Design methodology and optimization of integrated common-mode and differential-mode inductors for power drive system input filters

Abstract

Sistemas de acionamento de potência baseados em dispositivos de banda larga desempe-nham um papel essencial na eletrificação das indústrias de transporte. No entanto, sua implementação enfrenta muitos desafios que devem ser considerados durante o projeto, especialmente em relação à qualidade da energia no lado da rede/carga e à interferência eletromagnética (EMI). Nesse sentido, os filtros de entrada dos sistemas de acionamento de potência devem ser cuidadosamente projetados para atender aos padrões de níveis de ruído e serem otimizados em termos de peso e perdas para reduzir as emissões. Indutores são geralmente os componentes que têm o maior impacto nas perdas e no peso dos filtros de EMI e qualidade de energia. Filtros de entrada compreendem um indutor de modo comum (CM) e um indutor de modo diferencial (DM) para reduzir as emissões conduzidas e garantir a estabilidade da rede e a qualidade da energia. Este trabalho propõe um indutor integrado de CM e DM (ou indutor de Modo Duplo, Dual-Mode em inglês) para reduzir o peso e as perdas gerais do filtro de entrada de um sistema de acionamento de potência. A topologia proposta consiste em um indutor de CM baseado em material nanocristalino, com dois blocos de pó de ferro nas laterais para servir como um caminho alternativo para o fluxo de dispersão. Na primeira parte deste trabalho, é desenvolvido um modelo analítico preciso para o indutor de Modo Duplo, validado por simulações de método de elementos finitos tridimensionais e resultados experimentais. Em seguida, a metodologia de projeto e a rotina de otimização são apresentadas e os resultados são comparados aos de indutores discretos de CM e DM, mostrando uma redução de 20% no peso e 14% nas perdas. Por fim, um protótipo do indutor de Modo Duplo foi produzido e comparado a uma solução discreta otimizada para a mesma aplicação para validar os resultados da otimização e mostrar que a arquitetura proposta é viável para filtros de entrada.