Estudo de geometrias de núcleos usadas em barramentos magnéticos de alta frequência

Abstract

Este trabalho apresenta o estudo de geometrias de núcleos para serem utilizadas em barramentos magnéticos em alta frequência. O barramento magnético é utilizado para acoplar sistemasde energia por meio do fluxo magnético, similar ao barramento capacitivo largamente utilizado em microrredes CC. Em sistemas conectados à rede de distribuição, a isolação galvânica éindispensável e o acoplamento magnético traz além desta vantagem, a possibilidade de interligar fontes de energia com diferentes níveis de tensão. Suas aplicações são diversas, desdemicrorredes até transformadores de estado sólido, tendo os conversores multiportas, derivadosdo Dual Active Bridge, como as principais escolhas para processar a energia de sistemas comacoplamento magnético em alta frequência. Neste tipo de sistema, o barramento magnético éde fundamental importância e, desta forma, este trabalho traz um estudo aprofundado docomportamento do núcleo magnético devido às diferentes formas geometrias. Neste contexto,são propostas duas geometrias inéditas para o barramento magnético baseadas nos núcleos dotipo Pote e XS. Os resultados mostraram que a geometria do núcleo tem grande impacto desdeo projeto até seu funcionamento. As geometrias propostas mostraram-se vantajosas em algunspontos como menor indutância de dispersão e menores perdas globais no sistema, quandocomparados à projetos similares com outras geometrias. Este trabalho utiliza método de elementos finitos para avaliar o comportamento magnético do núcleo e apresenta resultados experimentais para corroborar com as simulações numéricas.

Abstract: This work presents a study of core geometries to be used in high frequency magnetic bus. The magnetic bus is used to couple energy systems through the magnetic flux, similar to the capacitive bus widely used in DC microgrids. In systems connected to the distribution grid, galvanic isolation is essential, and the magnetic coupling brings in addition to this advantage, the possibility of interconnecting energy sources with different voltage levels. Its applications are diverse, from microgrids to solid state transformers, with multiport converters, derived from Dual Active Bridge, as the main choices for processing energy from systems with high frequency magnetic coupling. In this type of system, the magnetic bus presents fundamental importance, and in this way, this work brings an in-depth study of the behavior of the magnetic core due to the different geometrical shapes. In this context, two unprecedented geometries for the magnetic bus are proposed based on the pot and XS type cores. The results showed that the core geometry has a great impact from the design to its operation. The proposed geometries proved to be advantageous in some points, such as less leakage inductance and less overall losses in the system, when compared to similar designs with other geometries. This work uses finite element method to evaluate the magnetic behavior of the cores and presents experimental results to corroborate with the numerical simulations.