Conversor AC/DC com saída regulável de alta eficiência para ...

Centro de Tecnologia e UrbanismoDepartamento de Engenharia Elétrica

Daniel Galbes Bassanezi

Conversor AC/DC com saída regulável de altaeficiência para aplicação em sistemas de

refrigeração

Londrina

2015

Universidade Estadual de Londrina

Centro de Tecnologia e UrbanismoDepartamento de Engenharia Elétrica


Conversor AC/DC com saída regulável de alta eficiência paraaplicação em sistemas de refrigeração

Trabalho de Conclusão de Curso orientado pelo Prof. M.e Décio LuizGazzoni Filho intitulado “Conversor AC/DC com saída regulável de altaeficiência para aplicação em sistemas de refrigeração” e apresentado àUniversidade Estadual de Londrina, como parte dos requisitos necessá-rios para a obtenção do Título de Bacharel em Engenharia Elétrica.

Orientador: Prof. M.e Décio Luiz Gazzoni Filho

Londrina

2015

Ficha Catalográfica

Daniel Galbes BassaneziConversor AC/DC com saída regulável de alta eficiência para aplicação em sistemasde refrigeração - Londrina, 2015 - 56 p., 30 cm.Orientador: Prof. M.e Décio Luiz Gazzoni Filho1. Fontes Chaveadas Ressonantes. 2. Refrigeração. 3. Módulos Termoelétricos.I. Universidade Estadual de Londrina. Curso de Engenharia Elétrica. II. Conver-sor AC/DC com saída regulável de alta eficiência para aplicação em sistemas derefrigeração.


Conversor AC/DC com saída regulável de altaeficiência para aplicação em sistemas de

refrigeração

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de En-genharia Elétrica da Universidade Estadual de Londrina, comorequisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Enge-nharia Elétrica.

Comissão Examinadora

Prof. M.e Décio Luiz Gazzoni FilhoUniversidade Estadual de Londrina

Orientador

Prof. Dr. Lúcio dos Reis BarbosaUniversidade Estadual de Londrina

Prof. Dr. Newton da SilvaUniversidade Estadual de Londrina

Londrina, 24 de fevereiro de 2016

Aos meus amigos e à minha família.

Agradecimentos

Agradeço principalmente à minha família pelo apoio em todos os momentos da minhavida. Obrigado pai, mãe, Ana, Gustavo e Ariane. Agradeço também aos meus sobrinhos Antônioe Ísis que, mesmo sem entender tudo isso, são extremamente importantes e conseguem deixarqualquer um feliz.

Agradeço à Vanessa, sem você eu não conseguiria dar conta de todo o stress causadopela reta final da graduação. Obrigado por ter conseguido ser paciente comigo durante todo essetempo em que estive mais preocupado com as atividades da UEL do que com você.

Agradeço aos meus amigos de longa data Vinícius e Renan, sei que em qualquer ocasiãopoderemos contar uns com os outros. À todos meus amigos da faculdade e do [202]. Aos novose aos antigos. Obrigado Arai, Krill, BT, Djésus, Forba, Higor, Iury, Jeff, Largs, Urlo, Pastor,Sbrogio, Stellio, Vrime, Dário e Chaps.

Agradeço ao meu orientador, sempre disposto à ajudar e à tirar dúvidas quando necessário.Obrigado Décio por toda a ajuda e por disponibilizar as instalações da RTN Engenharia para otrabalho. Obrigado também Luis Guilherme, Roberto, Gabriel, Edgar e Lucas, por terem ajudadoem vários momentos quando necessário.

Obrigado à Universidade Estadual de Londrina, seus funcionários, professores e técnicosdo DEEL por tornarem possível esta experiência.

“Curious that we spend more time congratulating people who have succeeded than encouragingpeople who have not.”Neil deGrasse Tyson

Daniel Galbes Bassanezi. 2015. 56 p. Trabalho de Conclusão de Curso em Engenharia Elétrica -Universidade Estadual de Londrina, Londrina.

ResumoEste trabalho consiste no projeto, simulação e construção de uma fonte chaveada ressonante,topologia de alta eficiência energética. Este conversor será usado na alimentação de um móduloPeltier de alta performance, elemento refrigerante de baixo custo e implementação simples.Esta combinação tem potencial para ser economicamente viável em comparação a sistemas derefrigeração por mudança de fase. As simulações realizadas mostram que resultados expressivospodem ser conseguidos mediante a finalização da construção do sistema.

Palavras-Chave: 1. Fontes Chaveadas Ressonantes. 2. Refrigeração. 3. Módulos Termoelétricos.

High efficiency variable output AC/DC converter for application in refrigeration systems.2015. 56 p. Monograph in Engenharia Elétrica - Universidade Estadual de Londrina, Londrina.

AbstractThis work includes project, simulation and construction of a resonant power converter, a highefficiency topology. This converter will be used as a power supply of an high performancepeltier module, low cost and easy-to-use cooling element. This combination has potential to beeconomically viable compared to phase-change refrigeration. Simulations show that expressiveresults could be achieved by finishing the whole system construction.

Key-words: 1. Resonant Power Converters. 2. Refrigeration. 3. Thermoelectric Modules.

Lista de figuras

Figura 1 – Diagrama de blocos do sistema proposto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5Figura 2 – Diagrama de blocos de um conversor DC/DC ressonante. . . . . . . . . . . 7Figura 3 – Diagrama de blocos de um inversor classe D ressonante. . . . . . . . . . . 8Figura 4 – Inversor classe D série-ressonante meia-ponte. . . . . . . . . . . . . . . . . 8Figura 5 – Formas de onda de tensão e corrente no inversor para: a)f < fo. b)f = fo.

c)f > fo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Figura 6 – Retificador meia onda classe D alimentado por corrente. a) Circuito. b)

Modelo para iR > 0. c) Modelo para iR < 0. . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Figura 7 – Formas de onda de tensão e corrente no retificador classe D meia onda

alimentado por corrente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12Figura 8 – Conversor classe D série-ressonante com retificador alimentado por corrente. 13Figura 9 – Formas de onda de tensão e corrente para operação do conversor acima da

frequência de ressonância. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Figura 10 – Módulo peltier comercial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Figura 11 – Topologia de inversor classe E ZVS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Figura 12 – Topologia de retificador classe E de baixa dv/dt. . . . . . . . . . . . . . . . 19Figura 13 – Circuito projetado e pronto para simulações no PSIM. . . . . . . . . . . . . 20Figura 14 – Sinal da tensão de saída. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Figura 15 – Gráfico de Q e indutância do indutor escolhido. . . . . . . . . . . . . . . . 22Figura 16 – Esquema elétrico do conversor classe D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Figura 17 – Tensão na carga durante operação a 1.048 MHz sem filtro de saída. . . . . . 26Figura 18 – Tensão na carga durante operação a 1.048 MHz com filtro de saída. . . . . . 26Figura 19 – Tensão de saída para distintos valores de frequência de operação do conversor. 27Figura 20 – Relação da tensão de saída versus frequência de operação do conversor. . . . 28Figura 21 – Formas de onda de tensão e corrente simuladas durante operação do conversor

acima da frequência de ressonância. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Figura 22 – Esquemático do circuito no software PSIM com uso do módulo térmico. . . 30Figura 23 – Tensão de saída na carga com frequência de operação de 1.048 MHz no PSIM. 31Figura 24 – Operação do gate driver à 100 kHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Figura 25 – Detalhe da borda durante operação do gate driver à 100 kHz. . . . . . . . . 34Figura 26 – Operação do gate driver com bounce à 400 kHz. . . . . . . . . . . . . . . . 35Figura 27 – Aproximação da operação do gate driver com bounce à 400 kHz. . . . . . . 35Figura 28 – Operação do gate driver totalmente comprometida à 1 MHz. . . . . . . . . 36Figura 29 – Detalhe da borda durante operação do gate driver totalmente comprometida

à 1 MHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Figura 30 – Exemplo de ligação de transformador no conversor meia-ponte. . . . . . . . 38Figura 31 – Esquemático do circuito do protótipo no Altium. . . . . . . . . . . . . . . . 48Figura 32 – Placa do protótipo roteada no Altium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Figura 33 – Projeção 3D da placa do protótipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Figura 34 – Placa de circuito impresso confeccionada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Figura 35 – Placa de circuito impresso com componentes soldados. . . . . . . . . . . . 50Figura 36 – Esquema elétrico do circuito construído no software Altium incluindo cone-

xões, pontos de teste e componentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Figura 37 – Roteamento da placa de circuito impresso do conversor. . . . . . . . . . . . 52Figura 38 – Projeção 3D da placa de circuito impresso do conversor. . . . . . . . . . . . 52Figura 39 – Fotolito das trilhas do circuito e footprints de componentes. . . . . . . . . . 53Figura 40 – Fotolito da máscara de solda à ser aplicada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Figura 41 – Fotolito do mapa de furação de componentes e parafusos. . . . . . . . . . . 54Figura 42 – Placas de circuito impresso finalizadas com máscara de solda e furos. . . . . 55Figura 43 – Placa de circuito após solda do primeiro componente. . . . . . . . . . . . . 55Figura 44 – Placa montada com a maioria dos componentes. . . . . . . . . . . . . . . . 56Figura 45 – Placa de circuito impresso finalizada com máscara de solda e furos. . . . . . 56

Lista de tabelas

Tabela 1 – Comparativo de perdas aproximadas entre MOSFETs pré-selecionados. . . 31

Lista de abreviaturas e siglas

AC Alternate Current: Corrente alternada.

CA Corrente alternada.

DEEL Departamento de Engenharia Elétrica.

DC Direct Current: Corrente contínua.

CC Corrente contínua.

INEE Instituto Nacional de Eficiência Energética.

INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia.

PTH Pin through-hole: Terminal através de furo.

ZVS Zero-voltage-switching: Comutação em tensão zero.

Lista de símbolos

A Ampere: unidade de medida de intensidade de corrente elétrica do SI.

d Representa o diferencial de uma variável.

η Eficiência do conversor.

ηI Eficiência do inversor.

ηR Eficiência do retificador.

f Frequência de operação.

fo Frequência de ressonância.

H Henry: unidade de medida de indutância do SI.

i Corrente elétrica.

MV Função de transferência de tensão do conversor.

MVI Função de transferência de tensão do inversor.

|MVr| Magnitude da função de transferência de tensão do circuito ressonante.

MVR Função de transferência de tensão do retificador.

MVs Função de transferência de tensão das chaves.

Ω Ohm: unidade de medida de resistência elétrica do SI.

Q Fator de qualidade.

rDS Resistência dreno-fonte.

Ri Resistência de saída do inversor.

v Tensão elétrica.

V Volts: unidade de medida de intensidade de tensão elétrica do SI.

VI Tensão de entrada do inversor.

VO Tensão de saída do retificador.

Palavras em itálico são empregadas para identificar termos de língua inglesanão traduzidos.

Sumário

Lista de figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviiLista de tabelas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xixLista de siglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xixLista de símbolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxiii

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3 Tarefas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.4 Contexto do desenvolvimento do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.5 Organização do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.1 Conversor série-ressonante meia-ponte com retificador em meia-onda . 72.1.1 Inversor classe D série-ressonante meia-ponte . . . . . . . . . . . . . . . 82.1.2 Retificador classe D meia-onda alimentado por corrente . . . . . . . . . 112.1.3 Conversor Classe D série-ressonante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2 Módulo termoelétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3 PROJETOS DOS CONVERSORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.1 Conversor classe E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.1.1 Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.1.2 Simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.2 Conversor classe D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.2.1 Dimensionamento dos componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.2.2 Adotando valores comerciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.3 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4 RESULTADOS TEÓRICOS DE SIMULAÇÕES . . . . . . . . . . . . . 254.1 OrCAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.2 PSIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.3 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335.1 Construção do protótipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335.2 Testes em bancada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335.3 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

SUMÁRIO 1

6 CONCLUSÕES DO TRABALHO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376.1 Aplicações futuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

APÊNDICES 40

APÊNDICE A – CRONOGRAMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

APÊNDICE B – PEDIDO NA DIGI-KEY . . . . . . . . . . . . . . . . 42

APÊNDICE C – PEDIDO NA DIGI-KEY . . . . . . . . . . . . . . . . 43

APÊNDICE D – OTIMIZADOR CLASSE E . . . . . . . . . . . . . . . 44

APÊNDICE E – CÓDIGO EM MATLAB PARA CONVERSOR CLASSEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

APÊNDICE F – CÓDIGO EM MATLAB PARA CONVERSOR CLASSED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

APÊNDICE G – CONSTRUÇÃO DO CONVERSOR CLASSE E . . . 48G.1 Captura esquemática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48G.2 Roteamento da placa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48G.3 Construção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

APÊNDICE H – CONSTRUÇÃO DO CONVERSOR CLASSE D . . . 51H.1 Captura esquemática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51H.2 Roteamento da placa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52H.3 Placa de circuito impresso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53H.3.1 Fotolito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53H.3.2 Corrosão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54H.3.3 Solda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3

1 Introdução

Uma adega de vinhos termoelétrica é um sistema de refrigeração constituído de umcompartimento isolado termicamente, um elemento refrigerante termoelétrico, uma fonte dealimentação e um circuito de controle e monitoramento de temperatura. Neste capítulo sãointroduzidos: o trabalho e sua divisão de tarefas, seus objetivos gerais e específicos, uma brevecontextualização do tema e as descrições de cada seção.

1.1 Motivação

As adegas começaram como espaços de armazenamento, geralmente subterrâneos, ondea temperatura é mais baixa do que a temperatura ambiente externa. Eram utilizadas para oarmazenamento de azeite, vinho e também outras bebidas. Com o tempo, a demanda e a culturaem torno do vinho determinou temperaturas recomendadas para o armazenamento e consumode diferentes tipos da bebida. Assim, os sistemas de refrigeração artificial começaram a serutilizados primeiramente climatizando adegas e mais tarde em sistemas portáteis dedicados. Nocomeço, as adegas não tinham controle de temperatura, com o tempo a refrigeração forçadafoi sendo aplicada para que diferentes temperaturas fossem alcançadas independentemente datemperatura ambiente. O uso da refrigeração artificial também permitiu maior controle sobre atemperatura da bebida. No caso do vinho, dependendo do tipo, a temperatura ideal para servirvaria aproximadamente entre 5°C e 18°C (HENDERSON; REX, 2011, p. 596). Uma adegaenvolve uma estrutura arquitetônica que poucas pessoas tem condições de construir e umaalternativa comercial que se popularizou foi a de adequação de refrigeradores para a aplicação,assim surgiram as adegas de vinho climatizadas em forma de eletrodoméstico. O primeiro sistemaa ser utilizada era o de compressão mecânica, amplamente utilizado até hoje por sua alta eficiênciaem remoção de calor de um ambiente fechado. Apesar de seus pontos positivos, os sistemas comcompressores apresentam grande flutuação (variação de temperatura), vibração, ruído, possuempeças móveis e são pesados. Outras técnicas de refrigeração podem ser aplicadas para que ospontos fracos dos compressores mecânicos sejam evitados. Alguns exemplos são: refrigeraçãomagnética, refrigeração termoacústica e, o foco deste trabalho, refrigeração termoelétrica.

A refrigeração termoelétrica usa o efeito Peltier para criar um fluxo de calor na junçãode dois tipos de materiais(ENCYCLOPAEDIA BRITANNICA, 2016). Uma pastilha ou móduloPeltier é uma bomba de calor de estado sólido que transfere calor de um lado do dispositivo parao outro. Dependendo da orientação no sistema, pode ser utilizado tanto para aquecimento ouresfriamento, apesar da principal aplicação ser refrigeração, também é usado como controladorde temperatura. Esta tecnologia é bem menos utilizada do que a compressão mecânica. Asprincipais vantagens dos módulos Peltier são ausência de partes móveis e circulação de líquido

4 Capítulo 1. Introdução

refrigerante, longa vida útil, baixo custo, imunidade a vazamentos, tamanho reduzido e formatoflexível. A principal desvantagem é a menor eficiência em comparação aos compressores. Porém,o que realmente os diferencia na capacidade de refrigeração são os valores do Coeficiente dePerformance, que relaciona a quantidade de calor removido do sistema com a quantidade deenergia necessária para tal. Em sistemas de refrigeração, devido à configuração isolada daspartes quente e fria adquire-se um alto Coeficiente de Performance. O valor deste coeficienteé em torno de 3 ou 4 para ar-condicionados ou geladeiras e para módulos Peltier esse valoré geralmente inferior a 1 (BUIST, 1995). Atualmente, vários pesquisadores e empresas estãotentando desenvolver módulos ao mesmo tempo baratos e com alta eficiência energética. Nestetrabalho será utilizado um módulo Peltier TEC1-12708 (Hebei I.T. (Shanghai) Co., Ltd, 2016).Este módulo é um modelo de alto desempenho, combinado com uma fonte de alimentação dealta eficiência energética poderá compor um sistema termoelétrico eficiente.

Conversores são a chave para as tecnologias de energia renovável e captação de energia.Dentro dos tipos de conversores de energia existem duas categorias para as fontes, chaveadas elineares. As fontes lineares apresentam algumas desvantagens como: baixa potência, eficiênciaenergética e densidade de potência. Isto faz com que sistemas aonde alimentação é necessáriaoptem pela utilização de fontes chaveadas. As fontes chaveadas baseiam seu princípio defuncionamento no acionamento de chaves para que seja diminuída a dissipação térmica emmomentos específicos. Uma fonte ou conversor se dá pelo agrupamento de diferentes blocos defuncionamento chamados inversores e retificadores. Os inversores convertem a energia elétricaem corrente contínua para energia em corrente alternada e os retificadores fazem o contrário. Umprojeto de conversor DC completo utiliza estes blocos em cascata de modo a gerar um valor detensão ou corrente contínua na saída à partir de um outro valor, maior ou menor, na entrada.

1.2 Objetivos

Implementar um sistema de refrigeração termoelétrico completo para o armazenamentode vinho e bebidas similares. O diagrama de blocos do sistema é exemplificado na Figura 1. Estetrabalho está sendo desenvolvido em paralelo com o de outro aluno e as atribuições de cada umserão descritas na próxima seção.

O sistema funciona controlado pela temperatura desejada pelo usuário que é selecionadana interface de controle. Este valor de temperatura desejada determina uma tensão de saída noconversor para a alimentação do módulo termoelétrico localizado dentro da adega. Os valoresde tensão de alimentação e temperatura interna são monitorados em tempo real. A temperaturainterna real é comparada à temperatura desejada pelo usuário. O sistema de controle, devidamentecalibrado, faz a correção necessária do valor de tensão de alimentação para que a temperaturainterna real seja igual à temperatura desejada.

1.3. Tarefas 5

Figura 1 – Diagrama de blocos do sistema proposto.

Fonte: O Autor.

1.3 Tarefas

Projetar, simular e construir um conversor chaveado ressonante para a alimentação de ummódulo termoelétrico. Este conversor tem como requisitos: alta eficiência energética, controle datensão de saída e alta frequência de operação para que tenha seu tamanho reduzido. A divisão detempo dedicado em cada etapa do trabalho é exposta no Apêndice A.

1.4 Contexto do desenvolvimento do trabalho

Quando o desenvolvimento deste sistema foi proposto, ele foi dividido em duas partesprincipais. A responsabilidade pelo desenvolvimento das partes foi atribuída a dois alunos dagraduação. A parte do sistema que será discutida nesta monografia diz respeito à alimentaçãodo sistema. Ela envolve o projeto, simulação e construção de uma fonte chaveada ressonanteadequada à alimentação de um módulo termoelétrico. A outra parte, que é de responsabilidadedo aluno Filipe Jacinto Caetano, encontra-se em sua monografia, intitulada Projeto de umaplaca de acionamento para uma adega climatizada utilizando um módulo termoelétricocomo elemento refrigerador. A monografia dele consiste da simulação térmica do sistema,desenvolvimento do controle de temperatura e sua interface, assim como a calibração do conjunto.

1.5 Organização do trabalho

Esta monografia de conclusão de curso contém 6 capítulos, com o conteúdo dividido daseguinte maneira:

1. Introdução - Apresenta texto introdutório contendo histórico da refrigeração, característicasde adegas de vinhos, situação atual sobre o alto valor da energia elétrica no Brasil, impor-tância de equipamentos altamente eficientes e breve apresentação sobre fontes chaveadasressonantes. Neste capítulo é explicada a relação deste trabalho com o de outro aluno e

6 Capítulo 1. Introdução

os objetivos traçados inicialmente. Também inclui detalhamento sobre os capítulos damonografia.

2. Revisão Bibliográfica - Contém a revisão bibliográfica necessária para o entendimento doscomponentes utilizados no sistema de refrigeração. Este capítulo explica as característicasde construção e funcionamento de módulos termoelétricos e fontes chaveadas ressonantes.Na seção sobre fontes, foca-se especificamente sobre o conversor classe D série-ressonante.

3. Projetos dos conversores - Apresenta as especificações necessárias para os projetos dosconversores. Há maior detalhamento no projeto do conversor definitivo que será utilizadoem conjunto com módulo termoelétrico. Expõe-se a metodologia de projeto utilizadapara determinar os valores de componentes eletrônicos teóricos e a escolha de valorescomerciais com erro mínimo.

4. Resultados teóricos de simulações - Este capítulo apresenta resultados de simulações.

5. Resultados experimentais - Neste capítulo são apresentados resultados experimentais daplaca de circuito. Também são listados os problemas que ocorreram.

6. Conclusões do trabalho - Conclusões pertinentes à análise dos resultados obtidos e a suacomparação com os resultados esperados. Comenta-se sobre o desempenho e os pontospositivos e negativos do conversor. Este capítulo também apresenta sugestões de aprimora-mento do conversor e sua aplicação em outros tipos de sistemas.

7

2 Revisão Bibliográfica

Neste capítulo será apresentada a topologia e funcionamento de um conversor ressonanteclassse D e suas principais formas de onda. Este conversor é resultado da associação de uminversor ressonante e um retificador de alta frequência. As topologias e formas de onda destas duaspartes serão detalhadas em seções dedicadas. Também será apresentada uma breve introduçãosobre módulos termoelétricos.

2.1 Conversor série-ressonante meia-ponte com retificador emmeia-onda

Um conversor classe D série-ressonante é composto de um inversor ressonante seguidopor um retificador de alta frequência, ambos devem ser compatíveis entre si. Isto quer dizer queretificadores alimentados por corrente devem ser conectados à inversores com saída em corrente,assim como, retificadores alimentados por tensão devem ser conectados à inversores com saídaem tensão. A Figura 2 apresenta um diagrama de blocos exemplificando esta combinação.

Figura 2 – Diagrama de blocos de um conversor DC/DC ressonante.

Fonte: (KAZIMIERCZUK; CZARKOWSKI, 2011).

A função de transferência de tensão DC do conversor, MV , é o produto das funções detransferência do inversor e do retificador, MV I e MV R.

MV =VOVI

= MV I |MV R| (1)

Similarmente, a eficiência do conversor é o produto das eficiências do inversor e doretificador.

η =POPI

= ηIηR (2)

8 Capítulo 2. Revisão Bibliográfica

2.1.1 Inversor classe D série-ressonante meia-ponte

Inversores ressonantes são compostos de um bloco de comutação e um bloco ressonante.A Figura 3 ilustra esta ligação.

Figura 3 – Diagrama de blocos de um inversor classe D ressonante.


Inversores classe D ressonantes também podem ser chamados de amplificadores classe Dressonantes e podem ser utilizados em diversas aplicações onde é necessário transformar energiaDC em energia AC. Os inversores classe D podem ser divididos em 2 tipos de operação:

• Comutação de tensão

• Comutação de corrente

Neste trabalho, utilizando-se um conversor classe D série-ressonante, será necessário o empregode um inversor compatível ao retificador escolhido para a composição do conjunto. Comoo retificador utilizado será do tipo alimentado por corrente, o inversor poderá ser do tipo decomutação por tensão, que fornece uma saída de corrente senoidal. Portanto, a topologia escolhidapara este bloco foi a do Inversor classe D meia-ponte com saída em corrente (KAZIMIERCZUK;CZARKOWSKI, 2011) apresentada na Figura 4.

Figura 4 – Inversor classe D série-ressonante meia-ponte.


2.1. Conversor série-ressonante meia-ponte com retificador em meia-onda 9

Inversores deste tipo são alimentados por uma fonte de tensão contínua e utilizamum circuito série-ressonante. Se o fator de qualidade carregado do circuito ressonante forsuficientemente alto (QL > 3) e as chaves comutadas alternadamente, as correntes que circularãopelas chaves serão senóides retificadas em meia onda defasadas em 180°e a corrente através docircuito ressonante será senoidal.

As principal vantagem deste inversor é a baixa tensão sobre os transistores, implicandona utilização de MOSFETs de baixa tensão que possuem baixo rDS quando ativados, reduzindoas perdas de condução e a temperatura de junção durante a operação.

O circuito de inversor mostrado na Figura 4 utiliza duas chave bidirecionais S1 e S2

junto de um circuito série-ressonante. As chaves são constituídas de um transistor e um diodoanti-paralelo à ele. Se o inversor faz parte de um conversor, Ri representa a resistência de entradade um retificador.

O princípio de funcionamento do inversor é mostrado pelas formas de onda na Figura5. Como comentado anteriormente, o fator de qualidade do circuito ressonante deve ser alto osuficiente para que a corrente através dele seja praticamente senoidal. A operação em f = fo,onde as chaves comutam em corrente zero, resulta em baixa perda de comutação e alta eficiência.Na maioria das aplicações práticas a frequência de operação f é diferente da frequência naturaldo circuito ressonante fo. Para f > fo, o circuito série-ressonante representa uma carga indutiva,a perda de acionamento das chaves é zero e a perda nos diodos associados também. Porém, háuma perda no desligamento das chaves causada pelo descarregamento não-instantâneo devido àcapacitância de saída não-linear dos MOSFETs.

Para frequências de operação acima da ressonância, o circuito ressonante tem com-portamento indutivo. Desta forma, a corrente em uma chave é negativa antes da comutaçãoe positiva após o desligamento. A sequência de condução dos dispositivos de chaveamento éD1 −Q1 −D2 −Q2, considerando a topologia da Figura 4.

Considerando o momento de desligamento da chave S1:

• O transistor Q1 é desligado pela tensão de drive vGS1

• vDS1 aumenta fazendo com que vDS2 diminua

• Quando vDS2 alcança -0,7 V, D2 conduz

• A corrente i passa por D2 fluindo de Q1 fazendo com que o desligamento de S1 sejaforçado pelo driver

• A comutação de S2 é causada como consequência da transição de desligamento de S1, nãopelo driver

As duas chaves do inversor são ligadas em tensão praticamente zero. Há uma pequenadiferença de potencial sobre o diodo antiparalelo de cada MOSFET, esta tensão é desprezível em


Figura 5 – Formas de onda de tensão e corrente no inversor para: a)f < fo. b)f = fo. c)f > fo.


relação à tensão de entrada VI .


2.1.2 Retificador classe D meia-onda alimentado por corrente

Os retificadores classe D são assim chamados pois a forma de onda de corrente nosdiodos são senóides retificadas em meia onda e as tensões são ondas quadradas. A razão cíclicade ambos os diodos é 50%.

Figura 6 – Retificador meia onda classe D alimentado por corrente. a) Circuito. b) Modelo paraiR > 0. c) Modelo para iR < 0.


A topologia para o retificador classe D meia onda está disposta na Figura 6(a). Consistede dois diodos e um capacitor para filtragem. O filtro pode ser projetado de acordo com asnecessidades da aplicação, pode ser da forma como é apresentado ou, por exemplo, um filtro desegunda ordem.

Na topologia não-isolada os terras da fonte e da carga são os mesmos, diferentemente daversão não-isolada do retificador de onda completa utilizando ponte de diodos. A Figura 6(b)mostra o modelo do retificador para iR > 0 e a 6(c) mostra para iR < 0.

Quando iR > 0, o diodo D2 está bloqueado e D1 em condução. A corrente através deD1 carrega o capacitor de filtro Cf . Quando iR < 0, o diodo D1 está bloqueado e D2 conduz.O diodo D2 se comporta como um diodo de roda livre, ou seja, o diodo que cria o caminho decorrente para iR. A razão cíclica de cada diodo é de 50%. O capacitor de filtro se descarrega pela


Figura 7 – Formas de onda de tensão e corrente no retificador classe D meia onda alimentadopor corrente.


carga RL e mantém uma tensão praticamente constante VO. As correntes nos diodos iD1 e iD2

são senóides de meia-onda e as tensões vD1 e vD2 são ondas quadradas. Como as correntes nosdiodos são senóides de meia-onda, os diodos se desligam durante um baixo valor de derivada decorrente di/dt, o que reduz a corrente de recuperação reversa na junção, associada à perdas decomutação e ruído. Em contra partida, inevitavelmente, os diodos conduzem durante uma altaderivada de tensão dv/dt, causando uma corrente através da capacitância de junção, resultandoem perdas de comutação e ruído. As principais formas de onda do circuito da Figura 6 sãoapresentadas na Figura 7.


Figura 8 – Conversor classe D série-ressonante com retificador alimentado por corrente.


2.1.3 Conversor Classe D série-ressonante

Combinando os dispositivos apresentados anteriormente, pode-se obter um conversorDC/DC de alta eficiência, abaixador e de tensão de saída variável. Conversores abaixadores sãoimportantes caso a tensão de saída do circuito seja baixa, permitindo que a entrada seja de tensãoelevada e baixa corrente. Na alimentação de um módulo termoelétrico é necessária uma tensãode, por exemplo, 1,5 V até no máximo 15 V (Hebei I.T. (Shanghai) Co., Ltd, 2016). Caso fosseutilizada uma topologia elevadora, a tensão de entrada teria de ser menor que 1,5 V, implicandoem elevadíssima corrente.

A Figura 8 apresenta a topologia de conversor utilizada. As equações necessárias para odimensionamento dos componentes do inversor e retificador que o compõe foram reservadas àesta seção. Este conjunto de equações é necessário para o projeto do conversor.

Para operação abaixo da frequência de ressonância, o circuito ressonante tem comporta-mento capacitivo. Isto faz com que a sequência de condução dos dispositivos de chaveamento sejaQ1−D1−Q2−D2. No acionamento de um dos MOSFETs acontecem três efeitos indesejáveis:

• Recuperação reversa no diodo anti-paralelo do outro MOSFET.

• Descarregamento da capacitância de saída do MOSFET.

• Efeito Miller.

A recuperação reversa nos diodos faz com que os mesmos bloqueiem durante altosvalores de dv/dt e di/dt, causando altos picos de corrente de recuperação reversa. Este pico decorrente é conduzido através do outro MOSFET, que está sendo acionado. A magnitude destespicos de corrente é muito maior do que a corrente em operação estável e podem destruir aschaves, além de causar acréscimo nas perdas e ruído de chaveamento. Quando o MOSFET éacionado, a capacitância de saída é descarregada, implicando em mais perdas. O efeito Miller


Figura 9 – Formas de onda de tensão e corrente para operação do conversor acima da frequênciade ressonância.


causa o aumento da capacitância de entrada e gate charge dos MOSFETs, isto aumenta o tempode acionamento do MOSFET e também aumenta as perdas durante a comutação.

A Figura 9 apresenta as formas de onda ideias de tensão e corrente para um conversor àuma frequência de operação f maior que a frequência de ressonância fo. A operação acima dafrequência de ressonância é preferível pois oferece maior eficiência e não sofre dos problemasda operação abaixo de ressonância.

Quando operando acima da ressonância, além das vantagens já citadas, o conversortambém fica imune à curto-circuitos, pois a impedância de entrada do circuito ressonante limitao valor da corrente nas chaves. Entretanto, a impedância de entrada do circuito ressonante émuito baixa quando operado na frequência de ressonância. Com isso, uma grande corrente fluiráatravés do circuito ressonante e das chaves, causando a destruição do conversor. O conversor


opera em segurança com a carga desconectada pois não há corrente circulando pelo circuitoressonante.

Para que o conversor seja projetado, é necessário definir as suas especificações defuncionamento, entrada e saída.

• Tensão de entrada do inversor. (VI)

• Tensão de saída do retificador. (VO)

• Carga do circuito e/ou máxima corrente de saída. (RL, IOmax)

• Frequência de operação. (f )

• Frequência de ressonância . (fo)

Além destas especificações, também são necessárias algumas outras informações:

• Eficiência do transformador, casa haja um. (ηtr)

• Eficiência esperada/estimada do inversor. (ηI)

• Resistências internas dos elementos do circuito ressonante. (rL, rC)

• Tensão e resistência de condução direta dos diodos do retificador. (VF , RF )

• Resistência dreno-fonte do MOSFET à ser utilizado. (rDS)

De posse de todas estas informações, um conjunto de equações dimensiona os com-ponentes para cada tipo de conversor. Neste caso, serão apresentadas as equações necessáriasapenas para o projeto de um conversor série-ressonante meia-ponte com retificador em meia-onda(KAZIMIERCZUK; CZARKOWSKI, 2011).

Primeiramente, calcula-se a resistência de entrada do retificador, igual à de saída doinversor no caso de um circuito sem transformador.

Ri =2RL

π2ηtr[1 +

2VFVO

+π2RF

2RL

+rCRL

(π2

4− 1)] (3)

Utilizando as informações sobre perdas e eficiência do inversor, pode-se determinar aeficiência do retificador:

ηR =ηtr

1 + 2VFVO

+ π2RF

2RL+ rC

RL(π

2

4− 1)

(4)

Assim, determina-se o módulo da função de transferência do retificador:

|MV R| =πηtr√

2[1 + 2VFVO

+ π2RF

2RL+ rC

RL(π

2

4− 1)]

(5)


A função de transferência do conversor MV é dada pela equação 1 e o módulo da funçãode transferência do circuito ressonante é dado por:

|MV r| =MV

MV s|MV R|(6)

Com todas as características de transferência do circuito, é calculado o fator de qualidadedo circuito.

QL =

√η2I

|MV r|2− 1

| ωωo− ωo

ω|

(7)

A resistência total do inversor é dada por:

R =Ri

ηI(8)

Finalmente, encontram-se os valores dos elementos ressonantes do circuito e determinam-se todos os valores teóricos dos demais componentes necessários para a construção do conversor.

L =QLR

ωo(9)

C =1

ωoQLR(10)

Para determinar os valores máximos de tensão, corrente e potência esperados em cadacomponente, simulações foram utilizadas. Estas simulações auxiliaram na escolha de valoresreais de componentes para que a montagem do conversor fosse possível.

2.2 Módulo termoelétrico

O Efeito Peltier foi descoberto em 1834 por Jean-Charles-Athanase Peltier e foi definidocomo a capacidade de uma junção metálica gerar um gradiente de temperatura devido à passagemde corrente elétrica (ENCYCLOPAEDIA BRITANNICA, 2016). Com o tempo, formas de sebombear calor através de elementos sólidos foram sendo desenvolvidas e aprimoradas. O efeitoé mais intenso em junções de semicondutores e pode causar diferenças de temperatura de até75°C (Hebei I.T. (Shanghai) Co., Ltd, 2016).

Um módulo termoelétrico, como o ilustrado na Figura 10, é um componente construídoà partir da junção de dois semicondutores, um tipo-n e um tipo-p. São configurados como váriasjunções p-n termicamente em paralelo e eletricamente em série. São capazes de bombear calor deum lado para o outro do módulo através da passagem de corrente elétrica. O sentido de conduçãoda corrente controla o sentido de condução do calor.

Diferente de outros sistemas térmicos, como o compressor, que apenas liga e desliga, ummódulo peltier pode aquecer e resfriar. Isto permite controle fino de temperatura com precisão

2.2. Módulo termoelétrico 17

Figura 10 – Módulo peltier comercial.

Fonte: Adafruit Industries.

de até 0,01°C. São construídos como placas que podem variar de 15× 15mm até 62× 62mm

que operam em potências de até 360W (PELTIER MODULES, 2015).

19

3 Projetos dos conversores

Neste capítulo serão apresentadas as etapas de projeto e dimensionamento de compone-nentes dos dois conversores construídos durante a realização deste trabalho.

3.1 Conversor classe E

Nesta seção será apresentada a topologia do conversor classe E, que comparado ao classeD, apresenta maior eficiência. A Figura 11 apresenta a topologia do inversor classe E ZVS e aFigura 12 a do retificador de baixa dv/dt.

Primeiramente, um protótipo de conversor classe E foi construído por apresentar níveisde eficiência superiores ao de um conversor classe D. Este protótipo foi desenvolvido com ointuito de verificação da teoria estudada no começo do trabalho. Mais tarde, com as especifiçõesda placa definitiva em mãos, foi constatado que esta topologia de circuito não atenderia osrequisitos por ser apenas elevadora de tensão. Era preciso um conversor abaixador de tensão.Como este projeto e variações dele não poderiam ser aproveitados, esta placa não foi testada.

Figura 11 – Topologia de inversor classe E ZVS.


Figura 12 – Topologia de retificador classe E de baixa dv/dt.


20 Capítulo 3. Projetos dos conversores

3.1.1 Projeto

Todas os cálculos necessários para o projeto foram compilados nos scripts de MATLABpresente nos Apêndices D e E. Como este protótipo não será usado e é de topologia diferente doque será utilizado este conteúdo não foi apresentado na revisão bibliográfica e será brevementediscutido.

Definido que o protótipo seria uma fonte com saída 9 V e 1 A, foi criado um código emMATLAB para o cálculo dos componentes necessários. Primeiramente, um código de otimização,presente no Apêndice D, foi executado para que valores ótimos de operação fossem encontradospara que os componentes teóricos tivesse valores próximos aos comerciais, minimizando o errono projeto. Em seguida, outro código, presente no Apêndice E, retornava o valor de todos oscomponentes necessários de acordo com as especificações de entrada nas primeiras linhas, comestes valores, foi possível executar a escolha dos componentes comerciais e o pedido de comprado Apêndice B foi realizado.

3.1.2 Simulação

Com os valores otimizados de frequência de operação do conversor e QL, obtidos atravésdo código de otimização disponível no apêndice D, foram dimensionados todos os componentescomerciais para a simulação do circuito com o código presente no Apêndice E. Posteriormente,foram selecionados para compra os modelos selecionados de cada componente necessário.

O esquema elétrico da topologia simulada no software PSIM é apresentado na Figura 13.

Figura 13 – Circuito projetado e pronto para simulações no PSIM.

Fonte: O Autor.

O sinal da tensão de saída, resultante da simulação, é apresentado na Figura 14.

3.2. Conversor classe D 21

Figura 14 – Sinal da tensão de saída.

Fonte: O Autor.

Confirmado o funcionamento através de simulação, o protótipo seria construído. Todoo processo está contido no Apêndice G. Como mencionado anteriormente, esta placa foi feitacomo um teste da teoria estudada anteriormente e, como ela não atenderia os requisitos, não foitestada e nem utilizada.

Por exemplo, caso esta topologia fosse utilizada no projeto da placa definitiva, a tensãode entrada deveria ser menor que 1,5 V. Considerando que 1 V fosse usado, para uma placa debaixa potência, da ordem de poucas centenas de Watts, a corrente de entrada seria da ordem decentenas de ampéres. Este requerimento extremamente alto de corrente de entrada fez com queuma nova topologia fosse estudada e uma nova placa fosse especificada, projetada e construída.

3.2 Conversor classe D

Nesta seção será apresentado como foram obtidos os valores dos componentes passivosdo conversor classe D. Para o dimensionamento foi utilizado um programa elaborado no ambi-ente MATLAB presente no Apêndice F. Uma preocupação importante é em relação O indutorescolhido foi um de 0,47 µH da série IHLP-4040DZ-8A da Vishay Dale, especializada emindutores de alta corrente e alto fator de qualidade (VISHAY, 2015). Este indutor foi escolhidopor possuir alto fator de qualidade em ampla faixa de frequência, permitindo a operação doconversor em frequências variadas.

Na figura 15 pode-se perceber que o Q do indutor mantém-se acima de 72 à partir de500 kHz até pouco menos que 4 MHz, esta grande faixa de frequências é importante quandoutilizado o controle de tensão pela variação da frequência de operação. A topologia escolhida,que utiliza este controle de tensão, foi apresentada no capítulo 2.


Figura 15 – Gráfico de Q e indutância do indutor escolhido.

Fonte: (VISHAY, 2015).

A maior dificuldade do projeto do conversor foi a escolha do indutor ressonante. Foicogitada a possibilidade de se enrolar um indutor com núcleo de ar devido ao alto Q, masesta escolha foi inviabilizada devido à dificuldade de se construir um condutor trançado para afrequência de operação escolhida. Após extensa pesquisa em sites de fabricantes e datasheets,foi encontrado o indutor mencionado anteriormente.

3.2.1 Dimensionamento dos componentes

Utilizando as equações apresentadas no capítulo 2, um script de MATLAB, disponívelno Apêndice F, foi desenvolvido. Este script retornava os valores indutância e capacitância docircuito ressonante. Além destes componentes, o filtro de saída foi dimensionado com frequênciade corte bem abaixo da frequência de operação (cerca de 30 kHz), de maneira totalmenteindependente do resto do circuito.

Primeiro, são definidos os parâmetros de projeto. Todas os dados utilizam as unidadesVolt, Ampére, Ohm e Hertz. Os parâmetros de eficiência são adimensionais.

• VI = 30; VO = 15; IOmax = 10; f = 1048× 103; fo = 980.98× 103; ηtr = 1; ηI = 0.92;

rL = 1.66 × 10−3; rC = 5 × 10−3; VF = 0.7; RF = 0.1; rDS = 0.05; RL = 1.5;

MV s =√2π

;

Através do uso do script mencionado anteriormente os seguintes valores são calculados:

3.2. Conversor classe D 23

Primeiramente, calcula-se a resistência de entrada do retificador.

Ri =2RL

π2ηtr[1 +

2VFVO

+π2RF

2RL

+rCRL

(π2

4− 1)] = 433.8203× 10−3 Ω; (11)

Eficiência do retificador:

ηR =ηtr

1 + 2VFVO

+ π2RF

2RL+ rC

RL(π

2

4− 1)

= 700.6670× 10−3; (12)

Módulo da função de transferência do retificador:

|MV R| =πηtr√

2[1 + 2VFVO

+ π2RF

2RL+ rC

RL(π

2

4− 1)]

= 1.5565; (13)

Módulo da função de transferência do conversor:

MV =VOVI

= 0, 5; (14)

O módulo da função de transferência do circuito ressonante é dado por:

|MV r| =MV

MV s|MV R|= 713.6057× 10−3; (15)

Fator de qualidade do circuito ressonante:

QL =

√η2I

|MV r|2− 1

| ωωo− ωo

ω|

= 6.1518; (16)

A resistência total do inversor é dada por:

R =Ri

ηI= 471.5438× 10−3 Ω; (17)

Finalmente, encontram-se os valores dos elementos ressonantes do circuito:

L =QLR

ωo= 470.6362 µH; (18)

C =1

ωoQLR= 55.9287 nF ; (19)

3.2.2 Adotando valores comerciais

Além dos valores obtidos através dos scripts, que após ajuste fino das frequências deoperação e ressonância, ficaram muito próximos aos comerciais, outros componentes tambémdeveriam ser selecionados dentro de valores comerciais disponíveis para compra.


Os transistores, diodos do retificador, gate driver, pontos de teste, diodos de proteção econectores foram todos selecionados levando em conta seu custo após serem considerados parauso.

Todos os componentes necessários foram cedidos pela empresa do orientador, RTNEngenharia. Isto inclui valores comuns de resistores, capacitores, conectores, diodos de pro-teção, pontos de teste e equipamentos para montagem que a empresa já possuía. O resto doscomponentes, específicos para o projeto, foram comprados através da loja Digi-Key. A lista decomponentes comprados está presente no Apêndice C.

Quanto aos componentes envolvidos em perdas energéticas (MOSFETs, diodos e indutorpara o filtro de saída), primeiro foram ordenados por preço no momento da compra e então,dentre os mais baratos que alcançavam as especificações desejadas, aqueles que apresentavamcaracterísticas mostrando serem mais eficientes foram escolhidos.

3.3 Conclusões

Este capítulo mostrou os problemas que seriam enfrentados caso a topologia de conversorclasse E elevadora fosse utilizada. Isto fez com que uma novo topologia abaixadora fosseprojetada, desta vez classe D. As etapas de cálculo pertinentes aos projetos estão condensadasem scripts de MATLAB. Estes scripts são, basicamente, as equações apresentadas no capítulo 2.

25

4 Resultados teóricos de simulações

Neste capítulo serão apresentados resultados teóricos da simulação do circuito da topolo-gia de conversor classe D. Foram utilizados dois softwares diferentes de simulação.

A simulação no OrCAD teve como objetivo observar a variação da tensão de saída atravésda variação da frequência de operação e também foi o método utilizado para determinar valoresmédios e máximos de tensão, corrente e potência nos componentes do circuito. A simulação noPSIM foi utilizada para comparar as perdas em diferentes MOSFETs escolhidos na Digi-Key,eliminando os menos eficientes. O PSIM também foi utilizado para verificar a saída do circuito ecompará-la ao resultado obtido com o OrCAD.

4.1 OrCAD

Os parâmetros nas fontes de sinal V1 e V2 na Figura 16 são controlados através do valorde freq, uma variável utilizada com um perfil de simulação Parametric Sweep em conjuntocom as configurações comuns de Time Domain(Transient).

Figura 16 – Esquema elétrico do conversor classe D.

Fonte: O Autor.

Parametric Sweep foi utilizado como uma forma de simular o circuito de maneiraparecida com a de um AC Sweep, porém, ao invés de serem usadas fontes senoidais, os sinaisnas chaves eram ondas quadradas. Esta simulação permitiu observar o módulo da função detransferência de tensão de saída e a tensão na carga para frequências diferentes. As Figuras 17e 18 mostram o sinal de tensão de saída na carga com e sem a utilização de um filtro duranteoperação em frequência fixa.

26 Capítulo 4. Resultados teóricos de simulações

Figura 17 – Tensão na carga durante operação a 1.048 MHz sem filtro de saída.

Fonte: o Autor.

Figura 18 – Tensão na carga durante operação a 1.048 MHz com filtro de saída.

Fonte: O Autor.

4.1. OrCAD 27

Variando a frequência de operação através do parâmetro freq, foi possível observardiferentes níveis de tensão na carga. O gráfico na Figura 19 mostra estes níveis. A tensãodiminui com o aumento da frequência. A frequência foi variada de 1.065 MHz até 1.565 MHz.O conversor opera em malha aberta.

Figura 19 – Tensão de saída para distintos valores de frequência de operação do conversor.

Fonte: O Autor.

Outra varredura de frequências foi feita, desta vez com muito mais pontos, tornandoimpraticável um plot como o da Figura 19. Estes valores foram exportados para o MATLAB,onde foi possível ser desenhado na Figura 20 o módulo da função de transferência de tensão doconversor entre 1.06 MHz e 1.6 MHz de frequência de operação. Não foi possível o uso de maispontos para o plot devido a limitações de software e hardware.


Figura 20 – Relação da tensão de saída versus frequência de operação do conversor.

Fonte: O Autor.

Com o circuito do conversor na simulação operando à uma frequência de 1,5 MHz, acimada ressonância, foi possível determinar as curvas de tensão e corrente durante o acionamento daschaves para um período. A Figura 21 mostra o resultado de simulação, que pode ser comparadoao resultado teórico da figura 9. Este conjunto de curvas serve para verificação da operação emcomutação suave.

4.1. OrCAD 29

Figura 21 – Formas de onda de tensão e corrente simuladas durante operação do conversor acimada frequência de ressonância.

Fonte: O Autor.


4.2 PSIM

Através da utilização do software PSIM, pode-se realizar uma análise teórica do perfiltérmico de MOSFETs, IGBTs e diodos. Considerando os valores das características térmicasdeste componentes, uma estimativa do valor das perdas de comutação nas chaves foi obtidas.

Isto foi feito seguindo uma topologia recomendada por um tutorial fornecido pelofabricante do software. A topologia necessária é mostrada na Figura 22

Figura 22 – Esquemático do circuito no software PSIM com uso do módulo térmico.

Fonte: O Autor.

Após escolha baseada em custo e perdas no site da Digi-Key, cinco modelos de MOSFETforam escolhidos. Como as perdas dependem da topologia e condições de funcionamento, foiusada a topologia de simulação de perdas do módulo térmico do PSIM para eliminar modelospotencialmente menos eficientes. Dos cinco modelos inicialmente encontrados apenas os modelosBUK7Y12-40EX, PSMN014-40YS e PSMN8R3-40YS foram comprados. O modelo BUK7Y12-40EX da NXP Semiconductors foi o que apresentou menores perdas na simulação.

4.3. Conclusões 31

Figura 23 – Tensão de saída na carga com frequência de operação de 1.048 MHz no PSIM.

Fonte: O Autor.

Tabela 1 – Comparativo de perdas aproximadas entre MOSFETs pré-selecionados.

Modelo Perdas (W)PSMN8R3-40YS 8,61PSMN014-40YS 8,23BUK7Y12-40EX 7,96BUK9Y12-40EX 8,04BUK9Y21-40EX 9,58

Como forma de verificação das simulações, a Figura 23 apresenta o sinal de saída doconversor. Pode-se verificar que o circuito comporta-se da mesma maneira nos dois softwares.

4.3 Conclusões

As simulações realizadas puderam confirmar o funcionamento correto do conversorclasse D projetado. Nos dois softwares utilizados foi possível observar o mesmo comportamentodo sinal de tensão de saída. O OrCAD também foi utilizado para que pudesse ser comprovada aoperação em comutação suave. No PSIM, as chaves com maior eficiência foram escolhidas.

33

5 Resultados experimentais

Neste capítulo serão apresentadas as etapas de construção e teste do protótipo. O protótipoconstruído apresentou problemas durante o funcionamento pois um componente não suportavaalta frequência de operação.

5.1 Construção do protótipo

O protótipo de conversor classe D descrito no capítulo 3 foi construído para que fosseverificado seu funcionamento. Este processo foi realizado através do roteamento da placa decircuito impresso no software Altium Designer e então foram gerados fotolitos para a construçãofísica do conversor. As placas de circuito impresso foram confeccionadas pelos técnicos dolaboratório de placas do DEEL e a solda dos componentes pelo Autor. Todas as etapas deconstrução, do roteamento à montagem, estão detalhadas no Apêndice H.

5.2 Testes em bancada

A partir da construção do protótipo do conversor classe D, resultados experimentais sãoapresentados. Inicialmente, os sinais de comando ou acionamento dos MOSFETs são analisadospara a frequência 100 kHz. A medida que o valor de frequência aumenta, começam a terimportância fenômenos parasitas e limitações na comutação dos transistores.

A continuação do trabalho foi interrompida temporariamente pois o circuito de gate

driver não era capaz de operar em frequências tão altas quanto às escolhidas para o projeto doconversor. Este problema só foi percebido na etapa de testes finais com a placa. O motivo desteerro se dá pelo fato de que os datasheets de gate drivers não fornecem informações precisasquanto à frequência máxima de operação.

As Figuras de numeração 24 até 29 mostram as formas de onda durante operação docircuito de acionamento dos MOSFETs, circuito integrado modelo LM5106. O traço laranja, nocanal 1, é o sinal de saída proveniente de um kit de desenvolvimento da STMicroelectronics, oSTM32F334. O traço azul, no canal 2, é o sinal após passar pelo gate driver. Esta configuraçãode canais segue a mesma para todas estas Figuras.

Para frequências mais baixas, próximas de no máximo 250 kHz, o circuito de gate driver

funciona corretamente. Aumentando a frequência de operação, problemas não previstos pelaanálise do datasheet começam a surgir.

A Figura 25 apresenta o sinal da Figura 24 mais aproximado.

34 Capítulo 5. Resultados experimentais

Figura 24 – Operação do gate driver à 100 kHz.

Fonte: O Autor.

Figura 25 – Detalhe da borda durante operação do gate driver à 100 kHz.

Fonte: O Autor.

Os sinais nas figuras 26 e 27 mostram comutações indesejadas na saída do gate driver.Estas variações no estado de uma chave enquanto a outra estiver conduzindo, causariam adestruição delas e, consequentemente, do conversor ou parte dele.

5.2. Testes em bancada 35

Figura 26 – Operação do gate driver com bounce à 400 kHz.

Fonte: O Autor.

Figura 27 – Aproximação da operação do gate driver com bounce à 400 kHz.

Fonte: O Autor.

Operando em frequência próxima à necessária para o conversor projetado, o gate driver

não consegue reproduzir a onda de entrada. Como o LM5106 não é suficiente para o conversor,uma nova busca por gate drivers foi realizada.

Após extensa busca em sites de revendedores e fabricantes, apenas alguns modelospotencialmente capazes de atender às especificações foram encontrados. A busca envolveua leitura de centenas de datasheets procurando por evidências de limites de operação destescomponentes. Embora nenhum datasheet consultado forneça estes limites, dois em particularcitavam a possibilidade de se operar em altas frequências.

Os gate drivers escolhidos foram: MAX8552, da Maxim Integrated e ISL6612A, daIntersil. Apesar de não informarem limites de operação com exatidão, um deles citava quepoderia ser operado até 1,2 MHz e o outro até 2 MHz. Os novos gate drivers estão aguardando

36 Capítulo 5. Resultados experimentais

Figura 28 – Operação do gate driver totalmente comprometida à 1 MHz.

Fonte: o Autor.

Figura 29 – Detalhe da borda durante operação do gate driver totalmente comprometida à 1MHz.

Fonte: o Autor.

serem soldados à placa, substituindo o LM5106.

5.3 Conclusões

Foi possível perceber que o componente LM5106 não era adequado à aplicação em umcircuito de alta frequência. A razão deste problema será discutida no próximo capítulo, ondetambém serão apontadas melhorias possíveis.

37

6 Conclusões do trabalho

Apesar das dificuldades encontradas, foi possível projetar um conversor CC-CC resso-nante completo. A meta inicial, e título deste trabalho, era o projeto de um conversor CA-CC.Porém, devido à problemas que surgiram, como o do gate driver, não foi possível a incorporaçãode um transformador trabalhando em alta frequência ao circuito.

Os resultados de simulação do conversor possibilitaram prever como a tensão de saídavaria de acordo com a frequência de operação. Os resultados de simulação também foramutilizados para que os valores comerciais de componentes fossem determinados. Com todos osvalores comerciais determinados, a captura esquemática da placa do conversor, incluindo todosos componentes necessários, foi realizada.

A escolha equivocada de um gate driver tem relação direta com a dificuldade de seencontrar informações precisas quanto ao funcionamento deles em datasheets. Com muitapesquisa em sites especializados de fabricantes, fóruns de discussão, e no estoque da Digi-Key,pode-se perceber que gate drivers duais, half-bridge ou apenas high side tem sua frequência deoperação muitas vezes omitida no datasheet. Os circuitos do high side são consideravelmentemais complexos que os do low side, isto faz com que tenham a frequência de operação geralmentemenor. A complexidade maior existe pois os drivers de high side tem seu referencial de tensãoflutuante.

O projeto de um driver para o acionamento dos transistores é fundamental, principal-mente quando a frequência de comutação é elevada. Neste sentido, houve uma dificuldade deimplementação física de um driver.

Todos os outros componentes escolhidos para o circuito tiveram seus limites de operaçãochecados mais de uma vez, todos os requerimentos indicados pelos seus datasheets foramobedecidos. Alguns componentes indicavam layouts recomendados de roteamento em seusdatasheets, todos esses detalhes foram levados em consideração. Desta forma, a placa não deveráapresentar problemas devido ao roteamento nem à limites de componentes.

Espera-se que após a retirada do LM5106 e sua substituição por um dos dois novos gate

drivers adquiridos, a placa fique próxima de funcionar ou funcione corretamente. Testes serãorealizados com os dois novos componentes comprados.

6.1 Aplicações futuras

Como fontes chaveadas ressonantes podem ser dimensionadas de acordo com a entradadisponível e a saída desejada, elas podem ser aplicadas em todo tipo de alimentação ou conversão

38 Capítulo 6. Conclusões do trabalho

de energia. Fontes deste tipo podem alimentar sistema de refrigeração de potências diferentes esempre mantendo a alta eficiência.

Estes conversores podem ser aplicados a outras áreas. Como são um tipo de fontechaveada, podem ser utilizados em aplicações AC/AC, AC/DC, DC/AC e DC/DC. Isto permiteque sejam empregados, por exemplo, em circuitos de áudio profissional. Neste caso, seriamutilizadas na alimentação de amplificadores. As vantagens no campo de áudio são a alta densidadede potência, permitindo a construção de sistemas leves e a ausência de ruído presente na faixaaudível do ouvido humano (20 Hz - 20 kHz).

Na construção da placa deste trabalho, foi empregada uma topologia sem transformador.Isto resultou em conversor DC/DC ao invés de um AC/DC como proposto. Como trabalho futuro,o circuito poderá ser aprimorado.

Estes aprimoramentos incluem:

• Inclusão de um transformador operando em alta frequência entre o inversor e o retificador,como mostrado na Figura 30.

• Roteamento da placa refeito depois de comprovado o seu funcionamento. O roteamentoinicial da placa é muito prejudicado pelos pontos de teste. Um novo roteamento sendofeito após todas as correções na placa melhoraria o resultado final.

• Finalizar a montagem utilizando um novo circuito de gate driver.

• Projetar e implementar o controle em malha fechada do conversor.

• Após testes de eficiência nos componentes do circuito, determinar os responsáveis pelasmaiores perdas energéticas e substituí-los. Esta etapa pode ser auxiliada pelo uso de umacâmera térmica e a observação da dissipação de calor pela placa.

Figura 30 – Exemplo de ligação de transformador no conversor meia-ponte.

Fonte: (KAZIMIERCZUK; CZARKOWSKI, 2011)

39

Referências

BUIST, R. J. Calculation of peltier device performance. In: PRESS, C. (Ed.). CRC Handbook ofThermoelectrics. 1. ed. [S.l.]: D.M. Rowe, 1995. cap. 14. Citado na página 4.

ENCYCLOPAEDIA BRITANNICA. Peltier Effect. 2016. Disponível em: <http://global.britannica.com/science/Peltier-effect>. Citado 2 vezes nas páginas 3 e 16.

Hebei I.T. (Shanghai) Co., Ltd . Thermoelectric Cooler TEC1-12708. [S.l.], 2016. Datasheet[Rev 2.03]. Citado 3 vezes nas páginas 4, 13 e 16.

HENDERSON, J.; REX, D. About Wine. 2. ed. [S.l.]: Cengage Learning, 2011. 688 p. Citadona página 3.

KAZIMIERCZUK, M. K.; CZARKOWSKI, D. Resonant Power Converters. 2. ed. [S.l.]: JohnWiley & Sons, 2011. 632 p. Citado 10 vezes nas páginas 7, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 19 e 38.

PELTIER MODULES. Peltier Modules. 2015. Disponível em: <http://peltiermodules.com>.Citado na página 17.

VISHAY. Low Profile, High Current IHLP® Inductors. [S.l.], 2015. IHLP-4040DZ-8A series.Citado 2 vezes nas páginas 21 e 22.

http://global.britannica.com/science/Peltier-effect

http://global.britannica.com/science/Peltier-effect

http://peltiermodules.com

Apêndices

mês/ano

Revisão de literatura

Pré‐projeto e cronograma

Protótipo de conversor

Conversor definitivo

Montagem e depuração

Controle do conversor

Escrita da monografia

Atividades em regime normal Quinzena da pré‐banca

Andamento das atividades prejudicado pela greve Quinzena da entrega das cópias da monografia

Quinzena das defesas de monografia

jun/15 jul/15 ago/15 set/15jan/15 fev/15 mar/15 abr/15 mai/15 out/15 nov/15 dez/15 jan/16 fev/16

41

APÊNDICE A – Cronograma

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CAP CER0.012UF50V 10%X7R 0805

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3 10 49083041ND

CAP CER0.82UF 25V10% X7R0805

10Immediate 0 0.28800 $2.88

4 5 54113711ND

FIXED IND1UH 18A

5.78 MOHMSMD

5Immediate 0 1.60000 $8.00

5 5 A105593NDRES 10.0OHM 17W5% AXIAL

5Immediate 0 1.37000 $6.85

6 10 NSR0340HT1GOSCTND

DIODESCHOTTKY40V 250MASOD323

10Immediate 0 0.23400 $2.34

7 10 56867491ND

DIODESCHOTTKY40V 3A

SOD123W

10Immediate 0 0.37100 $3.71

8 10 NTMFS4C10NT1GOSCTND

MOSFET NCH 30V

8.2A SO8FL

10Immediate 0 0.40500 $4.05

9 10 SRU1048100YCTNDFIXED IND10UH 4.5A18.5 MOHM

10Immediate 0 0.75000 $7.50

10 10 AIUR06560KND

FIXED IND56UH 2.7A75 MOHM

TH

10Immediate 0 0.77000 $7.70

42

APÊNDICE B – Pedido na Digi-Key

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1 3 541-2274-1-NDFIXED IND470NH 30A1.66 MOHM

INDUTOR RESONANTE 3Immediate 0 2.18000 $6.54

2 3 LM5106MM/NOPBCT-ND

IC DVR HALF-BRIDGE HV 10-

MSOPGATE DRIVER 3

Immediate 0 1.75000 $5.25

3 3 399-10973-1-NDFIXED IND1.3UH 18.5A2.3 MOHM

INDUTOR FILTRO 3Immediate 0 0.99000 $2.97

4 3 399-1802-1-NDCAP CER

0.056UF 100VX7R 1206

CAP RESONANTE 3Immediate 0 0.40000 $1.20

5 3 490-10755-1-ND CAP CER 22UF25V X5R 1206 CAP FILTRO 3

Immediate 0 0.50000 $1.50

6 12 SBRT25U60SLP-13DICT-ND

DIODE SBR60V 25A

POWERDI5060-8

DIODOS 12Immediate 0 0.86600 $10.39

7 12 568-10261-1-ND MOSFET N-CH40V 52A LFPAK

12Immediate 0 0.66300 $7.96

8 2 568-5578-1-ND MOSFET N-CH40V LFPAK

2Immediate 0 0.59000 $1.18

9 2 568-4903-1-ND MOSFET N-CH40V 70A LFPAK

2Immediate 0 0.76000 $1.52

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43

APÊNDICE C – Pedido na Digi-Key

44

APÊNDICE D – Otimizador classe E

1 v = [ 1 1 . 2 1 . 5 1 . 8 2 . 2 2 . 7 3 . 3 3 . 9 4 . 7 5 . 6 6 . 8 8 . 2 ] ;2 l v = l e n g t h ( v ) ;3 melhor = 31337 ;4 Vi = 5 ;5 PRi = 9 ;6 Ri = 8* Vi ^ 2 / ( ( p i ^2 + 4)* PRi ) ;7 RL = 9 ;8 ph = a s i n ( s q r t ( Ri / ( 2 * RL ) ) ) ;9 syms Ds

10 eq1 = t a n ( ph ) == (1− cos (2* p i *Ds ) ) / ( 2 * p i *(1−Ds )+ s i n (2* p i *Ds ) ) ;11 D = do ub l e ( v p a s o l v e ( eq1 , Ds , 0 . 5 ) ) ;12 f o r f = 600 e3 : 1 e3 : 3 e613 f o r Q = 5 : 0 . 0 1 : 1 014 L = Q* Ri / ( 2 * p i * f ) ;15 C1 = 8 / ( p i * ( p i ^2+4)* (2* p i * f )* Ri ) ;16 Cinv = 1 / ( 2 * p i * f * Ri * (Q− [ .0625* p i * ( p i * pi − 4 ) ] ) ) ;17 C r e t = ( ( s i n ( ph ) ^ 2 ) / p i )*(1−2* p i * p i *(1−D)*(1−D)−18 cos (2* p i *D) + ( 2 * p i *(1−D)+ s i n (2* p i *D ) ) / t a n ( ph ) ) / ( 2 * p i * f * Ri ) ;19 Ci = p i * C r e t * [ p i *(1−D) + s i n (2* p i *D) −20 . 2 5 * cos (2* ph )* s i n (4* p i *D) − . 5 * s i n (2* ph )* s i n (2* p i *D)^2 −21 2* p i *(1−D)* s i n ( ph )* s i n (2* p i *D−ph ) ] ^ ( −1 ) ;22 Cx = ( Cinv * Ci ) / ( Ci−Cinv ) ;23 mnt = @( x ) x / 1 0 ^ f l o o r ( log10 ( x ) ) ;24 L = mnt ( L ) ;25 C1 = mnt ( C1 ) ;26 C r e t = mnt ( C r e t ) ;27 Lp = L / 1 ;28 i f Lp < 129 Lp = 1 / Lp ;30 end31 Lcom = 1 ;32 e r r o = Lp ;3334 C r e t p = C r e t . / v ;35 f o r i = 1 : l v

45

36 i f C r e t p ( i ) < 137 C r e t p ( i ) = 1 / C r e t p ( i ) ;38 end39 end40 [ Cretcom , iCre t com ] = min ( C r e t p ) ;41 e r r o = e r r o * Cretcom ;42 Cretcom = v ( iCre t com ) ;4344 Cxp = Cx . / v ;45 f o r i = 1 : l v46 i f Cxp ( i ) < 147 Cxp ( i ) = 1 / Cxp ( i ) ;48 end49 end50 [ Cxcom , iCxcom ] = min ( Cxp ) ;51 e r r o = e r r o *Cxcom ;52 Cxcom = v ( iCxcom ) ;5354 C1p = C1 . / v ;55 f o r i = 1 : l v56 i f C1p ( i ) < 157 C1p ( i ) = 1 / C1p ( i ) ;58 end59 end60 [ C1com , iC1com ] = min ( C1p ) ;61 e r r o = e r r o *C1com ;62 C1com = v ( iC1com ) ;6364 i f e r r o < melhor65 d i s p ( ’ Novo v a l o r e n c o n t r a d o ’ ) ;66 melhor = e r r o67 f68 Q69 end70 end71 end

46

APÊNDICE E – Código em MATLABpara conversor classe E

1 Vi = 5 ;2 PRi = 9 ;3 f = 2 .224 e6 ;4 w = 2* p i * f ;5 QL = 8 . 7 5 ;6 Vout = 9 ;7 I o u t = 1 ;8 r i p p l e = 0 . 1 ;9 RL = 9 ;

10 Ri = ( ( 8 / ( p i ^ 2+4) ) * Vi ^ 2 ) / PRi ;11 ph = a s i n ( s q r t ( Ri / ( 2 * RL ) ) ) ;12 syms Ds13 eq1 = t a n ( ph ) == (1− cos (2* p i *Ds ) ) / ( 2 * p i *(1−Ds )+ s i n (2* p i *Ds ) ) ;14 D = do ub l e ( v p a s o l v e ( eq1 , Ds , 0 . 5 ) ) ;15 C r e t = ( ( s i n ( ph ) ^ 2 ) / p i )*(1−2* p i * p i *(1−D)*(1−D)− cos (2* p i *D)+16 (2* p i *(1−D)+ s i n (2* p i *D ) ) / t a n ( ph ) ) / ( w* Ri ) ;17 Ci = p i * C r e t * [ p i *(1−D) + s i n (2* p i *D) −18 . 2 5 * cos (2* ph )* s i n (4* p i *D)− . 5 * s i n (2* ph )* s i n (2* p i *D)^2 −19 2* p i *(1−D)* s i n ( ph )* s i n (2* p i *D−ph ) ] ^ ( −1 ) ;20 Cinv = 1 / (w* Ri * (QL− [ .0625* p i * ( p i * pi − 4 ) ] ) ) ;21 Cx = ( Cinv * Ci ) / ( Ci−Cinv ) ;22 Lf2 = (1−D)* Vout / ( r i p p l e * f * I o u t ) ; Lf2 = 1 . 2 5 * Lf2 ;23 Cf = 25 / ( p i ^2 * f ^2 * Lf2 ) ;

47

APÊNDICE F – Código em MATLABpara conversor classe D

1 VI = 3 0 ;2 VO = 1 5 ;3 IOmax = 1 0 ;4 RLmin = VO/ IOmax ;5 f = 1048 e3 ;6 f0 = 980 .98 e3 ;7 w0 = 2* p i * f0 ;8 p i 2 = p i ^ 2 ;9 n t r = 1 ;

10 VF = 0 . 7 ;11 RF = 0 . 1 ;12 rDS = 0 . 0 5 ;13 rL = 1 . 6 6 e−3;14 rC = 5e−3;15 nI = 0 . 9 2 ;16 IOmax = VO/ RLmin ;17 POmax = VO*IOmax ;18 Ri = ( ( 2 * RLmin ) / ( p i 2 * n t r ) ) * ( 1 + ( ( 2 * VF ) / ( VO) ) + ( ( p i 2 *RF ) / ( 2 * RLmin ) )19 + ( ( rC / RLmin ) * ( ( p i 2 / 4 ) −1 ) ) ) ;20 nR = n t r / ( 1 + ( ( 2 * VF ) / ( VO) ) + ( ( p i 2 *RF ) / ( 2 * RLmin ) ) +21 ( ( rC / RLmin ) * ( ( p i 2 / 4 ) −1 ) ) ) ;22 MVR = ( p i * n t r ) / ( s q r t ( 2 ) * ( 1 + ( ( 2 * VF ) / ( VO) ) + ( ( p i 2 *RF ) / ( 2 * RLmin ) ) +23 ( ( rC / RLmin ) * ( ( p i 2 / 4 ) −1 ) ) ) ) ;24 IDM = p i *IOmax ;25 VDM = VO;26 MV = VO/ VI ;27 MVs = s q r t ( 2 ) / p i ;28 MVr = MV/ ( MVs*MVR) ;29 f f 0 = f / f0 ;30 QL = s q r t ( ( ( ( n I ^ 2 ) / ( MVr^ 2 ) ) −1 ) ) / abs ( f f 0 − (1/ f f 0 ) )31 R = Ri / n I ;32 L = (QL*R ) / w033 C = 1 / ( w0*QL*R)

48

APÊNDICE G – Construção doconversor Classe E

Este apêndice contém as etapas necessárias para a construção do protótipo de conversorclasse E desde que todos os valores de componentes que irão ser utilizados sejam conhecidos.

G.1 Captura esquemática

Utilizando o software Altium Designer, foi feita a captura esquemática da placa. Oesquema elétrico resultante está presenta na Figura 31

Figura 31 – Esquemático do circuito do protótipo no Altium.

Fonte: O Autor.

G.2 Roteamento da placa

Em seguida, a placa de circuito impresso foi roteada no mesmo programa. As Figuras 32e 33 mostram o resultado.

G.2. Roteamento da placa 49

Figura 32 – Placa do protótipo roteada no Altium.

Fonte: O Autor.

Figura 33 – Projeção 3D da placa do protótipo.

Fonte: O Autor.

G.3. Construção 50

G.3 Construção

Na Figura 34 temos o resultado da confecção da placa de circuito impresso à partir doroteamento previamente realizado.

Figura 34 – Placa de circuito impresso confeccionada.

Fonte: O Autor.

Finalmente, a placa teve seus componentes soldados e o resultado pode ser visto naFigura 35.

Figura 35 – Placa de circuito impresso com componentes soldados.

Fonte: O Autor.

51

APÊNDICE H – Construção doconversor classe D

Este apêndice contém o processo de construção do conversor classe D. As etapas neces-sárias para o dimensionamento dos componentes estão presentes no capítulo 3.

H.1 Captura esquemática

Na Figura 36 pode-se observar os conectores na parte superior do esquema elétricodo circuito do conversor. O conector P1 será utilizado para a tensão de entrada de 30 V noinversor do circuito do conversor. P2 é a saída de tensão da placa aonde será conectado o módulotermoelétrico. O conector F1 será a interface de conexão entre esta placa e a de controle que estásendo desenvolvida pelo aluno Filipe Jacinto Caetano.

O pino +12V é uma entrada de tensão de 12 V disponibilizada pela placa de controle,esta tensão alimenta o circuito de gate driver. EN é o sinal de enable e é ligado à uma dasportas de saída do microcontrolador, ele pode ser usado para ligar ou desligar o gate driver e,consequentemente, o conversor. PWM é a onda quadrada utilizada para o acionamento das chavesdo conversor, este sinal aciona o gate driver, que gera ondas com um deslocamento de fase de180 graus entre elas. Vout é uma derivação do sinal de saída para o módulo termoelétrico, estesinal passa por um divisor de tensão e um diodo zener limitador para que nunca tenha seu valormaior que 3,3 V, isso é necessário como proteção às entradas do microcontrolador localizado naplaca de controle.

Figura 36 – Esquema elétrico do circuito construído no software Altium incluindo conexões,pontos de teste e componentes.

Fonte: O Autor.

H.2. Roteamento da placa 52

H.2 Roteamento da placa

Após todos os componentes terem seus footprints configurados corretamente no Altium,o resultado do roteamento pode ser observado nas figuras 37 e 38.

Figura 37 – Roteamento da placa de circuito impresso do conversor.

Fonte: O Autor.

Uma ferramenta poderosa dentro do software é a projeção 3D. Em alguns casos, comoplacas com altura limitada, é útil na visualização de violações de regras determinadas pelousuário. O conversor não tinha restrições de tamanho ou altura, mas a prévia em 3D fornece umaidéia de como a placa ficará depois de pronta.

Figura 38 – Projeção 3D da placa de circuito impresso do conversor.

Fonte: O Autor.

H.3. Placa de circuito impresso 53

H.3 Placa de circuito impresso

O processo de confecção da placa de circuito impresso pode ser dividido em três partes:fotolito, corrosão e solda.

A primeira parte consiste na transferência do desenho das trilhas e furos do roteamentopara uma placa de circuito. A geração, impressão e transferência do fotolito para a placa énecessária quando a placa é fabricada pelo processo de corrosão utilizando percloreto de ferro. Oprocesso de impressão dos fotolitos foi feito em transparências de acetato e inclui os desenhosdas trilhas, furos de componentes PTH e máscara de solda.

A corrosão foi feita pelos técnicos de laboratório do DEEL, este serviço foi inteiramenterealizado sem supervisão. O processo consiste na transferência das imagens dos fotolitos para asplacas, a corrosão do cobre não protegido pela tinta e a furação de acordo com o mapa de furosfornecidos.

A montagem da placa e solda dos componentes foi realizada pelo Autor. Os materiasnecessários foram cedidos pela empresa RTN Engenharia.

H.3.1 Fotolito

A imagem gerada para impressão em transparência das trilhas do circuito deve ter suacor invertida e ser espelhada, este método faz com que a tinta da impressão do fotolito entre emcontato diretamente com o cobre da placa de circuito, evitando efeitos indesejáveis causadospela luz atravessando o acetato da transparência se a imagem for gerada desta forma. A Figura39 mostra o fotolito gerado da maneira correta.

Figura 39 – Fotolito das trilhas do circuito e footprints de componentes.

Fonte: O Autor.

Ao ser transferido para a placa, o fotolito invertido das trilhas é invertido novamente,imprimindo as trilhas no sentido correto. Sendo assim, os outros fotolitos necessários não sofreminversão nem espelhamento. Uma máscara de solda aplicada à placa facilita a etapa de solda dos


componentes restringindo a área de metal exposto. Esta máscara, exibida na figura 40, é aplicadaà placa após sua corrosão.

Figura 40 – Fotolito da máscara de solda à ser aplicada.

Fonte: O Autor.

O último fotolito necessário, presente na Figura 41, é o mapa de furos da placa, queindica os furos necessários para componentes PTH e parafusos de fixação mecânica da placa.Como o processo de fabricação de placas do DEEL não permite deposição metálica nas vias,vários furos adicionais são feitos para que o terra em ambos os lados da placa seja conectado.

Figura 41 – Fotolito do mapa de furação de componentes e parafusos.

Fonte: O Autor.

H.3.2 Corrosão

A corrosão da placa, aplicação da máscara de solda e furação deu resultado às placasprontas para serem utilizadas exibidas na Figura 42. Três placas foram encomendadas comomargem de segurança.


Figura 42 – Placas de circuito impresso finalizadas com máscara de solda e furos.

Fonte: O Autor.

H.3.3 Solda

O processo de montagem foi realizado em duas partes. Primeiramente, apenas o circuitointegrado de gate driver foi soldado, como mostrado na Figura 43. Este componente foi inseridona placa com o auxílio do Prof. Dr. Marcelo Carvalho Tosin. Parte da montagem após esta etapatambém foi realizada nas instalações de seu laboratório.

Figura 43 – Placa de circuito após solda do primeiro componente.

Fonte: O Autor.

A maior parte dos componentes foi inserida e soldada, como mostra a Figura 44. Apenas

56 APÊNDICE H. Construção do conversor classe D

os transistores e indutor do circuito ressonante foram deixados de fora. O motivo destes compo-nentes não serem soldados é o isolamento elétrico do circuito de gate driver do resto para queele seja testado individualmente.

Figura 44 – Placa montada com a maioria dos componentes.

Fonte: O Autor.

Todos os pontos de teste e conectores também foram soldados à placa. Os pontos de testesão utilizados para verificação do circuito em funcionamento em diferentes locais com facilidadee segurança. O lado inferior da placa pode ser observado na Figura 45.

Figura 45 – Placa de circuito impresso finalizada com máscara de solda e furos.

Fonte: O Autor.

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