Modelagem de indutores de modo comum aplicados a retificadores monofásicos

Abstract

Para o correto funcionamento de equipamentos elétricos e eletrônicos, com segurança e confiabilidade, estes equipamentos devem estar inseridos em ambientes com níveis adequados de poluição eletromagnética. A utilização de novas tecnologias de semicondutores wide bandgap permite a miniaturização de equipamentos, mas causa a emissão de ruídos em frequências cada vez maiores, com maior densidade de potencia e com a maior quantidade de equipamentos no mesmo ambiente. Para minimizar a emissão de ruído no ambiente, frequentemente são utilizados filtros passivos. Este trabalho estuda o indutor de modo comum utilizado nestes filtros, explorando sua modelagem em parâmetros concentrados para poder determinar sua impedância de maneira puramente teórica na etapa de projeto, sem necessitar de amostras, desenvolvendo sua indutância não linear e de dispersão, capacitâncias magnetizada e do enrolamento e resistências parasitas; auxiliando no desenvolvimento de filtros, reduzindo custo e repetições de ciclos de projeto. Exploram-se as perdas resistivas do núcleo como mecanismo de atenuação de emissões em altas frequências, comparando ferrites Mn-Zn com Ni-Zn. A modelagem é comparada com medições de impedância de seis amostras, mostrando que há espaço para melhor modelagem quanto às capacitâncias do enrolamento de indutores de Ni-Zn e que os dados de características dos materiais magnéticos fornecidos pelos fabricantes carecem de qualidade. As atenuações providas pelos indutores de Ni-Zn e de Mn-Zn são comparadas utilizando um conversor de 1800~W, mostrando que Ni-Zn resulta em melhores atenuações em altas frequências, porém piores atenuações em baixas frequências. Esta modelagem também pode ser utilizada para indutores de modo diferencial, ao se refazer considerações de pequenos sinais e focar em aspectos de grandes sinais.

Abstract: For the correct operation of electrical and electronic equipment, with safety and reliability, these devices must be placed in environments with healthy levels of electromagnetic pollution. The use of new wide bandgap semiconductor technologies allows the miniaturization of equipment but leads to the emission of noise at increasingly higher frequencies, with higher power density, and with more devices in the same environment. To minimize noise emission in the environment, passive filters are used. This work studies the common mode inductor used in these filters, exploring its lumped modeling to predict its impedance in a purely theoretical way in the design stage, without the need for samples, developing its non-linear inductance, leakage inductance, winding and magnetized capacitances and resistances; aiding in filter development, reducing costs, and design iterations. The resistive losses of the core are explored as a mechanism for attenuating emissions at high frequencies, comparing Mn-Zn and Ni-Zn ferrites. The modeling is compared against impedance measurements of six samples, showing that there is room for better modeling regarding the capacitances of Ni-Zn inductor windings and that the data provided by magnetic material manufacturers lack quality. The attenuations provided by Ni-Zn and Mn-Zn inductors are compared using a 1800~W converter, showing that Ni-Zn results in better attenuations at high frequencies but worse attenuations at low frequencies. This modeling can also be used for differential-mode inductors by reconsidering small-signal considerations and focusing on large-signal aspects.