CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA. Áudio é parte integrante de muitos aparelhos (multimédia):

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1 AMPLIFICADOR AÚDIO A COMUTADO Áudio é parte integrante de muitos aparelhos (multimédia): I&D I&D para para obter obter aparelhos aparelhos com: com: Integração Integração de de múltiplas múltiplas funcionalidades, funcionalidades, compactos, compactos, leves leves e com com baixo baixo consumo consumo (autonomia) (autonomia)

2 AMPLIFICADOR AÚDIO A COMUTADO Classes de amplificação linear: Rendimento (%) Classe G (α=0,4) 60 Classe B 40 Classe A push-pull 20 Classe A P O (db) ref=p Omax Características: Baixa distorção Ganho constante (Z out ) Tecnologia bem conhecida η reduzido Volume elevado Fonte potente Dissipação elevada Até há relativamente pouco tempo representavam cerca de 99% dos amplificadores comerciais. Solução: Novas abordagens ao conceito de amplificação

3 Porque utilizar uma tecnologia comutada? Vantagens: Desvantagens: Rendimento Menor potência dissipada Dimensões dos dissipadores Frequência de comutação elevada Menor distorção harmónica Redução das dimensões dos componentes de armazenamento de energia Dimensões dos transformadores reduzidas Ruído radiado Compatibilidade electromagnética Transitórios de altafrequência Não idealidades dos dispositivos de comutação

4 Amplificação comutada, Classe D: Modulação Comutação Filtragem (desmodulação) > Sinal de comando Circuito de sinal Sinal comutado Circuito de potência Saída Comutação: dispositivos actuam como interruptores, alternando entre os estados ON e OFF, minimizando o produto P=I U (perdas). Características: η elevado Dissipação baixa Volume baixo Fonte de baixa potência Distorção elevada Ruído Ganho variável f(z out )

5 Como obter o sinal áudio nestas topologias? Sinal Áudio Analógico Contínuo Bipolar Largura de Banda 20 Hz 20 khz Tecnologias comutadas Sinais com valores discretos de amplitude Largura de banda superior à de Áudio

6 Amplificação comutada, Classe D: Modulação Comutação Filtragem (desmodulação) > Sinal de comando Sinal comutado Saída Meia-ponte (2N): +U S H U v S v ref v trg + CMP _ v S t S L -U -U

7 Modulação de Largura de Impulso a dois níveis Sinal de Entrada Sinal Modulado Sinal de Referência

8 Modulação de Largura de Impulso a dois níveis Ain f i f c 2.f c 3.f c 4.f c f

9 Modulação de Largura de Impulso a três níveis t Sinal de Entrada Sinal Modulado Sinal de Referência

10 Amplificação comutada, Classe D: Modulação Comutação Filtragem (desmodulação) Entrada > Sinal de comando Sinal comutado Saída Ponte completa (3N): U S HL S HR v ref v trg + CMP _ S LL v SL v SL -v SR U -U t v SR S LR + CMP _ -v ref v trg

11 Modulação de Largura de Impulso a três níveis Ain f f i f c 2.f c 3.f c 4.f c

12 Que topologias permitem obter sinais modulados em Largura de Impulso?

13 Conversor em meia ponte (half-bridge converter).

14 Conversor em meia ponte (half-bridge converter). Dois níveis possíveis para a tensão na carga v Carga V DC /2 t -V DC /2

15 Conversor em ponte completa (full-bridge converter).

16 Conversor em ponte completa V carga positiva. V carga negativa V carga nula

17 Conversor em ponte completa Três níveis possíveis para a tensão na carga v Carga. V DC t -V DC

18 Como obter a a tensão de alimentação dos conversores?

19 Primeira possibilidade: Fonte de alimentação independente

20 Primeira possibilidade: Fonte de alimentação independente Isolamento galvânico para a rede eléctrica Tensão contínua de saída estabilizada Desvantagens: Custo acrescido Dimensões Peso Fiabilidade Rendimento

21 Hipótese alternativa: Garantir o isolamento galvânico no próprio conversor

22 Hipótese alternativa: Garantir o isolamento galvânico no próprio conversor Tensão contínua obtida por um processo mais simples (não isolado) Vantagens: Custo Fiabilidade Rendimento Modularidade Desvantagens: Aumento da complexidade do conversor Forma de onda da corrente de entrada Harmónicas de 100 Hz resultantes da rectificação Dimensões Peso

23 Hipótese alternativa: Garantir o isolamento galvânico no próprio conversor Ain Dimensões Peso f f i f c 2.f c 3.f c 4.f c

24 Hipótese alternativa: Numa implementação estéreo Dimensões Peso Dois transformadores de baixa frequência Quatro braços para o conversor

25 Amplificação comutada, Classe D: Multinível (ex.:4n): Modulação Comutação Filtragem (desmodulação) > Sinal de comando Sinal comutado Saída v ref v trg1 + CMP _ S H1 S L1 - v trg2 + CMP _ S H2 S L2 - v trg3 + CMP _ S H3 S L3

26 Amplificação comutada, Classe D: Modulação Comutação Filtragem (desmodulação) Entrada > Sinal de comando Sinal comutado Saída Ganho (db) 0dB f c f s -40dB Fase (º) 90º ω n /10 ω n 10ω n ω (log) 0º ω (log) -90º -180º

27 Modulação Comutação Filtragem (desmodulação) > Sinal de comando Sinal comutado Saída Compensação Carga (tweeter) C Z L e R Z R e

28 Problemas: Susceptibilidade a ΔU (PSRR baixo) THD elevada (t p ) Tremor da tensão de saída Variação do ganho ΔG, (variação de Z out ) Ruído Ruído electromagnético Dimensionamento: Frequência de comutação f s Frequência de corte do filtro f c Topologia de conversor (n.º níveis) Implicações: f s tremor, perdas, ruído electromagnético f c ΔG, tremor n.º níveis da topologia tremor, ruído electromagnético, complexidade, custo THD (t p ) inalterada (2 a 25% para valores de t p comuns: 100ns)

29 Controlo linear: Controlo PID Modulação Comutação Filtragem Entrada + - > d ref + _ H A + + y y = 1 HA + HAB ref HAB d B Características: Aumenta PSRR Diminui THD Diminui a variação do ganho ΔG, (em função de Z out ) Instabilidade HAB tipicamente de 18dB@ 20kHz (reduzido) Diminui ruído

30 Modulação e controlo não linear One Cycle Control : O conceito básico inerente ao sistema OCC é forçar a média do valor da variável comutada, v S, a ser exactamente igual ao valor do sinal de referência, em cada período de comutação. Entrada Modulação e controlo OCC > Comutação Filtragem Relógio v S v G t V O v D v INT t 1 T s ton 0 v G dt = v REF v REF t

31 Modulação e controlo não linear One Cycle Control : Vantagens : Inconvenientes : Idealmente compensa os erros do sistema (com reflexo no PSRR, THD e ruído) Estável Não compensa a variação do ganho ΔG, (ΔZ out ) Exige um Integrador com Reset rápido e preciso, a operar a f s Foi desenvolvida nova topologia de integrador com Reset: Reset Reset C i _ R i C i C i _ R i + +

32 Filtro Notch Low Pass : L [db] v O Filtro tradicional Filtro NLP C L r R L v i Banda de áudio C r f c f c f r f(log) Foi desenvolvida uma nova topologia para o filtro assim como critérios de dimensionamento Vantagens : Grande atenuação a f s (tremor reduzido) Permite uma f c elevada minimizando ΔG, com ΔZ out

33 Amplificador comutado com técnicas desenvolvidas: Modulação e controlo OCC Comutação Filtragem Entrada > Vantagens : Grande atenuação a f s (tremor reduzido) Permite f c elevado, minimizando ΔG, com ΔZ out Permite topologias simples para conversor (meia ponte) THD reduzida, insensível a t p, PSRR elevado Sem instabilidade

34 Protótipo: Conv. meia ponte, f s =333kHz f c =85kHz, +-32V -U+13V L 1 190nH U 74HC02 C pF C pF R R U+5V IR2110 VB HO HIN VS LIN VCC LO VSS COM D 6 BYV27 C nF C nF R C 15 10uF C uF Q 1 D IRFB41N15D 7 BYV27 D 11 R D 9 BYV27 20V D Q 2 8 BYV27 IRFB41N15D R D 10 20V D 12 BYV27 C 17 C uF 220nF D 13 P6KE100 Filtro v R O D L 14 P6KE100 L 2 190nH -U C 18 C 20 Relógio OCC 680uF 220nF V REF Comutação de potência L uH L MC v O1 C nF L 4 3.3uH R 24 5 v O2 R L v O C 22 OCC 68nF C nF V REF

35 Resultados experimentais: One CycleControl relógio v S v INT v O

36 Resultados experimentais: Filtro tradicional Filtro NLP v O v O v ref v ref

37 Resultados experimentais: PSRR>30dB Há a possibilidade de utilizar realimentação linear: 16dB@20kHz U Rendimento (% ) 100 Comutação de potência Filtro R L v O R 25 10k R Relógio V REF -U OCC 40 R 27 1k + _ R C pF R k C nF 20 v REF C uF R 28 R k R 30 15k R k _ + R 34 10M 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 K 33k THD(% ) 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, P O(W) 70

38 Existirá alguma forma de eliminar as componentes de baixa frequência nos transformadores, utilizando o processo de modulação?

39 Modulação de Fase V A V A com factor de ciclo 50%

40 Modulação de Fase V A V B V A com factor de ciclo 50% V B com factor de ciclo 50% desfasado de V A

41 Modulação de Fase V A V B V AB V AB com factor de ciclo igual à diferença de fase entre V B e V A φ

42 Modulação de Fase V A

43 Modulação de Fase V A V B

44 Modulação de Fase V A V B V AB φ

45 Modulação de Fase (MF) vs Modulação de Largura de Impulso (MLI) MLI t MF t Largura dos impulsos igual nos dois tipos de modulação Frequência de comutação dos dispositivos em MF é metade da de em MLI Informação da polaridade da tensão de entrada é perdida na MF

46 Modulação de Fase (MF) vs Modulação de Largura de Impulso (MLI) Ain f c MLI f Componentes de baixa frequência eliminadas em MF Transformadores, peso e dimensões menores Ain MF Recuperação do sinal em MF, já não é possível apenas com um filtro 0 f c f

47 Implementação estéreo com modulação de fase U A U C U B U D t t

48 Implementação estéreo com modulação de fase Dois transformadores de alta frequência Três braços para o conversor

49 Implementação estéreo com modulação de fase U A U B Factor de ciclo 50% nos três nós U C t Fase fixa na tensão do nó B Modulação independente para os dois canais através dos desfasamentos de V A e V C em relação a V B

50 Como recuperar o sinal áudio após o processo de modulação de fase?

51 MLI MF t t Ideia base: 1. Encontrar um processo que, a jusante dos transformadores, permita transformar os impulsos modulados em fase nos que se obteriam por modulação de largura de impulso. 2. Recuperar então o sinal através de um filtro passa baixo

52 Solução: Ciclo-conversor de ciclo integral

53 Ciclo-conversor de ciclo integral Tensões nas cargas iguais ou simétricas às tensões nos secundários dos transformadores, independentemente do sentido da corrente Possibilidade de comutação dos dispositivos no zero da tensão Eliminação das perdas de comutação

54 Ciclo-conversor de ciclo integral MF V sec V carga MLI S11 S12 S13 S14 S11 S12 S13 S14 S11 S12 S11 S12 S13 S14 S11 S12 S13 S14 S11 S12

55 Filtro de saída Ain MF >MLI f f i 2. f c

56 Sumário:

57 CARACTERÍSTICAS: Ausência de fonte de alimentação Transformador de alta frequência Braço comum para os dois canais Perdas de comutação nulas no cicloconversor Modularidade

58 Projecto e construção do protótipo Esquema do protótipo a construir Especificações de dimensionamento Conversor em ponte Transformador Ciclo-conversor Filtro de saída Realimentação

59 Esquema do protótipo a construir

60 Especificações de dimensionamento Potência de saída 1000 W por canal Tensão DC 400 V Colunas de áudio com impedância de 8 Ω Relação do número de espiras do transformador N1 : N2 = 4 : 1 Frequência de comutação de 132 khz

61 Conversor em ponte Escolha dos Mosfets e circuitos de comando Tensões e correntes máximas Resistência de condução Tempos de comutação Projecto do circuito de controlo Modulação de fase Ajuste do tempos de comutação dos MOSFETS superior e inferior do mesmo braço Circuito de protecção Isolamento eléctrico entre circuito de controlo e circuito de potência

62 Amplificador Áudio Modular de Potência Conversor em ponte Problemas de construção: Aparecimento de oscilações transitórias em que se atingem correntes e tensões elevadas capazes de danificar os componentes

63 Conversor em ponte Causas: Existência de elementos parasitas Presença de tensões elevadas com declives acentuados Deformação das tensões de comando dos MOSFETS

64 Soluções: Diminuição da frequência de comutação Circuitos de comando mais eficientes Circuito de inibição de transitórios

65 Conversor em ponte (resultados) Canal 1: V A 50 V / div Canal 2: V B 50 V / div Referência 1: V AB 50 V / div Base Tempo: 2,5 μs / div

66 Conversor em ponte (resultados) Referência 1: V GS1 5 V / div Canal 1: V GS2 5 V / div Referência 2: V GS3 5 V / div Canal 2: V GS4 5 V / div Base Tempo: 2,5 μs/ div

67 Conversor em ponte (resultados) Canal 1: V REF 2 V / div Canal 2: V MLI 5 V / div Base Tempo: 5 μs/ div

68 Conversor em ponte (resultados) Referência 1: V MLI 10 V / div Canal 1: V S3 10 V / div Canal 2: V S1 10 V / div Base Tempo: 2,5 μs/ div

69 Conversor em ponte (resultados) Canal 1: V S1 10 V / div Canal 2: V S2A 10 V / div Referência 1: V S1A 10 V / div Base Tempo: 2,5 μs/ div

70 Amplificador Audio Comutado CA-CC-CA hf -CA Circuito de potência Circuito de potência Frequência: [132 khz] Circuito de de controlo Pot<2kW η<80%

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