Análise estática normalizada e modelagem de pequenos sinais do conversor classe-e utilizando transformadores piezoelétricos.

• Main Author: Engleitner, Raffael
• Other Authors: Pinheiro, José Renes
• Format: Others
• Language: Portuguese
• Published: Universidade Federal de Santa Maria 2017
• Subjects: Eletrônica de Potência; Conversores Ressonantes; Conversor Classe-E; Transformadores Piezoelétricos; Análise Normalizada; Modelagem de Pequenos-Sinais; Power Electronics; Resonant Converters; Class-E Converter; Piezoelectric Transformers; Normalized Analysis; Small-Signal Modeling; CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
• Online Access: http://repositorio.ufsm.br/handle/1/8495

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior === Piezoelectric transformers (PTs) allow the design of promising power supply applications, increasing efficiency, reducing size, facilitating the achievement of high transformation ratio, besides providing high immunity against electromagnetic noise. Due to the electrical equivalent model having resonant characteristics, some resonant topologies are naturally suitable for these power supplies, i.e. the Class- E, Half-Bridge, Full-Bridge and Push-pull. Among these topologies, the Class-E converter has a highlight of having one controlled switch. The static gain of the Class-E is changed through the switching frequency variation, while the duty cycle is adjusted with the purpose of achieving soft switching for different switching frequencies and loads. The analisys of this process becomes complex when the system has a high number of reactive elements. One way to simplify this analisys is applying a normalized methodology. On this regard, the first result of this work is the normalized analisys of the functionally of the Class-E converter, including normalized load and switching frequency variation. This allows choosing one optimum point for the static design, without the necessity of design parameters. The main objective of this analisys is the obtention of the duty cycle behavior in order to have soft switching for all operation points. In a second moment, a small-signal model was derived using the generalized averaging method, through Fourier series aproximation. The model describes the relevant poles and zeros of the system, being accurate enough for different loads and switching frequencies. The behavior of resonant converters changes considerably for different operating points; therefore it is important to have a model that represents the system well. The normalized analisys allowed simplifying the small-signal model derivation, once soft switching is achieved for all the operation points. Experimental measurements validate either the normalized or the small signal derivation methodologies. The measurements were achieved for a 3W step-down converter, with universal 85-265 V AC input and 6 V DC output. === Os Transformadores Piezoelétricos (PTs) permitem o projeto de aplicações promissoras para fontes de alimentação até 100W, melhorando a eficiência, reduzindo o tamanho, facilitando a obtenção de grandes relações de transformação, além de proporcionar alta imunidade contra ruídos eletromagnéticos e interferências. Os PTs apresentam modelo elétrico ressonante, trazendo a necessidade de implementação juntamente com topologias de conversores ressonantes, como por exemplo os conversores: Classe-E, Meia Ponte, Ponte Completa e Push-pull. Dentre estas topologias, o conversor Classe-E se destaca por apresentar somente um interruptor controlado. O ganho estático do conversor Classe-E é obtido através da variação da freqüência de chaveamento, e a razão cíclica muda para atender as condições de comutação suave para diferentes freqüências e cargas. A análise deste processo se torna complexa à medida que o sistema apresenta inúmeros elementos reativos. Uma maneira de simplificar esta análise é utilizar uma metodologia normalizada. Devido a isso, o primeiro resultado deste trabalho é a análise normalizada do funcionamento do conversor piezoelétrico Classe- E, incluindo variação normalizada da frequênciade operação e da carga. Isso permite escolher um ponto ótimo de projeto estático, sem a necessidade de parâmetros de projeto. O objetivo principal desta análise normalizada é a obtenção do comportamento da razão cíclica para obter comutação suave em todos os pontos de operação. Em um segundo momento, um modelo de pequenos sinais foi derivado utilizando a metodologia do modelo médio generalizado, através de aproximação por series de Fourier. O modelo descreve os pólos e zeros relevantes do sistema, sendo suficientemente preciso para diferentes cargas e da frequencias de operação. O comportamento de conversores ressonantes varia consideravelmente para diferentes pontos de operação, pois isso um modelo que permita avaliar estes pontos de maneira precisa se faz importante. A análise normalizada permitiu simplificar a derivação do modelo de pequenos sinais, uma vez que garante a operação em comutação suave. Para validar a metodologia apresentada, são mostrados resultados experimentais para um conversor abaixador de 3W, entrada universal de 85-260 V AC e saída de 6 V DC.