PCE Projeto de Conversores Estáticos (Graduação em Engenharia Elétrica) Snubbers passivos dissipativos

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA PCE Projeto de Conversores Estáticos (Graduação em Engenharia Elétrica) Snubbers passivos dissipativos

2 Aulas anteriores Especificação de semicondutores Cálculo de perdas de condução e pré-seleção de dispositivos semicondutores Cálculo de perdas de comutação com identificação de existência ou não dessas perdas 2

3 Tópicos O que são snubbers? Quais benefícios são obtidos? Quais funcionalidades esperadas? Principais tipos de snubbers e sua classificação Por quê snubbers são necessários? Detalhamento de funcionamento e exemplos de projeto para snubbers de tensão. Snubber RC Snubber RCD controle de derivadas Snubber RCD - grampeador 3

4 Snubbers Snubbers visam melhorar ou criar condições adequadas para realizar as comutações dos interruptores em um determinado conversor. São circuitos auxiliares (pequenos) que visam controlar os efeitos causados pelos elementos parasitas do circuito de potência (dispersões, capacitâncias, layout). No interruptor (diodo ou interruptor ativo) podem propiciar: Amortecimento de oscilações Controle de derivadas de tensões e/ou correntes Grampeamento de tensões. 4

5 Snubbers No conversor ou estrutura podem propiciar: Redução de EMI Redução de perdas de comutação Redução do volume dos dissipadores Aumento da freq. e consequente redução de volume de passivos. Obs.: melhora ou piora da eficiência dependem do projeto, parâmetros e especificações (ambos podem ocorrer). 5

6 Snubbers Snubbers podem ser passivos ou ativos: Passivos Compostos por capacitores, indutores, resistores e diodos Ativos Incluem transistores ou outros interruptores controláveis. Snubbers tbem podem ser dissipativos ou não-dissipativos: Dissipativos a energia (ou parte) absorvida é dissipada em resistores Não dissipativos A energia (ou parte) é regenerada 6

7 Snubbers Por quê snubbers são necessários? Comutação idealizada: sem sobretensões, derivadas de tensão não são controladas, entrada em condução não-dissipativa (Flyback DCM). 7

8 Snubbers O circuito real possui reatâncias, como a indutância de dispersão do transformador e a capacitância dos interruptores (ambos predominantes e representados abaixo). Há também indutância no layout, nos interruptores bem como capacitância no transformador, que são normalmente menores e possivelmente não predominantes (verificar predominância). 8

9 Snubbers A tensão de bloqueio do interruptor será maior do que a tensão ideal. A energia entregue pelo indutor é igual a energia recebida pelo capacitor: 1 1 L Isw C V C Logo, a elevação de tensão pode ser determinada multiplicando a corrente comutada pela impedância característica do circuito ressonante L L 2 V z C Isw C C V z Isw L V C Isw C fr 1 2 LC 9

10 Snubbers Ex.: Calcule a tensão máxima de bloqueio no interruptor de um conversor Flyback (sem snubber) com as seguintes specs.: Corrente antes da comutação (Isw): 1,87 A Tensão de entrada: 200V Tensão de saída 18V Relação de espiras: 4,44 Indutância de dispersão do transf.: 2 μh Capacitância de saída do MOSFET: 330pF 10

11 Snubbers Solução: L z 77,84 C V 77,84 1,87 145V Vs max , V 11

12 Snubbers A consideração de reatâncias parasitas mostra que ocorre aumento do pico de tensão no bloqueio e aumento do pico de corrente durante a entrada em condução Lleak 2 H Coss 330pF 12

13 Snubbers Snubber passivo dissipativo: amortecimento de oscilações 13

14 Snubber dissipativo: RC simples É bastante difundido Pode ser conectado em indutores, transformadores, interruptores ativos ou diodos. Pode ser utilizado para amortecer as oscilações ou; pode ser utilizado para controlar as derivadas (limitado devido ao Rs). É mais utilizado em amortecimento. 14

15 Snubber dissipativo: RC simples Procedimento de projeto: Reduzir a frequência de ressonância pela metade A capacitância Cs deve ser maior do que a capacitância de saída do interruptor (3 a 4 vezes) A capacitância Cs deve ser pequena o suficiente para não elevar em demasia as perdas no resistor Rs O valor de Rs é igual a impedância característica (z) Cs 3 Coss P Rs = 1 2 f 2 s C s V Cs Rs z L C leak oss PRs é a potência máxima aproximada. VCs é a tensão em que o capacitor Cs é carregado e descarregado (próxima do ideal) fs é a frequência de comutação do conversor 15

16 Snubber dissipativo: RC simples Ex.: calcule Rs, Cs e PRs para o caso abaixo: Corrente antes da comutação (Isw): 1,9 A Tensão de entrada: 200V Relação de espiras: 4,44 Tensão de saída 18V. Indutância de dispersão do transf.: 2 μh Capacitância de saída do MOSFET: 330pF Cs 3 Coss Rs z L C leak oss P Rs = 1 2 f 2 s C s V Cs 16

17 Snubber dissipativo: RC simples Solução: Cs=Coss 3=990pF Lleak Rs z 77,83 V Lleak CS ,44 Isw C oss C Coss VCs= ,44+Isw ( Lleak (Coss+Cs) ) VCs=353, P Rs = 1 2 f s C s V 2 Cs =0, ,9 P Rs =1, W 17 2 s

18 Snubber dissipativo: RC simples Valor de pico com snubber 327V Potência no resistor do snubber 1,1W 18

19 Snubbers Snubber passivo dissipativo polarizado: controle de derivada de tensão 19

20 Snubber dissipativo RCD para controle da derivada dvcs(t) ics C dt C s t I V RC s s Cs 0,1 T s R s 0,1 C f s 1 P C V f 2 2 Rs s Cs s s 20

21 Snubber dissipativo: RCD controlando a derivada Ex.: Considerando os dados do conversor Flyback, calcule Rs, Cs e PRs considerando um tempo de subida da tensão no interruptor da ordem de 180 ns e considerando ainda que o snubber não altera a sobretensão causada pelos elementos parasitas. C s I t V Cs R s 0,1 C f s s 1 P C V f 2 2 Rs s Cs s 21

22 Snubber dissipativo: RCD controlando a derivada Solução: t 180ns VCs Vi Vo n V VCs Cs Isw t Cs nf VCs Rs 0.1 Cs fs Rs PRs 1 2 Cs VCs2 fs PRs 22

23 Snubber dissipativo: RCD controlando a derivada 23

24 Snubbers Snubber passivo dissipativo polarizado: grampeamento de tensão 24

25 Snubber dissipativo RCD como grampeador 25

26 Snubber dissipativo RCD como grampeador 26

27 Snubber dissipativo O projeto do snubber grampeador, que compreende o cálculo do resistor (resistência e potência), capacitância e esforços Depende da topologia do conversor. Material detalhado sobre o grampeador para os conversores Flyback e Forward pode ser obtido em [2], disponível na página. 27

28 Snubber dissipativo Combinação de snubbers A combinação de snubbers mostra-se efetiva quando suas funcionalidades são coordenadas, ex.: - Snubber RC para realizar o amortecimento. - Snubber RCD para garantir o grampeamento da tensão do interruptor. 28

29 Snubber dissipativo Comentários finais É boa prática realizar o pré-projeto dos elementos do snubber e confrontar os resultados com simulações. O cálculo dos parâmetros do snubber é aproximado. Portanto, ajustes via simulação numérica podem ser necessários (RCD grampeador) bem como em protótipos. Pode-se estimar a dispersão a partir da geometria do núcleo, número de espiras, aspectos construtivos do elemento magnético (já abordado) ou percentualmente em função da indutância de magnetização. 29

30 Snubber dissipativo Comentários finais Discrepância muito grande entre teoria e experimentação indicam que o conversor não foi construído conforme projetado ou não foi projetado conforme construído Todd, P.C. 30

31 Referências bibliográficas [1] Todd, P.C.; Snubber Circuits: Theory, Design and Application, May 93. [2] Barbi, I. Estudo do Circuito Grampeador para os Conversores Flyback e Forward e do Circuito Equivalente do Transformador de Três Enrolamentos, INEP, UFSC, relatório interno,