Análise Comparativa Entre Modelos Analíticos De Cálculo De Perdas No Núcleo Aplicados A Indutores Com Premagnetização Utilizando O Material High Flux

Pedro Cerutti Bolsi; Edemar de Oliveira Prado; Hamiltom Confortin Sartori; José Renes Pinheiro

doi:10.18618/REP.2020.4.0054

Authors

Pedro Cerutti Bolsi Universidade Federal de Santa Maria - UFSM, Santa Maria – RS, Brasil
Edemar de Oliveira Prado Universidade Federal de Santa Maria - UFSM, Santa Maria – RS, Brasil
Hamiltom Confortin Sartori Universidade Federal de Santa Maria - UFSM, Santa Maria – RS, Brasil
José Renes Pinheiro Universidade Federal da Bahia - UFBA, Salvador – BA, Brasil

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.2020.4.0054

Keywords:

Perdas magnéticas, Perdas no núcleo, Premagnetização, Steinmetz Equation

Abstract

Este trabalho aborda o estudo e análise do comportamento das perdas no núcleo em materiais High Flux na presença de níveis contínuos de densidade de fluxo magnético, com diferentes valores de pico-a-pico, bem como a influência da frequência e razão cíclica. São apresentadas e discutidas as expressões matemáticas dos modelos analíticos empíricos mais difundidos na literatura (OSE, MSE, IGSE e WSE), em sua versão linear por partes. As perdas magnéticas estimadas pelos modelos analíticos são comparadas aos resultados experimentais, bem como às perdas obtidas fazendo uso de software de análise de elementos finitos (FEA). Foi realizado o mapeamento do uso destes cinco modelos em materiais High Flux, utilizando somente informações dadas pelo fabricante. É realizada uma discussão acerca do uso destes modelos analíticos, sob o ponto de vista de sua acurácia e simplicidade.

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Author Biographies

Pedro Cerutti Bolsi, Universidade Federal de Santa Maria - UFSM, Santa Maria – RS, Brasil

, natural de Frederico Westphalen-RS. Possui graduação em Engenharia Elétrica (2018) e mestrado (2020). Atualmente, é aluno de doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria (UFSM). Possui experiência na área de eletrônica de potência, atuando principalmente na área de projeto físico e otimização de dispositivos magnéticos, modelagem de perdas no cobre e núcleo, projeto de filtros e uso de ferramentas FEA.

Edemar de Oliveira Prado, Universidade Federal de Santa Maria - UFSM, Santa Maria – RS, Brasil

, natural de Frederico Westphalen-RS. Possui graduação em Engenharia Elétrica (2018) e mestrado (2020). Atualmente, é aluno de doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria (UFSM). Possui experiência na área de eletrônica de potência, atuando principalmente na área de otimização de transistores aplicados a conversores estáticos, sistemas de transferência de calor e análise física de semicondutores.

Hamiltom Confortin Sartori, Universidade Federal de Santa Maria - UFSM, Santa Maria – RS, Brasil

, natural de Marau-RS. Possui graduação em Engenharia Elétrica (2007) na Universidade Federal de Santa Maria, mestrado (2009), doutorado (2013) e pós-doutorado (2016) em Engenharia Elétrica. Atualmente é professor Adjunto de Departamento de Processamento de Energia Elétrica da Universidade Federal de Santa Maria. Possui experiência na área de eletrônica de potência, atuando principalmente nas áreas de projetos otimizados de conversores estáticos, conversores de alto ganho, projetos de componentes magnéticos, semicondutores de potência, sensoriamento e compatibilidade eletromagnética (EMI).

José Renes Pinheiro, Universidade Federal da Bahia - UFBA, Salvador – BA, Brasil

, recebeu o grau de Eng Eletricista pela UFSM, e os graus de Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela UFSC, em 1981, 1984, e 1994, respectivamente. É Prof. Titular (Voluntário) do DPEE da UFSM, onde atua desde 1985. Desde 2018, também atua como Prof. Titular Visitante no PPGEE da UFBA. Em 1987, foi um dos fundadores e líder do Grupo de Eletrônica de Potência e Controle (GEPOC). Entre 2006 e 2015 foi coord. do PPGEE da UFSM. Entre 2001 e 2002, realizou pós-doutorado no Center for Power Electronics Systems (CPES), Virginia Tech, EUA. Suas principais linhas de pesquisas e interesse incluem Projetos Otimizados de conversores estáticos, Sistemas Híbridos de conversão estática de energia, Conversão de Energia em Alta Frequência, Modelagem e Controle de Conversores Estáticos e Sistemas Distribuídos de Energia. É membro da SOBRAEP, da SBA, e das Sociedades PELS, IAS, IES e PES da IEEE.

References

C. W. T. McLyman, Transformer and inductor design handbook, CRC press, Dez. 2017.https://doi.org/10.1201/b10865 DOI: https://doi.org/10.1201/b10865

Y. Ren, M. Xu, J. Zhou, F. C. Lee, "Analytical loss model of power MOSFET",IEEE transactions on power electronics, vol. 21, no. 2, pp. 310-319, Mar.2006.https://doi.org/10.1109/TPEL.2005.869743 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2005.869743

S. Busquets-Monge, J.-C. Crebier, S. Ragon, E. Hertz,D. Boroyevich, Z. Gurdal, M. Arpilliere, D. K.Lindner, "Design of a boost power factor correction converter using optimization techniques", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 19, no. 6, pp.1388-1396, Nov. 2004.https://doi.org/10.1109/TPEL.2004.836638 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2004.836638

H. C. Sartori, J. E. Baggio, H. L. Hey, J. R.Pinheiro, F. Beltrame, "Integrated methodology design to improve the efficiency and reduce volume of the CCM PFC boost converters with pre-sizing settings", in 2015 IEEE 24th International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), pp. 1378-1385, IEEE,Jun. 2015.https://doi.org/10.1109/ISIE.2015.7281674 DOI: https://doi.org/10.1109/ISIE.2015.7281674

L. C. Pivetta, H. C. Sartori, J. R. Pinheiro, "Pre-Sizingof Power Converters Using Genetic Algorithms",IEEE Latin America Transactions, vol. 16, no. 2, pp. 654-661, Mar. 2018.https://doi.org/10.1109/TLA.2018.8327426 DOI: https://doi.org/10.1109/TLA.2018.8327426

K. Booth, "Challenges of Implementing Higher-Frequency Magnetics in Wide-Bandgap Converters[Women in Engineering]",IEEE Power Electronics Magazine, vol. 6, no. 3, pp. 52-54, Set. 2019.https://doi.org/10.1109/MPEL.2019.2925494 DOI: https://doi.org/10.1109/MPEL.2019.2925494

C. Sullivan, "Overview of core loss prediction(and measurement techniques) for non-sinusoidal waveforms", in APEC, Fev. 2012.

P. C. Bolsi, H. C. Sartori, J. R. Pinheiro, "Comparison of Core Technologies Applied to Power Inductors",in2018 13th IEEE International Conference on Industry Applications (INDUSCON), pp. 1100-1106, IEEE,Nov. 2018.https://doi.org/10.1109/INDUSCON.2018.8627236 DOI: https://doi.org/10.1109/INDUSCON.2018.8627236

E. Herbert, User-friendly Data for Magnetic Core Loss Calculations, PSMA, Ago. 2008.

J. Wang, K. J. Dagan, X. Yuan, W. Wang, P. H. Mellor,"A practical approach for core loss estimation of a high-current gapped inductor in pwm converters with a user-friendly loss map", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 34, no. 6, pp. 5697-5710, Ago. 2018.https://doi.org/10.1109/TPEL.2018.2867264 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2018.2867264

S.-H. Park, Y.-H. Sohn, S.-U. Shin, S.-W. Hong,G.-H. Cho, "An Accurate and Practical Core Loss Analysis for Compact High Step-Up Converters", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 34,no. 9, pp. 8368-8376, Nov. 2018.https://doi.org/10.1109/TPEL.2018.2883420 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2018.2883420

J. Reinert, A. Brockmeyer, R. W. De Doncker,"Calculation of losses in ferro-and ferrimagnetic materials based on the modified Steinmetz equation", IEEE Transactions on Industry applications, vol. 37,no. 4, pp. 1055-1061, Jul. 2001.https://doi.org/10.1109/28.936396 DOI: https://doi.org/10.1109/28.936396

C. R. Sullivan, T. Abdallah, H. Tacca,K. Venkatachalam, "Accurate prediction of ferrite core loss with no sinusoidal waveforms using only Steinmetz parameters",in 2002 IEEE Workshop on Computers in Power Electronics, 2002. Proceedings.,pp. 36-41, IEEE, Jun. 2002.

W. Shen,Design of high-density transformers for high-frequency high-power converters, Tese de Doutorado,Virginia Tech, Jul. 2006.

A. Van den Bossche, V. C. Valchev, G. B. Georgiev,"Measurement and loss model of ferrites with non-sinusoidal waveforms”, in 2004 IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference (IEEE Cat.No. 04CH37551), vol. 6, pp. 4814-4818, IEEE, Jun.2004.

A. Brockmeyer, "Experimental evaluation of the influence of DC-remagnetisation on the properties of power electronic ferrites", in Proceedings of Applied Power Electronics Conference. APEC'96, vol. 1, pp.454-460, IEEE, Mar. 1996.

C. Baguley, B. Carsten, U. Madawala, "The effect of DC bias conditions on ferrite core losses",IEEE transactions on Magnetics, vol. 44, no. 2, pp. 246-252,Jan. 2008.https://doi.org/10.1109/TMAG.2007.911594 DOI: https://doi.org/10.1109/TMAG.2007.911594

H. Kosai, Z. Turgut, J. Scofield, "Experimental investigation of DC-bias related core losses in a boost inductor",IEEE Transactions on Magnetics, vol. 49,no. 7, pp. 4168-4171, Jul. 2013.https://doi.org/10.1109/TMAG.2013.2242863 DOI: https://doi.org/10.1109/TMAG.2013.2242863

J. Muhlethaler, J. Biela, J. W. Kolar, A. Ecklebe, "Core losses under the DC bias condition based on Steinmetz parameters",IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 27, no. 2, pp. 953-963, Jun. 2011.https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2160971 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2160971

I. Villar, A. Rufer, U. Viscarret, F. Zurkinden,I. Etxeberria-Otadui, "Analysis of empirical core loss evaluation methods for non-sinusoidally fed medium frequency power transformers”, in 2008 IEEE International Symposium on Industrial Electronics, pp.208-213, IEEE, Jul. 2008.https://doi.org/10.1109/ISIE.2008.4677156 DOI: https://doi.org/10.1109/ISIE.2008.4677156

S. Yue, Y. Li, Q. Yang, X. Yu, C. Zhang, "Comparative Analysis of Core Loss Calculation Methods for Magnetic Materials Under Non sinusoidal Excitations",IEEE Transactions on Magnetics, vol. 54, no. 11, pp.1-5, Jul. 2018.https://doi.org/10.1109/TMAG.2018.2842064 DOI: https://doi.org/10.1109/TMAG.2018.2842064

Magnetics, "Powder Cores Catalog", , Jun. 2020.

Y. Ishikura, J. Imaoka, M. Noah, M. Yamamoto,"Improved core loss calculation method considering the non-uniform distribution of magnetic flux density in powder cores",IET Power Electronics, vol. 12,no. 6, pp. 1393-1399, Mai. 2019.https://doi.org/10.1049/iet-pel.2018.5362 DOI: https://doi.org/10.1049/iet-pel.2018.5362

T. Shimizu, K. Ishii, "An iron loss calculating method for AC filter inductors used on PWM inverters",in 2006 37th IEEE Power Electronics Specialists Conference, pp. 1-7, IEEE, Jun. 2006.https://doi.org/10.1109/pesc.2006.1712224 DOI: https://doi.org/10.1109/pesc.2006.1712224

A. J. Marin-Hurtado, S. Rave-Restrepo, A. Escobar-Mejía, "Calculation of core losses in magnetic materials under no sinusoidal excitation”, in 201613th International Conference on Power Electronics(CIEP), pp. 87-91, IEEE, Ago. 2016.https://doi.org/10.1109/CIEP.2016.7530736’ DOI: https://doi.org/10.1109/CIEP.2016.7530736