PCE Projeto de Conversores Estáticos (Graduação em ... · Snubber RCD - grampeador . Prof. Yales...

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


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


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


4

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


5

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).

Snubbers


6

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-dissipativos:

Dissipativos

a energia (ou parte) absorvida é dissipada em resistores

Não dissipativos

A energia (ou parte) é regenerada


7

Por quê snubbers são necessários?

Comutação idealizada: sem sobretensões, derivadas de

tensão não são controladas, entrada em condução não-dissipativa

(Flyback DCM).

Snubbers


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).


9

Snubbers

Lz

C

V z Isw

2 2

C

1 1L Isw C V

2 2

2

C

LV Isw

C

C

LV Isw

C 1

fr2 LC

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:

Logo, a elevação de tensão pode ser determinada multiplicando a

corrente comutada pela impedância característica do circuito ressonante


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


11

Snubbers

Lz 77,84

C

V 77,84 1,87 145V

Vs max 145 200 18 4,44 425V

Solução:


12

Snubbers

Lleak 2 H

Coss 330pF

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


13

Snubbers

Snubber passivo dissipativo: amortecimento de oscilações


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.


15


• 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

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

PRs=1

2⋅ f s⋅C s⋅V Cs

2


16

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

leak

oss

LRs z

C

PRs=1


2


17

Solução:


Cs=Coss⋅3=990pF

VCs=200+18⋅4,44+ Isw⋅√(Lleak

(Coss+Cs))

PRs=1,239769218749874W

VCs=353,8773996953447

PRs=1


2=0,5⋅20000⋅990⋅10

−12⋅353,9

leak

oss

LRs z 77,83

C

leakCS

oss s

LV 200 18 4,44 Isw

C C

2


18


Valor de pico com snubber 327V

Potência no resistor do snubber 1,1W


19

Snubbers

Snubber passivo dissipativo polarizado: controle de derivada de

tensão


20

Snubber dissipativo

dvCs(t)iCs C

dt

s

Cs

tC I

V

s sR C

s0,1 T

s

s s

0,1R

C f

2

Rs s Cs s

1P C V f

2

RCD para controle da derivada


21

Snubber dissipativo: RCD controlando a derivada

s

Cs

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 e considerando ainda que o snubber não altera a sobretensão

causada pelos elementos parasitas.

2

Rs s Cs s

1P C V f

2

s

s s

0,1R

C f


22


Solução:

t 180ns

VCs Vi Vo n V VCs

CsIsw t

VCs Cs nF

Rs0.1

Cs fs Rs

PRs1

2Cs VCs

2 fs PRs


23



24

Snubbers

Snubber passivo dissipativo polarizado: grampeamento de tensão


25

Snubber dissipativo

RCD como grampeador


26

Snubber dissipativo

RCD como grampeador


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.


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.


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.


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.


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, 2007”

PCE Projeto de Conversores Estáticos (Graduação em ... · Snubber RCD - grampeador . Prof. Yales...

Documents

Transcript of PCE Projeto de Conversores Estáticos (Graduação em ... · Snubber RCD - grampeador . Prof. Yales...