Projetos de Fontes Chaveadas (Parte 2)
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Projetos de Fontes ChaveadasProjetos de Fontes Chaveadas2ª Parte: Capacitores e Semicondutores de Potência
Prof. M. Eng. Victor Leonardo YoshimuraCEFET/MT – DAE-E – CCSTAC
2
Capacitores
Tipos de capacitores: Eletrolítico; Filme de polipropileno metalizado; Filme de poliéster metalizado; Multicamadas cerâmicas; Tântalo.
Para circuitos de potência cc, o tipo mais utilizado é o eletrolítico.
3
Capacitores Eletrolíticos
Não se deve reverter sua polaridade;
A Lse pode ser desprezada;
A Rse não é desprezível e deve-se simular seu efeito.
4
Capacitores Eletrolíticos
A Rse causa perdas e aquecimento do capacitor;
A Rse causa uma ondulação adicional na saída dos conversores cc-cc;
A Rse está relacionada com o fator de perdas pela expressão:
CtgRse .ω
δ=
5
Capacitores Eletrolíticos
A Rse diminui para capacitores com capacitância maior;
Deve-se calcular (ou simular) a corrente eficaz no capacitor para determinar as perdas e sua vida útil.
6
Semicondutores de Potência
É fundamental a correta escolha de semicondutores para o funcionamento dos conversores.
Deve-se utilizar diodos do tipo ultra-rápidos ou “soft-recovery”.
Os MOSFETs são utilizados em altas freqüências e potências menores.
Os IGBTs são utilizados em baixas freqüências e altas potências.
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Diodos
Devem possuir baixo tempo de recuperação reversa (em torno de dezenas de ns);
Perdas em condução:2.. defdondmddond IrIVP +=
8
MOSFETs
Conseguem comutar em freqüências altas (100kHz e acima).
Dissipam alta potência na condução, devido à característica resistiva.
9
MOSFETs
Perdas em condução:
A resistência em condução depende da tensão “gate-source”:
K é o parâmetro de condutividade (A/V2); Vt é a tensão de limiar.
2. sefdsonmos IrP =
( )tgsdson VVKr
−=2
1
10
MOSFETs
Todos os MOSFETs possuem um diodo em anti-paralelo intrínseco;
Isto simplifica a construção de estruturas em ponte;
Deve-se calcular as perdas e o aquecimento em conjunto para um MOSFET onde o diodo esteja sendo usado.
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IGBTs
Não são recomendados para freqüências muito elevadas (>40kHz);
Conseguem conduzir correntes elevadas, devido à característica de fonte de tensão.
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IGBTs
A tecnologia envolvida é híbrida entre transistores bipolares e FETs;
Perdas em condução:
A tensão em condução é dependente da tensão entre “gate” e emissor;
No bloqueio, há o problema da corrente de cauda.
smdceonigbt IVP .=
13
Comutação
É a mudança de estado de condução para bloqueio ou vice-versa em um semicondutor;
Os semicondutores não comutam perfeitamente; A comutação causa perdas de potência adicionais
no semicondutor.
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Comutação
Perdas na comutação:
É difícil a determinação exata das perdas em comutação;
Algumas modelagens podem ser encontradas nas referências [1,2].
∫=comt sscom dttitv
TP ).().(1
15
“Snubbers”
Destinam-se à redução das perdas em comutação;
Retardam a subida da tensão;
Parâmetros de projeto:
cross
blsons V
tIC
.2.
=
sson CRt ..3>
16
“Spikes” (Sobretensões)
Ocorrem devido à alta variação de corrente no bloqueio:
dttdi
LVV spteomáxsmáx
)(.)( +=
17
“Clamper” (Grampeador)
Destinam-se a limitar a sobretensão sobre o semicondutor;
O projeto é muito sensível às não-idealidades;
Parâmetro de projeto:
gg CRf
..31>
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Exemplo de Cálculo: Conversor Buck
Dados: Vin=180V Vo=50V f=40kHz P=1kW
Condução contínua; Calcular perdas com
MOSFET e IGBT.
19
Exemplo de Cálculo: Conversor Buck
Corrente média no interruptor:
Corrente eficaz no interruptor:
Compararemos: IRFP460 (MOSFET, Rdson=0,27Ω) IR4PF50W (IGBT, Vceon=2,25V)
AVPIin
smd 6,51801000 ===
ADVPIo
sef 5,1018050
501000 ===
20
Exemplo de Cálculo: Conversor Buck
Perdas em condução no IRFP460:
Dissipador para o IRFP460:
Perdas em condução no IR4PF50W:
Dissipador para o IR4PF50W:
WIrP sefdsonmos 8,295,10.27,0. 22 === WIVP smdceonigbt 6,126,5.25,2. ===
thjdajmáx
thda RP
TTR −
−=
WKRthda 99,069,0
8,2950100 =−−=
thjdajmáx
thda RP
TTR −
−=
WKRthda 1,388,0
6,1250100 =−−=
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Considerações Finais
Os capacitores devem ter capacitância superdimensionada, para minimizar o efeito da Rse;
As perdas em comutação devem ser estimadas (ou simuladas) e consideradas no cálculo térmico;
Todos os projetos de fontes chaveadas estão sujeitos a ajustes de bancada;
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Considerações Finais
O uso de simulação deve ser feito antes de o projeto ser executado;
Incluir as indutâncias parasitas na simulação;
Considerar fortemente o uso de “snubbers” e grampeadores, sobretudo em fontes de alta potência.
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Referências Bibliográficas
[1] BARBI, I. Eletrônica de Potência: Projeto de Fontes Chaveadas. 1ª ed. Florianópolis: Ed. dos Autores, 2002.
[2] BASCOPÉ, R. P. T.; PERIN, A. J. O Transistor IGBT Aplicado em Eletrônica de Potência. 1ª ed. Porto Alegre: Sagra-Luzzatto, 1997.
[3] SEDRA, A. S.; SMITH, K. C. Microeletrônica. São Paulo: Makron Books, 1995. v.v. 1.
[4] MELLO, L. F. P. de Análise e Projeto de Fontes Chaveadas. 1ª ed. São Paulo: Érica, 1996.
[5] www.epcos.com Acesso em 22/03/2007.