Estudo de conversores otimizados com chaves de silício e carbeto de silício aplicados a UPS através de uma ferramenta computacional
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
Título alternativo
Study of optimized converters with silicon and silicon carbide switches applied to UPS through a computational tool
Primeiro orientador
Membros da banca
Gabriel Azevedo Fogli
Porfírio Cabaleiro Cortizo
Bernardo Cogo França
Porfírio Cabaleiro Cortizo
Bernardo Cogo França
Resumo
As fontes de energia ininterruptas (UPS, Uninterruptible Power Supply) são dispositivos que garantem o fornecimento contínuo de energia elétrica a cargas críticas, protegendo-as contra anomalias da rede elétrica. As UPSs são comumente baseadas na tecnologia de semicondutores IGBT de silício (Si, Silicon) e devem ter seu projeto otimizado, principalmente no aspecto de custo e volume, visando garantir a competitividade comercial do produto. Para alcançar maior eficiência e melhor qualidade de energia, as topologias de três níveis se tornaram uma das principais alternativas nos projetos de conversores que compõem a UPS, em substituição às topologias tradicionais de dois níveis. Graças às perdas de comutação significativamente reduzidas dos semicondutores de carbeto de silício (SiC, Silicon Carbide), uma solução de UPS baseada em chaves SiC se torna atrativa como alternativa à melhoria do desempenho da UPS em detrimento da utilização das topologias de três níveis, que dependem de maior quantidade de componentes na composição do conversor. Este trabalho apresenta uma análise multiobjetiva de inversores otimizados, utilizando uma ferramenta computacional, para aplicações em UPS. É apresentado um estudo de caso comparativo de um inversor trifásico de 10 kW baseado em chaves de Si, nas topologias de dois níveis e de três níveis, e baseado em chaves SiC com topologia de dois níveis. Foram comparados diferentes indicadores qualitativos de desempenho para definição do projeto otimizado do conversor com melhor compromisso de densidade de potência, rendimento e custo.
Abstract
Uninterruptible Power Supplies (UPS) are devices that guarantee the continuous supply of electrical power to critical loads, protecting them against power grid anomalies. UPSs are commonly based on silicon (Si) IGBT semiconductor technology and must have their design optimized, especially in terms of cost and volume, in order to ensure the product’s commercial competitiveness. To achieve higher efficiency and better power quality, 3- level topologies have become one of the main alternatives in the converter designs that make up UPS, replacing traditional 2-level topologies. Due to the significantly reduced switching losses of silicon carbide (SiC) semiconductors, a UPS solution based on SiC switches becomes attractive as an alternative to improving UPS performance over the use of 3-level topologies, which use a greater number of components in the converter composition. This work presents a multiobjective analysis of optimized inverters, using a computational tool, for UPS applications. A comparative case study of a 10kW threephase inverter is presented with 2-level and 3-level Si-based topologies, and a 2-level SiC-based topology. Different qualitative performance indicators were compared to define the optimized converter design with the best compromise of power density, efficiency, and cost.
Assunto
Engenharia elétrica, Carbeto de silício, Otimização, Inversores elétricos, Energia elétrica, Computadores
Palavras-chave
UPS, Carbeto de silício, Otimização, Ferramenta computacional, Inversores
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