Optimization of LLC resonant converters - Gomes, Fábio André Morais (2022)
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 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.