Estágio de Potência da Fonte Chaveada

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1 INSTITUTO FEDERAL DE SANTA CATARINA Departamento Acadêmico de Eletrônica Pós-Graduação em Desenvolvimento de Produtos Eletrônicos Conversores Estáticos e Fontes Chaveadas Estágio de Potência da Fonte Chaveada Prof. Clóvis Antônio Petry, Dr. Eng. Prof. Mauro Tavares Peraça, Dr. Eng. Florianópolis, abril de 2009.

2 Nesta aula Estágio de potência da fonte chaveada 1. Semicondutores; 2. Perdas; 3. Acionamento; 4. EMI; 5. Componentes passivos; 6. Circuitos auxiliares.

3 Semicondutores de potência

4 Diodo ideal e real Exemplo: Diodo SKN20/08 V RRM = 800 V; V (TO) = 0,85 V; r T = 11 mω; I Dmed = 20 A; I R = 0,15 ma. Característica estática

5 Diodo real - comutação Bloqueio Circuito para estudo da comutação Primeira etapa de comutação Segunda etapa de comutação

6 Diodo real - comutação Bloqueio

7 Diodo real - comutação No bloqueio do diodo (comutação crítica): Bloqueio dif dt E L 1 Derivada da corrente depende da indutância t rr 3Q rr dif dt Tempo de recuperação reversa 4 dif IRM Qrr 3 dt Corrente máxima devido a recuperação reversa

8 Diodo real - comutação Diodos de carbeto de sílicio (silicon carbide): Diminuem acentuadamente o fenômeno da recuperação reversa.

9 Diodo real - comutação

10 Diodo real - comutação

11 Entrada em condução Diodo real - comutação

12 Perdas nos diodos Classificação das perdas: 1. Condução; P V I r I ( TO) Dmed T Def 2 2. Comutação: Entrada em condução; Bloqueio. P V V I t f 1 0,5 FP F o rf P2 Qrr E f

13 Diodos Principais características: 1. Tensão de pico reversa; 2. Queda de tensão direta; 3. Corrente de pico; 4. Corrente média; 5. Corrente eficaz; 6. Tempo de recuperação reversa.

14 Diodos Tipos de diodos de potência: 1. Standard and fast recovery; 2. Ultrafast rectifiers; 3. Ultrasoft rectifers; 4. Silicon carbide (zero recovery).

15 Diodos

16 Diodos

17 Diodos

18 Diodos

19 Diodos

20 Semicondutores de potência

21 BJT PNP NPN BJT Transistor bipolar de junção

22 BJT +VCC R L I C R B I B B C E + VCE Comutação do BJT com carga resistiva - Comutação do BJT com carga indutiva +VCC L i L D i D R B I B 1 - V B 2 + I B 2 + V BE -

23 BJT Comutação do BJT com carga resistiva

24 Entrada em condução BJT Bloqueio Comutação do BJT com carga indutiva

25 BJT x FET FET Transistor de efeito de campo

26 JFET: Operação básica. FET

27 FET JFET canal n e canal p Positivo da Fonte Auxiliar + Vaux 11 Q1 Aplicação do JFET 3524 R9 R8 S2 12 R10 R7 Q2

28 MOSFET MOSFET tipo Depleção MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

29 MOSFET MOSFET tipo Depleção MOSFET: Operação básica.

30 MOSFET MOSFET tipo Depleção MOSFET: Operação básica.

31 MOSFET MOSFET tipo Depleção

32 MOSFET MOSFET tipo Intensificação Canal n

33 MOSFET de potência ID D G + V GS D i + V DS - - S

34 MOSFET de potência VDD R L V D VGS 50% 90% 50% 50 VG S 10% T 1 V DS (V ) DD 10% 90% (V ) DD I D 90% 10% t r td(on) t D(off) t f t on Comutação do MOSFET com carga resistiva

35 MOSFET de potência VDD I DRL R G D 50 S Comutação do MOSFET com carga indutiva

36 MOSFET de potência Classificação das perdas: 1. Condução; 2. Comutação: Entrada em condução e bloqueio; Onde: P t r i T on 2 cond ds( on) d ( on) P f t t i v 2 ( ) ( ) com r f d on ds off t t f r t t on off

37 Dados de catalogo: MOSFET de potência

38 MOSFET de potência Quando usar MOSFET: 1. Freqüências altas (acima de 50 khz); 2. Tensões muito baixas (< 500 V); 3. Potências baixas (< 1 kw).

39 IGBT Características de BJT e MOSFET IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

40 IGBT Classificação das perdas: 1. Condução; P i V i V t f cond C CEsat B BEsat on 2. Comutação: Entrada em condução e bloqueio; 0 1 P com tr t f I E f 2 Detalhamento do cálculo de perdas

41 IGBT Quando usar IGBT: 1. Freqüências baixas (menor que 50 khz); 2. Tensões altas (> 500 V); 3. Potências altas (> 1 kw).

42 IGBT Quando usar IGBT: 1. Freqüências baixas (menor que 50 khz); 2. Tensões altas (> 500 V); 3. Potências altas (> 1 kw).

43 IGBT Encapsulamentos:

44 IGBT Encapsulamentos:

45 Dados de catalogo: IGBT

46 BJT x MOSFET x IGBT MOSFET IGBT BJT Tipo de comando Tensão Tensão Corrente Potência do comando Complexidade do comando Densidade de corrente Perdas de comutação Mínima Mínima Grande Simples Simples Média Elevada em baixas tensões e Baixa em altas tensões Muito elevada Média Muito baixa Baixa para Média Média para Alta

47 Cálculo térmico Cálculo térmico: Objetivo de verificar a necessidade de uso de dissipador de calor ou não. Modelo térmico: T j = temperatura na junção ( o C); T c = temperatura na cápsula ( o C); T d = temperatura no dissipador ( o C); T a = temperatura ambiente ( o C); R jc = resistência térmica entre junção e cápsula ( o C/W); R cd = resistência térmica entre cápsula e dissipador ( o C/W); R da = resistência térmica entre dissipador e ambiente ( o C/W); P = potência dissipada no componente (W).

48 Cálculo térmico Rja Rjc Rcd Rda Tj Ta Rja P R ja T j T P a Rda Rja Rjc Rcd

49 Necessidade de Isolamento T 1 Rede RETIFICADOR E CONVERSOR RETIFICADORES E V SAÍDA FILTRO DE ENTRADA FILTROS DE SAÍDAS T2 T 3 FONTE AUXILIAR CIRCUITOS DE COMANDO Isolamento do sinal de comando

50 Necessidade de Isolamento T 1 Rede RETIFICADOR E CONVERSOR RETIFICADOR E V SAÍDA FILTRO DE ENTRADA FILTRO DE SAÍDA FONTE AUXILIAR CIRCUITOS DE COMANDO ISOLAMENTO ÓTICO CIRCUITO DE CONTROLE Isolamento do sinal de realimentação

51 Acionamento dos interruptores - BJT +V C R1 T2 R2 D1 I B T P T 3 T1 R 3 R 4 -V C Comando de base com fonte negativa

52 Acionamento dos interruptores - BJT +V R 1 C 1 0 T 1 V Z T P T2 Z I B Comando de base sem fonte negativa

53 Acionamento dos interruptores - BJT V1 TR 1 V S IB1 T 1 I B 2 R 1 R 2 T 2 V C - + D 1 C Comando de base isolado

54 Acionamento dos interruptores - BJT +V CC V p2 T R 1 R1 T P V p1 V S R T 1 D 1 Comando de base isolado

55 Acionamento dos interruptores - MOSFET D S1 Rg G V C + - S2 Ig C iss S Circuito de gatilho de um MOSFET

56 Acionamento dos interruptores - MOSFET +V C T 1 D Rg D G T 2 R 3 S R 2 Circuito de comando de gatilho não-isolado

57 Acionamento dos interruptores - MOSFET +V C +VC R 1 T 2 Rg T p T 1 T 3 R 2 Circuito de comando de gatilho

58 Acionamento dos interruptores - MOSFET +V C R 1=100 D 2 G D D 1 S V P V S T R Circuito de gatilho isolado

59 EMI + Rede E - + V C Terra - Fonte chaveada estruturar típica

60 EMI V C T/2 ( E ) 2 Tensão no interruptor db Espectro harmônico -20dB/dec ( -E/2 ) -40dB/dec n 1000

61 EMI F C N R T Correntes parasitas assimétricas queda de tensão de modo comum

62 EMI F C N R T Correntes parasitas simétricas queda de tensão de modo diferencial

63 EMI F L 2 a N C X L 3 b R T Filtro de rede para correntes simétricas

64 EMI F L 1 C N R R Cy Cy T Filtro de rede para correntes assimétricas

65 EMI L2 F C y 5mH 4,7nF 0,1 F C X 5mH C y 4,7nF N L 3 Filtro completo de rede

66 Capacitância depende de: Dielétrico (permissividade); Área das placas; Distância entre as placas. Capacitores

67 Capacitores C RSE LSE Modelo equivalente do capacitor Onde: C = Capacitância; RSE = Resistência série equivalente; LSE = Indutância série equivalente. Perdas devido à RSE: P RSE I ef 2

68 Capacitores C RSE LSE Ondulação da tensão: il t V RSE I I T s 2 T s t

69 Capacitores Tecnologias de capacitores: Filtro do retificador de entrada São empregados capacitores eletrolíticos de alta tensão e grandes capacitâncias; Filtro de saída dos conversores Empregam-se capacitores eletrolíticos alumínio com baixa RSE; Circuitos de grampeamento (snubber) São utilizados capacitores com dielétricos de polipropileno para regime intermitente de funcionamento.

70 Capacitores

71 O problema: Partida do estágio de potência

72 Partida do estágio de potência 400V v C 200V 0V 200A i C 100A 0A 0,0ms 1,0ms 2,0ms 3,0ms 4,0ms 5,0ms

73 Partida do estágio de potência

74 Partida do estágio de potência R 1 =10 Ω R 1 =1 Ω

75 Partida do estágio de potência Resistores série

76 Partida do estágio de potência Resistores série temporariamente

77 Fusíveis de ação lenta: Vidro; Areia; Cerâmica. Fusíveis de ação rápida: Vidro; Areia; Cerâmica. Resistores fusíveis. Fusíveis

78 Fusíveis NR25 1 Ω < R < 15 Ω

79 Termistores Termistor: Resistor cuja resistência é sensível à variação da temperatura.

80 Alimentação auxiliar (partida) + - Carga Rede Fonte auxiliar isolada em baixa frequência

81 Alimentação auxiliar (partida) V 1 Rede R 1 C 1 T 1 Z D 1 D 2 D 3 V 2 C2 NS + - C 3 Carga Circuito de Comando M Fonte auxiliar criada a partir do estágio de potência

82 Alimentação auxiliar (partida) Circuito resistivo dissipativo

83 Alimentação auxiliar (partida) Circuito ativo

84 Alimentação auxiliar (partida) Circuito impulsivo

85 Grampeamento da tensão no interruptor - V L V * out + L + V CE - C int Sobretensão causada por Ll Conversor Flyback

86 Grampeamento da tensão no interruptor V in I L I C Controle da sobretensão com o snubber D S ICS C S R S Emprego de snubber

87 Grampeamento da tensão no interruptor Cálculo do snubber: Medir ou estimar a indutância parasita; Fixar a tensão máxima sobre o interruptor; Cálculo do capacitor; Estimar um tempo de descarga do capacitor via resistor; Calcular o resistor. 1 1 L I C V 2 2 C s 2 2 l pk s CE L l V I 2 CE 2 pk t min 3 3 R C on s s t D T onmin R s D min min 3 C T s s 1 P E F L I F s 2 2 R l pk s s

88 Grampeamento da tensão no interruptor Dispersão de 50 μh 100 ns Importância do passo de cálculo 1 us Sobretensão de 800 V

89 Grampeamento da tensão no interruptor C R s s PR s 2 2 Ll Ipk 50 0,3 V 450 D 2 2 CE T 0, pf 6 min s 57k 12 3 Cs , ,045 W 2 Sobretensão de 553 V

90 Grampeamento da tensão no interruptor R 57k 51k s

91 Grampeamento da tensão no interruptor C 22 pf 44 pf s R 57k 51k s

92 Próxima aula Estágio de potência da fonte chaveada: 1. Metodologia de projeto; 2. Circuitos integrados dedicados.