Pareto e espaço de desempenho para eficiência e densidade de potência (b) Fronteiras de Pareto para diferentes topologias de conversores........................... 36 Figura 1.8 – Arquitetura de um sistema de energia distribuída para alimentação de cargas TIC. .................................................................................................................................................. 37 Figura 1.9 – Diagrama esquemático do sistema de fornecimento de energia de um sistema TIC: (a) Telecom; (b) Datacenters. ........................................................................................... 39 Figura 1.10 – Topologias de retificadores do conversor CC-CC isolado. ................................ 41 Figura 1.11 – Circuito conversor ressonante ponte-completa e retificador ponto médio a diodos: (a) tanque série ressonante LC (SCR); (b) tanque paralelo ressonante (PRC); (c) tanque serie paralelo ressonante (LCC); (d) tanque ressonante LLC ....................................... 44 Figura 1.12 – (a) Circuito conversor ponte-completa PWM e retificador ponto médio a diodos: (b) comutação PWM (hard); (c) comutação PWM (PSM); (d) comutação PWM (PS). .................................................................................................................................................. 45 Figura 1.13 – (a) Circuito conversor meia ponte PWM e retificador ponto médio a diodos (b) comutação PWM (simétrico); (c) comutação PWM (assimétrico). ......................................... 47 Figura 1.14 – Formas de onda da tensão na chave S3 em operação ZVS: (a) Comutação dissipativa ou quase-ZVS; (b) comutação dissipativa por déficit de energia; (c) comutação ZVS com energia maior que a requerida. ................................................................................. 48 Figura 1.15 – Conversor Dual Half-bridge proposto por Ye (2013). ....................................... 50 Figura 1.16 – Estrutura da defesa. ............................................................................................ 51 Figura 2.1 – Conversor ZVS-PS-FB. ....................................................................................... 54 Figura 2.2 – Topologias revisadas no trabalho de Chen et al (1995): (a) ZVS-FB-PWM com indutor saturável no primário; (b) ZV-FB-PWM com dois reatores saturáveis no secundário e indutância magnetizante reduzida; (c) ZVS-FB-PWM com dois reatores saturáveis no secundário empregando a energia do indutor do filtro de saída. .............................................. 55 Figura 2.3 – Circuitos auxiliares de comutação ZVS revisados por Zhang et al (2004) para o conversor convencional ZVS-PS-FB em configuração mostrada na Figura 2.3(e). ................ 56 Figura 2.4 – (a) Topologia apresentada por Jang e Jovanovic (2002); (b) Melhora proposta por Zhang et al 2004. ...................................................................................................................... 57 Figura 2.5 – Topologia implementada por Wu et al (2006) baseada no trabalho apresentado por Zhang et al (2004), com uso de grampeadores a diodos e indutores. ................................ 58 Figura 2.6 – Topologia proposta por Yang et al (2010). ........................................................... 58 Figura 2.7 – Formas de onda do conversor proposto por Yang et al (2010). ........................... 59 Figura 2.8 – Melhoria proposta por Jain et al (2002). .............................................................. 60 Figura 2.9 – Conversor proposto por Lin, Huang e Fa (2008). ................................................ 60 Figura 2.10 – Topologia proposta por Lee e Moon (2013)....................................................... 61 Figura 2.11 – Formas de onda das tensões de saída de ambos inversores e na saída do retificador do conversor proposto por Ye (2013). ..................................................................... 63.

(16) Figura 2.12 – Conversor proposto por Narinami e Moschopoulos (2012). ............................. 64 Figura 3.1 – Etapas de comutação do conversor ponte-completa com retificador a diodos .... 69 Figura 3.2 – Tempo de ressonância e o efeito do tempo morto. (a) tmorto>Tress/4; (b) tmorto<Tress/4 .............................................................................................................................. 72 Figura 3.3 – Principais formas de onda e tempos de comutação do conversor ZVS-PS-FB. .. 73 Figura 3.4 – (a) Relação estimada das indutâncias Lr, Lmag e porcentagem de carga mínima para operar em ZVS; (b) Perda de razão cíclica estimada versus Lr e Lmag. ............................ 75 Figura 3.5 – Resultados experimentais do conversor ZVS-PS-FB @ Vout_max= 60V a plena carga (a) Tensões no secundário e Iout; (b) Tensões na chave S3, VDS3 e VGS3 e corrente Lr. ... 76 Figura 3.6 – Resultados experimentais do conversor ZVS-PS-FB @ Vout_nom= 54V a plena carga (a) Tensões no secundário e Iout; (b) Tensões na chave S3, VDS3 e VGS3 e corrente Lr. ... 77 Figura 3.7 – Resultados experimentais do conversor ZVS-PS-FB @ Vout_min= 48V a plena carga (a) Tensões no secundário (b) Tensões na chave S3, VDS3 e VGS3 e corrente Lr. ............. 78 Figura 3.8 – Corrente ILr e tensões na chave S3, (VDS3 e VGS3) do conversor ZVS-PS-FB em condições críticas de comutação em ZVS (Pout= 460 W). ....................................................... 78 Figura 3.9 – Circuito conversor ZVS-PS-DHB ....................................................................... 79 Figura 3.10 – Etapas de comutação do conversor duplo meia-ponte com retificador a diodos. .................................................................................................................................................. 80 Figura 3.11 – Circuito equivalente da quarta etapa de comutação .......................................... 82 Figura 3.12 – Principais forma de onda do conversor ZVS-PS-DHB com retificador center-tap a diodos. ................................................................................................................................... 84 Figura 3.13 Relação entre Lmag1, Lr1 e a corrente crítica para operar em ZVS. ....................... 86 Figura 3.14 – Perda de razão cíclica estimada versus indutância ressonante. ......................... 86 Figura 3.15 – (a) Tensão no secundário e corrente de carga Iout a saída Vout_max; (b) Tensão no secundário e corrente de carga Iout a saída Vout_nom. ................................................................. 87 Figura 3.16 – Resultados experimentais em tensão de saída Vout_max = 60V @ Pout_nom: Corrente ILr1, tensão VDS e VGS na chave S3. ............................................................................ 88 Figura 3.17 – Resultados experimentais em tensão de saída Vout_nom = 54V @ Pout_nom: Correntes ILr1, ILr2  e tensões VDS e VGS na chave S3. ............................................................... 88 Figura 3.18 – Resultados experimentais em tensão de saída Vout_max = 60V: Corrente ILr1 e tensões VDS e VGS na chave S3: (a) 20% de carga; (b)10% de carga; (c) 2% de carga. ........... 89 Figura 3.19 – Resultados experimentais em vazio: Corrente ILr1 e tensões VDS e VGS na chave S3: (a) D = 0.5; (b) D = 0 e (c) Tensões nas chaves S3, S1 e ILr1 com D = 0. ........................... 90 Figura 4.1 – Parâmetros físicos do transformador:(a) núcleos de ferrite e área transversal; (b) carretel e área da janela do núcleo. .......................................................................................... 94 Figura 4.3 – Mapa de relacionamento dos parâmetros que influenciam no desenvolvimento de transformadores. ....................................................................................................................... 97 Figura 4.2 – Efeito de franjas de fluxo nas proximidades do gap. ........................................... 97 Figura 4.4 – (a) Representação da aproximação de Wojda e Kazimierczuk usada no cálculo de resistividade RCA; (b) Efeito skin em condutores .................................................................. 100 Figura 4.5 – Diagrama de fluxo da metodologia proposta. .................................................... 106 Figura 4.6 – Exemplo de projeto de transformadores para potência de 1,5kW para frequências de 100kHz, 500 kHz e 1MHz: perdas admissíveis em função de J (laranja) e em função de B (azul). ..................................................................................................................................... 108 Figura 4.7 – Projeto de transformadores para potência de 500W: (a) critério de otimização para transformadores com mínimas perdas totais; (b) critério de otimização para transformadores com mínimos volumes com mínimas perdas. ............................................. 109 Figura 4.8 – Projeto de transformadores para potência de 1,5kW: (a) critério de otimização para transformadores com mínimas perdas totais; (b) critério de otimização para transformadores com mínimos volumes com mínimas perdas. .............................................. 110.

(17) Figura 4.9 – Projeto de transformadores para potência de 3,0kW: (a) critério de otimização para transformadores com mínimas perdas totais; (b) critério de otimização para transformadores com mínimos volumes com mínimas perdas. .............................................. 112 Figura 4.10 – Projeto de transformadores para o conversor ZVS-PS-DHB a potência de 500W: (a) critério de otimização para transformadores com mínimas perdas totais; (b) critério de otimização para transformadores com mínimos volumes e mínimas perdas. .................... 113 Figura 4.11 – Projeto de transformadores para o conversor ZVS-PS-DHB a potência de 1,5kW: (a) critério de otimização para transformadores com mínimas perdas totais; (b) critério de otimização para transformadores com mínimos volumes com mínimas perdas. .............. 114 Figura 4.12 – Projeto de transformadores para o conversor ZVS-PS-DHB a potência de 3,0kW: (a) critério de otimização para transformadores com mínimas perdas totais; (b) critério de otimização para transformadores com mínimos volumes com mínimas perdas. .............. 116 Figura 4.13 – Projeto de transformadores selecionados para os conversores em estudo: (a) Conversor ZVS-PS-FB; (b) Conversor ZVS-PS-DHB. ......................................................... 117 Figura 4.14 – Imagens termográficas dos transformadores desenvolvidos pela metodologia de projeto proposta operando a plena carga em frequência de chaveamento de 100 kHz: (a) Conversor ZVS-PS-FB; (b) Conversor ZVS-PS-DHB. ......................................................... 119 Figura 5.1 –Tecnologias de dispositivos semicondutores de potência. .................................. 125 Figura 5.2 – Ciclo de histerese de um material magnético suave........................................... 126 Figura 5.3 – Efeito skin produto da circulação de corrente por uma folha de cobre .............. 130 Figura 5.4 – Disposição de enrolamentos em uma área da janela: (a) construção com fio Litz; (b) Construção com folha e cobre........................................................................................... 131 Figura 5.5 – Diagramas de seleção de capacitores: (a) Faixa de valores de capacitâncias e tolerâncias de diferentes tipos de capacitores; (b) Faixa de frequências de uso de capacitores. ................................................................................................................................................ 132 Figura 5.6 – Modelo serie equivalente do capacitor e o comportamento da sua impedância em função da frequência. .............................................................................................................. 133 Figura 5.7 – (a) Modelo simples de capacitâncias intrínsecas dos MOSFETs; (b) capacitâncias internas em função da tensão VDS........................................................................................... 135 Figura 5.8 – (a) Caraterísticas de tensão de comando em função da carga do gate, no tempo; (b) Formas de onda de tensão drain-source, tensão de gate-source e corrente de dreno no tempo de entrada em condução da chave. .............................................................................. 135 Figura 5.9 – Modelo de bobinagem de Transformador. ......................................................... 141 Figura 5.10 – Efeito de parasitas presentes no circuito retificador: (a) retificador a diodos; (b) retificador com chaves de potência. ....................................................................................... 142 Figura 5.11 – Caraterísticas de bloqueio de um diodo no processo de recuperação inversa. . 143 Figura 5.12 – Grampeamento de circuito retificador com grampeador RDC: (a) dissipativo; (b) recuperação parcial de energia de recuperação inversa. ................................................... 144 Figura 5.13 – Grampeador proposto por Redl et al (1990) .................................................... 145 Figura 5.14 – Grampeador magnético patenteado por Guerrera (2001)................................. 146 Figura 5.15 – Conexão do grampeador magnético (a) em conversor ZVS-PS-FB dissipativo; (b) em conversor ZVS-PS-DHB. ............................................................................................ 147 Figura 5.16 – Exemplo de subdivisão de tecnologias de diodos retificadores. ...................... 148 Figura 5.17 – Esquema de concorrência entre semicondutores de potência de Si e SiC. ...... 151 Figura 5.18 – Comando de acionamento de chaves SR em modo AND ................................ 153 Figura 5.19 – Modos de comando de acionamento de chaves SR: (a) Modo de comando AND; (b) Modo de comando NAND modificado. ............................................................................ 153 Figura 5.20 – Comando de acionamento de chaves SR em modo NAND modificado .......... 154 Figura 5.21 – Diagrama de fluxo do procedimento de cálculo do indutor do filtro de saída. 156 Figura 5.22 –Cálculo do indutor do filtro de saída e ondulação estimada por simulação. ..... 157.

(18) Figura 5.23 – Resumo do procedimento de projeto do conversor ......................................... 158 Figura 5.24 – Tensões sobre o semicondutor retificador e tensão no capacitor Cs. ............... 159 Figura 5.25 – Distribuição estimada de perdas em potência e tensão de saída nominal do conversor ZVS-PS-FB para diferentes semicondutores no estágio do retificador. ................ 162 Figura 5.26 – Distribuição estimada de perdas em potência e tensão de saída nominal do conversor ZVS-PS-DHB para diferentes semicondutores no estágio do retificador. ............ 162 Figura 5.27 – Eficiências obtidas nos testes do conversor ZVS-PS-DHB @ Vin= 400 V e Vout_max= 60V, e eficiências estimadas usando chaves de Si e SiC no retificador síncrono. .. 163 Figura 5.28 – Eficiências obtidas nos testes do conversor ZVS-PS-DHB empregando chaves de Si no retificador síncrono, @ Vin=400 V e Vout em 48V; 54V e 60V. ................................ 163 Figura 5.29 – Eficiências obtidas nos testes do conversor ZVS-PS-FB @ Vin=400V e e Vout em 48V; 54V e 60V (usando retificador SR com chaves de Si e SiC). ....................................... 164 Figura 5.30 – Eficiências obtidas nos testes do conversor ZVS-PS-DHB @ Vin=320V e Vout de 48V (eficiências com retificador a diodos ultrarrápidos e SR com chaves de silício). .......... 165 Figura 5.31 – Eficiências obtidas nos testes do conversor ZVS-PS-DHB ante variação de Vin: @ Vin = 320V e Vout_min= 48V; @ Vin = 340V e Vout_nom= 54V;  @ Vin = 370V e Vout_max= 60V empregando retificador SR com chaves e potência de Si. ..................................................... 166 Figura 5.32 – Eficiências obtidas nos testes do conversor ZVS-PS-FB e ZVS-PS-DHB empregando retificador com diodos ultrarrápidos e tensão de entrada Vin= 400V. ................ 166 Figura 5.33 – Eficiências obtidas nos testes do conversor ZVS-PS-FB e ZVS-PS-DHB empregando retificador SR com chaves de Si e tensão de entrada Vin= 400V. ...................... 167 Figura A.1 – Protótipo do conversor ZVS-PS-FB...................................................................183 Figura A.2 – Protótipo do conversor ZVS-PS-DHB...............................................................184 .

(19) LISTA DE TABELAS Tabela 3.1 – Valores dos parâmetros iniciais de projeto do conversor ZVS-FB-PS ................ 74 Tabela 3.2 – Valores dos parâmetros e variáveis calculadas para o projeto do conversor ....... 74 Tabela 4.1 – Coeficientes de perdas nos núcleos magnéticos de ferrite tipo P Colonel e Mclyman (2004). .................................................................................................................... 101 Tabela 4.2 – Parâmetros de projeto de conversores CC-CC ZVS-PS-FB e ZVS-PS-DHB para realização de exemplos de projeto de transformadores. ......................................................... 105 Tabela 4.3 – Parâmetros geométricos dos núcleos de ferrite selecionados para o estudo de material IP 12 da Thornton. .................................................................................................... 107 Tabela 4.4 – Restrições que devem cumprir os projetos dos transformadores por especificações de projeto. ....................................................................................................... 107 Tabela 4.5 – Resultados obtidos dos transformadores para os conversores em estudo por metodologia de projeto e experimental. ................................................................................. 118 Tabela 5.1 – Frequências de operação de fios Litz (recomendado por fabricantes). .............. 130 Tabela 5.2 – Comparação de chaves tecnologia de superjunção Si. ....................................... 137 Tabela 5.3 – Valores dos parâmetros do núcleo toroidal 55091A2 da Magnetics. ................. 139 Tabela 5.4 – Comparação de diodos retificadores comercializados de alto desempenho para possível uso no estágio retificador. ......................................................................................... 149 Tabela 5.5 – Comparação de caraterísticas de chaves. ........................................................... 152 Tabela 5.6 – Valores dos parâmetros dos conversores ZVS-PS-FB e ZVS-PS-DHB ............ 160 Tabela 5.7 – Distribuição de perdas nos conversores projetados operando em plena carga. . 164 Tabela 5.8 – Tabela de resume das eficiências medidas e calculadas dos conversores ZVS-PSDHB e ZVS-PS-FB. ............................................................................................................... 168 . .

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(21) LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS Abreviatura/Sigla. Significado. CA . Corrente Alternada . CC . Corrente Contínua  . FB . Full-Bridge (Conversor em ponte completa). HB . Half-Bridge (Conversor meia ponte). DHB . Double half-bridge / Dual half-bridge (Conversor duplo meia-ponte) . PWM . Pulsed Width Modulation (Modulação por Largura de Pulso) . PS . Phase-shift (Deslocamento de fase) . ZVS . Zero voltage switching (comutação sob tensão nula) . TIC . Tecnologias da Informação e Comunicação . EMI . Electromagnetic interference (interferência eletromagnética) . EMC . Electromagnetic Compatibility (compatibilidade eletromagnética) . PFC . Power Fator Correction (Correção de fator de potência) . PDU . Power Distribution Unit (Unidade de distribuição de energia)  . HF VRLA . High Frequency (alta frequência) Valve-Regulated Lead-Acid Battery (Bateria selada) . SRC . Serie Resonant circuit (circuito ressonante serie) . PRC . Parallel Resonant circuit (circuito ressonante paralelo) . PSM . Phase-shift modified (deslocamento de fase modificada) . ASHB WBG . Asymmetrical Half-Bridge (conversor meia-ponte assimétrico) Wide Bandgap Semiconductor (semicondutor de largura de banda proibida). IGBT . Isulated Gate Bipolar Transistor (Transistor Bipolar de Porta Isolada) . DSP . Digital Signal Processing  (Processador digital de sinal) . MOSFET . Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, (Transistor de feito de campo metal - óxido – semicondutor) . . . . . . . . . . . .

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(23) LISTA DE SÍMBOLOS Símbolo. Significado. Unidade. fs. Frequência de comutação . Hz . Vin. Tensão e entrada . V . Vout. Tensão de saída . V . VCC. Tensão continua de barramento  . V . Vout_nom. Tensão de saída nominal . V . Vout_max. Tensão de saída máxima . V . Vsec. Tensão no secundário do transformador . V . VDS. Tensão de drain-source . V . VGS. Tensão de gate-source . V . ωress. Frequência angular de ressonância . Rad/s . Coss. Capacitância de saída da chaves semicondutora . F . ECoss. Energia associada ao capacitor de saída da chave . J . Lr. Indutância ressonante . H . ELr. Energia associada ao indutor ressonante Lr . J . Lmag. Indutância magnetizante . H . ILmag. Corrente magnetizante . A . Iout. Corrente de saída . A . ILf. Corrente no indutor do filtro de saída  . A . RDSON. Resistencia drain-source em estado de condução da chave  . Ω . ΔD. Perda de razão cíclica . % . Def. Razão cíclica . - . η. Eficiência  . % . ρ. Densidade de potência . kW/dm3 . Ae. Área efetiva do núcleo . cm2 . Wa. Área da janela . cm2 . Le. Cumprimento efetivo do fluxo magnético  . cm . J. Densidade de corrente . A/cm2 . B. Densidade do Fluxo Magnético . T . Ku. Fator de ocupação do cobre dentro da janela . - . Trise. Elevação de temperatura do transformador . °C . P. Potência / perdas . W .

(24) ρcobre. Resistividade do cobre . [Ω⸱m] . Rϴ. Resistencia térmica do material do núcleo de ferrite . °C/W . ESRCf. Resistencia em serie equivalente do capacitor do filtro Cf . Ω . Vnúcleo. Volume do núcleo de ferrite . cm3 . µef. Permeabilidade efetiva . - . µi. Permeabilidade inicial . - . µo. Constante magnética do vácuo (1.257)  . nH/m . lgap. Comprimento do entreferro (gap) . cm . . .

(25) SUMÁRIO. 1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 29 1.1. DEMANDA E REQUERIMENTOS NO SETOR DE TELECOMUNICAÇÕES ... 32. 1.2 DESENVOLVIMENTO DE CONVERSORES CC-CC DE MEDIA POTÊNCIA E ALTO DESEMPENHO. ....................................................................................................... 33 1.3. 2. FORNECIMENTO DE ENERGIA EM SISTEMAS DE TELECOM E TIC ........... 37. 1.3.1. Cadeia de fornecimento de energia de sistemas Telecom. ............................ 37. 1.3.2. Conversores CC-CC para fontes de Telecom e datacenters ......................... 38. 1.4. MOTIVAÇÃO E PROPOSTA DO TRABALHO DE PESQUISA .......................... 49. 1.5. ORGANIZAÇÃO DA DEFESA ............................................................................... 50. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ....................................................................................... 53 2.1 PROPOSTAS RELEVANTES NA MELHORIA DO DESEMPENHO DO CONVERSOR ZVS-PS-FB CONVENCIONAL ................................................................. 53 2.2. CONCLUSÃO ........................................................................................................... 65. 3 ESTUDO, ANALISE E COMPARAÇÃO DOS CONVERSORES ZVS-PS-FB E ZVS-PS-DHB COM RETIFICADOR A DIODOS.............................................................. 67 3.1. CONSIDERAÇÕES DA ANÁLISE DOS CONVERSORES ................................... 67. 3.2. CONVERSOR CC-CC ZVS-PS-FB .......................................................................... 67. 3.2.1. Análise das etapas de comutação do conversor ZVS-PS-FB ........................ 67. 3.2.2. Projeto do conversor ZVS-PS-FB ................................................................... 73. 3.2.3. Resultados experimentais do conversor ZVS-PS-FB .................................... 76. 3.3 CONVERSOR CC-CC DUPLO MEIA-PONTE EM COMUTAÇÃO SOB ZERO DE TENSÃO E DESLOCAMENTO DE FASE (ZVS-PS-DHB) ....................................... 78 3.3.1. Análise das etapas de comutação do conversor ZVS-PS-DHB .................... 79. 3.3.2. Projeto do conversor ZVS-PS-DHB ................................................................ 85. 3.3.3. Resultados experimentais do conversor ZVS-PS-DHB................................. 86. 3.4. CONCLUSÃO ........................................................................................................... 89. 4 METODOLOGIA DE PROJETO DE TRANSFORMADORES DE ALTA EFICIENCIA PARA CONVERSORES CC-CC ISOLADOS ........................................... 93 4.1 . PARÂMETROS DO TRANSFORMADOR E SEU INTER-RELACIONAMENTO ....................................................................................................................................94. 4.2 ANÁLISE DAS PERDAS E O EFEITO DAS ALTAS FREQUÊNCIAS EM TRANSFORMADORES. ..................................................................................................... 98.

(26) 4.2.1. Análise das perdas no núcleo. ......................................................................... 98. 4.2.2. Análise das perdas no cobre. ........................................................................... 99. 4.2.3. Considerações e alcance do procedimento de projeto. ............................... 101. 4.3. METODOLOGÍA DE PROJETO. .......................................................................... 101. 4.3.1. Parâmetros iniciais de entrada ..................................................................... 101. 4.3.2. Parâmetros variáveis ..................................................................................... 102. 4.3.3. Cálculo do diâmetro do fio Litz .................................................................... 102. 4.3.4. Cálculo do número de enrolamentos ............................................................ 102. 4.3.5. Cálculo do valor inicial de J .......................................................................... 102. 4.3.6 Cálculo da área total de cobre no enrolamento e o número de fios em paralelo ...........................................................................................................................103 4.3.7. Cálculo de Ku e factibilidade técnica de manufatura .................................. 103. 4.3.8. Cálculo de perdas ........................................................................................... 104. 4.3.9. Cálculo da elevação de temperatura (Trise) .................................................. 104. 4.3.10. Cálculo de Lmag ............................................................................................... 104. 4.3.11. Seleção de projetos admissíveis ..................................................................... 104. 4.3.12. Seleção de projetos ótimos de perdas mínimas ........................................... 105. 4.4. EXEMPLOS DA APLICAÇÃO DA METODOLOGIA PROPOSTA .................. 105. 4.4.1. Projetos factíveis para o transformador do conversor ZVS-PS-FB .......... 106. 4.4.2 Exemplos de otimização de projetos de transformadores, conversor ZVSPS-FB ...........................................................................................................................108 4.4.3 DHB. Exemplos de projetos otimizados de transformadores: conversor ZVS-PS...........................................................................................................................112. 4.4.4. Seleção de projetos para os conversores ZVS-PS-FB e ZVS-PS-DHB ..... 116. 4.4.5. Resultado experimental ................................................................................. 118. 4.5. CONCLUSÃO......................................................................................................... 119. 5 METODOLOGIA DE PROJETO PARA CONVERSORES CC-CC ZVS DE ALTA EFICIENCIA. ...................................................................................................... .................123 5.1. TECNOLOGIA DE COMPONENTES .................................................................. 123. 5.1.1. Tecnologia de semicondutores de potência .................................................. 123. 5.1.2. Elementos magnéticos. ................................................................................... 125. 5.1.3. Materiais condutores para fabricação de transformadores. ...................... 129. 5.1.4. Capacitores ..................................................................................................... 131. 5.2. ESTAGIO DO INVERSOR. ................................................................................... 133.

(27) 5.2.1. Chaves semicondutoras de potência ............................................................. 134. 5.2.2. Indutância de dispersão Lr. ............................................................................ 138. 5.3. TRANSFORMADOR DE ALTA FREQUÊNCIA (HF). ........................................ 140. 5.4. RETIFICAÇÃO ....................................................................................................... 141. 5.4.1. Efeitos das parasitas no retificador............................................................... 142. 5.4.2. Análise das perdas do retificador .................................................................. 147. 5.5. FILTRAGEM ........................................................................................................... 156. 5.6 RESULTADOS EXPERIMENTAIS OBTIDOS MEDIANTE USO DE METODOLOGIA DE PROJETO PROPOSTA. ................................................................ 158 5.6.1 5.7. Resultados experimentais. ............................................................................. 161. CONCLUSÃO ......................................................................................................... 168. 6. CONCLUSÕES GERAIS. ............................................................................................ 171. 7. PROPOSTAS PARA TRABALHOS FUTUROS ...................................................... 173. 8. PUBLICAÇÕES BASEADAS DO PRESENTE TRABALHO................................. 175. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................... 177 APÉNDICE A – PROTÓTIPOS IMPLEMENTADOS .................................................... 183 .

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(29) 29 1 INTRODUÇÃO Há décadas a eletricidade é a forma de consumo de energia para uso final que mais cresce no mundo, sendo o setor de energia elétrica uma das áreas de crescimento mais dinâmicas entre todos os mercados da energia. Os sistemas de energia evoluíram desde redes isoladas e não competitivas para mercados integrados nacionais e até internacionais, sobressaindo pela grande contribuição na redução da porcentagem de uso de combustíveis fósseis, impulsionado pelas fontes de energia renováveis. Assim, estima-se que a geração neta de eletricidade mundial aumentará em 69%, de 21,6 trilhões de kW/hora (kWh) em 2012 para 25,8 trilhões de kWh em 2020 esperando que atinja os 36,5 trilhões de kWh em 2040 conforme é mostrado na Figura 1.1. O crescimento médio esperado anual é de 1,9% desde 2012 até 2040 (ENERGY INFORMATION ADMINISTRATION, (EIA), 2016). Ainda segundo as previsões da EIA, o carvão, que atualmente fornece a maior parcela de energia para geração de eletricidade mundial, declina de 40% da geração total em 2012 para um 29% em 2040. A participação dos combustíveis líquidos na geração total também cai, já que outros combustíveis são substituídos por líquidos mais caros no setor de geração de energia. A parte líquida da geração total cai de 5% em 2012 para menos de um 2% em 2040. O gás natural e as fontes de energia renováveis representam partes crescentes da geração total, com a participação do gás natural aumentando de 22% em 2012 para 28% em 2040. E a parcela de geração por energias renováveis cresce de 22% em 2012 para 29% em 2040. No crescimento Figura 1.1 – Geração elétrica mundial por fonte de energia (2012 - 2040) (trilhão de kWh). . Fonte: (ENERGY INFORMATION ADMINISTRATION (EIA), 2016). . .

(30) 30 anual, a geração por renováveis (incluindo hidrelétrica) é a fonte de energia de mais rápido crescimento (2,9% anual) comparado com crescimento médio anual por gás natural (2,7% anual), energia nuclear (2,4%) e carvão (0,8%). Até 2040, as energias renováveis, o gás natural e o carvão têm uma participação semelhante na geração de eletricidade global (ENERGY INFORMATION ADMINISTRATION (EIA), 2016). A Agência Internacional de Energia (2013) estimou que a demanda de eletricidade no mundo aumentaria de cerca de 20.000 TWh para aproximadamente 28.000 TWh entre 2010 e 2030 (AIE, 2013). Contudo, esse cenário não inclui o efeito do aumento sem precedentes do consumo de eletricidade pelas tecnologias de informação e comunicação (TIC). Segundo (ANDERS; ANDRAE; EDLER, 2015) as TIC poderiam atualmente ter aproximadamente uma participação de 14% do consumo global de eletricidade. O crescimento esperado da demanda elétrica mundial desde 2010 até 2030 é de 3% anual, partindo de 20.000 TWh (ANDERS; ANDRAE; EDLER, 2015; AIE, 2013). A tendência na demanda elétrica mundial estimada por Anders, Andrae e Edler (2015) e a contribuição das energias renováveis, se apresentam na Figura 1.2 na qual mostrar-se as aproximações em três cenários: pior caso, melhor caso e o esperado. Anders, Andrae e Edler (2015), fazem um estudo do consumo energético mundial focado nas tecnologias da informação e comunicação (TIC). O estudo apresenta o consumo energético global em quatro áreas das TIC:   Figura 1.2 – Consumo de energia elétrica mundial esperado (em TWh/ ano) desde 2010 até 2030. . Fonte: Anders, Andrae e Edler (2015). .

(31) 31 . Dispositivos de consumo final, computadores pessoais, telefones movíeis, televisão e sistemas de entretenimento, . . Infraestrutura de rede, . . Datacenter e armazenamento de dados na nuvem, . . Produção de equipamentos e infraestrutura das TIC e datacenters. . Nesse contexto, Anders, Andrae e Edler (2015) fazem uma projeção do consumo energético em cada uma das áreas mencionadas, classificando-as em cenários. Na Figura 1.3 se apresenta o cenário esperado para essas áreas desde o ano 2010 até 2030. Uma das áreas das TIC que mais têm mudado sua estrutura é a telefonia fixa, desde que foi concebida em 1875 (Bell System nos Estados Unidos). Nesse tempo a principal tecnologia era por meio da linha fixa e transmissão análoga de sinal de voz. Desde 1973 até o ano 2000, a digitalização da estrutura de controle e transmissão de voz tem otimizado e revolucionado à indústria da telefonia. Outro grande salto nos sistemas de telefonia foi o surgimento da telefonia móvel, a qual traz uma redução de consumidores de telefonia fixa, os que têm migrado para redes movíeis, impulsado pela grande concorrência das empresas provedoras e uma ampla gama de serviços de voz e dados. Mobilidade é agora o maior crescimento no setor de telecomunicações (OECD, 2006). O objetivo de aplicação do presente trabalho está focado na cadeia de fornecimento do sistemas TIC, principalmente nas áreas de Telecom e data-centers, assim como nuvem de dados.    Figura 1.3 – Consumo esperado anual desde 2010 até 2030 para as áreas das TIC. . Fonte: Anders, Andrae e Edler (2015). .