PCE – Projeto de Conversores Estáticos (Graduação em ... · Cálculo de perdas de condução e...

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Prof. Yales Rômulo De Novaes, Dr. 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

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Prof. Yales Rômulo De Novaes, Dr.

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINACENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

PCE – Projeto de Conversores Estáticos(Graduação em Engenharia Elétrica)

Snubbers passivos dissipativos

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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

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Tópicos

O que são snubbers?

Quais benefícios são obtidos?

Quais funcionalidades esperadas?

Principais tipos de snubbers e sua classificação

Porque snubbers são necessários?

Detalhamento de funcionamento e exemplos de projeto para

snubbers de tensão.

Snubber RC

Snubber RCD – controle de derivadas

Snubber RCD - grampeador

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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.

Snubbers

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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 depende do projeto,

parâmetros e especificações (ambos podem ocorrer).

Snubbers

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Snubbers podem ser passivos ou ativos:

Passivos

Compostos por capacitores, indutores, resistores e diodos

Ativos

Incluem transistores ou outros interruptores controláveis.

Snubbers

Snubbers tbem podem ser dissipativos ou não-dissipa tivos :

Dissipativos

a energia (ou parte) absorvida é dissipada em resistores

Não dissipativos

A energia (ou parte) é regenerada

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Por quê snubbers são necessários?

Comutação idealizada: sem sobretensões, derivadas de

tensão não são controladas, entrada em condução não-dissipativa

(Flyback DCM).

Snubbers

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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 (na maioria dos casos).

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Snubbers

Ex.: Calcule a tensão máxima no interruptor de um conversor Flyback

(sem snubber) com as seguintes specs.:

Lz

C=

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

V z Isw∆ = ⋅1fr

2 LC=

π

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Snubbers

Lz 77,84

CV 77,84 1,87 145V

Vs max 145 200 18 4,44 425V

= = Ω

∆ = ⋅ == + + ⋅ =

Solução:

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Snubbers

Lleak 2 H

Coss 330pF

= µ=

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

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Snubbers

Snubber passivo dissipativo: amortecimento e controle de

derivadas

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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.

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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= ⋅

leak

oss

LRs z

C= =

2CsPRs fs Cs V= ⋅ ⋅

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

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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

Snubber dissipativo: RC simples

Cs 3 Coss= ⋅

leak

oss

LRs z

C= =

2CsPRs fs Cs V= ⋅ ⋅

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Solução:

Snubber dissipativo: RC simples

Cs 3 Coss 1nF= ⋅ ≈

leak

oss

LRs z 77

C= = = Ω

2 9CSPRs fs Cs V 20000 1 10 279 1,5W−= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ =

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Snubber dissipativo: RC simples

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Snubbers

Snubber passivo dissipativo polarizado: controle de derivada de

tensão

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Snubber dissipativo

dvCs(t)iCs C

dt=

sCs

tC I

V

∆=∆

s sR Cτ =

s0,1 Tτ = ⋅

ss s

0,1R

C f=

2Rs s Cs s

1P C V f

2= ⋅ ⋅ ⋅

RCD para controle da derivada

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Snubber dissipativo: RCD controlando a derivada

sCs

tC I

V

∆=∆

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.

2Rs s Cs s

1P C V f

2= ⋅ ⋅ ⋅

ss s

0,1R

C f=

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Snubber dissipativo: RCD controlando a derivada

Solução:

∆t 180ns:=

CsIsw ∆t⋅

VCs:= Cs 1.202 nF⋅=

Rs0.1

Cs fs⋅:= Rs 4.158 10

3× Ω=

PRs1

2Cs⋅ VCs

2⋅ fs⋅:= PRs 0.942W=

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Snubber dissipativo: RCD controlando a derivada

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Snubbers

Snubber passivo dissipativo polarizado: grampeamento de tensão

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Snubber dissipativo

RCD como grampeador

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Snubber dissipativo

RCD como grampeador

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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.

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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.

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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.

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Referências bibliográficas

Todd, P.C.; “Snubber Circuits: Theory, Design and Application”, May 93.