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Projeto de Fontes Chaveadas Universidade Federal de Santa CatarinaUniversidade Federal de Santa Catarina Departamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica Instituto de Eletrônica de PotênciaInstituto de Eletrônica de Potência Prof. AlexandreProf. Alexandre FerrariFerrari de Souza, Dr.de Souza, Dr. ProgramaPrograma 1a Semana: • Introdução • Capítulo I – Retificador e Filtro de Entrada • Capítulo II – Fontes Chaveadas do Tipo Flyback • Capítulo III – Fontes Chaveadas do Tipo Forward • Capítulo IV – Fontes Chaveadas do Tipo Half-Bridge, Full Bridge e Push-Pull • Capítulo V – Transistores de Potência ProgramaPrograma 2a Semana: • Capítulo VI – Circuitos de Comando para Transistores de Potência • Capítulo VII – Circuitos de Comando para Fontes Chaveadas • Capítulo VIII – Resposta Transitória e Estabilidade • Capítulo IX – Interferência Eletromagnética em Fontes Chaveadas • Capítulo X – Considerações de Projeto Introdução a FontesIntrodução a Fontes ChaveadasChaveadas Fonte de Alimentação Rede CA - Computadores e microcomputadores; - Periféricos (impressoras, terminais, ...); CC - Telecomunicações; - Equipamentos médicos e militares; - Aviões e satélites; - Fontes de alimentação para circuitos de comando de conversores. Fonte de Alimentação: - Linear - Chaveada Introdução a FontesIntrodução a Fontes ChaveadasChaveadas Fonte Linear: Transformador de baixa freqüência, ponte retificadora, filtro capacitivo e regulador linear série. • Elevada robustez e confiabilidade. • Baixo custo. • Simplicidade de projeto e operação. • Elevado peso e volume. • Baixo rendimento (reguladores lineares). • Limitação na regulação. • Geração de componentes harmônicas na corrente de entrada, resultando um baixo fator de potência. • Atualmente limitam-se à aplicações de baixa potência (simplicidade e baixo custo). • Início do desenvolvimento: década de 60 em programas espaciais. • Avanço da microeletrônica e a necessidade de compactação dos equipamentos aliado a baixo consumo difundiu o uso das fontes chaveadas. • Substituiu as Fontes Lineares. Introdução a Fontes Chaveadas Fontes Chaveadas : Utilizam interruptores de potência na região de saturação (chave com estados aberto e fechado). Introdução a Fontes Chaveadas • Características das Fontes Chaveadas: - Maior rendimento; ! - Elevada densidade de potência: menor volume e peso; ! - Grande capacidade de regulação; ! - Possibilidade de operar com fator de potência unitário; ! - Menos robusta e resposta transitória lenta; " - Ondulação na tensão de saída; " - Interferência radioelétrica e eletromagnética; " - Maior número de componentes; " - Componentes mais sofisticados. " Introdução a Fontes Chaveadas • Esforços dos pesquisadores para diminuir as desvantagens das Fontes Chaveadas: - Nível teórico (topologias, comutação, controle, modulação, ...); - Otimização dos projetos; - Fabricantes de componentes (circuitos integrados dedicados, semicondutores, ...). • Avanço dos semicondutores: - Década de 70: Transistor Bipolar com freqüências de até 20kHz; - Década de 80: MOSFET (baixa potência) e diodo ultra-rápido com freqüências de até 100kHz; - Recentemente: Fontes com comutação suave podendo operar na faixa dos MHz, rendimento próximo a 90%, e pouco ruído radioelétrico. Introdução a Fontes Chaveadas • Configuração usual de uma Fonte Chaveada: Filtro de Rádio Freqüência - Retificador - Filtro - Proteções Interruptor IGBT/ MOSFET Transformador de Isolamento - Retificadores - Filtros Circuitos de Controle - Comando - Proteção - Fonte Auxiliar Rede AC Introdução a Fontes Chaveadas • Desenvolvimento de uma Fonte Chaveada: - Técnicas p/ redução da interferência eletromagnética gerada; - Métodos p/ a correção do fator de potência; - Conversores CC-CC; - Teoria de controle e modelagem de conversores estáticos; - Projeto de indutores e transformadores de alta freqüência; - Semicondutores de potência e circuitos integrados dedicados; - Projeto térmico; - Circuitos de comando e proteção; - Simulação de conversores estáticos. Introdução a Fontes Chaveadas • Etapas de Projeto 1. Especificar: - Tensão de entrada e saída; - Freqüência da rede; - Tensões nominais, máxima e mínima da rede; - Ondulação de 120Hz na saída; - Ondulação da saída na freqüência de comutação; - Hold-Up time; - Temperatura ambiente; - Proteções exigidas; - Rendimento; - Regulação de carga; - Regulação de linha; - Resposta transitória; - Tensão de isolamento; - Nível de interferência radioelétrica e eletromagnética; - Normas aplicáveis (IEC 61000-3-2, CISPR 22, IEC950). Introdução a Fontes Chaveadas • Etapas de Projeto 2. Definir: - Topologia do conversor; - Freqüência de comutação; - Interruptor principal (IGBT, MOSFET, etc.); - Isolamento (transformador de comando de base/gatilho, isolador ótico ou sensor hall no laço de realimentação); 3. Cálculo de Estágio de Entrada: - Retificador; - Capacitor de filtragem; - Limitação de corrente de pré-carga do capacitor de filtragem. 4. Projeto do Conversor 5. Cálculo do Transformador de Isolamento de Alta Freqüência 6. Cálculo de Estágio de Saída Introdução a Fontes Chaveadas • Etapas de Projeto 7. Circuito de comando de base ou gate 8. Projeto do circuito de compensação (estabilidade e resposta transitória) 9. Escolha do CI-PWM e cálculo dos componentes externos 10. Projeto dos circuitos de proteção 11. Cálculo da fonte auxiliar 12. Cálculo do filtro de rádio freqüência Introdução a Fontes Chaveadas 1. Retificadores não Controlados (baixo FP) 1.1 Monofásico i vC 2i 1C Conversor 110VS 220V 2 1 2 D vAC 1D 3D D4 2C VCmin ππππ 2π2π2π2π0 Vpk t t1 2 i Ip vC tc tωωωω tωωωω 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 2931 333537 394143 4547 49 51 0.0% 9.2% 18.5% 27.7% 37.0% 46.2% 55.5% 64.7% 74.0% 83.2% 92.5% TDH = 148% Desl. = 1,48o FP = 0,553 Introdução a Fontes Chaveadas 1. Retificadores não Controlados (baixo FP) 1.2 Trifásico - D2D1 D6 V1 V2 D3 V3 D4 D5 C RVC + _ VC i1 V1 π tω Introdução a Fontes Chaveadas 2. Retificadores Controlados (FP elevado) 2.1 Monofásicos: BOOST, BUCK, ... Vs CONVERSOR carga controle retificador Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro de Entrada Retificador Monofásico com Filtro Capacitivo i vC 2i 1C Conversor 110VS 220V 2 1 2 D vAC 1D 3D D4 2C •• Operação em Operação em 220 V e 110 V (220 V e 110 V (dobrador dobrador de de tensãotensão)) C C C C C = + 1 2 1 2 ••220 V220 V ( )2minC2pkin VVC212W −= W Pfin in= Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro de Entrada V V f tC pk cmin cos( )= 2π VCmin π 2π0 Vpk t t1 2 i Ip vC t c tω tω ( ) f2 VVcosarc t pkminCc π = ttcc = intervalo de condu= intervalo de conduçãção dos diodos ou tempo de recarga de C (equivalente)o dos diodos ou tempo de recarga de C (equivalente) •• Carga transferida para CCarga transferida para C VCtIQ cp ∆==∆ c Cpk c p t VVC t VCI )(. min− = ∆ = Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro de Entrada C V V P fpk C in( )min2 2− = C P f V V in pk C = −( )min2 2 Seja Seja IIC1efC1ef -- valor eficaz da componente alternada da corrente ivalor eficaz da componente alternada da corrente i IImedmed -- valor mvalor méédio da corrente idio da corrente i IIefef --valor eficaz da corrente ivalor eficaz da corrente i 2 1 22 efCmedef III += 221 medefefC III −= I I t Tmed p c = 2 TtII cpef 2 = 2 22 1 22 −= T tI T tII cpcpefC 21 )2(2 ftftII ccpefC −= Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro de Entrada ••EstEstáágio de entrada gio de entrada éé ligado ao conversor CCligado ao conversor CC--CC operando em alta CC operando em alta freqfreqüêüênciancia 2pkI T T i ωt on 2 s DVIP Cpkin min2= D T T on = DV PI C in pk min 2 = Onde:Onde: Para Para DDmaxmax=0,5=0,5 min 2 2 C in pk V PI = min 2 2 2 C inpk ef V PII == P P in out = η Logo:Logo: 2 1 2 2 efCefC III ef += Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro de Entrada ••Grandezas ElGrandezas Eléétricas nos Diodos das Pontes Retificadorastricas nos Diodos das Pontes Retificadoras I P VDmed in C = 2 min I I t TDef p c = pkD VV =max Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro de Entrada ••Exemplo NumExemplo Numééricorico VVACAC = 117V ; = 117V ; VVACminACmin = 99V ; = 99V ; VVACmaxACmax = 135V= 135V f = 60Hz ; f = 60Hz ; VVCminCmin = 100V ; = 100V ; ηηηηηηηη = 0,7 ; = 0,7 ; PPoutout = 70W= 70W P P Win out = = =η 70 0 7 100 , C P f V V in pk C = −( )min2 2 V V Vpk AC= = ⋅ =2 2 99 140min a)a) b)b) VVpk 135= ∆V V V Vpk C= − = − =min 135 100 35 C F= ⋅ − ≅ 100 60 135 100 2032 2( ) µ FCC µ40621 == Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro de Entrada c)c) d)d) ( ) ( ) t arc V V f arc msc C pk = = ⋅ ⋅ = cos cos , min 2 100 135 2 60 1 954 π π I C V t Ap c = = ⋅ ⋅ ⋅ = − − ∆ 203 10 35 1 954 10 3 64 6 3, , e)e) 2 2 1 954 10 60 0,23453t fc = ⋅ ⋅ ⋅ = −, AftftII ccpefC 54,12345,02345,064,3)2(2 22 1 =−⋅=−= f)f) A1 100 100 V PI minC in ef2 =≅= AIII efCefCef 84,154,11 222 1 2 2 =+=+=g)g) h)h) I I t T ADef p c = = ⋅ ⋅ ⋅ = − − 3 64 1 954 10 16 666 10 1 25 3 3, , , , Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro de Entrada i)i) j)j) k)k) I P V ADmed in C = = ⋅ = 2 100 2 100 0 5 min , V V V VD pk ACmax max max= = = ⋅ ≅2 2 135 191 I I ADp p= = 3 64, UFA !!UFA !! Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro de Entrada ••SimulaSimulaçãção Numo Numééricarica R Ri vC iC2D i 1D vAC 3D 4D C v t sen tAC( ) ( )= ⋅2 99 377 C = 203C = 203µµFF R = 100R = 100ΩΩ 140V 130V 120V 110V 100V v C t Vpk VCmin VVpkpk ≅≅≅≅≅≅≅≅ 140V140V VVCminCmin ≅≅≅≅≅≅≅≅ 102V102V ttcc = 2,1ms= 2,1ms IIpicopico ≅≅≅≅≅≅≅≅ 8,0A8,0A IImedmed ≅≅≅≅≅≅≅≅ 1,0A1,0A Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro de Entrada ••CorrenteCorrente CapacitorCapacitor + Carga+ Carga �� �� �� �� �� �� �� �� 10A 8A 6A 4A 2A 0A -2A i t Q∆ tc 1,4A 1,3A 1,2A 1,1A 1,0A iR t ••Corrente de CargaCorrente de Carga 10A 8A 6A 4A 2A 0A -2A iC t ••Corrente noCorrente no CapacitorCapacitor 10A 5A 0A -5A -10A i t vAC ••Corrente de EntradaCorrente de Entrada Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro de Entrada •••••••• VVCminCmin, , VVpkpk, , ttcc, , ∆∆∆∆∆∆∆∆Q e Q e IImedmed possuem praticamente os mesmos valores;possuem praticamente os mesmos valores; ppico II 2≅•••••••• ••AnAnáálise Detalhadalise Detalhada θ θ θ123 π 2 π 3π 2 Vpk VCmín iCα β γ π V1 VC ωt S1 S2S3 ( ) θ⋅=θ senVV pkC ( ) ( ) θ θ ⋅ω=θ d dV Ci CC ( ) θω=θ cosCVi pkC ( ) ( )2R2C ii θ=θ ( ) 2pk2R senR V i θ−=θ 2 pk 2pk senR V cosCV θ−=θ⋅ω RCtg 2 ω−=θ ( )RCtg ωπθ 12 −−= Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro de Entrada ••AnAnáálise Detalhadalise Detalhada θ θ θ123 π 2 π 3π 2 Vpk VCmín iCα β γ π V1 VC ωt S1 S2S3 ( )π−θ= 1pkminC senVV ( ) pk minC 1 V V sen =π−θ +π=θ − pk minC1 1 V V sen 12 3 θ−π=α 22 π −θ=β π=γ+β+α321 SSS += ( )∫ θ⋅θ= π α− π diS C 2 2 1 ( )α−ω= cos1CVS pk1 ( )∫ ⋅= − θθ θθ ο d R VS C 21 2 ( ) ( ) RCpkC ecosVV ω θ −β=θ − β⋅⋅ω = ω θ−θ − RCpk 2 21 e1 R cosVRC S ( ) 2 i S 2C3 β⋅θ = R2 cosV S pk3 β⋅⋅β = Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro de Entrada ••AnAnáálise Detalhadalise Detalhada θ θ θ123 π 2 π 3π 2 Vpk VCmín iCα β γ π V1 VC ωt S1 S2S3 321 SSS += 0.2 0.28 0.36 0.44 0.52 0.6 0.68 0.76 0.84 0.92 1 0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 RC VCmin p/ V ω k Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro de Entrada ••AnAnáálise Detalhadalise Detalhada θ θ θ123 π 2 π 3π 2 Vpk VCmín iCα β γ π V1 VC ωt S1 S2S3 321 SSS += 0 10 20 30 40 50 60 70 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 I CefR V pk ω R C . Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro de Entrada •• DobradorDobrador de de TensãoTensão (110 V)(110 V) i + Conversor vC1 - + vC2 - 1C2D vAC 1D 3D D4 2C + vC - + _ i + Conversor vC1 - + C2 - 1C2D vAC 1D 3D D4 2C + vC -v +_ π 2π0 VC2 vC1 tω pk VC2min vC2VC1pk VC1min tω VCpk VCmin Cv vAC 2 VV VV pkmin min 2C2C 1CminC + += minmin 2C1C VV = pkpk 2C1C VV = 3 VV2 V pk min 1CminC 1C − = )( 21 2 1 21 minCC in VVf PCC pk − == Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro de Entrada •• DobradorDobrador de de TensãoTensão (110 V)(110 V) )tf2(cosVV c1C1C pkmin π= ( ) f2 VVcosarc t pkmin 1C1Cc π = c 1C1C1 c 11 1p t )VV(C t VCI minpk − = ∆ = ftII c1p1med = T t IdtI T 1I c21p t 0 2 1p 2 1ef c == ∫ IIef1ef1 = valor eficaz da corrente i= valor eficaz da corrente i ftII c1p1ef = IICef1Cef1 = valor eficaz da corrente (alternada) em um= valor eficaz da corrente (alternada) em um capacitorcapacitor 2 1med 2 1efC III ef1 −= 2 cc1pC )ft(ftII ef1 −= 2 ef2 2 1CiefCef III += Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro de Entrada •• DobradorDobrador de de TensãoTensão (110 V) (110 V) -- ProjetoProjeto VVACAC = 117V ; = 117V ; VVACminACmin = 99V ; = 99V ; VVACmaxACmax = 135V= 135V f = 60Hz ; f = 60Hz ; VVCminCmin = 100V ; = 100V ; ηηηηηηηη = 0,7 ; = 0,7 ; PPoutout = 70W= 70W a)a) V140992V minpk1C =⋅= V135V minpk1C = V33,88 3 1352002 3 VV2 V pk min 1CminC 1C = −⋅ = − = J667,1 60 100 f P W inin ===b)b) F16033,88135 667,1 )VV(f PCC 222 1C 2 1C in 21 minpk µ≅ − = − == F80C µ≅ ( ) ( ) ms275,2 602 13533,88cosarc f2 VVcosarc t pkmin 1C1C c = ⋅π⋅ = π =c)c) d)d) A28,3 10275,2 )33,88135(10160 t )VV(C I 3 6 c 1C1C1 1p minpk = ⋅ −⋅ = − = − − Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro de Entrada •• DobradorDobrador de de TensãoTensão (110 V) (110 V) -- ProjetoProjeto e)e) f)f) g)g) h)h) 1365,06010275,2ft 3c =⋅⋅= − A126,1)1365,0(1365,028,3)ft(ftII 22cc1pC ef1 =−⋅=−= A5,0 200 100 V P I minC in ef2 === A23,15,0126,1III 222ef2 2 ef1CCef =+=+= V38213522V22V maxCAmaxDp ≅⋅⋅== Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro de Entrada •• Resultados ExperimentaisResultados Experimentais 100V/100V/divdiv e 500mA/e 500mA/divdiv Tensão Tensão e e Corrente Corrente de de EntradaEntrada Transitório Transitório de de PartidaPartida 100V/100V/divdive 10 A/e 10 A/divdiv 100V/100V/divdiv e 5 A/e 5 A/divdiv -- com resistor de 22 com resistor de 22 ΩΩΩΩΩΩΩΩ em sem séérierie.. Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro de Entrada ••ProteProteçãção de Ino de In--rushrush S R1 Rii vC iC - +vAC C Carga I V Rp pk < 1 ττττττττ = 25ms = 25ms ττττττττ11 = R= R11 C = 10C = 10⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅10001000⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅1010--66 = 10ms= 10ms ττττττττ = 3= 3ττττττττ11 = 3R= 3R11CC CRA ..15.5 1≅= τ 0ms 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms 100A 50A 0A 400V 200V 0V vC i C R = 2R = 2ΩΩΩΩΩΩΩΩ Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro de Entrada ••Circuito de disparo para um TriacCircuito de disparo para um Triac R1 NT + C -ACv T D Cv Capítulo II - Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK S D R L + - Vin Vce C + - + - iL L is Vout + - + - 1 P R + - Vin P i C V N CE D RT SN + - T Vout Di Ci 1 1 + - + - BUCK-BOOST FLYBACK Funções do Transformador: - isolamento entre a fonte e a carga - acumulação de energia quando T está fechada - adaptar a tensão necessária no secundário Capítulo II - Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK • Conversor CC-CC do Tipo Buck-Boost VL VCE iD is ( Vin+Vout ) ( Vin ) T T1 T2 To ( Vin ) ( Ip ) iL ( Vout ) S D R L + - Vin Vce C + - + - iL L is Vout + - + - 1 S D R L + - Vin Vce C + - + - iL L is Vout + - + - 1 1a Etapa 2a Etapa Etapas de Funcionamento e Formas de Onda Básicas para Condução Descontínua: Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK • Equacionamento a) Corrente de Pico na entrada dt diLVL = T D L VI inp = T TD 1= D Lf VI inp . = D Lf VI maxinp .max = VL VCE iD i s ( Vin+Vout ) ( Vin ) T T1 T2 To ( Vin ) ( Ip ) iL ( Vout ) 450D max ,= Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK b) Tensão de Carga T2 TI VIVP 1pinmd1in1 . .. == L 2 out 2 2 1 2 in 1 R VP TL2 TVP === .. . L2 fRTV TL2 TVRV L1in 2 1 2 inL out . ... .. .. == L2 fRDV L2 fR f DVV LinLinout . ... . ... == Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK c) Indutor fIL 2 1PPP 2poutLin ...=== η 22 22 inout Lf DVfL 2 1P . .... max= η fP DV 2 1L out 22 in . ... max η= Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK • Conversor CC-CC do Tipo Flyback Etapas de Funcionamento e Formas de Onda Básicas para Condução Descontínua: P R + Vin P i C V L CE D SV + - T Vout +- - + - Ti L 1 P R + - Vin V C VCE D SL + - T Vout Di CV - + Si L + - 1 VP VCE iP ( Vin ) ( Vin ) Ip Vout . ToT1 T2 NP NS Vin . NS NP ( Vout ) VS ( Vin+Vout ) . NP NS ( Vin ) iT= iS iD= I . NP NS P T1 T1 To To 1a Etapa 2a Etapa Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK • Conversor CC-CC do Tipo Flyback Flyback com Múltiplas Saídas T + - Vin N S1 D1 C1 L1R D2 P S2 C2 L2R D3 S3 C3 L3R N N N V2 V1 V3 Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK • Conversor CC-CC do Tipo Flyback Características gerais: - baixo custo - saídas múltiplas - aceita grande variação da resistência de carga - isolamento entre a entrada e a saída - boa regulação cruzada - dispensa indutor de filtragem - permite uso de diodos lentos na saída (cond. desc.) - resposta rápida - fácil de ser estabilizada Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK • Equacionamento a) Corrente de Pico no Primário T1=DT T2 T Ip iL VL Vin -Vo t t dt diLVL = T D L VI inp = maxin out p D V P 2I η = Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK • Equacionamento b) Tensão na Carga Vin Ip T1 Ts t∫ == T1 0 s 1p 1 p s T 2 T I dt T t I T I md 1 1 s 1in md1in T L T VI VP 2 22 1 == L out o R VP P 2 1 ==η s L inout f L 2 R D VV η= Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK • Equacionamento c) Cálculo da Indutância η == ∆ ∆ == out spL Pf I L t w dt dwP 2 2 1 sout 2 max 2 in f P D V 2 1L η= d) Razão Cíclica Crítica ( )inout inout crit VV1 VVD + = � para DCM D ≤≤≤≤ Dcrit Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK • Equacionamento e) Esforços nos Semicondutores − +=+=−= max max inoinDce D D VVVVV 1 1 out 2 in mdD VL f D VI 2 2 = 3 1 2 3 in T 0 1 p Tef D L f Vdt t T I T I = = ∫ Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK RV C LC Vo + - RV C LC Vo + - I o iS • Equacionamento f) Capacitor de Saída dt dV Ci cc = cs maxo V f D IC ∆ = s c SE I VR ∆< 2 22 2 −=−= s os s o sosefC T T I T 3 T IIII ef Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK ����� ����� ����� A A e w δ 2 swp 4 out we f B J k k 10 P , AA ∆ = 11 • Equacionamento g) Transformador Kp - fator de utilização do primário (0,5) kw - fator de utilização da área do enrolamento (0,4 ) J - densidade de corrente ( 250 - 400A/cm2) ∆∆∆∆B - variação de fluxo eletromagnético (0,2-0,3T) Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK • Equacionamento g) Transformador e o AB W 2 2 ∆ ∆µ =δ δδδδ - entreferro (metros) µµµµo - 4ππππ 10-7 Ae - área da secção transversal do núcleo (metros2) ∆∆∆∆W - energia (joule) ∆∆∆∆B - variação de fluxo eletromagnético (0,2-0,3T) p p I , BN π δ∆ = 40 Np - número de espiras do primário δδδδ - entreferro (centímetros) ∆∆∆∆B - variação de fluxo eletromagnético (Gauss=104T) ( ) ( ) nom nom in Fnout psn D D-1 V VV NN + = Ns - número de espiras do secundário VF - queda de tensão no diodo Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK • Característica de Saída em CCM e DCM I D f L 2 R D V V os L in out ′ = η = Condução Descontínua Condução Contínua D-1 D V V in out = 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1 2 3 4 D=0.2 0.4 0.6 0.7 Vout____ Vin Io´ Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK • Procedimento de Projeto para o Buck-Boost em Cond. Desc. 2. Calcular a razão cíclica crítica e definir a nominal. ( )inout inout crit VV1 VVD + = � para DCM Dnom ≤ Dcrit 3. Calcular a indutância. sout maxin f P D V L η= 22 2 1 � tempo de condução chave =Dnom Ts 1. Especificar: Vin, Vout, Pout, fs, ∆∆∆∆Vo, ηηηη. Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK • Procedimento de Projeto para o Buck-Boost em Cond. Desc. 4. Calcular a corrente de pico máxima. nom s in p D L f VI = 5. Calcular a resistência de carga. 6. Calcular a capacitância. out out o P VR 2 = cs maxo V f D IC ∆ = Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK • Procedimento de Projeto para o Flyback em Cond. Desc. 2. Calcular o produto AeAw e definir o núcleo. 1. Especificar: Vin, Vout, Pout, fs, ∆∆∆∆Vo, ηηηη. swp 4 out we f B J k k 10 P 1,1 AA ∆ = 3. Calcular a corrente de pico no primário. 4. Calcular a energia acumulada no transformador. maxin out p D V P 2I η = s out f PW η =∆ Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK • Procedimento de Projeto para o Flyback em Cond. Desc. 5. Calcular o entreferro. e 2 o ABW 2 ∆ ∆µ =δ 6. Calcular o número de espiras do primário e secundário (s). p p I 4,0 BN π δ∆ = ( ) ( ) nom nom in Fnout psn D D-1 V VV NN + = 7. Calcular a indutância magnetizante do primário e secundário. sout 2 max 2 in f P D V 2 1L η= Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK • Procedimento de Projeto para o Flyback em Cond. Desc. 8. Calcular a(s) corrente(s) de pico no(s) secundário(s). npns a II = 9. Calcular a(s) resistência(s) de carga(s). nout 2 nout no P V R = 10. Calcular a(s) capacitância(s). nouts nomnout no V f D I C ∆ = Fontes Chaveadas do Tipo FORWARD i T L + - Ein C V Vo T iD + - i L VC iC RL iR VR + - + - + - Vin DD T 1D L RC DN PN SN VP VS 2D V1 L Vout VF + - BUCK FORWARD NP - enrolamento primário NS - enrolamento secundário ND - enrolamento de desmagnetização Fontes Chaveadas do Tipo FORWARD • Conversor CC-CC do Tipo Buck i T L + - Ein T D iL C RL + - T L + - Ein D iL C RL + - VCE+ - VD VCE T T1 T2 (E ) L in iL iT iD iT (E ) in (E ) inVD VC 0 T1 T VC i 1a Etapa 2a Etapa Fontes Chaveadas do Tipo FORWARD • Conversor CC-CC do Tipo Buck a) Tensão Média na Carga mdDoutmdL VVV =⇒= 0 D VT T VV in1inout == b) Corrente no Indutor e Cálculo da Indutância ( ) L f D D-1 Vi s in L =∆ 5,0Di maxL =→∆ L f 4 Vi s in maxL =∆ maxLs in i f 4 VL ∆ = Fontes Chaveadas do Tipo FORWARD • Conversor CC-CC do Tipo Buck c) Corrente de Pico ( ) L f 2 D D-1 V R ViII s in L outL op += ∆ += 2 d) Tensão no Capacitor ( )t.fsenii LC π∆≅ 22 ( )t f 2 cos C 2 f idt.i C V s s L CCA π π ∆ == 2 1 C f iV s LC π ∆ = ∆ 42 V f iC cs L ∆π ∆ = 2 i RV LSERSE ∆= Fontes Chaveadas do Tipo FORWARD • Conversor CC-CC do Tipo Buck e) Esforços nos Semicondutores inCE VV = inD VV −= ( ) L f D DV R VII s in L out PDTp 2 1− +== Fontes Chaveadas do Tipo FORWARD • Conversor CC-CC do Tipo Buck Procedimento de Projeto p/ o Buck em Cond. Contínua: 2. Calcular a razão cíclica nominal. 1. Especificar: Vin, Vout, Pout, fs, ∆∆∆∆Vo, ∆∆∆∆iL . V VD in out nom = 3. Calcular a indutância. maxLs in i f 4 VL ∆ = Fontes Chaveadas do Tipo FORWARD • Conversor CC-CC do Tipo Buck Procedimento de Projeto p/ o Buck em Cond. Contínua: 4. Definir o capacitor. V f iC cs L ∆π ∆ = 2 i VR L SE ∆ ∆ = Fontes Chaveadas do Tipo FORWARD • Conversor CC-CC do Tipo Forward + - Vin DD T 1D L RC DN PN SN VP VS 2D i 1 L Vout L iT VD VCE T T1 T2 iT iT iL (V ) in TD iM (I )M I M + V inV in + . NP ND 1a Etapa 2a Etapa + - Vin DD T 1D L RC DN PN SN 2D i L L iT iM VCE + - Fontes Chaveadas do Tipo FORWARD • Conversor CC-CC do Tipo Forward a) Tensão Média na Carga mdDoutmdL VVV =⇒= 0 D N N V T T N N VV p s in 1 p s inout == b) Corrente no Indutor e Cálculo da Indutância ( )( ) L f D D-1 aVi s in L =∆ 5,0Di maxL =→∆ L f 4 aVi s in maxL =∆ a i f 4 VL maxLs in ∆ = s p N N a = Fontes Chaveadas do Tipo FORWARD • Conversor CC-CC do Tipo Forward c) Corrente de Pico no Secundário e Primário 2 L oS iII p ∆ += d) Cálculo da Capacitância V f iC cs L ∆π ∆ = 2 i RV LSERSE ∆= ∆ += 2 1 L oP iI a I p ����� ����� ����� A A e w δ 2 η∆ = f B J k k 10 P 2 AA swp 4 out we e) Transformador Kp - fator de utilização do primário (0,5) kw - fator de utilização da área do enrolamento (0,4 ) J - densidade de corrente ( 250 - 400A/cm2) ∆∆∆∆B - variação de fluxo eletromagnético (0,2-0,3T) Fontes Chaveadas do Tipo FORWARD • Conversor CC-CC do Tipo Forward e) Transformador se in p f B A VN ∆ = 2 Np - número de espiras do primário Ae – área efetiva da perna central do núcleo (metros) ∆∆∆∆B - variação de fluxo eletromagnético (Tesla) ( ) D V D VV 1,1 NN nomin nomFnout psn + = Ns - número de espiras do secundário VF - queda de tensão no diodo Fontes Chaveadas do Tipo FORWARD • Conversor CC-CC do Tipo Forward Fontes Chaveadas do Tipo FORWARD Procedimento de Projeto p/ o Forward em Cond. Contínua: 2. Definir a razão cíclica nominal, lembrando que Dmáx=0,5. 1. Especificar: Vin, Vout, Pout, fs, ∆∆∆∆Vo, ∆∆∆∆iL, ηηηη. 3. Calcular a(s) corrente(s) de carga, a(s) corrente(s) de pico no(s) secundário(s) e a(s) resistência(s) de carga. n n out o o V PI = • Conversor CC-CC do Tipo Forward 2 n np o nos I II ∆ += n n n out out o I V R = Fontes Chaveadas do Tipo FORWARD Procedimento de Projeto p/ o Forward em Cond. Contínua: • Conversor CC-CC do Tipo Forward 4. Calcular a(s) capacitância(s). V f iC cs L ∆π ∆ = 2 i VR L SE ∆ ∆ = 5. Calcular o produto AeAw e definir o núcleo do transformador. η∆ = f B J k k 10 P AA swp 4 out we 2 Fontes Chaveadas do Tipo FORWARD • Conversor CC-CC do Tipo Forward 6. Calcular o número de espiras do primário e secundário(s). se in p f B A VN ∆ = 2 ( ) D V D VV 1,1 NN nomin nomFnout psn + = 7. Calcular as relações de transformação. ns p n N N a = 8. Calcular a(s) indutância(s). nmaxLs in n a i f 4 VL ∆ = Conversores Half Bridge, Bridge e Push-Pull TR + - V i CE2 2D VP C i L LR 1 TR2 1D + - + - TR1 NP VS NS NS 3D 4D Va L VoutVin/2 Vin/2 6D 5D C L LR RT 1D inV 1 RT 3 RT 2 RT 4 3D 2D 4D C 4D 3D C L LR inV RT 1 RT 2 1D 2D SN SNPN Li 1V Half Bridge (Meia Ponte) Full Bridge (Ponte Completa) Push Pull • Conversor Half Bridge (Meia Ponte) TRVin/2 i 1 1D + - 3D 4D L Vin + - + - + - C i L LR NP 3D 4D L + - 2D C i L LR TR2 Vin/2 3D 4D L + - + - + - VP T T1 2T L iT Vout i VCE VC i in TR1 TR2 V NS NP . Va Vin/2 iL TR1 Vin Vin/2 1a Etapa 2a Etapa 3a Etapa Conversor Half Bridge, Bridge e Push-Pull T T D 1= T = período da tensão de entrada do filtro de saída TS = 2T = período de funcionamento do conversor • Conversor Half Bridge (Meia Ponte) Conversor Half Bridge, Bridge e Push-Pull D N N 2 VV P Sin out = inCE VV máx = in out TR V . T T.Pi 1 1η = C Capacitor série: impede a circulação de corrente contínua no trafo VC TS TSTS 4 2 NS NP I0. 0 iC L N N f C S P s 2 22 4 π ≥ CSS P V f I N NC ∆ ×≥ 2 0 η out1 TRin P T Ti 2 EP == . • Conversor Full Bridge (Ponte Completa) 6D 5D C L LR RT 1D inV 1 RT 3 RT 2 RT 4 3D 2D 4D C Conversor Half Bridge, Bridge e Push-Pull inCE VV máx = • Conversor Push-Pull 4D 3D C L LR inV RT 1 R T 2 1D 2D SN SNPN Li 1V V1 T T1 T3 TR(2V ) in VCE1 (V ) in 2 TR1 Conversor Half Bridge, Bridge e Push-Pull inCE V V máx 2= Conversor Half Bridge, Bridge e Push-Pull • Transformador B f J k k 10 P . AA spw 3 out we ∆ = 51 • onde: kw=0.4 e kp=0.41 • para as mesmas condições, o transformador é menor que o do conversor Forward. se in p f B A VN ∆ = 2 ( ) D V D VV 1,1 NN nomin nomFnout psn + = ns p n N N a = nmaxLs in n a i f 4 VL ∆ = • Filtro de Saída V f iC cs L n ∆π ∆ = 2 i VR L SEn ∆ ∆ = Aspectos de Comutação MOSFET • Tempos de comutação curtos, • Alta impedância de entrada entre GS (potência de comando baixa), • Fácil de ser associado em paralelo (coef. de temperatura positivo). Características em Condução: • RDSon, • ID e IDM, • VGS, • VGS(th), • VDS(on)=RDSon x ID. I D iD DSV + - G S GSV D + - Características Estáticas MOSFET • A = Região de resistência constante • B = Região de corrente constante Características Estáticas MOSFET • Parâmetros importantes a) RDson – O MOSFET “saturado” comporta-se como uma resistência; b) ID – máxima corrente contínua que o componente pode conduzir; c) IDM – máxima corrente pulsada de dreno que o MOSFET pode conduzir; d) VGS – máxima tensão entre gate e source que pode ser aplicada (positiva ou negativa); e) VGS(th) – a tensão de gate suficiente para iniciar a condução (≈≈≈≈ 4,0 V); f) VDC(on) = RDS(on).ID – tensão dreno-source com o MOSFET conduzindo; g) O MOSFET bloqueado é caracterizado pela tensão de avalanche entre dreno e source – V(BR)DS Aspectos de Comutação MOSFET Características Dinâmicas: • Ciss=Cgd+Cgs (carregado e descarregado pelo circ. gatilho), • Coss=Cgd+Cds (capacitância de saída), • Crss=Cgd (capacitância de transferência). gd Cgs C dsCG D S Aspectos de Comutação MOSFET Comutação com Carga Indutiva: 50 S G DD R V DI RL D ttd(on)d(on) = 30 ns= 30 ns ttrr(on)(on) = 50 ns= 50 ns ttd(off)d(off) = 10 ns= 10 ns ttff = 50 ns= 50 ns Perdas em um MOSFET comcond PPP += 2 efdonds 2 ondonds 2 ondonds on cond irDirirT tP )()()()()()( ..... === )()( .)..( offdsondfrcom Vitt2 fP += onf tt ≅ offr tt ≅ Perdas na Comutação VCE i out + - V C E !L + PN E L D + - EV - !L T T SN outV = E( ) a) Conversor Flyback ( )VCE iC Ip Entrada em condução Perdas na Comutação Conversor Flyback - Bloqueio ( I ) V E t + I - 1 iC E E EI iC CE VCE + - + - (a) (b) iC t2 tf trv tfI (c) ( E ) t1(0 < t < ) t1( < t < )t2 iC = I ≤0 < E´VCE VCE = E´ ≤I < iC 0 • Lllll= 0 fS tEI2 1E 1 .. ´= fIrvf ttt += fE1P 1S .= ftEI50P f1 ...., ´ = Perdas na Comutação Conversor Flyback - Bloqueio • Ll l l l ≠≠≠≠ 0 + - E VCE L ! + - VL Aspectos de Comutação Snubber RCD • Comutação com carga indutiva e com Snubber. E L SC Q5 ! I RS CS DS IC I ∫= fIt0 CS S dtti C 1toffv )()( fIS t tItCi .)( = S fI C2 tI offV . = −= fIt t1ItCi )( C24 ftI 1P 2 fI 2 .. = 2 CEmáxS 2 VC 2 1IlL2 1 .. = I C LV S l CEmáx .= Snubber RCD off fiP s V2 t IC = s on s C 3 t R min≤ tfi – tempo de decrescimento da corrente (fabricante), trv – tempo de crescimento da tensão (fabricante), Voff – arbitrado, tonmin – tempo mínimo de condução da chave. Aspectos de Comutação • Flyback (Cond. Desc.): pCs in s I VR ≥ fEC 2 1P 2SR ..= Snubber RCD Aspectos de Comutação • Forward (Cond. Contínua): EI 2 1E 2S .= ftEI2 1P r2 ...= ( )frin ttfIV50P += ..., ( ) 1n rvfiP s V tt IC += s on s C 3 t R min≤ pCs in s I VR ≥ fVC 2 1P 2in...= Perdas em um Diodo • Perdas de Condução: comcond PPP += FmdF 2 efcond iVirP .. += ftiVP onFFcond ...= • Perdas de Comutação: bRMRMcom tiV2 1E ..= ftiV50P bRMRMcom ...,= Perdas em um Diodo • Efeito da Recuperação Reversa do Diodo no Transistor (E) CEV RMI t tarI Ti EIt50W RMa ...,=∆ fEIt50P RMa ....,= 3 t2t rra . = 3 fEItP RMrr ...= Cálculo Térmico R a Da TDTCT RCD jT RjC ••TTjj –– temperatura da juntemperatura da junçãção (o (°°C)C) ••TTCC –– temperatura do encapsulamento (temperatura do encapsulamento (°°C)C) ••TTDD –– temperatura do dissipador (temperatura do dissipador (°°C)C) ••RRjcjc –– resistresistêência tncia téérmica junrmica junçãçãoo--ccáápsula (psula (°°C/W)C/W) ••RRCDCD –– resistresistêência tncia téérmica de contato entre o componente e o dissipador (rmica de contato entre o componente e o dissipador (°°C/W) = C/W) = 0,2 0,2 °°C/W.C/W. ••RRDaDa –– resistresistêência tncia téérmica dissipador ambientermica dissipador ambiente ••TTaa –– temperatura ambiente (temperatura ambiente (°°C)C) ).( dacdjcaj RRRPTT ++=− CDjc aj Da RRP TT R −− − = Circuitos de Comando de MOSFETs • Princípio Básico •Ciss = 700 pF •VC = 15 V •∆∆∆∆t = 40 ns + - CV gR issCS S 2 1 S D G gI t V.CI issg ∆ ∆ = A, x .xIg 2601040 1510700 9 12 == − − issgrf C.R,tt 22== 12 9 1070022 1040 22 − − == x., x C., tR iss f g Ω≅ 25gR Circuitos de Comando de MOSFETs • Circuitos de Comando não-isolado gR T1 D 2R 3RT2 +VC G S D D = 1N914 R2 = 4,8 kΩ Rg = 50 Ω T2 = MPS 2907 R3 = 10 kΩ 1R gR 2R +V T2 T3 C T1 Tp Circuitos de Comando de MOSFETs • Circuito de Comando Isolado 1R =100 RT VS 2D 1D VP S D G +VC Circuitos Auxiliares das Fontes Chaveadas • A questão do isolamento VSAÍDARede 2 RETIFICADOR T CONVERSOR 1T 3T CIRCUITOS DE COMANDO FONTE AUXILIAR FILTRO DE ENTRADA E RETIFICADORES FILTRO DE SAÍDA E •Massa de alta tensão (chaves) e massa de baixa tensão (saída, comando, fonte auxiliar). • Isolamento: T1 (transformado principal), T2 (transformador p/ comando), T3 (transformador da fonte auxiliar). Circuitos Auxiliares das Fontes Chaveadas • A questão do isolamento VSAÍDARede RETIFICADOR CONVERSOR 1T CIRCUITOS DE COMANDO FONTE AUXILIAR FILTRO DE ENTRADA E RETIFICADOR FILTRO DE SAÍDA E ISOLAMENTO ÓTICO CIRCUITO DE CONTROLE • Massa de alta tensão (chaves, comando, fonte auxiliar) e massa de baixa tensão (saída, controle). • Isolamento: T1 (transformado principal) e isolador ótico. Circuitos Auxiliares das Fontes Chaveadas • Fonte Auxiliar Rede Carga + - Fonte Convencional com Isolamento Circuitos Auxiliares das Fontes Chaveadas • Fonte Auxiliar 3C + Circuito M 3D de Comando 1C - Carga Rede Z 1R 1T 1D 2D 2C NS Conversor Flyback com Fonte Auxiliar sem Isolamento Circuitos Auxiliares das Fontes Chaveadas • Circuitos Integrados PWM Dedicados + - A + - V QT 1 Comparador S 2S OSC. VC F/F Q Verro VRef VReal Conversores CC-CC: UC3524 Circuitos Auxiliares das Fontes Chaveadas • Circuitos Integrados PWM Dedicados V erro C Q Q S S1 2 T T1 V T V Circuitos Auxiliares das Fontes Chaveadas • Circuitos Integrados PWM Dedicados 1S FF OSC TC - + C + - V 1 C L + - COMP TR 7 10 5 4 9 2 115 16 12 11 13 14 36 8 2S 6R 5R RCD LR PT in 3R 1R 2R 4R A1 A2 + - ShR UC3524 Circuitos Auxiliares das Fontes Chaveadas • Controlador de tensão Vin VRef Z1 Z2 + - A1 1 2 9 Vout ( )REFinout VVZ ZV −= . 1 2 Circuitos Auxiliares das Fontes Chaveadas • Soft-Start (Partida Progressiva) •Quando se energiza a fonte chaveada a razão cíclica deve progredir lentamente, evitando a destruição do interruptor, saturação do transformador e overshoot de saída. - C COMP + 1Z + - 2Z 1 2 +V R1 D1 D2 Vout VRef V9 OSC. A + - 1 9 Circuitos Auxiliares das Fontes Chaveadas • Circuitos para Limitação de Corrente • Curto-circuito na carga: desativar a fonte e reativar após o desligamento e religamento do equipamento. T UC3524 R Th 1 6 C R1 9 10 R5 R4 T2 R3 R2 R1 TP IE +10V +5V N Circuitos Auxiliares das Fontes Chaveadas • Utilização de Isolador Ótico 470 k R1 4N26 V1 R2 V9 V2 Rg 1 2 4 5 8 6 7 14 13 1516 9 UC3524 +12V I1 I2 0,6 V 4 V 2229 .IRVV −= 1 1 1 1 R VI −= 12 II β= ( )1.. 1 1 2 21229 −−=−= VR RVIRVV ββ ββ .. 1 2 1 1 2 29 R RV R RVV +−= β. 1 2 1 9 R R V V G −= ∂ ∂ =Se R2 = R1 ⇒⇒⇒⇒ β=G Circuitos Auxiliares das Fontes Chaveadas • Utilização de Isolador Ótico Circuitos Auxiliares das Fontes Chaveadas • Utilização de Isolador Ótico 1C - + A 1D 1R 2R LR outV 4R 3C5R 3R 6R 2C 1Z RefV PN +VCC Circuitos Auxiliares das Fontes Chaveadas • Proteção contra Sobretensão na Saída CR V Z out C SCR + A A R G - VZ VGK + - + - • Sobretensão: a fonte é colocada em curto e o circuito de proteção contra sobre- corrente é acionado e desativa a fonte. • Isolação da tensão de saída quando o comando do transistor não é isolado: Isolador ótico (após o controlador de tensão) ou sensor hall de tensão. Resposta Transitória e Estabilidade • Estrutura Simplificada de uma Fonte Chaveada • Supõe-se que L seja suficientemente grande para que não ocorra variação significativa em IL, quando do fechamento de S2 1.D = V V I L 1R in C 2R 2SL C V Vout V I 1RC 2R 2S L C Vout IC Resposta Transitória e Estabilidade • Antes do transitório 21 21 RR R.RR + = LC I.RV 10 = • Após o transitório LCf I.RV = • Transitório ( )[ ]RC/tRC/tLC eReRIV −− −+= 11 Resposta Transitória e Estabilidade • Corrente no Capacitor durante o transitório RC/tC C e.R Vi −−= 2 0 RC/t LC e.I.R Ri −−= 2 1 • Sem RSE Resposta Transitória e Estabilidade • Com RSE I 1R C 2R 2S RSE RSECout VVV += RC/t LCRSE e.I.R R.RSEi.RSEV −−== 2 1 ( )[ ] RC/tLRC/tLout e.I.RR.RSEe.RRRIV −− −−+= 211 Resposta Transitória e Estabilidade I 1R C 2R 2S RSE H(s) 2 +VREF 1 – A amplitude do desvio de tensão depende somente da RSE do capacitor. 2 – A natureza da resposta (tipo de amortecimento e tempo de recuperação) dependem somente do tipo de controlador empregado. Resposta Transitória e Estabilidade • Equação Característica e função de transferência H(s) G(s) O(s)I(s) + - (s)ε )().()( ssGsO ε= )( )().(1 )( )( )( sF sHsG sG sI sO = + = Resposta Transitória e Estabilidade • Critérios de Estabilidade H(s) G(s) O(s)I(s) + - (s)ε 0)().(1 =+ sHsG Instabilidade 1)().( −=sHsG ( ) [ ] 020 == )(H).(Glog.)(H).(G dB ωωωω o180−=Φ Resposta Transitória e Estabilidade • Critérios de Estabilidade • Margem de fase entre 45o e 90o Resposta Transitória e Estabilidade • Critérios de Estabilidade • Margem de fase entre 45o e 90o Resposta Transitória e Estabilidade • Para erro estático pequeno - Ganhos elevados em baixa freqüência • Pólo na origem • Freqüência de cruzamento por zero o mais alta possível 4 s c ff ≅ Resposta Transitória e Estabilidade • Representação fonte tipo Forward P VST L N LRC SN V2 Vout Vin T1 T VC VS( ) D N NVDVV P S inSTmd ..2 == S C V V T TD == 1 S C P S inmd V V N NVV ..2 = P S S in C md N N V V V V .2 = Resposta Transitória e Estabilidade • Representação fonte tipo Forward P VST L N LRC SN V2 Vout Vin 1 1 )( )( 2 2 + = LCssV sV md out + = 1 1 )( )( 2 0 2 2 w ssV sV md out 1 1 )( )( 2 0 2 + = w jwsV sV md out 4 0 )/(1log20)( wwdBwG +−= Resposta Transitória e Estabilidade • Representação fonte tipo Forward P VST L N LRC SN V2 Vout Vin )( )( )( )( . )( )( 2 2 sV sV sV sV sV sV C out C md md out = )1/( 1.. )( )( 2 0 2 + = wsN N V V sV sV P S S in C out • Com RSE: )/1( )..1( )( )( 2 0 2 2 ws RSECs sV sV md out + + = )/1( )/1( )( )( 2 0 2 2 ws ws sV sV Z md out + + = )/1( )/1(.. )( )( 2 0 2 ws ws N N V V sV sV Z P S S in C out + + = Resposta Transitória e Estabilidade • Representação fonte tipo Forward P VST L N LRC SN V2 Vout Vin 2 pólos -40 dB/dec -20 dB/dec zero dB 0 fp fz f Resposta Transitória e Estabilidade • Representação fonte tipo Flyback 2RC Vout Vin I1 I2md I2 2 222 . mdmd IRP = T TI VIVP pinmdinmd 2 . .. 111 == TL TVP inmd .2 . 21 2 1 = mdmd PP 12 = TL TVIR inmd .2 . 21 2 2 2 = 2 2 1 2 2 2 2 1 2 2 2 2 ...2 . .2 T T fRL V T TT RL VI ininmd == DfRL V I inmd ...2 2 2 = Resposta Transitória e Estabilidade • Representação fonte tipo Flyback 2RC Vout IRIC I2md2 2 R V dt dVCI outoutmd += CR V dt dVD fRLC V outoutin . . ..2 22 += S C V VD = CRfL VA in ...2 2 = S Coutout V VA CR V dt dV . 2 =+ )(. )( )(. 2 sV V A CR sV sVS C S out out =+ [ ] )(..1.)( 22 sVV CRACRssV C S out =+ Resposta Transitória e Estabilidade • Representação fonte tipo Flyback 2RC Vout IRIC I2md [ ] )(..1.)( 22 sVV CRACRssV C S out =+ ).1( 1.. )( )( 2 2 CRsV CRA sV sV SC out + = ).1( 1. ...2 . )( 22 2 CRsCfRL CRVsG in + = • Sistema de 1a ordem • Ganho depende da Resistência de carga ).1( 1. .2 )( 2 2 CRs R fL VsG in + = Resposta Transitória e Estabilidade • Representação fonte tipo Flyback Com RSE: ).1( )..1(. .2 )( 2 2 CRs CRSEs R fL VsG in + + = pólo -20 dB/dec zero G (jw)dB 0 dB fp fz f Resposta Transitória e Estabilidade • Circuitos de Compensação -V i R fC fR + A 0 refV R ref VC • Compensador de 1 pólo i fC Z Z V V = 0 ii RZ = sCR sCR Z ff ff f ./1 ./ + = )..1( 1. )./1(.)( )( 0 ffi f ifff fC RCsR R RsCRsC R sV sV + = + = -20 dB/dec +90° -90° 0 +20 -20 0 -40 0,1f f 10f 100fp p p p dB fi fi ref RR RR R + = . Resposta Transitória e Estabilidade • Circuitos de Compensação • Compensador de 2 pólos -V fz R fC izR +A 0 refV R ref VC Rip iC f fzf Cs RZ . 1 += ip i iz i iz i iz iiz ipi R Cs RCs R Cs R CsRRZ + + = + += ) . 1( 1. . . 1 ./ + ++ ++ = ipiz izip iizipf fzfiizC RR R.R .sC).RR.(s.C )s.R.C)(s.C.R( )s(V )s(V 1 11 0 fz1 = fz2 izifzf R.CR.C = 80 60 40 20 0 -20 1 10 100 1k 10k 100kf2f1 fp2 fz1= fz2 (dB) Resposta Transitória e Estabilidade • Método prático p/ cálculo do compensador para conversor Forward 1o) Traçar o diagrama G(s) em dB. 2o) Escolher a topologia do controlador. Recomenda-se o controlador de 2 pólos estudado neste capítulo. 3o) Definir a freqüência fc, na qual a curva da função G(s).H(s) passa por 0 dB. Recomenda-se sendo fs a freqüência de chaveamento . 4o) Determinar o ganho de H(s) para f = fc. 5o) Situar os dois zeros de H(s) na freqüência f0 do filtro. 6o) Situar o 1o pólo de H(s) na origem (0 Hz). Assim fp1 = 0 Hz. 7o) Situar o 2o pólo de H(s), destinado a compensar o zero da RSE, numa freqüência igual a 5 vezes a freqüência de ressonância do filtro. 8o) Calcular H1 e H2 empregando o procedimento descrito a seguir 9o) Calcular os valores dos resistores e capacitores do circuito de compensação 4 s c ff ≤ Resposta Transitória e Estabilidade • Método prático p/ cálculo do compensador para conversor Forward 30 20 10 0 -10 -20 10 f0 G(s) -30 dB -40 dB/dec -20 dB/dec +20 dB/dec +1 -1 -1 A (H )2 H 2 fp2fcf00,1 fcfp1 2 2 2 log20log20 Af f AH c p =+= 1 0 1 log20log20 Af fAH c =−= Resposta Transitória e Estabilidade • Exemplo de Projeto – Conversor Forward Vout = 12 V Pout = 240 W fs = 40 kHz → T = 25 µs Vin = 60 V I = 2 A a 20 A R1 = 6 Ω a 0,6 Ω C = 4000 µF D = 0,2 a 0,4 L = 60 µH RSE = 25 mΩ = 1,0 VS = 5,0 V P S N N a) Diagrama de G(s) G V V V V S in C out == dB,G 62112 5 60 === Hz C.L.. f 325 2 1 0 == π Hz C.RSE.. fz 15902 1 == π Resposta Transitória e Estabilidade • Exemplo de Projeto – Conversor Forward 0 90 HdB_ f( ) 1 106.1 f 1 10 100 1 103 1 104 1 105 1 106 80 60 40 20 0 10 0 -10 20 Ganho (dB) 100 -20 dB/dec f (Hz)325 1k = 10k 1590 -40 dB/dec -20 21,5 dB 21,5 dB (H )2 fcfp2 fz1= fz2 = f0 kHzfsfc 104 == Para f = 10 kHz, o ganho de G(s) é de –21 dB fz1 = fz2 = f0 = 325 Hz fp1 = 0 Hz fp2 = 5.f0 = 1625 Hz H2 = 21,5 dB⇒⇒⇒⇒ H2 = 20log A2 0751 20 2 2 , HAlog == 9,112 =A 0 2 21 log20 f f HH p−= H1 = 21,5 – 13,8 = 7,68 dB = 20log A1 20 6,7log 1 =A 4,21 =A Resposta Transitória e Estabilidade • Exemplo de Projeto – Conversor Forward 0 90 HdB_ f( ) 1 106.1 f 1 10 100 1 103 1 104 1 105 1 106 80 60 40 20 0 10 0 -10 20 Ganho (dB) 100 -20 dB/dec f (Hz)325 1k = 10k 1590 -40 dB/dec -20 21,5 dB 21,5 dB (H )2 fcfp2 fz1= fz2 = f0 ip fz R R A =2 = 2,4 izi zz RC ff ...2 1 21 π == = 326 Hz fzf RC ...2 1 π = 326 Hz + = ipfz fzip i p RR RR C f . ...2 1 2 π = 1600 Hz kRiz 47= 1...2 1 ziz i fR C π = FCi µ01,0= Resposta Transitória e Estabilidade • Exemplo de Projeto – Conversor Forward 0 90 HdB_ f( ) 1 106.1 f 1 10 100 1 103 1 104 1 105 1 106 80 60 40 20 0 10 0 -10 20 Ganho (dB) 100 -20 dB/dec f (Hz)325 1k = 10k 1590 -40 dB/dec -20 21,5 dB 21,5 dB (H )2 fcfp2 fz1= fz2 = f0 = 11,9 ip fz R R izip fz RR R + = 2,4 Ω= kRip 87,11 Ci.Riz = Cf .Rfz fz izi f R RC C . = nFC f 33,3= Interferência Radioelétrica (RFI) nas Fontes Chaveadas • Interferências por radiofreqüência podem ser transmitidas por radiação direta ou por condução através dos terminais de entrada. • Interferências que a fonte produz nos terminais de entrada se propagam para outros equipamentos, podendo provocar ruídos e mau funcionamento. 1C 2L 1R 2C 2R 1L Rede AC Fonte Chaveada • MEDIÇÃO DA INTERFERÊNCIA CONDUZIDA. L1 = L2 = 500 µH C1 = C2 = 0,1 µF R1 = R2 = 150 Ω LISN – Line Impedance Stabilization Network Faixa de medição – 150 kHz a 30 MHz Interferência Radioelétrica (RFI) nas Fontes Chaveadas • Causas da Interferência Rede + V - C + - E Terra Comutação do transistor ( )E 2 T/2 ζ VC ( -E/2 ) ( )ζππζπ ..f.nsen.nsen..f.n. EVn = 2 1 2 2 22 T f 1= Interferência Radioelétrica (RFI) nas Fontes Chaveadas • Se: f = 50 kHz ζ = 500 ns E = 150 V n = 1 a 1000 dB 150 dB -20 dB/dec -40 dB/dec 0 1 10 13 100 1000 n = 3 f3 = 150 kHz V3 = 31,537 V V V,log V VlogV dB µµ 1 5373120 1 20 33 == V/dB,V dB µ571503 = Amplitudes das tensões parasitas dependem: • Da tensão E • Da freqüência de comutação da fonte • Dos tempos de comutação Interferência Radioelétrica (RFI) nas Fontes Chaveadas • Propagação das tensões parasitas: 9,023202,0Cerâmica 4,296930,2Plástico 3,51601550,1Mica εRC medido (pF) C calculado (pF) Espessura (mm) Isolante Espessura ÁreaC R ..0 εε= mpF /855,80 =ε Interferência Radioelétrica (RFI) nas Fontes Chaveadas • Correntes parasitas simétricas – tensões de modo comum C R F N T Interferência Radioelétrica (RFI) nas Fontes Chaveadas • Correntes parasitas assimétricas – tensões de modo diferencial C R F N T Interferência Radioelétrica (RFI) nas Fontes Chaveadas • Exemplo C = 150 pF ∴∴∴∴ f3 = 150 kHz (freqüência de harmônica) V3 = 31,537 V 150.10150..2 10 ..2 1 3 12 xfC XC ππ == Ω=== 7073 15,0..2 10 1015,0.15,0.10..2 10 2 3 63 12 ππ x XC mA,, X Vi C 464 7073 537313 3 === mV,mA,.i.RV 5334464 2 150 2 33 ===∆ dB, V mV,logV dB 51701 5334203 ≅=∆ µ Interferência Radioelétrica (RFI) nas Fontes Chaveadas • Medidas para redução de rádio interferência a) Redução da capacitância de acoplamento entre o encapsulamento e o dissipador b) Isolamento do dissipador em relação à massa Cx = 80 pF para x = 1 mm Cx = 4 pF para x = 2 cm Dissipador afastado de uma distância x em relação à massa C = 150 pF Capacitância entre dissipador e interruptor Assim: x x TC CC CC C + = . Assim, para x = 2 cm pFCTC 9,34150 4.150 ≅ + = Interferência Radioelétrica (RFI) nas Fontes Chaveadas • Medidas para redução de rádio interferência b) Isolamento do dissipador em relação à massa 33 2 V.C.f..i TCπ= A,,.x,.x..i µπ 92115537311093101502 1233 == − VA,.V µµ 869492115 2 150 3 == dB,V dB 78783 =∆ c) Placa condutora entre o interruptor e o dissipador 1C 2C Dissipador Placa F N Interferência Radioelétrica (RFI) nas Fontes Chaveadas • Medidas para redução de rádio interferência d) Emprego do filtro de rede d.1) para correntes simétricas F T N XC R 2L 3L a b Cx é baixa impedância para as correntes simétricas Interferência Radioelétrica (RFI) nas Fontes Chaveadas • Medidas para redução de rádio interferência d) Emprego do filtro de rede d.1) para correntes simétricas R 3 L XC 2L R a b c d X X C C cd C jR CRj jXR RXjZ ω ω − − = − − = 2 /2 2 2 C cd XRj RZ ω21 2 + = Interferência Radioelétrica(RFI) nas Fontes Chaveadas • Medidas para redução de rádio interferência d) Emprego do filtro de rede d.1) para correntes assimétricas 1 CyR 1L R Cy C F N T Interferência Radioelétrica (RFI) nas Fontes Chaveadas • Medidas para redução de rádio interferência d) Emprego do filtro de rede 4,7nF µ 2 CX 5mH N L 0,1 F F 3L Cy Cy 4,7nF 5mH Interferência Radioelétrica (RFI) nas Fontes Chaveadas • Influência da capacitância entre enrolamentos CT F N Primário Secundário • Grades condutoras Interferência Radioelétrica (RFI) nas Fontes Chaveadas • Exemplo de cálculo do filtro de rede VCA = 220 V (tensão da rede). f = 60 Hz (freqüência de rede). P = 150 W (potência de entrada da fonte). E = 300 V (tensão mo estágio de corrente contínua, após o retificador de entrada). fs = 50 kHz (freqüência de chaveamento). τ = 500 ns (tempo de subida da tensão de coletor do transistor). C = 50 pF (capacitância entre o transistor e a carcaça). VRdB= 54 dB/µV (nível da tensão máxima permitida nos resistores da rede artificial, para 150 kHz). Interferência Radioelétrica (RFI) nas Fontes Chaveadas 1) Primeiro passo f3 =150 kHz V3 = 15,8 dB 2) Segundo passo – verificação do nivel de interferência de modo comum sem o filtro de rede. Ω≅== − k xxCW XC 211050.10150..2 11 123 3 3 π mA k V X V i C C 752,021 8,15 3 3 3 = Ω == Queda de tensão nos resistores da rede artificial. mVmAiRV CR 4,56..752,0.752 33 =Ω== V mV,log V VlogV dBR µµ 1 45620 1 20 33 == V/dB,logV dBR µ95754203 == ∆V3dB = 95 – 54 = 41 dB/µV Interferência Radioelétrica (RFI) nas Fontes Chaveadas 3) Terceiro passo – escolha dos capacitores Cy, de modo comum Cy = 5 nF 4) Quarto passo – escolha do indutor Lo para filtrar correntes de modo comum 1 R = 4,5M 1/8W F D 2L = 4,28 mH yC C = 5nF/250VL L = 4,28 mH L = 6,25 mH y C = 0,1 F/250Vx µ 1 3N T Ω= kXC 213 Ω=== − 106105.2.10150..2 1 .2. 1 93 3 xxCW X y Cy π Interferência Radioelétrica (RFI) nas Fontes Chaveadas 4) Quarto passo – escolha do indutor Lo para filtrar correntes de modo comum 1 R = 4,5M 1/8W F D 2L = 4,28 mH yC C = 5nF/250VL L = 4,28 mH L = 6,25 mH y C = 0,1 F/250Vx µ 1 3N T Para V0dB = 54 db/µV, obtém-se V V µ1 log2054 0= V0 = 500 µV mA V R V i 0067,0 75 500 0 0 0 =Ω == µ Como i0 << , a tensão V0b é dada por V,,.i.XV CCob y 08075201063 === Interferência Radioelétrica (RFI) nas Fontes Chaveadas 5) Quinto passo – Escolha de Cx 1 R = 4,5M 1/8W F D 2L = 4,28 mH yC C = 5nF/250VL L = 4,28 mH L = 6,25 mH y C = 0,1 F/250Vx µ 1 3N T A V Pi 68,0 220 150 === ICx= 0,001.i = 0,0068A F Vf i C XCX µ ππ 084,0 220.60..2 0068,0 ...2 === CX = 0,1 µF Interferência Radioelétrica (RFI) nas Fontes Chaveadas 6) Sexto passo – Escolha de L2 e L3 1 R = 4,5M 1/8W F D 2L = 4,28 mH yC C = 5nF/250VL L = 4,28 mH L = 6,25 mH y C = 0,1 F/250Vx µ 1 3N T ∆VL = 0,01% V = 220V ∆VL = 2,2 V ω(L2 + L3).i = ∆VL mHi VLL L 58,8 68,0.60..2 2,2 .0 32 == ∆ =+ πω mH LL LL 28,4 2 32 32 = + == Interferência Radioelétrica (RFI) nas Fontes Chaveadas 7) Sétimo passo – Escolha do resistor de descarga 1 R = 4,5M 1/8W F D 2L = 4,28 mH yC C = 5nF/250VL L = 4,28 mH L = 6,25 mH y C = 0,1 F/250Vx µ 1 3N T X D C tR .21,2 = t = 1 s Ω≅= MRD 5,41,0.21,2 106 Interferência Radioelétrica (RFI) nas Fontes Chaveadas Ensaios de Interferência conduzida numa fonte para telecomunicações #IF BW 9. 0 kHz AVG BW 3 0 kHz SWP 1.4 0 sec ATN 10dB REF 85. 0 dB V LOG 10 dB/ START 15 0 kHz STOP 3 0 . 0 0 MHz 36. 0 7 dB V MKR 15.1 0 MHz ACTV DET: PEAK WA SB SC FC CORR PASS LIMIT A MEAS DET: PEAK QP AVG Interferência Radioelétrica (RFI) nas Fontes Chaveadas Ensaios de Interferência conduzida numa fonte para telecomunicações #IF BW 9. 0 kHz AVG BW 3 0 kHz SWP 1.4 0 sec REF 85. 0 dB V START 15 0 kHz STOP 3 0 . 0 0 MHz 29.98 dB V MKR 15.1 0 MHz ACTV DET: PEAK PASS LIMIT MEAS DET: PEAK QP AVG ATN 10dB LOG 10 dB/ WA SB SC FC CORR A Interferência Radioelétrica (RFI) nas Fontes Chaveadas Ensaios de Interferência conduzida numa fonte para telecomunicações
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