Conversor c.a.-c.c. isolado de 500W com correção de fator de potência para aplicações aeronáuticas
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Porfirio Cabaleiro Cortizo
Gabriel Azevedo Fogli
Thiago Ribeiro de Oliveira
Gabriel Azevedo Fogli
Thiago Ribeiro de Oliveira
Resumo
O impacto ambiental do transporte aéreo no mundo tem levado a indústria aeronáutica a investir cada vez mais na eletrificação de aeronaves. Nesse contexto, alto rendimento e elevada densidade de potência são requisitos cruciais para tais sistemas, pois influenciam diretamente o consumo de combustível e, consequentemente, as emissões de gases de efeito estufa. Este trabalho apresenta a metodologia utilizada para o projeto preciso de um conversor c.a.-c.c. isolado de 500W para aplicações em aeronaves. Com esta finalidade, dois principais tópicos são abordados: análise e medição de perdas em semicondutores, as quais possuem uma influência significativa no rendimento de um conversor; e otimização de dispositivos magnéticos, os quais influenciam principalmente a sua densidade de potência. O nível de rendimento exigido para o conversor proposto requer o uso de semicondutores de banda larga. Por esse motivo, é fornecida uma análise detalhada de seus mecanismos de perda, bem como comparações entre métodos de caracterização dinâmica de semicondutores. Além disso, um transformador planar é utilizado para fornecer isolamento com um alto nível de integração. As topologias "Dual-Interleaved Totem-Pole" e "Dual-Active Bridge" foram escolhidas, respectivamente, para as etapas de correção de fator de potência e isolamento galvânico. São fornecidos os resultados de um projeto preliminar (com base em fichas técnicas dos fabricantes de dispositivos), juntamente com os obtidos por meio de caracterizações experimentais dos dispositivos. O conversor foi implementado experimentalmente e alguns resultados são apresentados com o intuito de avaliar a metodologia de projeto proposta.
Abstract
The environmental impact of air transportation in the world has led the aviation industry to invest more and more in aircraft electrification. In this context, high-efficiency and high power density are crucial requirements for aircraft electrical systems, since they directly influence fuel consumption and consequently greenhouse gas emissions. This work presents the methodology used for an accurate design of an isolated 500W ac-dc converter for aircraft purposes. With this aim, two main topics are addressed: analysis and measurement of semiconductor losses, which have a major influence on the converter efficiency; and optimization of magnetic devices, which mostly impacts the converter power density. The rated level of efficiency for the proposed converter requires the use of wide bandgap semiconductors. For this reason, a deep analysis on their losses mechanisms is provided, as well as the comparisons between semiconductor dynamic characterisation methods. Moreover, a planar transformer is used to provide the isolation associated with a high level of integration. The topologies Dual-Interleaved Totem-Pole and Dual-Active-Bridge were chosen respectively for power factor correction and galvanic isolation stages. The results of a preliminary design (based on manufacturer datasheets) are provided, together with ones obtained through the experimental characterisation of the devices. This converter has been experimentally implemented and some results are presented in order to evaluate the design.
Assunto
Engenharia elétrica, Indústria aeronáutica, Otimização, Conversores, Semicondutores, Aeronaves, Efeito estufa (Atmosfera) - Aspectos ambientais, Internet
Palavras-chave
Conversores chaveados, Aplicações aeronáuticas, Semicondutores de banda larga, Transformador planar, SiC, GaN, Métodos de caracterização dinâmica, Otimização