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Conversores de energia na transição tecnológica

Conversores de energia na transição tecnológica

Mais pequeno. Mais potente. Mais inteligente

Novos materiais semicondutores, conceitos de construção modulares e a integração de funcionalidades adicionais impulsionam a próxima fase de evolução dos conversores de potência.

Os conversores de potência estão em plena transformação: novos materiais permitem frequências de comutação mais elevadas e designs mais compactos. Estes avanços tecnológicos impulsionam, em particular, os conversores de potência (conversores CA/CC e CC/CC) – componentes centrais de aplicações modernas, como a mobilidade elétrica e os sistemas de energia renovável. No âmbito deste desenvolvimento, as tecnologias de ligação inovadoras, que permitem maior eficiência, miniaturização e funcionalidade, ganham também importância.

A seguir, analisamos os principais desenvolvimentos tecnológicos na área dos conversores de potência e mostramos como estas tendências irão influenciar de forma sustentável o futuro da eletrónica de potência.


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As inovações tecnológicas marcam os conversores de potência modernos

Os conversores de potência no centro do abastecimento energético moderno

Fig. 1: PCI com configuração de (x8) lanes
Os conversores de potência constituem o núcleo dos sistemas modernos de fornecimento de energia, através da regulação dos níveis de tensão e da minimização das perdas de energia. As oportunidades de crescimento no mercado dos conversores de potência resultam do impulso da mobilidade elétrica, passando pelos avanços na automação industrial, até à expansão dos sistemas de energia renovável. Os desenvolvimentos tecnológicos atuais em conversores de potência centram-se em responder às crescentes exigências em termos de eficiência, miniaturização e funcionalidade.

As novas tecnologias de semicondutores proporcionam frequências de comutação mais elevadas e designs mais compactos

A utilização de novas tecnologias de semicondutores, como o carboneto de silício (SiC) e o nitreto de gálio (GaN), permite frequências de comutação significativamente mais elevadas, o que possibilita designs mais compactos e eficientes, com melhor tempo de resposta e precisão de regulação. Os semicondutores de banda larga (WBG), como o SiC e o GaN, apresentam melhores características elétricas no que diz respeito à velocidade de comutação, resistência à tensão e perdas, permitindo assim um funcionamento mais eficiente a temperaturas mais elevadas. Aumentando a frequência de comutação, é possível reduzir o peso e o tamanho dos componentes passivos, como os condensadores, e implementar projetos mais compactos. 

Miniaturização e aumento da eficiência

Novas topologias de circuitos, bem como os avanços na tecnologia de fabrico, resultam em conversores de potência cada vez mais pequenos e impõem elevados requisitos à gestão térmica e ao layout elétrico, uma vez que as densidades de embalagem elevadas e as vias elétricas mais curtas devem, simultaneamente, conduzir a menores perdas. A utilização de dissipadores de calor otimizados e de substratos metálicos isolados (IMS) aumenta a fiabilidade dos conversores de potência e melhora a dissipação de calor. Funções avançadas de gestão de energia permitem um ajuste dinâmico do consumo de energia de acordo com a exigência de carga. 

Modularização e padronização de conjuntos

Paralelamente, a modularização está a ganhar importância. Graças aos conjuntos padronizados e aos sistemas modulares, os módulos podem ser configurados de forma flexível, dimensionados e mantidos com maior facilidade, o que reduz os tempos de desenvolvimento e diminui os custos.

Sistemas inteligentes com funcionalidades avançadas

Este progresso é complementado por sistemas cada vez mais inteligentes, com funções avançadas de diagnóstico e monitorização, por técnicas de controlo digital, bem como pela integração de funções avançadas de segurança e proteção. As funções de diagnóstico e monitorização permitem uma manutenção preventiva, garantem uma melhor deteção de falhas e, através de técnicas de controlo digital, o desempenho dos conversores pode ser otimizado através de atualizações de software. As funções de proteção contra sobrecorrente, sobreaquecimento e sobretensão garantem uma maior fiabilidade e uma vida útil prolongada dos conversores de potência. 

Desafios na cadeia de abastecimento e escassez de componentes

Apesar dos avanços tecnológicos, os fabricantes de conversores de potência enfrentam desafios persistentes na cadeia de abastecimento global. A escassez de componentes essenciais – em particular semicondutores de potência, componentes passivos e circuitos integrados de controlo – está a causar atrasos e um aumento dos custos. Os semicondutores modernos de banda larga, como o SiC e o GaN, são particularmente afetados, uma vez que a elevada procura e a complexidade do seu fabrico limitam a disponibilidade. Para garantir a capacidade de fornecimento, muitas empresas apostam em estratégias como a diversificação de fornecedores, a produção regional e parcerias de longo prazo.

Requisitos para a tecnologia de ligação do futuro  

Os avanços tecnológicos descritos no domínio dos conversores de potência têm um impacto direto nos requisitos da tecnologia de ligação. As crescentes exigências em termos de miniaturização, eficiência e funcionalidade alteram não só o layout das placas de circuito impresso, mas também os requisitos dos conectores e dos componentes de ligação. Uma característica central dos conversores de potência modernos, bem como dos conectores modernos, reside na versatilidade e, consequentemente, na capacidade de se adaptarem aos diversos requisitos de diferentes setores.

Menos espaço, mais funcionalidade – procura por conectores miniaturizados

A tendência para a miniaturização obriga os desenvolvedores a otimizar cada milímetro, mesmo no que diz respeito à tecnologia de ligação. Especialmente em placas de circuito impresso altamente integradas, o espaço disponível para conectores é cada vez mais limitado. Por isso, são necessários sistemas de conectores compactos, mas igualmente eficientes, capazes de transmitir correntes e tensões elevadas apesar do seu tamanho reduzido – garantindo, ao mesmo tempo, um contacto elétrico fiável.

Cargas mais pesadas exigem soluções mais robustas

Os crescentes requisitos elétricos – decorrentes, por exemplo, de frequências de comutação ou temperaturas de funcionamento mais elevadas – aumentam também as cargas mecânicas e térmicas a que os conectores estão sujeitos. Consequentemente, cresce a necessidade de soluções de ligação robustas, resistentes às vibrações e às variações de temperatura, que funcionem de forma fiável mesmo em condições de funcionamento exigentes. Codificações mecânicas, bloqueios e geometrias de contacto otimizadas contribuem para evitar erros de ligação e problemas de contacto.

Design eficiente graças a soluções de ligação modulares

Os designs modulares estão a ganhar cada vez mais importância na eletrónica de potência, uma vez que permitem flexibilidade, escalabilidade e adaptações rápidas. No que diz respeito à tecnologia de ligação, isto significa que os sistemas de conectores não só têm de ser fiáveis e eficientes, como também devem ser escaláveis de forma variável, personalizáveis e fáceis de manter. Estas exigências podem ser satisfeitas através de uma vasta seleção de números de pinos e formas de construção, da possibilidade de configurações especiais e de mecanismos robustos nos processos de soldadura e de encaixe. Assim, os sistemas de conectores modulares contribuem de forma decisiva para prolongar a vida útil dos sistemas e reduzir os custos operacionais globais.

Desafios na cadeia de abastecimento e escassez de componentes

A escassez mundial de componentes também está a deixar marcas evidentes na tecnologia de ligação. Os metais preciosos, os materiais de contacto especiais e os plásticos resistentes à temperatura não só estão mais difíceis de obter, como também se tornaram significativamente mais caros. As consequências são prazos de entrega mais longos e custos de materiais mais elevados, bem como custos de energia mais elevados no processo de fabrico. Para garantir a segurança do abastecimento, aspetos como a estreita colaboração com os fornecedores, um planeamento antecipado e estratégias de conceção flexíveis e adaptáveis assumem uma importância cada vez maior.

Como os conectores modernos podem satisfazer estes requisitos

Para além dos avanços tecnológicos e dos requisitos de conceção de sistemas eletrónicos de alto desempenho, os fatores económicos e estratégicos assumem cada vez mais importância. Os utilizadores e os responsáveis pela aquisição esperam soluções que sejam tecnicamente convincentes e que sejam também sustentáveis a longo prazo em termos de disponibilidade, normalização e custos.

Elevada densidade de potência num espaço reduzido

    Osconectores com passo reduzido são ideais para utilização em conversores de potência, uma vez que ocupam pouco espaço na placa de circuito impresso, contribuindo assim para a conceção de módulos eletrónicos particularmente compactos e com elevada densidade de potência. O passo de 1,27 mm da gama de produtos One27 da ept representa um equilíbrio ideal entre miniaturização, desempenho elétrico e estabilidade mecânica.

    Flexibilidade graças ao sistema modular

    O sistema modular da gama de produtos One27 oferece diversas possibilidades para a personalização de soluções de ligação. Uma ampla seleção de formatos, alturas e números de pólos permite distâncias horizontais contínuas entre placas de circuito impresso de 8,0 a 20,00 mm – obtidas através de uma sobreposição de contactos de 2,4 mm. Além de ligações paralelas (horizontais), também são possíveis disposições a 90° e 180°, o que oferece elevada flexibilidade na colocação das placas de circuito impresso. Além disso, as ligações por cabo permitem uma disposição flexível do conjunto, a compensação de tolerâncias e a implementação de distâncias individuais. Os cabos estão disponíveis em diferentes comprimentos e isolamentos – consoante os requisitos mecânicos ou térmicos. Além disso, são possíveis configurações especiais, como montagens parciais ou contactos em série, para responder de forma específica a requisitos elétricos ou mecânicos específicos.
    Bild 2
    Gama de produtos One27

    Robustez para ambientes adversos

    A gama de produtos One27 destaca-se pela sua elevada robustez, o que é particularmente importante para a sua utilização no setor automóvel. Do ponto de vista mecânico, a família de produtos One27 convence pela sua elevada resistência às vibrações e estabilidade, características essenciais para a sua utilização no setor automóvel. Mesmo em condições exigentes, a ligação elétrica mantém-se fiável. Além disso, a gama de produtos One27 possui características mecânicas práticas, tais como uma proteção contra torção para ligações corretas, pinos de posicionamento para um encaixe exato, bem como ranhuras de inserção que compensam desvios angulares e deslocamentos centrais durante a inserção. Estas características facilitam a montagem e garantem uma ligação segura, precisa e duradoura.
    Além disso, a escolha do material isolante é decisiva para a resistência à temperatura. O LCP (polímero de cristal líquido) é ideal para temperaturas de utilização de -55 °C a +125 °C, devido à sua classe de inflamabilidade UL 94 V 0, e cumpre os elevados requisitos da indústria automóvel.

    Capacidade de condução de corrente

    Abbildung2
    Figura xy: Capacidade de condução de corrente por contacto, em função do número de pólos e do número de contactos condutores
    Graças aos materiais selecionados e a uma geometria de contacto otimizada, a gama de produtos One27 consegue transmitir correntes elevadas de forma fiável, sem que se verifique sobreaquecimento ou queda de rendimento. O acabamento dos contactos, em particular a utilização de ligas de cobre especiais, garante uma baixa resistência de contacto e uma dissipação de calor eficiente. Isto assegura uma ligação estável mesmo em condições de funcionamento extremas.
     
    A capacidade de condução de corrente depende do número de pólos e do número de contactos condutores de corrente. Uma das razões para isso é a menor formação de pontos quentes no interior de conectores com um número reduzido de pólos.

    Cadeia de abastecimento fiável graças à produção regional

    Outra vantagem importante da gama de produtos One27 é o facto de o desenvolvimento e a produção se realizarem na União Europeia, o que garante uma cadeia de abastecimento fiável com distâncias reduzidas. Esta produção regional é sinónimo dos mais elevados padrões de qualidade e assegura, ao mesmo tempo, a disponibilidade atempada dos componentes – um fator decisivo para os fabricantes que dependem de tempos de resposta rápidos.

    Conclusão e perspetivas

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    Os conversores de potência são componentes essenciais do abastecimento energético moderno – desde a mobilidade elétrica até às energias renováveis. Os desenvolvimentos futuros concentram-se numa maior densidade de potência, designs compactos, melhores rendimentos e maior inteligência do sistema. Novos materiais semicondutores, como o SiC e o GaN, irão melhorar significativamente o desempenho e o comportamento térmico.

    Paralelamente, aumentam os requisitos em matéria de tecnologia de ligação. Os conectores modulares têm de combinar elevada potência elétrica e comunicação de dados num sistema compacto, robusto e flexível. O sistema One27 da ept cumpre estes requisitos na perfeição, sendo, por isso, um fator decisivo para a próxima geração de conversores potentes e preparados para o futuro. A tecnologia de ligação é hoje um motor central da inovação e deixou de ser um aspeto secundário.

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