Modelagem de transformadores e indutores para conversores de energia chaveados

Abstract

Resumo: A conversão de energia é essencial para o uso de todos os aparelhos eletrônicos utilizados atualmente. Ao longo dos últimos anos, várias topologias de fontes chaveadas foram desenvolvidas de modo a se ter equipamentos cada vez mais compactos e eficientes. Indutores e transformadores, que são componentes essenciais utilizados em conversores, se encontram operando em frequências cada vez mais elevadas. Entretanto, o comportamento desses em altas frequências apresenta um grande desafio, uma vez que eles comprometem diretamente o rendimento do conversor através da dissipação de energia devido a perdas no condutores e acoplamento magnéticos parasitas nas bobinas. Poder prever o comportamento da impedância de transformadores em termos de magnitude e fase em função da frequência é essencial para se poder compreender, não só as limitações de rendimento do projeto, bem como atenuar as ações de efeitos parasitas intrínsecos. Por isso, o presente trabalho tem como principal objetivo apresentar um modelo equivalente para e indutores e transformadores levando em conta efeitos dispersivos presentes em suas bobinas. Para se alcançar tal objetivo, foram levantadas as equações quantitativas dos efeitos parasitas presentes em transformadores e indutores operando em altas frequências, apresentação das metodologias de modelagem presentes na literatura e análises comparativas entre os modelos apresentados e medidas realizadas em laboratório. A partir dos métodos considerados vantajosos, uma nova metodologia foi proposta para se modelar os enrolamentos de transformadores e indutores utilizando apenas componentes passivos. Os resultados mostraram que a nova metodologia, apesar se apresentar discrepâncias em relação a medidas em faixas limitadas no domínio da frequência, apresenta uma taxa de convergência global superior aos modelos encontrados na literatura. Palavras-chave: Modelagem em altas frequências, Efeitos dispersivos, Medidas elétricas, elementos passivos, Conversores chaveados, Transformadores, Indutores.

Abstract: Energy conversion is essential for the use of all electronic devices in nowadays. Over the last few years, several switched mode power supplies topologies have been developed aiming completeness and efficiency. Thereby, inductors and transformers, which are essential components used in power converters, are operating at ever higher frequencies. However, the behavior of these at high frequencies presents a great challenge, since they directly compromise the performance of the converter through the dissipation of energy due to losses in the conductors and parasitic magnetic coupling in the coils. Being able to predict the impedance behavior of transformers in terms of magnitude and phase as a function of frequency is essential to be able to understand not only performance limitations of the project, but also to attenuate the actions of intrinsic parasitic effects. Therefore, the main objective of this work is to present an equivalent model for in inductors and transformers effects present in its windings . To achieve this objective, the quantitative analysis of the parasitic effects presents in transformers and inductors operating at high frequencies was presented, modeling methodologies present in the literature and a comparative analyses of those and laboratory measurements were raised. From the methods considered advantageous, a new methodology was proposed to model the windings of transformers and inductors using only passive components. The results showed that the new methodology, despite presenting discrepancies with measures in limited frequency ranges, presents a higher overall convergence rate than the models found in the literature. Keywords: High frequency modeling, Dispersive effects, Electrical measurements, passive elements, Switched mode power converters, Transformers.