Fonte auxiliar de alta isolação empregando transferência indutiva de energia

Abstract

A todo momento, a modernização através da tecnologia avança. Novos equipamentos elétricos são criados, seja no setor de eletrônicos, médico ou industrial. Para suportar o aumento dessa carga e com o advento de novas tecnologias de semicondutores, conversores têm sido desenvolvidos para processar cada vez mais potência, seja com correntes ou tensões elevadas. Um exemplo são os Conversores Modulares Multiníveis, que têm sido amplamente estudados e aplicados graças à sua capacidade de processar elevadas potências através da modularidade. Devido às suas aplicações em altas tensões, tais conversores necessitam de fontes de alimentação auxiliares para gate drivers com alta isolação. Muitas soluções têm sido pesquisadas, entre elas a Transferência Indutiva de Energia, devido à sua capacidade de conduzir energia sem conexão elétrica ou magnética. Entretanto, a transferência indutiva de energia possui perdas significativas por conta do baixo acoplamento magnético que gera circulação elevada de potência reativa. Por isso, uma pesquisa sobre tipos de compensação de potência reativa para sistemas de transferência indutiva de energia se faz necessária. Este trabalho tem como objetivo analisar uma solução de fonte de alimentação via transferência indutiva de energia com isolamento na faixa de 125 kV. A solução utilizando circuito de compensação de potência reativa do tipo SS com fonte de alimentação de corrente é empregada. É apresentado sua fundamentação teórica, funcionamento, etapas de operação e modulação. Resultados experimentais em um conversor de 100 W e tensão de saída de 24 V são apresentados, bem como sua viabilidade para a aplicação desejada. A simplicidade da topologia, sua modulação, a capacidade de isolação entre etapa primária e secundária, e a tensão de saída regulada para diferentes cargas mostram que o conversor é uma solução viável para fontes de alimentação para sistemas que necessitem alta isolação.

Abstract: Modernization through technology is constantly advancing. New electrical equipment are being created, whether in the electronics, medical, or industrial sectors. To support this increased load and with the advent of new semiconductor technologies, converters have been developed to process increasingly higher power, whether at high currents or voltages. One example is Modular Multilevel Converters, which have been widely studied and applied thanks to their ability to process high power through modularity. Due to their high-voltage applications, such converters require auxiliary power supplies for highly isolated gate drivers. Many solutions have been researched, including Inductive Power Transfer, due to its ability to conduct power without electrical or magnetic connection. However, inductive power transfer has significant losses due to low magnetic coupling, which generates high reactive power circulation. Therefore, research into types of reactive power compensation for inductive power transfer systems is necessary. This work analyzes a power supply solution using inductive energy transfer with isolation in the 125 kV range. The solution uses an SS-type reactive power compensation circuit with a current power supply. Its theoretical foundation, operation, operating steps, and modulation are presented. Experimental results on a 100 W converter with a 24 V output voltage are presented, as well as its feasibility for the desired application. The simplicity of the topology, its modulation, the isolation capacity between the primary and secondary stages, and the regulated output voltage for different loads demonstrate that the converter is a viable power supply solution for systems requiring high isolation.