Aplicação de módulos semicondutores híbridos em acionamentos elétricos

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dc.contributor.advisorPereira, Heverton Augusto
dc.contributor.advisor-coCupertino, Allan Fagner
dc.contributor.advisor-coLatteshttp://lattes.cnpq.br/3035620499629987
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/4298795970350194
dc.contributor.authorPongelupe, Fábio de Almeida
dc.contributor.referee1Heverton Augusto Pereira
dc.contributor.referee2Allan Fagner Cupertino
dc.contributor.referee3Fernando Lessa Tofoli
dc.contributor.referee4Tomás Perpetuo Corrêa
dc.date.accessioned2023-08-09T11:19:46Z
dc.date.available2023-08-09T11:19:46Z
dc.date.issued2021-02-26
dc.description.abstractMódulos semicondutores híbridos consistem em soluções que reúnem interruptores de silício e de algum material de larga banda proibida (do inglês, wide band gap (WBG)), proporcionando a obtenção de soluções de melhor custo benefício. Estes módulos apresentam-se como uma alternativa de aumento de eficiência em relação às tecnologias de silício, porém com custo total agregado inferior aos módulos puros de WBG. Por se tratar de uma tecnologia recente, o desenvolvimento de módulos híbridos compostos por Si-IGBT e SiC-MOSFET ou GaN-HEMT ainda é restrito a laboratórios de pesquisa, os quais têm feito progresso acerca dos principais desafios para viabilização da tecnologia. Entre os temas de pesquisa, é possível destacar a dificuldade em construir modelos comportamentais para ambientes de simulação de eletrônica de potência. Diante disso, este trabalho propõe uma estratégia para modelar a conexão paralela de interruptores e diodos que, por meio de tabelas look-up extraídas de folhas de dados, permite um acoplamento entre os domínios elétrico e térmico dos componentes em questão. A partir desta modelagem, este trabalho propõe uma metodologia de seleção de interruptores para compor um par híbrido formado por um Si-IGBT e um SiC-MOSFET, os quais são utilizados para acionar um motor de indução de 440 V e 300 HP. Dentre as combinações analisadas, foram escolhidas duas soluções híbridas com potencial de redução de perdas, as quais são comparadas com as soluções puras de silício e SiC de mesma corrente disponíveis no mercado. As comparações são feitas a partir de um perfil de operação diário real para o acionamento elétrico de um exaustor. Os resultados demonstraram uma potencial redução de perdas energéticas diárias de 45% em relação aos módulos originais de silício, além de apresentar uma redução de área de chips SiC entre os demais módulos, indicando potenciais reduções de custo. Portanto, os pares híbridos selecionados foram avaliados como soluções de melhor relação custo-benefício considerando o perfil de operação da aplicação.
dc.description.abstractotherHybrid semiconductor modules consist of solutions that connect in parallel silicon IGBT with high speed switches of wide-bandgap (WBG) materials, providing high performance converters and better cost benefit ratio. These modules are presented as an alternative to increase efficiency in relation to silicon technologies, but with an aggregate total cost lower than the full WBG modules. Since it is a recent technology, the development of hybrid modules composed of Si-IGBT and SiC-MOSFET or GaN-HEMT is still restricted to research laboratories, which have made progress on the main challenges for making the technology feasible. Among the research topics, it is possible to highlight the requirement of behavioral modeling for traditional power electronics simulation environments. Therefore, this work proposes a strategy to model a parallel connection of switches and diodes that, through look-up tables extracted from datasheets, allows a coupling between the electrical and thermal domains of the semiconductor devices. Based on this modeling, this work also proposes a device selection methodology to compose a hybrid pair formed by a Si-IGBT and a SiC-MOSFET, which are used to drive a 440 V and 300 HP induction motor. Among the solutions analyzed, two hybrid solutions with potential for loss reduction were chosen and compared to pure silicon and SiC solutions of the same rated current available on the market. The comparisons are made from an actual daily mission profile for the electric drive of an exhaust fan. The results showed a potential reduction in daily energy losses of 45 % in relation to the original silicon modules, in addition to presenting an area reduction for the SiC chip, which leads to lower cost solutions. Therefore, the selected hybrid pairs were obtained as the most cost-effective solutions considering the mission profile.
dc.identifier.urihttps://repositorio.cefetmg.br/handle/123456789/381
dc.language.isopt
dc.publisherCentro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei
dc.publisher.countryBrasil
dc.publisher.initialsCEFET-MG / UFSJ
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
dc.subjectSemicondutores
dc.subjectMotores elétricos - Controle
dc.subjectCircuitos elétricos
dc.subjectProjeto da máquina
dc.titleAplicação de módulos semicondutores híbridos em acionamentos elétricos
dc.typeThesis
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