Projetos de Fontes ChaveadasProjetos de Fontes Chaveadas2ª Parte: Capacitores e Semicondutores de Potência

Prof. M. Eng. Victor Leonardo YoshimuraCEFET/MT – DAE-E – CCSTAC

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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.

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Capacitores Eletrolíticos

Não se deve reverter sua polaridade;

A Lse pode ser desprezada;

A Rse não é desprezível e deve-se simular seu efeito.

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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=

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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.

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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 +=

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MOSFETs

Conseguem comutar em freqüências altas (100kHz e acima).

Dissipam alta potência na condução, devido à característica resistiva.

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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

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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 .=

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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

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“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>

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“Spikes” (Sobretensões)

Ocorrem devido à alta variação de corrente no bloqueio:

dttdi

LVV spteomáxsmáx

)(.)( +=

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“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.

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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 ===

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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.