Projeto de elementos magnéticos planares utilizados em fontes de alimentação chaveadas visando a redução das perdas de energia

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia ElétricaEste trabalho aborda o estudo de transformadores e indutores planares bem como apresenta o desenvolvimento de uma metodologia para projeto destes elementos magnéticos, os quais são utilizados em fontes de alimentação que operam em comutação sob freqüência elevada (de 50 kHz a 100 kHz). O estudo engloba desde os materiais utilizados na confecção de um elemento magnético até seu projeto e otimização. É realizada uma análise dos efeitos devidos à operação em alta freqüência. Entre estes efeitos, destacam-se as perdas no núcleo e nos enrolamentos, as indutâncias de dispersão e a capacitância entre enrolamentos. Para análise das perdas no núcleo e nos enrolamentos, foi desenvolvida uma bancada experimental, composta por um circuito inversor em ponte completa e um instrumento virtual, que permite fazer uma série de medidas e traçar gráficos do comportamento das perdas com variação de diversos parâmetros. A partir dos valores adquiridos, foi possível obter modelos para as perdas magnéticas, incluindo o valor dos seus parâmetros. Com estes modelos e com a utilização de ferramentas de otimização, foi estabelecida uma relação entre a indução magnética e a densidade de corrente que possibilita o funcionamento do transformador ou do indutor com perdas magnéticas mínimas. Para auxiliar no desenvolvimento dos projetos, foi desenvolvido um programa computacional, no qual foram inseridos os modelos analíticos e os valores dos parâmetros correspondentes, obtidos no decorrer do trabalho. Vários indutores e transformadores foram projetados, montados e avaliados, mostrando através dos resultados o bom funcionamento da metodologia proposta. This work concerns the study of planar transformers and inductors as well as presents the development of a methodology for designing these magnetic elements, which are used in power supplies operating at high frequencies (from 50 kHz to 100 kHz). The study includes the materials used in the manufacture of a magnetic element, the design and its optimization. It was made an analysis of the effects due to operation at high frequencies. Among these effects, there are the core and winding losses, the leakage inductance and inter-winding capacitance. For the analysis of core and winding losses, it has been developed a workbench consisting of a full bridge inverter and a virtual instrument, which allows making a series of measures and drawing graphs of the behavior of losses with different parameters. From the obtained values, it was possible to construct models for the magnetic losses, including their parameter values. With these models and the use of optimization tools, it was established a relationship between the magnetic induction and current density that allows operation with minimum losses. In order to assist in the development of projects, a computer program has been developed, which includes the analytical models and the corresponding parameter values, obtained in the course of this work. Several inductors and transformers were designed, assembled and evaluated, and the obtained results show the validity of the proposed methodology