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Optimization of LLC resonant converters
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Authors
Abstract(s)
Usualmente, na área da eletrónica de potência, tem que existir um trade off entre densidade de potencia e o rendimento, por forma a desenhar
dispositivos que sejam pequenos o suficiente, para ocupar o mínimo espaço,
mas ao mesmo tempo altamente eficientes, por forma a maximizar a energia
consumida em trabalho resultante, especialmente em veículos elétricos, onde
existem várias etapas de conversão de energia. O presente trabalho visa estudar
os conversores ressonantes e as suas topologias associadas, continuando o
estudo realizado pela Mestre Maria Ruxandra Luca em parceria com a
Universidade de Oviedo, tendo como principal objetivo a otimização de um
conversor ressonante LLC de 4.2 𝑘𝑊 para carregamento de baterias.
Este tipo de conversor é mais vantajoso quando comparado com os
conversores tradicionais, devido à utilização do conceito de ressonância e de
técnicas Soft Switching, como o Zero Current Switch (ZCS) e Zero Voltage
Switch (ZVS). Estar em ressonância significa, ter um comportamento resistivo
pelo facto da soma de todas as impedâncias do tanque de ressonante ser nula.
Isto leva a que a corrente esteja em fase com a tensão, permitindo o mínimo de
perdas, para uma situação em que o ganho do conversor é unitário. Porém, para
alterar o valor da tensão da saída do conversor, este ganho tem que ser alterado
(com a modulação de frequência), levando o conversor a trabalhar fora da sua
zona de ressonância, com um desfasamento entre tensão e corrente,
aumentando significativamente as perdas nos semicondutores comutadores.
O uso de técnicas Soft Switching, como o Zero Current Switch (ZCS) e
Zero Voltage Switch (ZVS), permite a minimização de perdas de comutação
quando o conversor trabalha fora de ressonância, utilizando mecanismos como
a equalização da corrente no transformador (entre corrente magnetizante e
corrente série) e Dead-Time para fazer com que as comutações sejam feitas
quando a corrente e a tensão estão a zero. Devido á menor taxa de perdas nas
comutações, o uso de frequências mais elevadas é possível, obtendo assim
conversores com uma maior densidade de potência, mantendo uma operação
com elevada eficiência.
Neste trabalho é apresentado um breve capítulo do estado da arte, em
que diversos modos de conversão DC-DC são apresentados, comparando as
suas vantagens e desvantagens, seguido de uma análise às arquiteturas e
topologias mais utilizadas nos conversores ressonantes. Com o objetivo de
aumentar a eficiência, são descritos os andares do conversor onde existem mais
perdas, com as suas causas, e possíveis soluções como o uso de transístores
de alta mobilidade de eletrões, (do Inglês High Electron Mobility Transitors
HEMT) combinados com materiais wide band-gap, que permitem operar de
forma mais eficiente quando comparados com semicondutores de silício, a
utilização de air-gap distribuído, bobines entrelaçadas e o fio de Litz, para
minimizar as correntes de Eddy produzidas no transformador, e ainda a utilização
de retificação síncrona em substituição aos díodos retificadores.
De seguida, num terceiro capítulo, é apresentada a configuração base do
conversor LLC ressonante para o carregamento de baterias de iões de lítio,
detalhando cada um dos blocos associados, acompanhado de uma análise
teórica por forma a permitir compreender o funcionamento do conversor, quais
os principais fatores mais importantes, e qual o impacto da frequência de
comutação no comportamento do conversor. Neste capítulo é ainda apresentado
o processo de desenho deste conversor discriminando quais os parâmetros
iniciais necessários, com uma análise detalhadas das perdas associadas ao
design base, finalizando com o estudo, das diferentes arquiteturas do conversor
nos andares de conversão AC-DC e DC-AC, e da retificação síncrona com a
utilização de HEMTs, na eficiência do conversor. Simulações serão então
conduzidas posteriormente utilizando modelos reais dos componentes presentes
no conversor, com o uso do software LTSpice, comparando de forma detalhada
o design base, com os designs otimizados previamente obtidos, de forma a
observar o impacto das alterações propostas.
Inicialmente foi previsto construir o conversor apresentado em [1] e o
conversor otimizado mais eficiente, testá-los experimentalmente, mas devido à
situação atual da pandemia Sars-Cov (Covid 19), o mesmo não foi possível, a
tempo de entregar este trabalho, sendo este, um dos trabalhos futuros.
Este trabalho foi desenvolvido em parceria com a Universidad de Oviedo,
com o grupo de investigação LEMUR na Escuela Politécnica de Ingeniería de
Gijón, onde foram feitas as analises teóricas e simulações do conversor de
ressonância LLC.
Description
Keywords
DC-DC resonant convert LLC convert resonant Power density Resonant conversion Resonant frequency Zero-voltage switching (ZVS) Zero current switching (ZCS)