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ELPOT – Prof. Milton D Xavier - Página 1 de 24 Chaves de Potência - Rev.2 Daremos sequência ao estudo de algumas chaves de potência analisando as perdas de potência, os seus principais parâmetros, e a adequação de utilização de cada uma delas analisando as variantes Frequência x Tensão x Corrente, e algumas aplicações. Transistores de potência são transistores com altos valores nominais de tensão e corrente. Em Eletrônica de Potência, onde o objetivo principal é o controle de potência, eles são utilizados, principalmente em choppers (conversores DC-DC), e inversores de tensão (DC-AC). O IGBT O IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) associa a característica de comando dos MOSFET com a característica de condução dos BJT. Nos últimos anos, vem tendo considerável evolução, com o crescimento de sua velocidade de comutação. A figura a seguir mostra o símbolo e a curva característica do IGBT, onde se nota que o componente apresenta os terminais coletor e emissor (como no BJT) e gate (como no Mosfet). A invenção do IGBT, foi induzida pelas limitações típicas de tensão dos MOSFETs e dos BJTs, e de corrente dos MOSFETs. Os IGBTs são próprios para tarefas que envolvem alta tensão e alta corrente. Trabalham com baixas perdas no estado ligado, e requerem circuitos simples de acionamento. Suportam velocidades de chaveamento relativamente altas. ELETRÔ�ICA DE POTÊ�CIA ELPOT – Prof. Milton D Xavier - Página 2 de 24 Módulo de um IGBT: O IGBT apresenta a vantagem de ser comandado por tensão requerendo baixa quantidade de energia do circuito de comando, e em condução tem a vantagem do BJT de baixas tensões VCEon, podendo conduzir elevadas correntes com baixas perdas. O tempo de entrada em condução é maior que o do MOSFET, na ordem de décimos de µs, e no bloqueio surge o fenômeno da corrente de cauda que provoca elevadas perdas de comutação em altas freqüências. A figura a seguir mostra o esquema simplificado do comando com suas principais formas de onda. Tipicamente, VGE entre 12V e 20V resulta em VCEON reduzida, diminuindo as perdas de condução. Os IGBT’s são muito utilizados em conversores isolados e não isolados, inversores e choppers, e em aplicações de controle de corrente de partida de motores . ELPOT – Prof. Milton D Xavier - Página 3 de 24 A tabela a seguir mostra as características principais de uma linha comercial de IGBT’s da International Rectifiers Semiconductors e seus parâmetros importantes a serem especificados e aplicações típicas. tr = tempo de subida td(on) = tempo de atraso na entrada em condução tf = tempo de descida td(off) = tempo de atraso no bloqueio ELPOT – Prof. Milton D Xavier - Página 4 de 24 Mosfet de Potência O Mosfet (Transistor de Efeito de Campo Metal Óxido-Semicondutor), cujo símbolo e curva característica são mostrados na figura a seguir, é um componente totalmente controlado: é comandado por tensão aplicada entre os terminais Gate (G) e Fonte (S). Este dispositivo se aproxima de uma chave fechada (região ôhmica) quando a tensão VGS é adequada, tipicamente de 9 a 15V. E está bloqueado quando esta tensão for inferior ao limite VGSth (4V, típico). Quando em condução, o dispositivo necessita de permanente aplicação da tensão VGS (tensão entre gate e fonte), entretanto não flui corrente no gate, exceto durante as transições ON – OFF e OFF – ON, quando a capacitância de gate é carregada e descarregada. Condições de operação • Condução garantida: tensão VGS > 0 e maior que VTH • Bloqueio garantido: tensão VGS = 0. Operando na região ôhmica, o Mosfet se comporta como uma resistência de valor relativamente baixo entre dreno e fonte (RDSON), sendo assim, é a região de interesse para operação como chave. ELPOT – Prof. Milton D Xavier - Página 5 de 24 Características importantes - O transistor MosFet conduz se for aplicada uma tensão VGS > VTH e cessa a condução se VGS < VTH ; - A tensão de “threshold” VTH é da ordem de uns 3V a 4V; - A impedância de entrada entre gatilho e source é elevada. Desse modo a potência consumida do circuito de comando (gatilho) é pequena. - A máxima tensão VGS é de até +30V (tipicamente, até +20V). Existe um valor máximo de tensão VGS que pode ser aplicada ao MosFet acima da qual ocorre destruição do transistor. Para evitar este problema, é comum utilizar zener entre gate e souce (catodo = gate). – Os tempos de comutação são curtos (da ordem de dezenas de ns), logo este dispositivo possui poucas perdas em aplicações de altas freqüências (acima de 50K Hz). Desse modo podem operar com freqüências mais elevadas; - O parâmetro mais importante do MosFet é a resistencia do canal RDSon. Este parâmetro está relacionado com as perdas de potência por CONDUÇÃO: Pcon ≈ Rds(on) . Id2. ton / T - Uma outra característica importante é a capacitância Cgs intrínseca entre gate e source (ordem de nF), que interfere nas perdas por CHAVEAMENTO. Perdas por chaveamento são as perdas que ocorrem no transistor durante a subida ou descida da tensão VDS, ou seja, enquanto o transistor está ligando ou desligando. Quanto maior for o valor de Cgs, maior será o tempo de subida, acarretando maiores perdas no chaveamento (cruzamento Vds x Id). Quanto menor for o valor ôhmico da resistência Rds , menores serão as perdas por condução. Portanto, o compromisso no projeto será utilizar um transistor MOSFET que tenha menor Rds possível. Este parâmetro se torna ainda mais essencial em baixas tensões de chaveamento, e altas potências de transferência para a carga, onde a corrente Id terá de ser maior. ELPOT – Prof. Milton D Xavier - Página 6 de 24 Como o dispositivo é comandado por tensão, seu circuito de gate é simples e consome pouca energia, como mostra o esquema e as formas de onda da figura a seguir. Cabe destacar que em qualquer Mosfet existe um diodo intrínseco entre os terminais fonte e dreno. A tabela a seguir mostra as características principais de uma linha comercial de Mosfet’s da International Rectifiers Semiconductors e alguns de seus parâmetros importantes a serem especificados. Pode-se verificar o incremento de RDson com o aumento da tensão máxima admissível, bem como a redução nos limites máximos de corrente admissíveis. ELPOT – Prof. Milton D Xavier - Página 7 de 24 Os principais parâmetros de um Mosfet de potência são: ELPOT – Prof. Milton D Xavier - Página 8 de 24 Perdas de potência (efeito Joule) Perdas na Comutação (chaveamento) Perdas na Condução Formas de onda nas chaves: + Vin RL Vce Pcon = Pon + PoffPon = RDSon . ID 2 . ton / T Poff = Vce(máx) . Ic(fuga) . toff / T ≈ 0 Portanto: Pcon ≈ RDSon . ID 2 . ton / T Grande influência da resistência RDS . Pchav = Psw(on) + Psw(off) Depende da área de cruzamento ID x VDS tanto na subida quanto na descida. Chave ideal Vce +Vin Chave real Vo Transistor = Chave de potência ELPOT – Prof. Milton D Xavier - Página 9 de 24 Resistor de Gate (RG) Quanto menor o resistor de gate, menor será o tempo de chaveamento da tensão: Dimensionamento do Resistor de Gate (Rg) nos MOSFET’s Seja Ciss = 4300pF e Vc = Vgs(pico) = 10V: Deseja-se levar Vgs a 10V com tempo de atraso na entrada em condução tdon = 35ns (Datasheet). Q = Ciss . Vgs(pico) Q = Ig(pico) . tdon Portanto: Ciss . Vgs(pico) = Ig(pico) . tdon Ig(pico) = Ciss . Vgs(pico) / tdon � Ig(pico) = 4300p . 10 / 35n = 1,228A O mesmo pulso de corrente é extraído quando S1 é aberta ou quando S2 é fechada, para bloquear o MOSFET. Assim, pela lei de Ohm: Rg(condução) = Vgs(pico) / Ig(pico) = 10 / 1,228 = 8 Ω Observação: Se o projetista adotar td (on) = 40ns, o resistor de gate será igual a: Ig(pico) = 4300p . 10 / 40n = 1,075A Rg(condução) = Vgs(pico) / Ig(pico) = 10 / 1,075 = 9,3 Ω Isto significa que se adotarmos no projeto um delay time (tdon) maior, será necessário utilizar um resistor de gate Rg com maior valor ômhico. Quanto menor for o valor de Rg, menor será o tempo de subida (tr) da tensão VD . Se o tempo de subida for reduzido, as perdas no chaveamento também serão reduzidas. ELPOT – Prof. Milton D Xavier - Página 10 de 24 IMPLICAÇÕES DO AUME�TO DE Rg - O aumento de Rg torna a subida da tensão de gate mais lenta, isto é, o tempo de atraso no disparo td(on) do gate aumenta. Em tese, o aumento de Rg aumenta a área de cruzamento Id x Vds, o que representa aumento das perdas por efeito Joule na comutação (diminuição da eficiência). - Outro problema poderá ocorrer para Rg muito alto: o disparo do transistor (gate) poderá ocorrer num ponto próximo ou abaixo de 4V (tensão de “threshold”), o que é indesejável, podendo danificar o transistor. UTILIZAÇÃO EM ALTAS POTÊ�CIAS Dois tipos de transistores são muito utilizados em altas potências: o BJT (Transistor Bipolar de Junção), e o MOSFET (Transistor de Efeito de Campo Metal-Óxido- Semicondutor). Quadro comparativo BJT x MOSFET: BJT (TBP) MOSFET Trabalha em frequencias de chaveamento mais baixas que o MOSFET Trabalha em altas frequencias de chaveamento Operado por corrente de base Operado por tensão no Gate Baixa impedância de entrada (necessita de alta corrente na base para mantê-lo em condução) Alta impedância de entrada (necessita de baixa corrente no gate para mantê-lo em condução) Em mesmas condições nominais de operação: Vce (BJT) < Vds (MOSFET) no estado ligado Em mesmas condições nominais de operação: Vds (MOSFET) > Vce (BJT) no estado ligado BJT p/ altas correntes é também chamado TBP – Transistor Bipolar de Potência Em aplicações de alta tensão em que as perdas no estado ligado precisam ser minimizadas, considerando as mesmas condições nominais de operação no BJT e no MOSFET, podemos dizer que o BJT é preferível, mesmo que as perdas de chaveamento sejam relativamente altas. ELPOT – Prof. Milton D Xavier - Página 11 de 24 Escolha do Semicondutor adequado A escolha do semicondutor para uma aplicação específica deve levar em conta vários fatores como: custo do dispositivo, os níveis de tensão e corrente em que vão trabalhar, a complexidade do circuito de comando e seu custo, e a freqüência com que o dispositivo irá operar. Os tiristores são os semicondutores de potência de menor custo, entretanto apresentam limitações devido à baixa velocidade de comutação (frequência de operação), a complexidade do circuito de comando e dificuldade no bloqueio. São amplamente utilizados em conversores que usam comutação pela rede, como retificadores controlados e controladores CA. O SCR se destaca pela sua elevada capacidade de corrente e tensão suportável (3kA/ 5kV). Antes do desenvolvimento dos Mosfet’s o único dispositivo disponível para aplicações em conversores de alta freqüência (1 a 10 kHz) e médias potências era o transistor bipolar de potência – BJT. ELPOT – Prof. Milton D Xavier - Página 12 de 24 A tecnologia deste dispositivo evoluiu bastante, permitindo a fabricação de componentes com capacidade de suportar corrente de coletor de centenas de ampères e tensões de bloqueio de até 800 V. A principal vantagem do BJT de potência é o custo, particularmente em altas tensões, enquanto suas principais desvantagens são a complexidade e custo do circuito de comando e limitação na velocidade de comutação, tornando-se uma tecnologia ultrapassada. É aplicado em deflexão horizontal de TVs e monitores, amplificador de áudio, etc. O Mosfet opera muito bem em altas freqüências e necessita de um simples circuito de comando. Assim, reina absoluto em aplicações de alta freqüência (acima dos 50kHz) e baixas tensões e correntes. A resistência de condução dos Mosfet’s cresce muito com o aumento da máxima tensão suportável, o que leva a uma redução da capacidade de corrente. Deste modo, normalmente os Mosfet’s são utilizados para tensões inferiores a 500V. Para maiores tensões a aplicação se restringe a médias potências. Geralmente são usados em fontes de alimentação chaveadas, reatores eletrônicos, relés de estado sólido de sistemas automotivos, etc. O mais recente dos semicondutores desenvolvidos - o IGBT – vem se destacando pela sua capacidade de condução de altas correntes e de suportar elevadas tensões (500A/2KV), além da simplicidade de seu circuito de comando. Embora mais lentos que os Mosfet’s, os IGBT’s são mais rápidos que os BJT’s permitindo operação em freqüências até 50kHz (alguns mais atuais operam até 60KHz). Trata-se de uma tecnologia em crescente desenvolvimento, que permitiu a melhoria dos acionamentos de motores CA, com o desenvolvimento dos Inversores de freqüência PWM. Sua aplicação vai desde acionamento de motores até ignição automotiva. Num dado projeto, se a seleção está entre MOSFET e IGBT, podemos dizer que: ELPOT – Prof. Milton D Xavier - Página 13 de 24 Comparação entre os principais dispositivos semicondutores S�UBBERS Durante a comutação, picos de alta tensão são induzidos no transistor de potência: A energia acumulada no indutor é dissipada sobre a chave, podendo provocar danos. Para evitar estes danos, é comum utilizar circuitos Snubbers (entre D e S): Circuito de comando de gatilho não-isolado: Circuito de comando de gatilho isolado: Estágio de saída de um Integrado Ig depende do valor de R1 O Snubber ajuda a reduzir o picode tensão, e portanto, as perdas na comutação do transistor. ELPOT – Prof. Milton D Xavier - Página 14 de 24 Os transistores de potência devem possuir as seguintes proteções: - Contra altas correntes na partida (softstart) * - Desligamento por sobrecorrente entre D-S * - Snubber para supressão de transientes (entre D-S) - Utilização de zener na porta, para evitar sobretensões no Gate. * Os dois primeiros itens podem ser feitos por CI dedicado. Circuitos integrados Dedicados O rápido desenvolvimento de fontes chaveadas levou os fabricantes de componentes eletrônicos a produzirem CI’s com múltiplas funções capazes de realizar várias operações simultâneas bastando para isso, adicionar alguns componentes externos: * Soft start (partida progressiva); * largura de pulso do gate aumenta gradativamente até o valor final; * monitoração da corrente no dreno, com desligamento em caso de sobrecorrente. O mais popular e de maior disponibilidade no mercado é o LM3524 (ou LM3525) PWM Control Circuit. Para elevar o Fator de Potência em pré-reguladores, é muito comum a utilização do CI UC 3854 (Unitrode). ELPOT – Prof. Milton D Xavier - Página 15 de 24 Aplicação típica de transistores de potência (MOSFETs) Retificadores convencionais possuem um capacitor de valor expressivo logo após a ponte retificadora, para promover tensão contínua de baixo Ripple, como mostra a figura a seguir: Isto gera harmônicos no sistema elétrico, pois o pico de corrente na entrada é expressivo. ELPOT – Prof. Milton D Xavier - Página 16 de 24 Fator de potência é a relação entra a potência ativa e a potência aparente. Podemos dizer que : FP = cos φ = cosseno do ângulo de defasagem entre tensão e corrente. S (VA) Q(Var) FP = cos φ = P / S φ = ângulo de defasagem entre Tensão e Corrente P(W) P = S . cos φ S = V . I e S2 = Q2 + P2 Q = S . sen φ Perceba que enquanto a potência ativa é sempre consumida na execução de trabalho, a potência reativa além de não produzir trabalho, provoca o aparecimento de uma corrente adicional que circula entre a carga e a fonte de alimentação, ocupando um espaço no sistema elétrico que poderia ser utilizado para fornecer mais energia ativa. O Fator de Potência é usado para determinar se uma carga está com excesso de potência reativa. A potência reativa exige corrente adicional, mas não realiza nenhum trabalho! A corrente excedente aquece cabos e sobrecarrega circuitos, havendo portanto um desperdício de energia. φ ELPOT – Prof. Milton D Xavier - Página 17 de 24 Por isso, a ANEEL estipulou desde 1992 que equipamentos industriais - especialmente os que operam em altas frequências - tenham Fator de Potência (FP) minimo de 0,92. Por isso, em equipamentos em que a carga é não – linear, há a necessidade de se elevar o Fator de Potência. Para entender melhor o significado destas três potências, vamos fazer uma analogia: Como pode ser visto na figura acima, a Potencia Ativa (W) representa a porção líquida do copo, ou seja, a parte que realmente será utilizada para matar a sede. Como na vida nem tudo é perfeito, junto com a cerveja vem uma parte de espuma, representada pela Potência Reativa (VAr). Essa espuma está ocupando lugar no copo, porém não é utilizada para matar a sede. O conteúdo total do copo representa a Potência Aparente. Tanto espuma quanto cerveja ocupam espaço no copo, da mesma forma que potência ativa e reativa ocupam a rede elétrica, diminuindo a real capacidade de transmissão de potência ativa da rede, em função de potência reativa ali presente. - Quanto menos espuma tiver no copo, haverá mais cerveja. Ou seja, quanto menos Potência Reativa for consumida, maior será o Fator de Potência. - Se um sistema não consome Potência Reativa, possui um Fator de Potência unitário, ou seja, toda a potência drenada da fonte (rede elétrica) é convertida em trabalho. Em um mundo ideal, relembrando a analogia da cerveja, VAr deve ser muito pequena (a espuma deve se aproximar de zero) com W constante (menos espuma e mais cerveja). Desta forma haverá um melhor aproveitamento da capacidade do copo (energia elétrica). ELPOT – Prof. Milton D Xavier - Página 18 de 24 O diagrama em blocos a seguir mostra uma fonte estabilizada com correção (elevação) do FP através da utilização de MOSFET’s nas etapas de pré-regulação e osciladora, operando em alta frequência: a) Etapa de Pré-Regulação e elevação do FP (chaveamento na ordem de KHz) Conversor BOOST � É um circuito elevador de tensão: A tensão na saída atinje valores até 5 x Vin ELPOT – Prof. Milton D Xavier - Página 19 de 24 Funcionamento da etapa de potência Quando o transistor MOSFET T1 está desligado, o capacitor de saida Cs armazena tensão proveniente retificação da entrada. Quando o transistor de potência for ligado, será aplicada a tensão +Ve ao indutor Ls. No próximo desligamento do transistor, pelo efeito da Lei de Lenz, a tensão Ve no indutor inverte a sua polaridade e ela se somará à tensão anteriormente armazenada no capacitor Cs, mantendo a saída com uma tensão aproximada de +400Vcc. A regulação de tensão se dá pela variação da largura de pulsos (ton/T) no gate do transistor T1 (modulação PWM). Pré-Regulador BOOST: CI UC3854 dedicado para elevação do FP Cs Ls 400Vcc +Ve T1 Ds ELPOT – Prof. Milton D Xavier - Página 20 de 24 www.unitrode.com Ponte Retificadora Controle Boost Pulsos PWM Pré-Regulador Boost - Saída de pulsos em PWM Gate: Modulação PWM ELPOT – Prof. Milton D Xavier - Página 21 de 24 Comparação dos resultados antes e depois da elevação do FP: ELPOT – Prof. Milton D Xavier - Página 22 de 24 Fonte chaveada Observe que a ponte retificadora, os MOSFET’s e o(s) diodo(s) de saída estão alojados no mesmo dissipador, sendo isolados por mica. Observe também o material do transformador (Ferrite), e o tamanho físico dos componentes: redução substancial devido à operação em alta frequência. - O filtro de RF evita o retorno de ruídos de chaveamento de MOSFET para a rede elétrica, e também a entrada de interferências de alta frequência pela rede elétrica. - O transformador com núcleo de ferrite (aspectofísico similar a pó de lápis, rígido), é específico para utilização em altas frequências de chaveamento. Ponte Retificadora Entrada AC Saídas DC Dissipador de calor (aluminio) Transistores Mosfet Transformador com núcleo de ferrite Diodo(s) de saída Filtro de RF CI gerador de pulsos para os MOSFET’s Filtragem de saída ELPOT – Prof. Milton D Xavier - Página 23 de 24 Atividade para sala de aula: Questões: l. Qual é o valor da tensão “threshold” VTH típico de uma chave de potência e qual é o seu significado? 2. Qual é a vantagem de emprego de chaves de potência em altas frequências ? 3. Quais são as faixas de operação em frequência dos MOSFETS e dos IGBT’s 4. Quais são as diferenças entre MOSFET e IGBT? 5. Quais são as vantagens da elevação do FP em retificadores chaveados? Esboçe a forma de onda da corrente na entrada sem e com a elevação do FP. 6. Qual é a vantagem da utilização do pré-regulador BOOST antes da etapa de potência de um retificador chaveado? 7. Explique de que forma o excesso de potência reativa interfere no FP. 8. Quais são as vantagens da utilização de circuitos integrados dedicados em retificadores chaveados? 9. Explique por quê os transistores de potência devem posuir as proteções a seguir (explique cada uma delas) : a) Desligamento por sobrecorrente entre D-S b) Snubber (entre D-S) 10. De que forma geralmente se escolhe um semicondutor de potência a dequado para o projeto? (levando em consideração frequencia, tensão e corrente) 11. Explique como deve ser escolhido um MOSFET, levando em consideração a resistência de gate Rg, a capacitância Ciss, e os tempos tf (descida) e tr (subida). 12. Defina “corrente de cauda” e em qual chave de potência ela é característica. 13. Explique: a) O que são perdas na condução e no chaveamento? b) Como se pode reduzir cada uma destas perdas para reduzir a dissipação final por efeito Joule? ELPOT – Prof. Milton D Xavier - Página 24 de 24 Algumas respostas: 2) Em altas frequências, a performance de algumas chaves de potência é maior, como por exemplo o MOSFET e o IGBT. Quando um dispositivo de potência como o MOSFET por exemplo, é chaveado, suas perdas em relação à condução linear (constante) podem ser muito menores e isso implica em redução de corrente média no dispositivo, e por consequência em menores custos. Uma redução consequente do tamanho do dissipador é evidente, dado que quando chaveado, o transistor MOSFET terá períodos de não condução intercalados aos de condução. Inevitável citar que em altas frequências, podemos reduzir valores de capacitores, transformador e indutores. Tudo isso conta a favor da redução de custos, peso e volume. 5) Com a elevação do FP em reguladores chaveados, temos como consequência: - redução de distorções harmônicas; - redução nominal de dispositivos de proteção, comom por exemplo disjuntores; - redução de bitola de fios na instalação; - diminuição de perdas por efeito joule na instalação e nas chaves de potência; - melhor aproveitamento de energia, sem disperdícios de potência reativa. - redução no valor da conta de energia a ser paga à concessionária de energia, etc. 6) A utilização de um pré-regulador boost antes da etapa de potência de um retificador chaveado proporciona dupla função: elevar a tensão DC no barramento de saída para então para excitar o transformador com baixas correntes (utilizando por exemplo uma ponte H - o que resulta em redução da área de seção transversal do enrolamento primário do transformador, e consequente redução de peso, volume e custo), e elevar o FP para reduzir o excesso de potência reativa. Para melhor entender, considerando o transformador ideal, consegue-se extrair uma potência de 1KW do primário com duas supostas situações : V1 = 500V ; I1 = 2A � obviamente esta é a mais vantajosa (veja o valor da corrente) ou V1 = 50V ; I1 = 20A 8) Os CIs dedicados exercem funções múltiplas, facilitando a execução do projeto, proporcionando alta confiabilidade na etapa de controle. O CI UC3854 por exemplo analisa ao mesmo tempo a tensão da rede, a corrente de entrada e a tensão DC de saída para então corrigir o FP analisando ponto a ponto da senóide da rede. E ainda mantem a tensão de saída no barramento DC elevada e estabilizada, mesmo com a variação da tensão de alimentação da rede.