Avaliação do uso de semicondutores de nitreto de gálio no estágio de controle de potência de uma luminária LED para iluminação pública
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Date
2022-08-31Primeiro membro da banca
Piovesan, Tális
Segundo membro da banca
Almeida, Pedro Santos
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Este trabalho apresenta uma análise comparativa em termos de eficiência e estimativa de perdas entre um estágio de controle de potência (CP) de uma luminária LED comercial, que faz uso de transistores de silício (Si), em relação a dois protótipos que utilizam transistores de nitreto de gálio (GaN) distintos para a mesma aplicação. O desenvolvimento do trabalho é apresentado em detalhes, incluindo o projeto dos sistemas eletrônicos propostos, as análises de perdas teóricas e as validações experimentais de ambos os protótipos com transistores GaN. Primeiramente, uma revisão bibliográfica sobre estrutura, princípio de funcionamento, características, vantagens e desvantagens dos transistores GaN é realizada, assim como os principais tipos de dispositivos existentes. A revisão aborda os desafios tecnológicos, incluindo layout de placas de circuito impresso (PCBs, do inglês Printed Circuit Boards), gerenciamento térmico e medições em transistores GaN. Após isso, são apresentados os circuitos de acionamento de LEDs presentes na literatura, com ênfase na topologia selecionada, nos níveis de tensão, corrente e potência nos dispositivos GaN, a densidade de potência e a eficiência, o tipo de transistor GaN empregado, as frequências de comutação e as eficiências máximas atingidas. Ao final, uma análise comparativa de eficiência, estimativa e distribuição de perdas entre os principais componentes do estágio de CP do circuito de acionamento de LEDs comercial é elaborada. Os conversores com MOSFETs de Si foram comparados aos conversores Buck Síncronos que empregam transistores GaN do tipo intensificação, desenvolvidos e implementados no estudo de caso 1, com a solução monolítica MasterGaN1, e no estudo de caso 2, com a solução discreta com transistores GaN de modelo GS-065-011-1-L e circuitos de gate driver externos. As eficiências experimentais dos conversores Buck Síncronos com transistores GaN dos estudos de caso 1 e 2, desconsiderando o consumo dos circuitos auxiliares (incluindo os de gate driver), ficaram no intervalo aproximado de 96 a 97%, o que evidenciou um aumento de pelo menos 1% em relação ao melhor caso comparado com MOSFET de Si, ao longo de todo o intervalo de dimerização da carga LED (10-100%). O conversor da solução discreta apresentou maior eficiência, em potência nominal, em relação à monolítica, a qual é uma diferença em torno de 0,35%. Com respeito às temperaturas nos dispositivos GaN, as do estudo de caso 2 ficaram em 80,4°C e 85°C, enquanto a da solução monolítica apresentou 90,4°C. Uma análise de estimativa de perdas dos conversores Buck Síncronos com transistores GaN foi desenvolvida. A partir dessa predição, o erro absoluto obtido, entre os valores estimado e experimental em potência nominal, foi 0,034% e 0,122%, respectivamente, para os estudos de caso 1 e 2. Através da análise dos resultados da estimativa de perdas dos conversores Buck do trabalho de referência, com MOSFET de Si, observou-se que a predominância de perdas ocorre nos dispositivos semicondutores, MOSFET e diodo de roda-livre, que concentram pelo menos 60% das perdas dos conversores com dispositivos de Si. Por outro lado, a análise teórica de perdas dos conversores Buck Síncronos com transistores GaN mostrou que nesses circuitos as perdas estão principalmente no indutor do conversor Buck e correspondem a 70% das perdas para ambos os estudos de caso, em potência nominal.
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