Contribuição ao Desenvolvimento da Próxima Geração de Inversores Fotovoltaicos

Abstract

A expansão da geração fotovoltaica distribuída tem exigido inversores mais compactos, eficientes e confiáveis, exigência que esbarra em uma limitação física do silício. Nos MOSFETs de Silício (Si), as perdas de comutação restringem a frequência de operação à faixa de dezenas de quilohertz e, como o volume dos elementos magnéticos é inversamente proporcional à frequência, indutores e capacitores dominam o volume, o peso e o custo do conversor. Semicondutores de banda larga, em especial o nitreto de gálio (GaN), alteram esse compromisso: o campo elétrico crítico mais elevado permite regiões de deriva mais finas e, portanto, cargas parasitas muito menores e ausência de recuperação reversa, viabilizando comutação em centenas de quilohertz com perdas reduzidas, maior densidade de potência e menor estresse térmico. Este projeto teve como objetivo auxiliar no desenvolvimento da próxima geração de inversores fotovoltaicos empregando tecnologia GaN. O trabalho iniciou-se por revisão bibliográfica e investigação teórica sobre topologias de inversores conectados à rede, dispositivos de banda larga e requisitos normativos. Em seguida, o protótipo inicial de 3 kW, ainda em silício, foi submetido aos ensaios previstos na Portaria INMETRO nº 140/2022, contemplando faixas operacionais de tensão e frequência com os respectivos tempos de desconexão, reconexão automática após distúrbio, distorção harmônica da corrente injetada, fator de potência, proteção anti-ilhamento e rendimento de conversão com seguimento do ponto de máxima potência. Quatro ensaios não foram executados: cintilação e injeção de componente contínua, por indisponibilidade de instrumentação normalizada, e injeção de reativos pela curva Q(V) e suportabilidade a subtensões, aplicáveis apenas a inversores acima de 6 kW. Os ensaios adotaram arranjo de bancada composto por fonte CC programável emulando o arranjo fotovoltaico, o conversor sob teste e fonte CA bidirecional emulando a rede, com aquisição por osciloscópio; a emulação permitiu impor afundamentos, variações de frequência e desligamentos de forma controlada e repetível, preservando a integridade do equipamento e da instalação. Validado o conceito, foi elaborada a versão intermediária de 5 kW, com redimensionamento dos semicondutores, dos elementos magnéticos e do barramento CC, além de melhorias no roteamento, no espaçamento das trilhas de alta tensão e no layout térmico da placa. A montagem foi integralmente manual, abrangendo componentes SMD e de furo passante (THT). O protótipo resultante foi submetido à mesma bateria de ensaios, comprovando o funcionamento do controle, das proteções e da topologia em condições reais de operação e atendendo a todos os critérios normativos testados, o que estabelece a referência de desempenho em silício para a etapa seguinte. Como continuidade, prevê-se a substituição dos semicondutores por chaves de GaN, com quantificação experimental dos ganhos de densidade de potência e avaliação térmica da nova placa.