Projeto de Fontes Chaveadas

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1 Univeridade Federal de Santa atara Departamento de Engenharia Elétrica Intituto de Eletrônica de Potência Projeto de Fonte haveada Prof. Alexandre Ferrari de Souza, Dr.

2 Programa a Semana: Introdução apítulo I etificador e Filtro de Entrada apítulo II Fonte haveada do Tipo Flyback apítulo III Fonte haveada do Tipo Forward apítulo I Fonte haveada do Tipo HalfBridge, Full Bridge e PuhPull apítulo Tranitore de Potência

3 Programa a Semana: apítulo I ircuito de omando para Tranitore de Potência apítulo II ircuito de omando para Fonte haveada apítulo III epota Tranitória e Etabilidade apítulo IX Interferência Eletromagnética em Fonte haveada apítulo X onideraçõe de Projeto

4 Introdução a Fonte haveada omputadore e microcomputadore; Periférico (impreora, termai,...); ede A Fonte de Alimentação Telecomunicaçõe; Equipamento médico e militare; Aviõe e atélite; Fonte de alimentação para circuito de comando de converore. Fonte de Alimentação: ear haveada

5 Introdução a Fonte haveada Fonte ear: Tranformador de baixa freqüência, ponte retificadora, filtro capacitivo e regulador lear érie. Elevada robutez e confiabilidade. Baixo cuto. Simplicidade de projeto e operação. Elevado peo e volume. Baixo rendimento (reguladore leare). imitação na regulação. Geração de componente harmônica na corrente de entrada, reultando um baixo fator de potência. Atualmente limitame à aplicaçõe de baixa potência (implicidade e baixo cuto).

6 Introdução a Fonte haveada Fonte haveada : Utilizam terruptore de potência na região de aturação (chave com etado aberto e fechado). Início do deenvolvimento: década de 60 em programa epaciai. Avanço da microeletrônica e a neceidade de compactação do equipamento aliado a baixo conumo difundiu o uo da fonte chaveada. Subtituiu a Fonte eare.

7 Introdução a Fonte haveada aracterítica da Fonte haveada:! Maior rendimento;! Elevada denidade de potência: menor volume e peo;! Grande capacidade de regulação;! Poibilidade de operar com fator de potência unitário; " Meno robuta e repota tranitória lenta; " Ondulação na tenão de aída; " Interferência radioelétrica e eletromagnética; " Maior número de componente; " omponente mai ofiticado.

8 Introdução a Fonte haveada Eforço do pequiadore para dimuir a devantagen da Fonte haveada: Nível teórico (topologia, comutação, controle, modulação,...); Otimização do projeto; Fabricante de componente (circuito tegrado dedicado, emicondutore,...). Avanço do emicondutore: Década de 70: Tranitor Bipolar com freqüência de até 0kHz; Década de 80: MOSFET (baixa potência) e diodo ultrarápido com freqüência de até 00kHz; ecentemente: Fonte com comutação uave podendo operar na faixa do MHz, rendimento próximo a 90%, e pouco ruído radioelétrico.

9 Introdução a Fonte haveada onfiguração uual de uma Fonte haveada: ede A Filtro de ádio Freqüência etificador Filtro Interruptor IGBT/ MOSFET Tranformador de Iolamento etificadore Filtro Proteçõe omando Proteção Fonte Auxiliar ircuito de ontrole

10 Introdução a Fonte haveada Deenvolvimento de uma Fonte haveada: Técnica p/ redução da terferência eletromagnética gerada; Método p/ a correção do fator de potência; onverore ; Teoria de controle e modelagem de converore etático; Projeto de dutore e tranformadore de alta freqüência; Semicondutore de potência e circuito tegrado dedicado; Projeto térmico; ircuito de comando e proteção; Simulação de converore etático.

11 Introdução a Fonte haveada Etapa de Projeto. Epecificar: Tenão de entrada e aída; Freqüência da rede; Tenõe nomai, máxima e mínima da rede; Ondulação de 0Hz na aída; Ondulação da aída na freqüência de comutação; HoldUp time; Temperatura ambiente; Proteçõe exigida; endimento; egulação de carga; egulação de lha; epota tranitória; Tenão de iolamento; Nível de terferência radioelétrica e eletromagnética; Norma aplicávei (IE 60003, ISP, IE950).

12 Etapa de Projeto Introdução a Fonte haveada. Defir: Topologia do converor; Freqüência de comutação; Interruptor prcipal (IGBT, MOSFET, etc.); Iolamento (tranformador de comando de bae/gatilho, iolador ótico ou enor hall no laço de realimentação); 3. álculo de Etágio de Entrada: etificador; apacitor de filtragem; imitação de corrente de précarga do capacitor de filtragem. 4. Projeto do onveror 5. álculo do Tranformador de Iolamento de Alta Freqüência 6. álculo de Etágio de Saída

13 Etapa de Projeto Introdução a Fonte haveada 7. ircuito de comando de bae ou gate 8. Projeto do circuito de compenação (etabilidade e repota tranitória) 9. Ecolha do IPWM e cálculo do componente externo 0. Projeto do circuito de proteção. álculo da fonte auxiliar. álculo do filtro de rádio freqüência

14 Introdução a Fonte haveada. etificadore não ontrolado (baixo FP). Monofáico v pk D v A D 0 S i 0 D3 D 4 i onveror v i 0 m t t tc I p π π ωt ωt 9.5% 83.% 74.0% 64.7% 55.5% 46.% 37.0% 7.7% 8.5% 9.% 0.0% TDH 48% Del.,48 o FP 0,553

15 Introdução a Fonte haveada. etificadore não ontrolado (baixo FP). Trifáico D D D 3 3 π i ωt D 4 D 5 D 6 _

16 Introdução a Fonte haveada. etificadore ontrolado (FP elevado). Monofáico: BOOST, BUK,... retificador ONESO carga controle

17 apítulo I Etágio etificador com Filtro de Entrada etificador Monofáico com Filtro apacitivo v D v A D 0 S i 0 i onveror D3 D 4 Operação em 0 e 0 (dobrador( de tenão) 0 W ( ) pk m W P f

18 apítulo I Etágio etificador com Filtro de Entrada pk v m pk co( πftc) m i 0 t t t c I p π π ωt t c arcco ( ) m πf pk ωt t c tervalo de conduçã ção o do diodo ou tempo de recarga de (equivalente) arga tranferida para Q I p t c I p t. pk m c ( t c )

19 apítulo I Etágio etificador com Filtro de Entrada P ( pk m ) f P pk m f( ) Seja ef valor eficaz da componente alternada da corrente i med valor médio m da corrente i ef valor eficaz da corrente i I ef I med I ef ef I med I ef I ef Ief Imed I I I med p t T c I ef I p t T c I ef I p t T c I p t T c I ef I p tc f (tc f )

20 apítulo I Etágio etificador com Filtro de Entrada Etágio de entrada é ligado ao converor operando em alta freqüê üência i I pk I pk Ton P m D T Para D max 0,5 ωt P I pk P Onde: m I pk D m T on T D I P I P ef pk m Pout ogo: η ef I ef I ef I

21 apítulo I Etágio etificador com Filtro de Entrada Grandeza Elétrica no Diodo da Ponte etificadora I Dmed P m I Def I p tc T D max pk

22 apítulo I Etágio etificador com Filtro de Entrada Exemplo Numérico A 7 ; Am 99 ; Amax 35 f 60Hz ; m 00 ; η 0,7 ; P out 70W a) P Pout 70 W η 07, 00 b) P pk m f( ) ( ) 03µ F pk pk 35 A m 406µ F pk m

23 c) d) t I c p apítulo I Etágio etificador com Filtro de Entrada ( ) m pk arcco( 00 35) arcco πf 6 t , c 364, A π 60, 954m 3 e) tc f, ,345 I ef I p tc f (tc f ) 3,64 0,345 0,345, 54A P ef m f) I A g) I ef I ef I ef,54, 84A t h) c IDef Ip 364, T, , , A

24 apítulo I Etágio etificador com Filtro de Entrada i) I Dmed P m 05, A j) k) 35 9 Dmax pkmax Amax I I 364, A Dp p UFA!!

25 apítulo I Etágio etificador com Filtro de Entrada Simulação o Numérica D v A D i i v i va( t) 99en( 377t) 00Ω D3 D4 03µF 40 v pk pk m 0 0 t,m c 0 I pico 8,0A 00 m t I med,0a

26 apítulo I Etágio etificador com Filtro de Entrada orrente apacitor arga orrente de arga 0A i,4a i 8A 6A Q,3A 4A,A A,A 0A tc A orrente no apacitor 0A i t,0a 0A orrente de Entrada v A i t 8A 5A 6A 4A 0A A 5A 0A A t 0A t

27 apítulo I Etágio etificador com Filtro de Entrada m, pk, t c, Q Q e I med pouem praticamente o memo valore; I pico I p Análie Detalhada () θ enθ pk S mín pk i () θ ω d dθ () θ S 3 S θ π θ π θ 3 α β γ π 3π i ωt i i i () θ ω co θ pk ( θ ) i ( θ ) pk ( θ ) enθ ω pk coθ pk enθ tgθ ω θ π ( ) tg ω

28 apítulo I Etágio etificador com Filtro de Entrada Análie Detalhada S S S 3 S mín θ π π θ θ 3 α β γ π S S S S3 π π α i () θ dθ ( α) ω co pk S S 3π pk θ θ () θ dθ ο i ωt () θ ( coβ) e ω pk ω coβ θ e θ θ pk ω m en pk ( θ π) en θ π en 3π α θ α β γ S π S 3 3 i ( θ π) m pk m pk β θ ( θ ) β β pk coβ π

29 apítulo I Etágio etificador com Filtro de Entrada Análie Detalhada mín S pk S 3 S S S S3 θ 3 π θ π θ 3π ωt α β γ i π ω m / pk

30 apítulo I Etágio etificador com Filtro de Entrada Análie Detalhada mín S pk S 3 S S S S3 θ 3 π θ π θ 3π ωt α β γ i π. I ef pk ω

31 apítulo I Etágio etificador com Filtro de Entrada Dobrador de Tenão (0 ) D v A _ D i v onveror v D _ v A D i v onveror v D3 D 4 v D3 D 4 v v A ωt m m m pk v m pk pk v pk m m m m 3 pk pk pk f ( pk P m ) m m v ωt 0 π π

32 apítulo I Etágio etificador com Filtro de Entrada Dobrador de Tenão (0 ) m ( ) arcco pk co(πf t c ) t c πf m pk I p t c ( pk t c m ) I med I p t c f I ef valor eficaz da corrente i I ef t c I T 0 p dt I p t c T I ef I p t c f I ef valor eficaz da corrente (alternada) em um capacitor I ef I ef I med I Ip t cf (t c f ) ef ef ief I I I ef

33 apítulo I Etágio etificador com Filtro de Entrada Dobrador de Tenão (0 ) Projeto A 7 ; Am 99 ; Amax 35 f 60Hz ; m 00 ; η 0,7 ; P out 70W a) pk m m pk pk m 35 88,33 m 3 3 P W f 80µ F b),667j P,667 60µ F f ( ) 35 88,33 c) t arcco ( ) m pk arcco( 88,33 35) c πf π 60 pk,75m ( ) 6 pk m 60 0 (35 88,33) d) I p 3,8A 3 t,75 0 c m

34 apítulo I Etágio etificador com Filtro de Entrada Dobrador de Tenão (0 ) Projeto e) 3 t c f, ,365 f) g) I I Ip t c f (t c f ) 3,8 0,365 (0,365) ef P ef m 0,5A Ief Ief I ef,6 0,5,3A,6A h) Dp max A max 35 38

35 apítulo I Etágio etificador com Filtro de Entrada eultado Experimentai Tenão e orrente de Entrada Tranitório de Partida 00/div e 500mA/div 00/div e 0 A/div 00/div e 5 A/div com reitor de Ω em érie rie.

36 S v A apítulo I Etágio etificador com Filtro de Entrada Proteção o de Inruh i 400 v i v i arga τ 5m I p < pk τ m τ 3τ3 3 A. τ Ω i 0 00A 50A 0A 0m 0m 0m 30m 40m 50m 60m

37 apítulo I Etágio etificador com Filtro de Entrada ircuito de diparo para um Triac v A v N T T D

38 apítulo II Fonte haveada do Tipo FYBAK BUKBOOST i ce S i D out FYBAK i P E T N P T N S D i D i out Funçõe do Tranformador: iolamento entre a fonte e a carga acumulação de energia quando T etá fechada adaptar a tenão neceária no ecundário

39 apítulo II Fonte haveada do Tipo FYBAK onveror do Tipo BuckBoot Etapa de Funcionamento e Forma de Onda Báica para ondução Decontínua: i ce S a Etapa i D out E T ( ) ( Ip ) To T i T ( out ) ( out ) i ce S i a Etapa D out i i D ( )

40 Fonte haveada do Tipo FYBAK Equacionamento ( ) ( Ip ) a) orrente de Pico na entrada i di dt T D T E T To T T ( out ) I p D T I p f. D ( out ) ( ) I p max f. D max D max 0, 45 i i D

41 Fonte haveada do Tipo FYBAK b) Tenão de arga P. I md Ip. T. T. T P P.. T out out.. T.. T. T.. f. out. D. f. f.. D.. f.

42 c) Indutor Fonte haveada do Tipo FYBAK Pout P P. I. p. f η P η out. Dmax.. f. f.. Dmax. η. P. f out

43 Fonte haveada do Tipo FYBAK onveror do Tipo Flyback Etapa de Funcionamento e Forma de Onda Báica para ondução Decontínua: P ( ) a Etapa i P E i T T P D S out. N S N P S T To N P out. N S E N P ( out ). N S ( out ) ( ) ( ) E T a Etapa P i S S D i D out T i P i T N P i S i I. D P N S Ip To T T To

44 Fonte haveada do Tipo FYBAK onveror do Tipo Flyback Flyback com Múltipla Saída D N S D N P N S T D3 3 N S3 3 3

45 Fonte haveada do Tipo FYBAK onveror do Tipo Flyback aracterítica gerai: baixo cuto aída múltipla aceita grande variação da reitência de carga iolamento entre a entrada e a aída boa regulação cruzada dipena dutor de filtragem permite uo de diodo lento na aída (cond. dec.) repota rápida fácil de er etabilizada

46 Fonte haveada do Tipo FYBAK Equacionamento a) orrente de Pico no Primário di dt o t I p D T i Ip TDT T I p η P out D max T t

47 Fonte haveada do Tipo FYBAK Equacionamento b) Tenão na arga Ip I md T P T t Ip T Ip dt T T 0 Imd P η Po T T out T out T D f η t

48 Fonte haveada do Tipo FYBAK Equacionamento c) álculo da Indutância P dw w P I out p f dt t η P D out max f η d) azão íclica rítica D crit out ( ) out para DM D Dcrit

49 Fonte haveada do Tipo FYBAK Equacionamento e) Eforço no Semicondutore ce D o D D max max T Ip I ef T t dt T T 0 3 f D 3 I Dmd D f out

50 Fonte haveada do Tipo FYBAK Equacionamento f) apacitor de Saída o i S I o o i c d dt c I o f D max c SE < I c I ef I ef I o I T o 3 T I To T

51 Fonte haveada do Tipo FYBAK Equacionamento g) Tranformador Aw Ae δ A e A w k, p k P w out 4 0 J B f Kp fator de utilização do primário (0,5) kw fator de utilização da área do enrolamento (0,4 ) J denidade de corrente ( A/cm ) B variação de fluxo eletromagnético (0,0,3T)

52 Fonte haveada do Tipo FYBAK Equacionamento g) Tranformador δ µ B o W A e δ entreferro (metro) µ o 4π 0 7 A e área da ecção tranveral do núcleo (metro ) W energia (joule) B variação de fluxo eletromagnético (0,0,3T) N p B δ 4 N p número de epira do primário 0, π I δ entreferro (centímetro) p B variação de fluxo eletromagnético (Gau0 4 T) N n N p ( ) ( D ) outn F D nom nom N número de epira do ecundário F queda de tenão no diodo

53 Fonte haveada do Tipo FYBAK aracterítica de Saída em M e DM ondução Decontínua 4 out D η f D I ondução ontínua o out out D D D Ió

54 Fonte haveada do Tipo FYBAK Procedimento de Projeto para o BuckBoot em ond. Dec.. Epecificar:, out, P out, f, o, η.. alcular a razão cíclica crítica e defir a nomal. D crit out ( ) out para DM Dnom Dcrit tempo de condução chave D nom T 3. alcular a dutância. P D out max f η

55 Fonte haveada do Tipo FYBAK Procedimento de Projeto para o BuckBoot em ond. Dec. 4. alcular a corrente de pico máxima. I p f D nom 5. alcular a reitência de carga. o out P out 6. alcular a capacitância. I o f D max c

56 Fonte haveada do Tipo FYBAK Procedimento de Projeto para o Flyback em ond. Dec.. Epecificar:, out, P out, f, o, η.. alcular o produto A e A w e defir o núcleo. A e A w k, p k P w out 0 4 J B f 3. alcular a corrente de pico no primário. I p η P out D max 4. alcular a energia acumulada no tranformador. W P out η f

57 Fonte haveada do Tipo FYBAK Procedimento de Projeto para o Flyback em ond. Dec. 5. alcular o entreferro. δ µ B o W A e 6. alcular o número de epira do primário e ecundário (). N p B δ 0,4 π I ( ) outn F ( Dnom ) p N n N p D nom 7. alcular a dutância magnetizante do primário e ecundário. P D out max f η

58 Fonte haveada do Tipo FYBAK Procedimento de Projeto para o Flyback em ond. Dec. 8. alcular a() corrente() de pico no() ecundário(). I I n p a n 9. alcular a() reitência() de carga(). on outn P outn 0. alcular a() capacitância(). on I f outn D nom outn

59 Fonte haveada do Tipo FOWAD BUK E T i T o i D i i i P N D S D F out N P N S D FOWAD T D D N P enrolamento primário N S enrolamento ecundário N D enrolamento de demagnetização

60 Fonte haveada do Tipo FOWAD onveror do Tipo Buck D (E ) a Etapa T T E T i T D i i T i T i D i T i E (E ) a Etapa E E T D i D (E ) 0 T T

61 Fonte haveada do Tipo FOWAD onveror do Tipo Buck a) Tenão Média na arga 0 D md out Dmd T out T b) orrente no Indutor e álculo da Indutância ( D) D i i max D 0, 5 f i max 4 f 4 f i max

62 Fonte haveada do Tipo FOWAD onveror do Tipo Buck c) orrente de Pico i I I out p o ( D) f D d) Tenão no apacitor i i en ( πf.t) A i.dt i π f co ( π f t) i i i 4 π f π f SE SE c

63 Fonte haveada do Tipo FOWAD onveror do Tipo Buck e) Eforço no Semicondutore D E I I out T p DP ( D) f D

64 Fonte haveada do Tipo FOWAD onveror do Tipo Buck Procedimento de Projeto p/ o Buck em ond. ontínua:. Epecificar:, out, P out, f, o, i.. alcular a razão cíclica nomal. D nom out 3. alcular a dutância. 4 f i max

65 Fonte haveada do Tipo FOWAD onveror do Tipo Buck Procedimento de Projeto p/ o Buck em ond. ontínua: 4. Defir o capacitor. i SE π f i c

66 Fonte haveada do Tipo FOWAD onveror do Tipo Forward N P i T P a Etapa N D S N S D D i out D i M (I ) M T D D i T T T T D I M T i a Etapa D i T N P N S D i E. N P N D T i T E N D i M D D ( )

67 Fonte haveada do Tipo FOWAD onveror do Tipo Forward a) Tenão Média na arga 0 D md out Dmd N T T out Np N N p b) orrente no Indutor e álculo da Indutância ( a)( D) D i i max D 0, 5 f i max 4 f a 4 f i max a a N N p

68 Fonte haveada do Tipo FOWAD onveror do Tipo Forward c) orrente de Pico no Secundário e Primário IS p I o i IP p i o I a d) álculo da apacitância i SE SE i π f c

69 Fonte haveada do Tipo FOWAD onveror do Tipo Forward e) Tranformador Aw Ae δ A e A w k p k P w out 0 4 J B f η K p fator de utilização do primário (0,5) k w fator de utilização da área do enrolamento (0,4 ) J denidade de corrente ( A/cm ) B variação de fluxo eletromagnético (0,0,3T)

70 Fonte haveada do Tipo FOWAD onveror do Tipo Forward e) Tranformador N p N p número de epira do primário A A e B f e área efetiva da perna central do núcleo (metro) B variação de fluxo eletromagnético (Tela) N n N p, ( D ) outn D F nom nom N número de epira do ecundário F queda de tenão no diodo

71 Fonte haveada do Tipo FOWAD onveror do Tipo Forward Procedimento de Projeto p/ o Forward em ond. ontínua:. Epecificar:, out, P out, f, o, i, η.. Defir a razão cíclica nomal, lembrando que D máx 0,5. 3. alcular a() corrente() de carga, a() corrente() de pico no() ecundário() e a() reitência() de carga. I o n P o out n I p n I on I o n on I outn outn

72 Fonte haveada do Tipo FOWAD onveror do Tipo Forward Procedimento de Projeto p/ o Forward em ond. ontínua: 4. alcular a() capacitância(). i SE π f i c 5. alcular o produto A e A w e defir o núcleo do tranformador. A e A w k p k P w out 0 4 J B f η

73 Fonte haveada do Tipo FOWAD onveror do Tipo Forward 6. alcular o número de epira do primário e ecundário(). N p ( D ) N N, outn F nom Ae B f n p Dnom 7. alcular a relaçõe de tranformação. a n N N p n 8. alcular a() dutância(). n 4 f i max a n

74 onverore Half Bridge, Bridge e PuhPull / T D D 3 a out it P N P S N S i Half Bridge (Meia Ponte) / T D E N S D 4 N P N S D 3 i Puh Pull T D T D N S D 4 T T 3 D D 3 D 5 Full Bridge (Ponte ompleta) T D T 4 D 4 D 6

75 onveror Half Bridge, Bridge e PuhPull onveror Half Bridge (Meia Ponte) P / T / T D a Etapa D 3 i T T T T a i T N S. N P i i D 3 D 4 i a Etapa out N P it D 3 D 4 i D T T E / / T D D 4 3 a Etapa T período da tenão de entrada do filtro de aída T S T período de funcionamento do converor

76 onveror Half Bridge, Bridge e PuhPull onveror Half Bridge (Meia Ponte) out N N S P D E T T P. it P η out i T P out η. T T. máx E apacitor érie: impede a circulação de corrente contínua no trafo i 0 T T S S 4 N I. S 0 N P T S π f 4 N N P S N N P S f S I0

77 onveror Half Bridge, Bridge e PuhPull onveror Full Bridge (Ponte ompleta) T T 3 D D 3 D 5 T D T 4 D 4 D 6 E máx

78 onveror Half Bridge, Bridge e PuhPull onveror PuhPull D 3 N P N S i N S T D T D T D 4 T T T T3 E máx ( ) E ( )

79 onveror Half Bridge, Bridge e PuhPull Tranformador A e A w. 5 P k w k p out J f onde: k w 0.4 e k p B N N p n A B f N p e, ( D ) outn D F nom a n nom N N p n para a mema condiçõe, o tranformador é menor que o do converor Forward. Filtro de Saída n 4 f i max a n n i π f i c SE n

80 Apecto de omutação MOSFET Tempo de comutação curto, Alta impedância de entrada entre GS (potência de comando baixa), Fácil de er aociado em paralelo (coef. de temperatura poitivo). aracterítica em ondução: DSon, I D e I DM, GS, GS(th), DS(on) DSon x I D. G ID GS D S D i DS

81 aracterítica Etática MOSFET A egião de reitência contante B egião de corrente contante

82 aracterítica Etática MOSFET Parâmetro importante a) Don O MOSFET aturado comportae como uma reitência; b) I D máxima corrente contínua que o componente pode conduzir; c) I DM máxima corrente pulada de dreno que o MOSFET pode conduzir; d) GS máxima tenão entre gate e ource que pode er aplicada (poitiva ou negativa); e) GS(th) a tenão de gate uficiente para iciar a condução ( 4,0 ); f) D(on) DS(on).I D tenão drenoource com o MOSFET conduzdo; g) O MOSFET bloqueado é caracterizado pela tenão de avalanche entre dreno e ource (B)DS

83 Apecto de omutação MOSFET aracterítica Dâmica: i gd g (carregado e decarregado pelo circ. gatilho), o gd d (capacitância de aída), r gd (capacitância de tranferência). gd D G d g S

84 Apecto de omutação DD MOSFET I D omutação com arga Indutiva: G D 50 S t d(on) t r(on) t d(off) t f d(on) 30 n 50 n d(off) 0 n 50 n

85 P P cond P com P cond t on T f P com tf t on Perda em um MOSFET d( on). id( on) rd( on). id( on). D rd( on). id( ef ). r.( tr tf ). id( on). d( off ) t r t off

86 Perda na omutação a) onveror Flyback Entrada em condução E E D out E ( ) E i I p!! out N ( P ) E N S T E i T

87 Perda na omutação onveror Flyback Bloqueio l 0 ( I ) (a) i I i E i I E E E (0 < t < t (b) ) ( t < t < t ) 0 < E E I i E E E I < i 0 ( E ) E E. S IE. t f t t f P rv E S. f t fi P 0, 5.. IE. tf. f t t t rv t fi t f (c)

88 onveror Flyback Bloqueio 0 l Perda na omutação E! E

89 Snubber D Apecto de omutação omutação com carga dutiva e com Snubber. E t fi v off ( t) i 0 S ( t) dt S I i ( t) It. S t fi Q5! I D S IS S S i ( t) l I t tfi P I. tfi. f 4 off l. I S. I Emáx Emáx. S I. t fi S

90 Apecto de omutação Snubber D Flyback (ond. Dec.): IP t fi off t onm 3 I p P S. E. f t fi tempo de decrecimento da corrente (fabricante), t rv tempo de crecimento da tenão (fabricante), off arbitrado, ton m tempo mínimo de condução da chave.

91 Apecto de omutação Snubber D Forward (ond. ontínua): E IE P IE.. tr. f S. P 0, 5. I. f. ( t t ) r f I P ( t t ) fi n rv t onm 3 I p P... f

92 Perda em um Diodo Perda de ondução: P cond r. ief F. ifmd P P cond P com Perda de omutação: P. i. t f cond F F on. E com M. im. t P 0 5 i t f b com, M. M. b.

93 Perda em um Diodo Efeito da ecuperação evera do Diodo no Tranitor (E) E I M it tri ta W 0, 5. t. I a M. E P 0, 5. ta. IM. E. f t a. t 3 rr P trr. IM. E. f 3

94 álculo Térmico Tj T TD Ta j D Da T j temperatura da junçã ção o ( )( T temperatura do encapulamento ( )( ) T D temperatura do diipador ( )( ) jc jc reitência térmica t junçã çãocápula ( /W)( /W) D reitência térmica t de contato entre o componente e o diipador ( /W)( /W) 0, /W. Da Da reitência térmica t diipador ambiente T a temperatura ambiente ( )( ) T T P.( da ) j a jc cd Da T j T P a jc D

95 Prcípio Báico ircuito de omando de MOSFET D S g G S Ig i i 700 pf 5 t 40 n I g i. t 700x0. 5 I g 0, 6A 9 40x0 S t t, g f r g. i 9 tf 40x0,.i,. 700x0 g 5Ω

96 ircuito de omando de MOSFET ircuito de omando nãoiolado T D T g g D G T T 3 T p T 3 S D N94 4,8 kω T MPS kω g 50 Ω

97 ircuito de omando de MOSFET ircuito de omando Iolado 00 D G D D S P S T

98 ircuito Auxiliare da Fonte haveada A quetão do iolamento T ede ETIFIADO E ONESO ETIFIADOES E SAÍDA FITO DE ENTADA FITO DE SAÍDA T T 3 FONTE AUXIIA IUITOS DE OMANDO Maa de alta tenão (chave) e maa de baixa tenão (aída, comando, fonte auxiliar). Iolamento: T (tranformado prcipal), T (tranformador p/ comando), T3 (tranformador da fonte auxiliar).

99 ircuito Auxiliare da Fonte haveada A quetão do iolamento T ede ETIFIADO E ONESO ETIFIADO E SAÍDA FITO DE ENTADA FITO DE SAÍDA FONTE AUXIIA IUITOS DE OMANDO ISOAMENTO ÓTIO IUITO DE ONTOE Maa de alta tenão (chave, comando, fonte auxiliar) e maa de baixa tenão (aída, controle). Iolamento: T (tranformado prcipal) e iolador ótico.

100 ircuito Auxiliare da Fonte haveada Fonte Auxiliar arga ede Fonte onvencional com Iolamento

101 ircuito Auxiliare da Fonte haveada Fonte Auxiliar ede T Z D D D 3 N S 3 arga ircuito de omando M onveror Flyback com Fonte Auxiliar em Iolamento

102 ircuito Auxiliare da Fonte haveada ircuito Integrado PWM Dedicado ef S A erro omparador S eal T F/F Q OS. Q onverore : U354

103 ircuito Auxiliare da Fonte haveada ircuito Integrado PWM Dedicado T erro Q Q S S T T

104 ircuito Auxiliare da Fonte haveada ircuito Integrado PWM Dedicado T P 5 D A OMP S Sh 5 0 A FF S OS 3 T T 8 U354

105 ircuito Auxiliare da Fonte haveada ontrolador de tenão Z ef Z A 9 out out Z. Z ( ) EF

106 ircuito Auxiliare da Fonte haveada SoftStart (Partida Progreiva) Quando e energiza a fonte chaveada a razão cíclica deve progredir lentamente, evitando a detruição do terruptor, aturação do tranformador e overhoot de aída. Z out ef Z A 9 9 OMP D OS. D

107 ircuito Auxiliare da Fonte haveada ircuito para imitação de orrente urtocircuito na carga: deativar a fonte e reativar apó o deligamento e religamento do equipamento. 0 5 T 4 9 U354 5 T 0 6 T P T h I E 3 N

108 ircuito Auxiliare da Fonte haveada Utilização de Iolador Ótico I 4N6 I U g I I 9.I β I 470 k Se G β 4 0,6 β. I β. 9 β..β ( ) 9 G 9.β

109 ircuito Auxiliare da Fonte haveada Utilização de Iolador Ótico

110 ircuito Auxiliare da Fonte haveada Utilização de Iolador Ótico D out N P A ef Z

111 ircuito Auxiliare da Fonte haveada Proteção contra Sobretenão na Saída Sobretenão: a fonte é colocada em curto e o circuito de proteção contra obrecorrente é acionado e deativa a fonte. Z Z GK S A G A out Iolação da tenão de aída quando o comando do tranitor não é iolado: Iolador ótico (apó o controlador de tenão) ou enor hall de tenão.

112 epota Tranitória e Etabilidade Etrutura Simplificada de uma Fonte haveada out I S.D Supõee que eja uficientemente grande para que não ocorra variação ignificativa em I, quando do fechamento de S out S I I

113 Ante do tranitório epota Tranitória e Etabilidade. 0. I Apó o tranitório. I f [ ( )] t / t / Tranitório I e e

114 epota Tranitória e Etabilidade orrente no apacitor durante o tranitório i i 0. e.i t /. e t / Sem SE

115 om SE epota Tranitória e Etabilidade S I SE out SE out I SE.i SE SE..I. e t / [ ( ) ] t / t /.e SE..I. e

116 epota Tranitória e Etabilidade I SE S H() EF A amplitude do devio de tenão depende omente da SE do capacitor. A natureza da repota (tipo de amortecimento e tempo de recuperação) dependem omente do tipo de controlador empregado.

117 epota Tranitória e Etabilidade Equação aracterítica e função de tranferência I() ε () G() O() H() O( ) G( ). ε ( ) O( ) I( ) G( ) G( ). H ( ) F( )

118 epota Tranitória e Etabilidade ritério de Etabilidade I() ε () G() O() H() G( ). H ( ) G( ). H ( ) 0 Intabilidade ( ω ω ) 0 [ ω ] 0 G( ).H( ) db.log G( ).H( ω) o Φ 80

119 epota Tranitória e Etabilidade ritério de Etabilidade Margem de fae entre 45 o e 90 o

120 epota Tranitória e Etabilidade ritério de Etabilidade Margem de fae entre 45 o e 90 o

121 epota Tranitória e Etabilidade Para erro etático pequeno Ganho elevado em baixa freqüência Pólo na origem Freqüência de cruzamento por zero o mai alta poível f c f 4

122 epota Tranitória e Etabilidade epreentação fonte tipo Forward out ST N S T T NP ( S ) N S md ST. D. D N P T D T S md.. N P md S N S. N N S P S

123 epota Tranitória e Etabilidade epreentação fonte tipo Forward ST out N S NP ( ) ( ) out md out md ( ) ( ) jw w0 out md ( ) ( ) w 0 G ( w) db 0log ( w/ w 4 0 )

124 epota Tranitória e Etabilidade epreentação fonte tipo Forward P ST N N S out ) ( ) ( ) ( ) (. ) ( ) ( out md md out ) / (.. ) ( ) ( 0 w N N P S S out om SE: ) / ( ).. ( ) ( ) ( 0 w SE md out ) / ( ) / ( ) ( ) ( 0 w w Z md out ) / ( ) / (.. ) ( ) ( 0 w w N N Z P S S out

125 epota Tranitória e Etabilidade epreentação fonte tipo Forward ST out N S NP db pólo 40 db/dec 0 zero 0 db/dec f p f z f

126 epota Tranitória e Etabilidade epreentação fonte tipo Flyback P. I md P md md. T. T. I p. T T I I md out I P I md. md P md P md I md. T. T I T T I D md. T md. T.. T.. f.. f

127 epota Tranitória e Etabilidade epreentação fonte tipo Flyback out I d out md dt out dout. D.. f dt out. I md I I D S A. f.. d dt out out A. S S. ( ) ( ) out out A ( ) [. ]. ( ) S. ( ) out A. S

128 epota Tranitória e Etabilidade epreentação fonte tipo Flyback out I I I md [ ] ) (... ) ( A S out ). (.. ) ( ) ( A S out ). (..... ) ( f G Sitema de a ordem Ganho depende da eitência de carga ). (.. ) ( f G

129 epota Tranitória e Etabilidade epreentação fonte tipo Flyback om SE: G( ). f (. SE. ). (. ) G (jw)db pólo 0 db/dec 0 db zero f p f z f

130 epota Tranitória e Etabilidade ircuito de ompenação ompenador de pólo f db 0 ref i ref f A 0 Z Z f i db/dec Z i i Z f f f / f /. f. 40 0,fp fp 0fp 00fp ( ) ( ). ( f /. ). (.. 0 f f f i i f f f ) ref. i i f f

131 epota Tranitória e Etabilidade ircuito de ompenação ompenador de pólo i fz f (db) Z f 0 ref fz ip. f /. iz ref iz i iz Z i ip.. i iz ( iz ). i. i 0 () () A ( iz..)( i f. fz.) ip. f..(ip iz ). i. iz iz ip ip f z f z f z f z k 0k 00k f f. f f p fz. i iz

132 epota Tranitória e Etabilidade Método prático p/ cálculo do compenador para converor Forward o )TraçarodiagramaG()emdB. o ) Ecolher a topologia do controlador. ecomendae o controlador de pólo etudado nete capítulo. 3 o ) Defir a freqüência f c, na qual a curva da função G().H() paa por 0 f db. ecomendae f c endo f a freqüência de chaveamento. 4 4 o ) Determar o ganho de H() para f f c. 5 o ) Situar o doi zero de H() na freqüência f 0 do filtro. 6 o ) Situar o o pólo de H() na origem (0 Hz). Aim f p 0 Hz. 7 o ) Situar o o pólo de H(), detado a compenar o zero da SE, numa freqüência igual a 5 veze a freqüência de reonância do filtro. 8 o )alcular H e H empregando o procedimento decrito a eguir 9 o ) alcular o valore do reitore e capacitore do circuito de compenação

133 epota Tranitória e Etabilidade Método prático p/ cálculo do compenador para converor Forward db G() 40 db/dec 0 db/dec 0 db/dec H (H ) 0 0 A 0 30 f p 0, f c f 0 f c f p 0 f 0 f H log p A 0log 0 A H A 0log c 0log A f f c 0 f

134 epota Tranitória e Etabilidade Exemplo de Projeto onveror Forward out P out 40 W f 40 khz T 5 µ 60 I A a 0 A 6 Ω a 0,6 Ω 4000 µf D 0, a 0,4 60 µh SE 5 mω N S,0 S 5,0 N a) Diagrama de G() out P 60 G G, 6dB 5 S f Hz π z 590. π.se. f0 35Hz...

135 H epota Tranitória e Etabilidade Exemplo de Projeto onveror Forward 0 HdB_ ( f) 90 Ganho (db) db/dec 0 db/dec,5 db,5 db k f p f c 0k f (Hz) f 0. 6 f z f z f 0 H 0log f p f 0 (H ) f f c 0kHz 4 Para f 0 khz, o ganho de G() é de db f z f z f 0 35 Hz f p 0 Hz f p 5.f 0 65 Hz H,5 db H 0log A H log A 075, 9 0 A, 7,6 log A H,5 3,8 7,68 db 0log A 0 A,4

136 epota Tranitória e Etabilidade Exemplo de Projeto onveror Forward 0 Ganho (db) (H ),5 db A fz,4 ip HdB_ ( f) db/dec f z f z 36 Hz. π.. i iz db/dec,5 db k f p f c 0k f (Hz) f 0. 6 f z f z f 0 iz 47k i. π.. f p. π. i. fz i 0,0µ F. π.. f iz z ip f fz. fz ip 36 Hz 600 Hz

137 epota Tranitória e Etabilidade Exemplo de Projeto onveror Forward 0 HdB_ ( f) Ganho (db) db/dec (H ),5 db ip fz ip fz,9 iz, db/dec,5 db ip, 87kΩ k f p f c 0k f (Hz) f 0. 6 f z f z f 0 i. iz f. fz f i iz nf. fz f 3, 33

138 Interferência adioelétrica (FI) na Fonte haveada Interferência por radiofreqüência podem er tranmitida por radiação direta ou por condução atravé do termai de entrada. Interferência que a fonte produz no termai de entrada e propagam para outro equipamento, podendo provocar ruído e mau funcionamento. MEDIÇÃO DA INTEFEÊNIA ONDUZIDA. ede A Fonte haveada 500 µh 0, µf 50 Ω Faixa de medição 50 khz a 30 MHz ISN e Impedance Stabilization Network

139 Interferência adioelétrica (FI) na Fonte haveada aua da Interferência omutação do tranitor ede E Terra T/ n E. n.f. π en. ζ π n.en n.f. ( π. ζ ) ζ ( E ) f T ( E/ )

140 Interferência adioelétrica (FI) na Fonte haveada Se: f 50 khz ζ 500 n E 50 n a 000 db 50 db 0 db/dec 40 db/dec n 3 f 3 50 khz 3 3, , 3 db 0log 0log µ µ 3 db 50, 57dB / µ Amplitude da tenõe paraita dependem: Da tenão E Da freqüência de comutação da fonte Do tempo de comutação

141 Interferência adioelétrica (FI) na Fonte haveada Propagação da tenõe paraita: Iolante Epeura (mm) calculado (pf) medido (pf) ε Mica 0, ,5 Plático 0, , erâmica, ,0 Área ε. ε. 0 Epeura ε 8,855pF / m 0

142 Interferência adioelétrica (FI) na Fonte haveada orrente paraita imétrica tenõe de modo comum F N T

143 Interferência adioelétrica (FI) na Fonte haveada orrente paraita aimétrica tenõe de modo diferencial F N T

144 Exemplo Interferência adioelétrica (FI) na Fonte haveada 50 pf f 3 50 khz (freqüência de harmônica) 3 3,537 X X Ω 3 6. π. f. π.50x0.50. π.0.0,5.0,5x0. π.0,5 i 3537, , 46mA.i. 4, 46mA 334, 5m X , 5m 3 db 0log 70, 5dB µ

145 Interferência adioelétrica (FI) na Fonte haveada Medida para redução de rádio terferência a) edução da capacitância de acoplamento entre o encapulamento e o diipador b) Iolamento do diipador em relação à maa Diipador afatado de uma ditância x em relação à maa x 80 pf para x mm x 4 pf para x cm 50 pf apacitância entre diipador e terruptor Aim: T. x x Aim, para x cm 50.4 T 3, 9 pf 50 4

146 Interferência adioelétrica (FI) na Fonte haveada Medida para redução de rádio terferência b) Iolamento do diipador em relação à maa i3. π.f. T. 3 3 i. π. 50x0. 3, 9x , 5, 9µ A , 9µ A 8694µ 3 db 78, 78dB c) Placa condutora entre o terruptor e o diipador F N Diipador Placa

147 Interferência adioelétrica (FI) na Fonte haveada Medida para redução de rádio terferência d) Emprego do filtro de rede d.) para corrente imétrica F a N X 3 b T x é baixa impedância para a corrente imétrica

148 Interferência adioelétrica (FI) na Fonte haveada Medida para redução de rádio terferência d) Emprego do filtro de rede d.) para corrente imétrica c X a Z cd jx jx j / ω j ω X X d 3 b Z cd jωx

149 Interferência adioelétrica (FI) na Fonte haveada Medida para redução de rádio terferência d) Emprego do filtro de rede d.) para corrente aimétrica F N T y y

150 Interferência adioelétrica (FI) na Fonte haveada Medida para redução de rádio terferência d) Emprego do filtro de rede F y 5mH 4,7nF 0, µ F X 5mH y 4,7nF N 3

151 Interferência adioelétrica (FI) na Fonte haveada Influência da capacitância entre enrolamento F N Primário Secundário T Grade condutora

152 Interferência adioelétrica (FI) na Fonte haveada Exemplo de cálculo do filtro de rede A 0 (tenão da rede). f 60 Hz (freqüência de rede). P 50 W (potência de entrada da fonte). E 300 (tenão mo etágio de corrente contínua, apó o retificador de entrada). f τ 50 khz (freqüência de chaveamento). 500 n (tempo de ubida da tenão de coletor do tranitor). 50 pf (capacitância entre o tranitor e a carcaça). db 54 db/µ (nível da tenão máxima permitida no reitore da rede artificial, para 50 khz).

153 Interferência adioelétrica (FI) na Fonte haveada ) Primeiro pao f 3 50 khz 3 5,8 db ) Segundo pao verificação do nivel de terferência de modo comum em o filtro de rede. X kω 3 W. π 3.50x0.50x0 3 Queda de tenão no reitore da rede artificial. 3 i 75.0,75. Ω. ma 56, 4m 3 3 db 0log4, 75 95dB / µ 3 5,8 i 0, ma X k 75 3 Ω , 4m 0log 0log µ 3 db µ 3dB db/µ

154 Interferência adioelétrica (FI) na Fonte haveada 3) Terceiro pao ecolha do capacitore y, de modo comum y 5 nf 4) Quarto pao ecolha do dutor o para filtrar corrente de modo comum F 4,8 mh y 5nF/50 x 0, µ F/50 N 6,5 mh 3 4,8 mh y D 4,5M /8W T X kω 3 X y 06Ω 3 9 W... π.50x y x

155 Interferência adioelétrica (FI) na Fonte haveada 4) Quarto pao ecolha do dutor o para filtrar corrente de modo comum F 4,8 mh y 5nF/50 x 0, µ F/50 N 6,5 mh 3 4,8 mh y D 4,5M /8W T Para 0dB 54 db/µ, obtéme log µ 0 500µ µ i0 0, 0067mA 75Ω omo i 0 <<, a tenão 0b é dada por 0 ob X y.i , 75 0, 08

156 Interferência adioelétrica (FI) na Fonte haveada 5) Quto pao Ecolha de x F 4,8 mh y 5nF/50 x 0, µ F/50 N 6,5 mh 3 4,8 mh y D 4,5M /8W T P 50 i 0, 68A 0 Ix 0,00.i 0,0068A i X 0,0068 0,084 F X 0, µf. π. f.. π.60.0 X µ

157 Interferência adioelétrica (FI) na Fonte haveada 6) Sexto pao Ecolha de e 3 F 4,8 mh y 5nF/50 x 0, µ F/50 N 6,5 mh 3 4,8 mh y D 4,5M /8W T 0,0% 0, ω( 3 ).i 3 3 4, 8mH, 3 ω 0. i. π.60.0,68 8,58mH

158 Interferência adioelétrica (FI) na Fonte haveada 7) Sétimo pao Ecolha do reitor de decarga F 4,8 mh y 5nF/50 x 0, µ F/50 N 6,5 mh 3 4,8 mh y T D D 4,5M /8W t,. t X 0 6 D 4, 5MΩ,.0,

159 Interferência adioelétrica (FI) na Fonte haveada Enaio de Interferência conduzida numa fonte para telecomunicaçõe OG 0 db/ ATN 0dB EF db AT DET: PEAK MEAS DET: PEAK QP AG MK 5. 0 MHz db PASS IMIT WA SB S F O A STAT 5 0 khz STOP MHz #IF BW 9. 0 khz AG BW 3 0 khz SWP.4 0 ec

160 Interferência adioelétrica (FI) na Fonte haveada Enaio de Interferência conduzida numa fonte para telecomunicaçõe AT DET: PEAK MEAS DET: PEAK QP AG MK 5. 0 MHz 9.98 db OG 0 db/ ATN 0dB EF db PASS IMIT WA SB S F O A STAT 5 0 khz STOP MHz #IF BW 9. 0 khz AG BW 3 0 khz SWP.4 0 ec

161 Interferência adioelétrica (FI) na Fonte haveada Enaio de Interferência conduzida numa fonte para telecomunicaçõe

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