Estudo de um inversor monofásico com elevada tolerância a falhas: análise, dimensionamento e experimentação

Abstract

Este trabalho apresenta o estudo e desenvolvimento de um inversor com tolerância a falhas para aplicações que requerem alta confiabilidade como veículos elétricos, onde o seu mal funcionamento traz riscos à segurança do usuário. Inicialmente, foram analisados os mecanismos que tornam as chaves semicondutoras de potência inoperantes. Em seguida, através de uma revisão bibliográfica acerca das topologias propostas na literatura para a operação mediante falha, adotou-se uma topologia com braço redundante, a qual é capaz de manter o funcionamento do conversor após a falha em suas chaves. Para a isolação da falha no conversor realizou-se o estudo e modelagem de fusíveis, componentes utilizados na isolação do braço, onde um protótipo inicial foi confeccionado a fim de validar a metodologia utilizada para dimensionamento dos componentes do circuito de isolação de falhas. Em seguida, o protótipo final do inversor tolerante a falhas foi dimensionado, confeccionado e testado em laboratório, onde os resultados validaram o uso da topologia para aplicações que requerem alta confiabilidade. Por fim, uma análise de confiabilidade foi feita de modo a comparar um inversor convencional com o inversor tolerante a falhas estudado. A técnica estudada neste trabalho pode também ser empregada para aumentar a tolerância a falhas em outros tipos de conversores estáticos, como conversores CC-CC, retificadores e conversores CA-CA.

Abstract: This work presents the study and development of a fault-tolerant inverter for applications that need high reliability, such as electric vehicles, where their malfunction poses risks to the user's safety. Initially, the mechanisms that render power semiconductor switches inoperative were studied. Then, through a bibliographical review of the topologies proposed in the literature for operation upon failure, a topology with a redundant leg was suggested, which is capable of maintaining the converter's operation after a failure in its switches. For fault isolation in the converter, the study and modeling of fuses, components used in arm isolation, was carried out, where an initial prototype was made in order to validate the methodology used for sizing the components of the fault isolation circuit. Then, the final prototype of the fault-tolerant inverter was designed, manufactured and tested in the laboratory, where the results validated the use of the topology for applications that require high reliability. Finally, a reliability analysis was carried out in order to compare a conventional inverter with the fault-tolerant inverter tested. The technique studied in this work can also be used to increase fault tolerance in other types of static converters, such as DC-DC converters, rectifiers and AC-AC converters.