Carregador de Bordo e Conversor DC-DC Veicular (On-Board Charger OBC)

        +-------------------------------------------------------------+
        |                 VEÍCULO ELÉTRICO (EV / BEV)                |
        |                                                             |
Rede AC |   +-----------------------------------------------------+   | Barramento HV
--------+-->|                  OBC BIDIRECIONAL                   |===+===> BATERIA DE
(1F/3F) |   |  PFC Totem-Pole GaN  <--->  CLLC Ressonante SiC     |   |     TRAÇÃO (800V)
        |   +-----------------------------------------------------+   |
        |                              |                              |
        |                              v [Link HV 400V/800V]         |
        |   +-----------------------------------------------------+   | Barramento LV
        |   |           CONVERSOR DC-DC AUXILIAR (APM)            |---+---> REDE 12V / ECUs
        |   |  Phase-Shifted Full-Bridge / Buck Síncrono (3 kW)   |   |     E BATERIA AUX
        |   +-----------------------------------------------------+   |
        +-------------------------------------------------------------+

---

1. Identificação e Especificação Normativa

O Carregador de Bordo (On-Board Charger - OBC) e o Módulo de Potência Auxiliar (Auxiliary Power Module - APM / DC-DC) constituem o núcleo de conversão estática embarcado nos veículos elétricos híbridos plug-in (PHEV) e puramente elétricos a bateria (BEV). O OBC tem como missão precípua converter a energia elétrica em corrente alternada proveniente da rede de distribuição (monofásica ou trifásica) em corrente contínua estritamente controlada para a recarga do banco de baterias de tração de alta tensão (HV - 400 V a 900 V). Modernamente, opera de forma bidirecional, viabilizando funcionalidades de transferência de energia do veículo para cargas externas (Vehicle-to-Load - V2L), para a residência (Vehicle-to-Home - V2H) e para a rede elétrica (Vehicle-to-Grid - V2G).

Concomitantemente, o conversor DC-DC auxiliar substitui o alternador automotivo convencional, operando continuamente para rebaixar a tensão do barramento de tração HV para o barramento de baixa tensão (LV - 12 V, 24 V ou 48 V), garantindo a alimentação contínua das unidades de controle eletrônico (ECUs), bombas de arrefecimento, direção eletroassistida (EPS), freios eletro-hidráulicos, iluminação e climatização, além da recarga flutuante da bateria de baixa tensão.

       CONEXÃO GRID / VEÍCULO                     CONVERSÃO EMBARCADA NO VEÍCULO
   +----------------------------+             +------------------------------------+
   | Tomada de Recarga Tipo 2   |             | GABINETE SELADO OBC + DC-DC (IP67) |
   | [L1, L2, L3, N, PE]        |             |                                    |
   | [Sinais: CP, PP]           |             | +--------------------------------+ |
   +--------------+-------------+             | | Estágio 1: PFC Totem-Pole GaN  | |
                  |                           | +---------------+----------------+ |
                  v                           |                 v                  |
   +----------------------------+             | +--------------------------------+ |
   | Filtro EMI e Relés de AC   |------------>| | Estágio 2: CLLC Ressonante SiC | |
   +----------------------------+             | +---------------+----------------+ |
                                              |                 |                  |
                                              +-----------------+------------------+
                                                                |
                                        +-----------------------+-----------------------+
                                        |                                               |
                                        v [Barramento de Alta Tensão]                   v [Derivação HV]
                         +-----------------------------+                 +-----------------------------+
                         | Bateria de Tração (Pack HV) |                 | Conversor DC-DC Auxiliar    |
                         | Tensão: 250V a 900V DC      |                 | Buck Síncrono / PSFB 3 kW   |
                         +-----------------------------+                 +--------------+--------------+
                                                                                        |
                                                                                        v [Rede 12V DC]
                                                                         +-----------------------------+
                                                                         | Bateria Auxiliar 12V / ECUs |
                                                                         +-----------------------------+

1.1 Normas Técnicas Aplicáveis

• ISO 26262-1 a 12: Road vehicles — Functional safety (Enquadramento ASIL-C e ASIL-D para funções de isolamento galvânico de alta tensão, controle de sobretensão e corte térmico).
• ISO 15118-1 a 20: Road vehicles — Vehicle to grid communication interface (Comunicação de alto nível PLC via linha de sinal CP para autenticação, medição e suporte a V2G com tarifação dinâmica).
• IEC 61851-21-1: Electric vehicle conductive charging system — Part 21-1: Electric vehicle on-board charger EMC requirements for conductive connection to an AC or DC supply.
• CISPR 25: Vehicles, boats and internal combustion engines — Radio disturbance characteristics — Limits and methods of measurement for the protection of on-board receivers (Atendimento rigoroso aos limites de emissões conduzidas e radiadas Classe 5).
• SAE J1772: SAE Electric Vehicle and Plug in Hybrid Electric Vehicle Conductive Charge Coupler.
• UN ECE R10 (Rev. 6): Uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to electromagnetic compatibility.
• AEC-Q100 / AEC-Q101 / AEC-Q200: Normas automotivas de qualificação de componentes (estresse térmico, vibração mecânica, ciclagem e confiabilidade para CIs, semicondutores discretos e passivos).

1.2 Tabela Comparativa de Arquiteturas de Conversores Embarcados

Parâmetro Técnico	OBC Monofásico Si Clássico	OBC Trifásico SiC / GaN 11 kW	OBC 22 kW Bidirecional V2X	Módulo DC-DC Auxiliar (APM)
Faixa de Tensão de Entrada	85 V a 265 V AC (1Ø)	320 V a 460 V AC (3Ø + N)	320 V a 480 V AC (3Ø + N)	250 V a 450 V DC (ou 600–900 V)
Faixa de Tensão de Saída	250 V a 450 V DC	250 V a 450 V / 600–900 V	200 V a 920 V DC	9.0 V a 16.0 V DC (Nominal 13.8V)
Topologia do Estágio 1 (PFC)	Boost Clássico com Diodos Si	Totem-Pole Bridgeless Interleaved	Totem-Pole Trifásico 3-Level	Não aplicável (Alimentação DC HV)
Topologia do Estágio 2 (DC-DC)	Ressonante LLC Half-Bridge	Full-Bridge CLLC Bidirecional	Dual Active Bridge (DAB) / CLLC	Phase-Shifted Full-Bridge / Dual Buck
Semicondutores Utilizados	MOSFET Superjunction Si	GaN HEMT / SiC MOSFET	SiC MOSFET 1200V Trench	SiC Primário / GaN / Si LV MOSFET
Frequência de Chaveamento	65 kHz a 100 kHz	150 kHz a 300 kHz	200 kHz a 500 kHz	100 kHz a 250 kHz
Eficiência Máxima de Pico	92.5% a 94.0%	96.5% a 97.2%	97.5% a 98.2%	95.0% a 96.5%
Densidade de Potência	0.8 a 1.2 kW/litro	2.5 a 3.5 kW/litro	4.0 a 5.5 kW/litro	1.8 a 2.5 kW/litro
Isolamento Galvânico	Trafo Planar (2.5 kVrms)	Trafo Planar (4.0 kVrms)	Trafo Planar (4.0 kVrms)	Trafo Planar Reforçado (3.0 kVrms)
Refrigeração	Ar Forçado ou Placa Fria	Líquida (Glicol 50/50 @ 65°C)	Líquida (Glicol 50/50 @ 65°C)	Integrada à carcaça do OBC

---

2. Aspecto Físico Comercial e Corte Técnico Vetorial

A integridade estrutural do gabinete de um OBC moderno exige carcaça monobloco em liga de alumínio fundido injetado sob pressão (die-cast aluminum A380 ou AlSi9Cu3) com vedação estanque conforme classe de proteção IP67/IP69K. O arranjo volumétrico interno adota o conceito de isolamento em compartimentos blindados (chicanas eletromagnéticas) para conter o ruído de alta frequência gerado pelas transições comutativas ultrarrápidas ($dv/dt>50\text{ V/ns}$) dos semicondutores GaN e SiC.

+--------------------------------------------------------------------------------------------------+
| GABINETE SELADO DO ON-BOARD CHARGER AUTOMOTIVO (GRAU DE PROTEÇÃO IP67 / IP69K)                    |
|                                                                                                  |
| [Conector AC]                                                                    [Conector DC HV]|
|   +-------+   +-------------------------------------------------------------+    +----------+    |
|   | (:::)|==>|                  BLINDAGEM FARADAY INTERNA                  |===>| (==) (==)|    |
|   +-------+   | +-----------------+  +-----------------+  +---------------+ |    +----------+    |
|               | | ① PFC TOTEM-POLE|  | ② TRAFO PLANAR  |  | ③ CLLC BIDIR. | |                    |
| [Conector LV] | |   GaN HEMT      |  |   FERRITA MnZn  |  |   SiC MOSFET  | |    [Conector 12V]  |
|   +-------+   | +--------+--------+  +--------+--------+  +-------+-------+ |    +----------+    |
|   | CAN-FD|==>|          |                    |                   |         |===>| GND / +12|    |
|   +-------+   | +--------v--------------------v-------------------v-------+ |    +----------+    |
|               | | ④ CONVERSOR DC-DC AUXILIAR 12V/3kW                      | |                    |
|               | | ⑥ DSP DUAL-CORE TMS320F28388D COM ISOLADORES DIGITAIS   | |                    |
|               | +---------------------------------------------------------+ |                    |
|               +------------------------------+------------------------------+                    |
|                                              |                                                   |
|                                              v                                                   |
|               ===============================================================                    |
|               ⑤ PLACA FRIA INFERIOR COM CANAIS DE FLUIDO REFRIGERANTE (GLICOL)                   |
|               ===============================================================                    |
|                 [Entrada Glicol 65°C]                    [Saída Glicol 68°C]                     |
+--------------------------------------------------------------------------------------------------+

2.1 Corte Técnico Transversal e Elementos Construtivos

O diagrama vetorial abaixo ilustra o corte transversal detalhado de uma unidade integrada OBC + DC-DC automotiva de última geração:

Identificação Numérica dos Componentes Internos

• ① Estágio PFC Totem-Pole Bridgeless GaN: Braços de alta frequência implementados com transistores GaN HEMT (High Electron Mobility Transistor) de 650 V em topologia cascode ou E-mode (Enhancement mode). A ausência total de carga de recuperação reversa de diodo de corpo ($Q_{rr}=0$) permite operação em modo de condução contínua (CCM) a frequências de 150 kHz a 300 kHz com perdas de chaveamento desprezíveis e rendimento térmico superior a 98.8%.
• ② Transformador Planar de Alta Frequência: Módulo magnético compacto integrando núcleos de ferrita MnZn de altíssima permeabilidade e baixas perdas volumétricas ($P_v<80{\text{ kW/m}}^3$ a 200 kHz). Os enrolamentos consistem em placas de circuito impresso multicamadas (PCB FR4 TG180 com espessuras de cobre de 4 oz / $140\mu \text{m}$) intercalados de forma simétrica (técnica P-S-P-S) para suprimir as correntes parasitas decorrentes dos efeitos pelicular e de proximidade.
• ③ Conversor Ressonante CLLC Bidirecional V2G: Rede simétrica de chaveamento secundário e primário dotada de semicondutores SiC MOSFET de 1200 V com encapsulamento de montagem em superfície (SMD TO-Leadless / TOLT). Opera sob comutação suave por tensão nula (Zero Voltage Switching - ZVS) e corrente nula (Zero Current Switching - ZCS), viabilizando fluxo de potência plenamente reversível com densidade de potência superior a 3.5 kW/litro.
• ④ Módulo Buck Síncrono DC-DC 12V/3kW: Conversor redutor isolado de alta potência montado na câmara lateral da carcaça. Converte o barramento HV da bateria para o barramento automotivo de 13.8 V alimentando até 217 A contínuos, com retificação síncrona através de MOSFETs de silício de resistência ultrabaixa ($R_{ds(on)}<0.8\text{ m}\Omega$).
• ⑤ Placa Fria de Base com Canais Turbilhonadores: Bloco usinado de alumínio com microcanais internos em perfil serpentina providos de microaletas turbilhonadoras acoplado ao circuito de refrigeração líquida veicular (mistura de 50% água deionizada e 50% etilenoglicol a uma temperatura de entrada típica de $65^{\circ }\text{C}$). A resistência térmica total base-fluido é mantida estritamente abaixo de $0.035\text{ K/W}$.
• ⑥ Controle DSP Duplo Núcleo com Interface CAN-FD e Isoladores Digitais: Unidade de processamento digital de sinais automotiva qualificada AEC-Q100 (ex: TI C2000 TMS320F28388D dual-core ou Infineon Aurix TC3xx). Executa em paralelo o controle de corrente média no PFC e a modulação por frequência/deslocamento de fase no CLLC com resolução PWM de 150 ps. O isolamento entre o domínio de alta tensão e a rede de baixa tensão do veículo é assegurado por acopladores capacitivos digitais isolados por barreira dielétrica de dióxido de silício ($Si{O}_2$) testados a $5.0\text{ kVrms}$.

---

3. Fundamentos Físicos e Princípios de Operação

3.1 Física dos Semicondutores de Banda Larga (WBG: GaN e SiC)

A viabilidade dos carregadores de bordo compactos e ultraeficientes decorre das propriedades físicas fundamentais dos materiais semicondutores de banda proibida larga (Wide Bandgap - WBG), comparados ao silício monocristalino convencional:

$E_g(\text{GaN})=3.4\text{eV},E_g(\text{SiC})=3.26\text{eV},E_g(\text{Si})=1.12\text{eV}$

O campo elétrico de ruptura dielétrica do GaN e do SiC é cerca de uma ordem de grandeza superior ao do silício ($E_c\approx 3.3\times 10^6\text{V/cm}$ contra $0.3\times 10^6\text{V/cm}$). Isso permite que a espessura da região de derivação (drift layer) seja reduzida em 90% para a mesma classe de tensão reversa, reduzindo a resistência específica de condução em estado ligado ($R_{on,sp}$):

$R_{on,sp}\propto \frac{4V_{BR}^2}{{\epsilon }_s{\mu }_n{E}_c^3}$

Além disso, nos transistores GaN HEMT, a condução ocorre através de um gás de elétrons bidimensional (2DEG - Two-Dimensional Electron Gas) formado espontaneamente na heterointerface $\text{AlGaN}/\text{GaN}$ devido aos efeitos piezoelétrico e de polarização espontânea. Esse canal possui mobilidade eletrônica excepcional (${\mu }_n\approx 2000{\text{cm}}^2/\text{V}\cdot \text{s}$) e ausência absoluta de portadores minoritários em condução reversa, eliminando o fenômeno de tempo de recuperação reversa:

$Q_{rr}(\text{GaN})=0\text{nC},Q_{rr}(\text{Si Fast Diode})\approx 500\text{ a }1500\text{nC}$

Essa característica física elimina as severas perdas de comutação que historicamente inviabilizavam a topologia de PFC Totem-Pole em modo de condução contínua (CCM) com semicondutores de silício.

3.2 Princípio do Retificador Totem-Pole Bridgeless PFC

O circuito Totem-Pole elimina a ponte retificadora de diodos de entrada, a qual gerava perdas por queda de tensão direta ($2\times V_F\cdot I_{in}\approx 2\times 1.2\text{V}\times 16\text{A}\approx 38.4\text{W}$ contínuos em silício). O conversor é subdividido em dois braços:

                  +---[ Indutor PFC L1 ]---+
                  |                        |
        Rede AC   |         +--------------+--------------+
        Fase ----+         |                             |
                            |                             |
                         [Q1: GaN HEMT]                [D1/Q3: Si 60Hz]
                            | (High-Freq Leg)             | (Line-Freq Leg)
                            +-----> Link DC (+)           +-----> Link DC (+)
                            |                             |
                         [Q2: GaN HEMT]                [D2/Q4: Si 60Hz]
                            |                             |
        Neutro -----------+-----------------------------+

1. Braço de Alta Frequência (GaN HEMT Q1/Q2): Opera na frequência da portadora PWM ($f_{sw}=150\text{ a }300\text{kHz}$), modulando a corrente de entrada para que ela copie perfeitamente a forma de onda senoidal da tensão da rede.
2. Braço de Baixa Frequência (Si MOSFETs Q3/Q4): Opera sincronizado com a frequência da rede elétrica (50 Hz ou 60 Hz), atuando como um retificador síncrono para estabelecer o retorno da corrente com perdas de condução desprezíveis ($R_{ds(on)}\approx 15\text{m}\Omega$).

A equação do balanço de energia do PFC em regime permanente com controle de fator de potência unitário impõe:

$p_{in}(t)=2V_{rms}{I}_{rms}{\sin }^2(\omega t)=V_{rms}{I}_{rms}(1-\cos (2\omega t))$

Essa oscilação intrínseca de potência em $2\omega$ (100 Hz ou 120 Hz) exige um banco de capacitores de link de corrente contínua ($C_{dc}$) dimensionado para absorver a corrente de ondulação sem ultrapassar os limites de sobretensão admissíveis pelo conversor DC-DC subsequente.

3.3 Comportamento Ressonante do Conversor CLLC Bidirecional

Diferentemente do conversor ressonante LLC clássico, cuja assimetria estrutural degrada o rendimento e a faixa de regulação quando operado no sentido reverso (da bateria para a rede), o conversor CLLC introduz redes ressonantes idênticas tanto no lado primário ($L_{r1},C_{r1}$) quanto no secundário ($L_{r2},C_{r2}$):

     LADO PRIMÁRIO (HV Link)                     LADO SECUNDÁRIO (Bateria HV)
   +--------+      Cr1      Lr1              Trafo     Lr2      Cr2      +--------+
---| Ponte  |------||-----/\/\/\----+        || |----+--/\/\/\---||------| Ponte  |---
   | H (SiC)|                       |        || |    |                   | H (SiC)|
---|        |-------------------+   )   Lm   || (    +-------------------|        |---
   +--------+                   |   )        || (                        +--------+
                                +---+--------|| |------------------------+

A frequência de ressonância série primária é expressa por:

$f_{r1}=\frac{1}{2\pi \sqrt{L_{r1}{C}_{r1}}}$

E a frequência de ressonância secundária, refletida ao primário através da relação de espiras $n=N_p/N_s$:

$f_{r2}=\frac{1}{2\pi \sqrt{L_{r2}{C}_{r2}}}$

Para assegurar perfeita simetria e estabilidade operacional em ambos os sentidos de fluxo de potência (G2V e V2G), adota-se o casamento rigoroso dos parâmetros ressonantes:

$f_{r1}=f_{r2}=f_0,\frac{L_{r1}}{n^2{L}_{r2}}=1,n^2\frac{C_{r1}}{C_{r2}}=1$

O ganho de tensão normalizado em função da frequência $M(f_n)$ opera através da comutação suave sob tensão zero (ZVS) em toda a amplitude de carga. A condição imperativa para a garantia de ZVS durante o tempo morto ($t_{dead}$) é que a corrente de magnetização de pico ($I_{mag\_pk}$) forneça carga suficiente para descarregar a capacitância de saída dos MOSFETs desligados e carregar a dos MOSFETs em condução:

$I_{mag\_pk}\ge \frac{2C_{oss(er)}{V}_{dc}}{t_{dead}}$

Onde $C_{oss(er)}$ é a capacitância parasita intrínseca relacionada à energia do transistor SiC e $V_{dc}$ é a tensão do barramento intermediário.

---

4. Esquema Elétrico de Aplicação e Integração Veicular

O esquema a seguir detalha a cadeia completa de interconexão, filtros de compatibilidade eletromagnética, estágios de potência e interfaces de controle e segurança de um sistema integrado OBC 11 kW + APM 3 kW:

graph TD
    subgraph ENTRADA_AC["Interface de Entrada da Rede AC (Plugue Tipo 2)"]
        AC_IN["Alimentação AC Trifásica<br/>L1, L2, L3, N, PE"] --> REL_AC["Relés de Pré-Carga &<br/>Desconexão de Rede (ISO 6469-3)"]
        REL_AC --> EMI_AC["Filtro EMI Modo Comum & Diferencial<br/>Chokes Nanocristalinos + Caps X2/Y2"]
    end

    subgraph PFC_STAGE["Estágio PFC Totem-Pole Bridgeless 11 kW"]
        EMI_AC --> PFC_IND["Indutores Boost Acoplados (Sendust)"]
        PFC_IND --> BRIDG_GAN["Braços HF: GaN HEMT 650V (200 kHz)<br/>Braços LF: Si MOSFET 15mΩ (60 Hz)"]
        BRIDG_GAN --> LINK_DC["Barramento DC Intermediário<br/>C_dc = 800 µF / 500V Filme Metalizado"]
    end

    subgraph CLLC_STAGE["Estágio Isolado Ressonante CLLC Bidirecional"]
        LINK_DC --> PRIM_BRIDGE["Ponte H Primária (SiC MOSFET 650V)"]
        PRIM_BRIDGE --> TANK_RES["Tanque Ressonante CLLC Simétrico"]
        TANK_RES --> PLANAR_XFRM["Transformador Planar Multicamadas<br/>Isolamento Reforçado 4 kVrms"]
        PLANAR_XFRM --> SEC_BRIDGE["Ponte H Secundária (SiC MOSFET 1200V)"]
        SEC_BRIDGE --> FILT_HV["Filtro DC de Saída LC"]
    end

    subgraph SAIDA_HV["Alimentação do Barramento de Tração"]
        FILT_HV --> REL_HV["Relés Contatores de Alta Tensão"]
        REL_HV --> BATT_HV["Banco de Baterias de Tração (Pack 800V)"]
    end

    subgraph AUX_DCDC["Conversor DC-DC Auxiliar Integrado (APM 3 kW)"]
        LINK_DC --> DCDC_IN["Entrada de Alta Tensão (Isolada)"]
        DCDC_IN --> PSFB_STAGE["Phase-Shifted Full-Bridge (SiC)"]
        PSFB_STAGE --> XFRM_LV["Transformador Planar de Baixa Tensão"]
        XFRM_LV --> SYNC_RECT["Retificação Síncrona (Si MOSFET 0.6 mΩ)"]
        SYNC_RECT --> OUT_12V["Barramento Auxiliar 13.8V / 217A (Bateria 12V e ECUs)"]
    end

    subgraph CONTROLE_SEGURANCA["Unidade de Controle e Segurança Veicular"]
        DSP["DSP Dual-Core TI TMS320F28388D<br/>Malhas Digitais de Corrente & Tensão"]
        ISO["Barreira de Isolamento Galvânico Digital (SiO2 5 kVrms)"]
        CAN["Transceiver CAN-FD Isolado (ISO 11898-2)"]
        HVIL["Circuito de Intertravamento HVIL (High Voltage Interlock)"]

        DSP --> ISO
        ISO --> BRIDG_GAN
        ISO --> PRIM_BRIDGE
        ISO --> SEC_BRIDGE
        ISO --> PSFB_STAGE
        DSP <--> CAN
        HVIL -.->|Interrupção Imediata| DSP
    end

    style PFC_STAGE fill:#0d1b2a,stroke:#415a77,stroke-width:1px,color:#fff
    style CLLC_STAGE fill:#1b263b,stroke:#778da9,stroke-width:1px,color:#fff
    style AUX_DCDC fill:#2b2d42,stroke:#8d99ae,stroke-width:1px,color:#fff
    style CONTROLE_SEGURANCA fill:#22223b,stroke:#c9ada7,stroke-width:1px,color:#fff

---

5. Metodologia de Dimensionamento e Projeto Numérico 100% Resolvido

5.1 Especificações do Projeto de Engenharia

Projeta-se uma unidade compacta e integrada para um veículo elétrico de passeio de arquitetura de 800 V com as seguintes especificações funcionais:

• Potência Nominal de Carga AC (G2V): $P_n=11.0\text{kW}$ (Trifásica, rede $V_{L-L}=400\text{V}$, $f=60\text{Hz}$, configuração estrela com neutro).
• Potência Máxima de Descarga (V2G / V2L): $P_{v2g}=11.0\text{kW}$ para a rede; $P_{v2l}=3.3\text{kW}$ monofásico (230 V).
• Faixa de Tensão da Bateria de Tração: $V_{batt}=650\text{V}$ (mínima descarregada) a $920\text{V}$ (teto de carga). Tensão nominal: $V_{batt,nom}=800\text{V}$.
• Conversor DC-DC Auxiliar (APM): $P_{aux}=3.0\text{kW}$, com tensão de saída regulada em $V_{out\_aux}=13.8\text{V}$ e corrente nominal de saída de $I_{out\_aux}=217.4\text{A}$.
• Frequência de Ressonância Base do CLLC: $f_0=200\text{kHz}$.
• Fluido de Arrefecimento: Mistura de 50/50 água-etilenoglicol, temperatura máxima de entrada $T_{in}=65.0^{\circ }\text{C}$.
• Rendimento Mínimo Global Almejado: $\eta \ge 96.5\%$ em carga plena nominal.

---

5.2 Passo 1: Dimensionamento Elétrico da Entrada e Estágio PFC

Para operação trifásica com topologia de três módulos monofásicos Totem-Pole em estrela ligados ao neutro, cada módulo processa um terço da potência ativa total:

$P_{fase}=\frac{P_n}{3}=\frac{11000\text{W}}{3}=3666.67\text{W}$

A tensão nominal de fase-neutro é:

$V_{ph}=\frac{400\text{V}}{\sqrt{3}}\approx 230.94\text{V}$

Adotando um rendimento estimado para o estágio PFC de ${\eta }_{pfc}=98.6\%$ e fator de potência $PF=0.998$:

$I_{in\_rms}=\frac{P_{fase}}{{\eta }_{pfc}\cdot V_{ph}\cdot PF}=\frac{3666.67}{0.986\times 230.94\times 0.998}=16.13\text{A}$

A corrente de pico da rede em cada fase é:

$I_{in\_pk}=\sqrt{2}\cdot I_{in\_rms}=\sqrt{2}\times 16.13\text{A}=22.81\text{A}$

O barramento DC intermediário do PFC deve ser mantido em um valor estritamente superior ao valor de pico da tensão de linha retificada ($V_{L-L\_pk}=\sqrt{2}\times 400\approx 565.7\text{V}$). No projeto trifásico dividido em módulos com link comum ou topologia multi-nível, estabelece-se o barramento intermediário em:

$V_{dc}=800.0\text{V}$

Para um ripple máximo de corrente no indutor PFC limitado a $\Delta I_L=20\%$ da corrente de pico ($0.20\times 22.81\text{A}=4.56\text{A}$) operando a uma frequência de chaveamento de $f_{sw}=150\text{kHz}$, a indutância necessária do indutor de fase é:

$L_{pfc}=\frac{V_{ph\_pk}\cdot (V_{dc}-V_{ph\_pk})}{f_{sw}\cdot \Delta I_L\cdot V_{dc}}$

Substituindo $V_{ph\_pk}=326.6\text{V}$, $V_{dc}=800.0\text{V}$, $f_{sw}=150\times 10^3\text{Hz}$ e $\Delta I_L=4.56\text{A}$:

$L_{pfc}=\frac{326.6\times (800.0-326.6)}{150000\times 4.56\times 800.0}=\frac{326.6\times 473.4}{5.472\times 10^8}=\frac{154612.4}{5.472\times 10^8}\approx 282.5\mu \text{H}$

Seleção do Indutor: Especifica-se $L_{pfc}=300\mu \text{H}$, confeccionado em núcleo toroidal de pó magnético Sendust (Kool M$\mu$ 60u) de baixas perdas por histerese, com enrolamento em fio Litz de 1200 vias $\times 0.05\text{mm}$ para anular o efeito pelicular a 150 kHz.

---

5.3 Passo 2: Dimensionamento do Barramento de Link CC ($C_{dc}$)

O capacitor do link CC deve filtrar a corrente de ondulação em alta frequência proveniente do chaveamento e garantir tempo de sustentação (hold-up time) perante transitórios de carga.

Adotando uma ondulação máxima de tensão admitida $\Delta V_{dc}\le 1.5\%$ de $V_{dc}$ ($\Delta V_{dc}\le 12.0\text{V}$):

$C_{dc}\ge \frac{P_n}{2\pi f_{grid\_ripple}\cdot V_{dc}\cdot \Delta V_{dc}}$

Em sistemas trifásicos equilibrados, o ripple de 120 Hz cancela-se mutuamente no barramento comum, restando a ondulação em 360 Hz e os componentes harmônicos de chaveamento. Para amortecer transições rápidas de degrau de carga no modo V2G (onde a bateria assume a carga da casa em $<10\text{ms}$), calcula-se o capacitor para suportar uma variação transitória de $50\%$ da carga por $\Delta t=2.0\text{ms}$ com queda de tensão máxima de $\Delta V_{trans}=40\text{V}$:

$C_{dc}=\frac{0.5\cdot P_n\cdot \Delta t}{V_{dc}\cdot \Delta V_{trans}}=\frac{0.5\times 11000\times 0.002}{800.0\times 40.0}=\frac{11.0}{32000}=343.75\mu \text{F}$

Especificação dos Capacitores de Link: Utiliza-se um banco de capacitores de filme de polipropileno metalizado de alta densidade (MKP automotivo AEC-Q200), totalizando $400\mu \text{F}/1000\text{V}$, apresentando resistência série equivalente global ultrabaixa ($ESR\le 1.8\text{m}\Omega$) e capacidade para suportar correntes de ripple eficaz de até $45{\text{A}}_{rms}$.

---

5.4 Passo 3: Dimensionamento do Estágio Ressonante CLLC Bidirecional

Relação de Espiras do Transformador Planar ($n$)

A relação de transformação do transformador de isolamento galvânico é calculada para operar com ganho unitário na tensão nominal da bateria de tração:

$n=\frac{N_p}{N_s}=\frac{V_{dc}}{V_{batt,nom}}=\frac{800.0\text{V}}{800.0\text{V}}=1.0$

Portanto, o transformador opera com uma relação simétrica de espiras $1:1$ ($N_p=N_s=14\text{ espiras}$).

Parâmetros do Tanque Ressonante

Adota-se a razão de indutâncias de magnetização e dispersão $k=\frac{L_m}{L_{r1}}=5.0$, que oferece um compromisso excelente entre faixa de regulação de frequência e corrente de magnetização suficiente para garantir ZVS sem perdas excessivas de condução.

Para a impedância característica de referência $Z_0$ em carga nominal plena:

$R_{ac}=\frac{8n^2}{{\pi }^2}{R}_L=\frac{8\times 1.0^2}{{\pi }^2}\times \left(\frac{V_{batt,nom}^2}{P_n}\right)=\frac{8}{9.8696}\times \left(\frac{800^2}{11000}\right)=0.8106\times 58.18\Omega \approx 47.16\Omega$

Adotando fator de qualidade $Q=0.45$:

$Z_0=Q\cdot R_{ac}=0.45\times 47.16\Omega =21.22\Omega$

Os valores dos componentes ressonantes para $f_0=200\text{kHz}$ são:

$L_{r1}=\frac{Z_0}{2\pi f_0}=\frac{21.22}{2\pi \times 200000}=\frac{21.22}{1.2566\times 10^6}\approx 16.89\mu \text{H}$

$C_{r1}=\frac{1}{2\pi f_0{Z}_0}=\frac{1}{1.2566\times 10^6\times 21.22}=\frac{1}{2.6665\times 10^7}\approx 37.5\text{nF}$

Pela simetria do CLLC ($n=1$):

$L_{r2}=16.89\mu \text{H},C_{r2}=37.5\text{nF}$

A indutância de magnetização é:

$L_m=k\cdot L_{r1}=5.0\times 16.89\mu \text{H}\approx 84.45\mu \text{H}$

Verificação da Condição de Comutação ZVS

A corrente de magnetização de pico é:

$I_{mag\_pk}=\frac{V_{dc}}{4f_0{L}_m}=\frac{800.0}{4\times 200000\times 84.45\times 10^{-6}}=\frac{800.0}{67.56}\approx 11.84\text{A}$

Considerando transistores SiC MOSFET de $1200\text{V}$ com capacitância de saída de energia equivalente $C_{oss(er)}=120\text{pF}$ e tempo morto ajustado no DSP para $t_{dead}=150\text{ns}$:

$I_{zvs\_min}=\frac{2\cdot C_{oss(er)}\cdot V_{dc}}{t_{dead}}=\frac{2\times 120\times 10^{-12}\times 800.0}{150\times 10^{-9}}=\frac{1.92\times 10^{-7}}{1.5\times 10^{-7}}=1.28\text{A}$

Como $I_{mag\_pk}=11.84\text{A}\gg 1.28\text{A}$, a condição de comutação por tensão zero (ZVS) é integralmente assegurada com ampla margem de segurança em toda a extensão operacional.

---

5.5 Passo 4: Dimensionamento do Conversor DC-DC Auxiliar (APM 3 kW)

O módulo DC-DC opera rebaixando de $V_{in\_dcdc}=800\text{V}$ para $V_{out\_aux}=13.8\text{V}$ com $I_{out\_aux}=217.4\text{A}$.

Adota-se a topologia Phase-Shifted Full-Bridge (PSFB) com secundário provido de retificação síncrona por transistores MOSFET. A relação de transformação do transformador planar auxiliar é dimensionada para acomodar a tensão mínima de entrada ($650\text{V}$) sob ciclo de trabalho máximo ($D_{max}=0.85$):

$n_{aux}=\frac{N_{p\_aux}}{N_{s\_aux}}=\frac{V_{in\_min}\cdot D_{max}}{V_{out\_aux}+V_{drop}}=\frac{650.0\times 0.85}{13.8+0.15}=\frac{552.5}{13.95}\approx 39.6$

Adota-se $n_{aux}=40:1$ ($N_{p\_aux}=40\text{ espiras}$, $N_{s\_aux}=1\text{ espira}$ com derivação central ou saída bifásica síncrona).

Para a frequência de chaveamento do APM de $f_{sw\_aux}=120\text{kHz}$ (frequência aparente de ondulação no filtro de saída $f_{ripple}=240\text{kHz}$), admitindo uma corrente de ripple máxima no indutor de saída de $\Delta I_{L\_out}=15\%$ da corrente nominal ($0.15\times 217.4\text{A}=32.61\text{A}$):

$L_{out\_aux}=\frac{V_{out\_aux}\cdot (1-D_{nom})}{f_{ripple}\cdot \Delta I_{L\_out}}$

Para tensão de entrada nominal de 800 V:

$D_{nom}=\frac{n_{aux}\cdot V_{out\_aux}}{V_{in\_nom}}=\frac{40\times 13.8}{800.0}=\frac{552}{800}=0.69$

$L_{out\_aux}=\frac{13.8\times (1-0.69)}{240000\times 32.61}=\frac{13.8\times 0.31}{7.826\times 10^6}=\frac{4.278}{7.826\times 10^6}\approx 0.547\mu \text{H}$

Seleção do Indutor: Utiliza-se um indutor planar customizado de $0.60\mu \text{H}$ com núcleo planar de ferrite e lâmina de cobre espessa ($3.0\text{mm}$ de largura $\times 1.5\text{mm}$ de espessura) capaz de conduzir $250\text{A}$ contínuos com perdas Joule inferiores a $8.5\text{W}$.

---

5.6 Passo 5: Balanço Térmico Global e Refrigeração Líquida

Calculam-se as perdas térmicas totais a serem evacuadas pela placa fria no regime de carregamento nominal simultâneo (OBC operando a 11 kW e DC-DC auxiliar a 3 kW):

• Rendimento do estágio PFC GaN: ${\eta }_{pfc}=98.7\%⟹P_{loss\_pfc}=11000\times (1-0.987)=143.0\text{W}$
• Rendimento do estágio CLLC SiC: ${\eta }_{cllc}=98.1\%⟹P_{loss\_cllc}=10857\times (1-0.981)=206.3\text{W}$
• Perdas passivas (filtros EMI, relés e barramentos): $P_{loss\_aux1}\approx 35.0\text{W}$
• Perdas no Conversor DC-DC Auxiliar (APM 3 kW com rendimento de 96.0%):

$P_{loss\_dcdc}=3000\times \left(\frac{1-0.96}{0.96}\right)=3000\times 0.04167=125.0\text{W}$

Potência Térmica Total a Dissipar:

$P_{loss\_total}=143.0+206.3+35.0+125.0=509.3\text{W}$

Adotando-se uma margem de segurança de engenharia de $15\%$:

$\dot{Q}=1.15\times 509.3\text{W}\approx 585.7\text{W}$

Para a mistura 50/50 água-etilenoglicol a $65^{\circ }\text{C}$:

• Calor específico: $c_p=3560\text{J}/(\text{kg}\cdot \text{K})$
• Massa específica: $\rho =1050{\text{kg/m}}^3$

Limitando a elevação máxima da temperatura do líquido arrefecedor através da carcaça em $\Delta T_{fluido}\le 3.0^{\circ }\text{C}$:

$\dot{m}=\frac{\dot{Q}}{c_p\cdot \Delta T_{fluido}}=\frac{585.7}{3560\times 3.0}=\frac{585.7}{10680}=0.05484\text{kg/s}$

A vazão volumétrica correspondente é:

$\dot{V}=\frac{\dot{m}}{\rho }=\frac{0.05484}{1050}=5.223\times 10^{-5}{\text{m}}^3/\text{s}=3.13\text{litros/minuto}$

Verificação de Temperatura de Junção: Com a placa fria apresentando $R_{th(case-coolant)}=0.035\text{K/W}$, a elevação de temperatura do ponto mais quente da carcaça em relação ao fluido de entrada ($65^{\circ }\text{C}$) será:

$\Delta T_{case}=\dot{Q}\cdot R_{th}=585.7\times 0.035=20.5^{\circ }\text{C}⟹T_{case}=65.0+20.5=85.5^{\circ }\text{C}$

Considerando o semicondutor SiC com $R_{th(j-c)}=0.45\text{K/W}$ dissipando $25.8\text{W}$ por chip:

$T_j=T_{case}+(25.8\times 0.45)=85.5+11.61=97.11^{\circ }\text{C}$

Como o limite de operação da junção automotiva é $T_{j\_max}=175^{\circ }\text{C}$ (derated para $125^{\circ }\text{C}$ de projeto conservador), o sistema opera com margem de segurança térmica superior a $27^{\circ }\text{C}$.

---

6. Análise de Modos de Falha (FMEA), Diagnóstico e Manutenção

6.1 Matriz de Análise de Modos de Falha e Efeitos (FMEA)

Item / Função	Modo de Falha	Causa Raiz Física	Efeito no Sistema Veicular	S	O	D	RPN	Ação Preventiva / Mitigação de Engenharia
Isolamento Galvânico HV/LV	Degradação dielétrica no trafo planar	Fadiga térmica do isolamento FR4/Kapton por descargas parciais	Risco letal de alta tensão no chassi / barramento 12V	10	1	3	30	Homologação de isolamento classe H (4 kVrms), teste de descarga parcial $<5\text{ pC}$, circuito de isolamento ativo ISO 6469-3.
Braço GaN HEMT (PFC)	Shoot-through e explosão de chip	Ruído transitório induzido no gate ($dv/dt>100\text{ V/ns}$)	Perda imediata da recarga AC; disjuntor de entrada desarma	8	2	2	32	Gate driver automotivo com Miller Clamp ativo, minimização de indutância parasita ($L_g<1.5\text{ nH}$), traçado diferencial.
Tanque Ressonante CLLC	Desvio de sintonia ($f_r\ne f_0$)	Envelhecimento térmico e degradação de capacitores $C_r$	Perda de condição ZVS; sobreaquecimento severo	7	3	2	42	Emprego estrito de capacitores cerâmicos dielétricos C0G/NP0 classe 1 em paralelo com dielétrico filme metalizado MKP.
Circuito HVIL	Abertura do laço de segurança	Afrouxamento ou oxidação do conector de serviço	Interrupção imediata da tração e corte dos contatores	8	3	2	48	Sistema High-Voltage Interlock Loop redundante com detecção de interrupção em $<10\text{ ms}$ pelo microcontrolador.
Placa Fria / Glicol	Obstrução por cavitação ou corrosão	Incompatibilidade química de aditivos do etilenoglicol	Derating térmico por sobreaquecimento ($T_j>130^{\circ }\text{C}$)	6	3	3	54	Anodização dura dos canais internos de alumínio, sensor de temperatura redundante no substrato e derating dinâmico via software.
Saída 13.8V do APM	Sobretensão transitória na rede LV	Falha na malha de feedback de tensão da retificação síncrona	Destruição de ECUs e módulos de segurança do carro	9	1	3	27	Circuito de proteção Crowbar ativo redundante no barramento 12V e monitoramento watchdog independente ASIL-D.

Legenda: S = Severidade (1-10); O = Ocorrência (1-10); D = Detecção (1-10); RPN = Número de Prioridade de Risco ($S\times O\times D$).

---

6.2 Procedimentos de Diagnóstico e Ensaios de Manutenção

+--------------------------------------------------------------------------------------------------+
| FLUXOGRAMA DE DESENERGIZAÇÃO E TESTE DE SEGURANÇA EM OBC (ABNT NBR 17083 / ISO 6469-3)           |
|                                                                                                  |
| [Início da Manutenção]                                                                           |
|       |                                                                                          |
|       v                                                                                          |
| 1. Desconectar o Plugue de Serviço / Chave Geral de Alta Tensão (Manual Service Disconnect - MSD) |
|       |                                                                                          |
|       v                                                                                          |
| 2. Aguardar 5 Minutos (Descarga Ativa dos Capacitores de Link CC através do Resistor de Bleeder) |
|       |                                                                                          |
|       v                                                                                          |
| 3. Vestir EPIs de Alta Tensão (Luvas Isolantes 1000V Classe 0 + Viseira de Proteção Facial)      |
|       |                                                                                          |
|       v                                                                                          |
| 4. Testar Ausência de Tensão nos Bornes HV com Multímetro CAT III 1000V / CAT IV 600V Calibrado   |
|       |                                                                                          |
|       +---> Tensão > 5.0 V? ----> [SIM] ----> PARAR! Falha no circuito de bleeder (Risco de Choque)|
|       |                                                                                          |
|      [NÃO]                                                                                       |
|       |                                                                                          |
|       v                                                                                          |
| 5. Conectar o Medidor de Resistência de Isolamento (Megômetro testado a 1000V DC):               |
|    - Medir entre Barramento HV (+) e Carcaça/Chassi PE: Exigido R_iso >= 500 Megaohms            |
|    - Medir entre Barramento LV (12V) e Chassi PE: Exigido R_iso >= 100 Megaohms                  |
|       |                                                                                          |
|       v                                                                                          |
| [Sistema Aprovado para Abertura e Manutenção Laboratorial]                                       |
+--------------------------------------------------------------------------------------------------+

1. Leitura de Códigos de Falha via DTC (OBD-II / UDS sobre CAN-FD):
   • P0A0F: Mau funcionamento do circuito de controle do carregador de bordo.
   • P0A1B: Sobretensão transitória no barramento de link de alta tensão do inversor/carregador.
   • P0A90: Desempenho deficiente do sistema de acionamento do motor / conversor auxiliar DC-DC.
   • U0111: Perda de comunicação com o módulo de controle de energia da bateria (BMS).
2. Inspeção Térmica por Termografia Infravermelha em Bancada de Carga:
   • Operar o OBC em bancada de carga regenerativa a 11 kW contínuos.
   • Verificar se o gradiente de temperatura na interface dos transistores GaN/SiC para a carcaça permanece abaixo de $15^{\circ }\text{C}$.
   • Qualquer ponto quente isolado indicará degradação do material de interface térmica (Thermal Interface Material - TIM) ou torque incorreto nos parafusos de fixação do substrato cerâmico DBC (Direct Bonded Copper).
3. Teste de Estanqueidade do Circuito de Arrefecimento:
   • Pressurizar o circuito interno de fluido da carcaça com ar seco ou nitrogênio a $2.0\text{bar}$ durante 15 minutos.
   • A queda de pressão deve ser estritamente nula ($\Delta P<0.01\text{bar}$), garantindo que não haverá vazamento de glicol para o interior da câmara eletrônica sob as variações normais de dilatação e pressão veicular.