Antes do desenvolvimento da placa do conversor de potência para o sistema solar fotovoltaico foi necessário escolher os componentes mais adequados, tendo em conta as características do sistema. Após a escolha dos componentes foi necessário desenhar a placa do step-up recorrendo a um software de desenho de placas PCB. O software utilizado no laboratório do GEPE é o PADS PCB Design Software desenvolvido pela empresa Mentor Graphics.
Neste subcapítulo são abordados os componentes escolhidos e desenvolvidos a utilizar no conversor, bem como o processo da preparação da placa do step-up desde o seu desenho até esta estar pronta a ser testada.
Componentes Utilizados
Como referido anteriormente, os componentes essenciais num conversor CC-CC são a indutância, condensadores, díodos e semicondutores controlados. Assim, sabendo as características do sistema solar fotovoltaico (Capítulo 4) é possível escolher os componentes mais adequados para este sistema.
Condensador de Entrada
No conversor CC-CC é utilizado um condensador na entrada de modo a reduzir, o máximo possível, o ripple da tensão de entrada. Neste caso foram usados dois condensadores em paralelo: um condensador eletrolítico de 470 µF e um condensador de polipropileno de 10 µF.
(a) (b)
Figura 5.3 – Condensadores utilizados na entrada do conversor: (a) Condensador eletrolítico; (b) Condensador de polipropileno.
Sabendo que a tensão nominal do painel solar fotovoltaico é de 34 V e que o máximo que este atinge em circuito aberto é 42,8 V, os condensadores escolhidos têm de suportar essa tensão. Tendo isso em consideração foram escolhidos os condensadores observados na Figura 5.3. O conversor eletrolítico é de 470 µF, suporta uma tensão de 63 V e é da empresa Jackcon Capacitors Electronics Co. Ltd.. O condensador de
polipropileno utilizado é o MKP1848C da empresa Vishay Roederstein. Este é de 10 µF e suporta uma tensão de 500 V.
MOSFET
O MOSFET foi o semicondutor de potência totalmente controlado escolhido uma vez que o sistema necessita de uma frequência de comutação elevada (40 kHz). O MOSFET utilizado foi o IXFQ50N50P3 da IXYS Corporation (Figura 5.4). Este semicondutor suporta uma tensão máxima entre o dreno e a fonte de 500 V, suporta uma corrente máxima de 50 A e a sua resistência quando se encontra em condução é de 125 mΩ. Estas características são suficientes para os valores nominais do sistema referidos no capítulo anterior.
Figura 5.4 – MOSFET IXFQ50N50P3 utilizado no conversor step-up.
Díodo
Devido às elevadas frequências de comutação utilizadas neste conversor, o díodo escolhido tinha de ter um tempo de resposta rápido. Assim, o díodo escolhido foi o díodo rápido STTH3012 da STMicroelectronics (Figura 5.5). Este está preparado para aguentar com uma corrente de 30 A e com uma tensão de 1200 V. O seu tempo de resposta é 57 ns.
Figura 5.5 – Díodo rápido STTH3012 utilizado no conversor step-up.
Condensador de Saída
De modo a diminuir o ripple da tensão de saída do conversor é necessária a utilização de condensadores. Os condensadores mais adequados para estas aplicações são
os condensadores de polipropileno. Os condensadores a utilizar deviam ser idênticos ao utilizado na entrada do conversor (Figura 5.3 (b)). No entanto, como apenas chegaram alguns desses condensadores a tempo do desenvolvimento do conversor, foram usados condensadores um pouco diferentes mas capazes de efetuar a mesma função de forma adequada. Como era necessária uma capacidade de 40 µF na saída do condensador, foram usados quatro condensadores MKT1820 de 10 µF, em que cada um suporta uma tensão máxima de 100 V (Figura 5.6). Como o valor pretendido na saída do sistema solar fotovoltaico é 48 V, estas características são mais que adequadas para este conversor.
Figura 5.6 – Condensador MKT1820 utilizado na saída do conversor step-up.
Indutância
Para este conversor de potência era necessário uma indutância de 91,4 µH. Como não havia nenhuma indutância com este valor no GEPE foi preciso fazer uma nova.
Figura 5.7 – Indutância de 94,1 µH utilizada no conversor step-up.
Para desenvolver a indutância foi necessário saber qual o número de voltas necessárias. Para isso utilizou-se um programa, o Micrometals Inductor Design Software, que calcula o número de voltas consoante o núcleo utilizado. Para o desenvolvimento desta indutância foi utilizado um núcleo de Iron Powder T300-63D. A indutância da Figura 5.7 tem 28 voltas.
Figura 5.8 – Gráfico do teste de saturação da indutância de 91,4 µH.
Desenvolvida a indutância foi necessário verificar se as características destas estavam de acordo com o pretendido. Assim, através de uma ponte RLC foi possível verificar que esta indutância é, de facto, de 91,4 µH. De seguida foram realizados alguns testes de modo a verificar a que correntes esta indutância saturava. Para isso foi aplicado um pulso de tensão à indutância. Na Figura 5.8 é possível observar o resultado desse teste.
Desenho da Placa
Depois de escolhidos todos os componentes adequados para o conversor foi necessário desenhar a placa. Para isso recorreu-se à ferramenta PADS PCB Design Software. Neste software é possível alterar as características dos componentes já existentes no PADS, como a largura dos pinos de certos componentes, ou até criar novos componentes. Assim, com recurso aos datasheets dos componentes para saber as características físicas destes (distancia entre os pinos, largura dos pinos, etc), foi possível o desenho da placa do conversor step-up utilizado no sistema solar fotovoltaico (Figura 5.9).
Figura 5.9 – Desenho em PADS da placa do conversor step-up utilizado no sistema solar fotovoltaico.
Pulso de Tensão
Corrente na Indutância
Após a impressão da placa foi necessário preparar a placa de modo a ser possível soldar os componentes eletrónicos. Como a impressão foi feita nas oficinas do departamento do curso de Eletrónica Industrial, foi necessário retirar o excesso de cobre nas placas e colocar pratex de modo a, com o tempo, não existir oxidação das placas (Figura 5.10). Terminado este processo foram soldados os componentes à placa, sendo o resultado final a placa apresentada na Figura 5.11.
(a) (b)
Figura 5.10 – Placa do conversor step-up utilizado no sistema solar fotovoltaico: (a) Após a impressão; (b) Após a remoção do cobre excedente.
Figura 5.11 – Placa PCB do conversor step-up do sistema solar fotovoltaico.