O conversor de reforço de tensão de corrente contínua desenvolvido pela Universidade de Kobe reduziu muito o ruído eletromagnético e uma alta eficiência energética de mais de 91 por cento, o que é sem precedentes para um drive de MHz com relação multiplicadora de alta tensão. Essa proporção também é mais de 1,5 vezes maior que os projetos existentes. Crédito: Mishima Tomokazu
Um novo projeto de conversor de energia elétrica desenvolvido pela Universidade de Kobe oferece eficiência significativamente melhorada a um custo reduzido e menor manutenção. Este conversor de reforço de tensão de corrente contínua deverá causar um impacto substancial no desenvolvimento de componentes elétricos e eletrônicos em vários setores, incluindo geração de energia, saúde, mobilidade e tecnologia da informação.
Dispositivos que captam energia da luz solar ou de vibrações, ou alimentam dispositivos médicos ou carros movidos a hidrogênio, têm um componente-chave em comum. Este chamado “conversor boost” converte a entrada de corrente contínua de baixa tensão em saída de corrente contínua de alta tensão. Por ser um componente tão onipresente e fundamental, é desejável que ele utilize o mínimo de peças possível para reduzir manutenção e custos e ao mesmo tempo que opere com a maior eficiência possível sem gerar ruído eletromagnético ou calor. O principal princípio de funcionamento dos conversores boost é mudar rapidamente entre dois estados em um circuito, um que armazena energia e outro que a libera. Quanto mais rápida for a comutação, menores poderão ser os componentes e, portanto, todo o dispositivo poderá ser reduzido. No entanto, isto também aumenta o ruído eletromagnético e a produção de calor, o que deteriora o desempenho do conversor de energia.
A equipe do pesquisador de eletrônica de potência da Universidade de Kobe, Mishima Tomokazu, fez progressos significativos no desenvolvimento de um novo circuito de conversão de energia de corrente contínua. Eles conseguiram combinar a comutação de alta frequência (cerca de 10 vezes maior do que antes) com uma técnica que reduz o ruído eletromagnético e as perdas de energia devido à dissipação de calor, chamada “comutação suave”, ao mesmo tempo que reduz o número de componentes e, portanto, mantém o custo e complexidade baixa.
A equipe da Universidade de Kobe apresentou um novo projeto de circuito que utiliza circuitos de “tanque ressonante” que podem armazenar energia durante o período de comutação e, portanto, apresentam perdas muito menores. Além disso, eles usam um design que economiza componentes com componentes planos impressos em uma placa de circuito, chamada de “transformador planar”, que é muito compacto e tem boa eficiência e desempenho térmico. Crédito: Mishima Tomokazu
“Quando o circuito muda entre dois estados, há um breve período em que a chave não está completamente fechada e, nesse ponto, há uma tensão e uma corrente na chave. Isso significa que durante esse tempo a chave atua como um resistor e, portanto, dissipa o calor. Quanto mais frequentemente o estado de uma chave muda, mais ocorre essa dissipação. A comutação suave é uma técnica que garante que as transições de comutação ocorram em tensão zero, minimizando assim a perda de calor”, explica o Dr. Tradicionalmente, isto tem sido conseguido através de “snubbers”, componentes que oferecem sumidouros de energia alternativos durante o período de transição, o que subsequentemente leva a perdas de energia.
Publicação e Desenvolvimento de Protótipo
A equipe da Universidade de Kobe apresentou seu novo projeto de circuito e sua avaliação na revista Transações IEEE em Eletrônica de Potência. A chave para isso é o uso de circuitos de “tanque ressonante” que podem armazenar energia durante o período de comutação e, portanto, ter perdas muito menores. Além disso, eles usam um design que economiza componentes com componentes planos impressos em uma placa de circuito, chamada de “transformador planar”, que é muito compacto e tem boa eficiência e desempenho térmico.
Mishima e seus colegas também construíram um protótipo do circuito e mediram seu desempenho. “Confirmamos que nosso design sem amortecedor reduziu muito o ruído eletromagnético e uma alta eficiência energética de até 91,3%, o que é sem precedentes para um drive de MHz com taxa de conversão de alta tensão. Essa proporção também é mais de 1,5 vezes maior do que os projetos existentes.” No entanto, eles querem aumentar ainda mais a eficiência, reduzindo a dissipação de energia dos componentes magnéticos utilizados.
Considerando a onipresença dos dispositivos elétricos em nossa sociedade, a operação de alta eficiência e baixo ruído de fontes de alimentação de corrente contínua com uma relação multiplicadora de alta tensão é extremamente importante. Este desenvolvimento da Universidade de Kobe será de grande relevância para aplicações em energia elétrica, energia renovável, transporte, informação e telecomunicações e cuidados médicos. Mishima explica seus planos para o futuro, dizendo: “O desenvolvimento atual é um protótipo de pequena capacidade da classe 100W, mas pretendemos expandir a capacidade de energia para uma capacidade maior da classe kW no futuro, melhorando a placa de circuito eletrônico e outros componentes. ”
Referência: “Conversor DC-DC multiressonante alimentado por corrente sem Snubberless acionado por MHz” por Tomokazu Mishima, Shiqiang Liu, Ryotaro Taguchi e Ching-Ming Lai, 21 de março de 2024, IEEE Transactions on Power Electronics.
DOI: 10.1109/TPEL.2024.3380069
Esta pesquisa foi conduzida em colaboração com pesquisadores da Universidade Nacional Chung Hsing.
