Cur So Fontes

Projeto de Fontes Chaveadas

Universidade Federal de Santa CatarinaUniversidade Federal de Santa CatarinaDepartamento de Engenharia EltricaDepartamento de Engenharia Eltrica

Instituto de Eletrnica de PotnciaInstituto de Eletrnica de Potncia

Prof. AlexandreProf. Alexandre FerrariFerrari de Souza, Dr.de Souza, Dr.

ProgramaPrograma

1a Semana:

Introduo

Captulo I Retificador e Filtro de Entrada

Captulo II Fontes Chaveadas do Tipo Flyback

Captulo III Fontes Chaveadas do Tipo Forward

Captulo IV Fontes Chaveadas do Tipo Half-Bridge, Full Bridge e

Push-Pull

Captulo V Transistores de Potncia

ProgramaPrograma

2a Semana:

Captulo VI Circuitos de Comando para Transistores de Potncia

Captulo VII Circuitos de Comando para Fontes Chaveadas

Captulo VIII Resposta Transitria e Estabilidade

Captulo IX Interferncia Eletromagntica em Fontes Chaveadas

Captulo X Consideraes de Projeto

Introduo a FontesIntroduo a Fontes ChaveadasChaveadas

Fonte de

Alimentao

Rede CA

- Computadores e microcomputadores;

- Perifricos (impressoras, terminais, ...);

CC- Telecomunicaes;

- Equipamentos mdicos e militares;

- Avies e satlites;

- Fontes de alimentao para circuitos decomando de conversores.

Fonte de Alimentao: - Linear- Chaveada

Introduo a FontesIntroduo a Fontes ChaveadasChaveadas

Fonte Linear: Transformador de baixa freqncia, ponte retificadora, filtro capacitivo e regulador linear srie.

Elevada robustez e confiabilidade.

Baixo custo.

Simplicidade de projeto e operao.

Elevado peso e volume.

Baixo rendimento (reguladores lineares).

Limitao na regulao.

Gerao de componentes harmnicas na corrente de entrada,

resultando um baixo fator de potncia.

Atualmente limitam-se aplicaes de baixa potncia (simplicidade

e baixo custo).

Incio do desenvolvimento: dcada de 60 em programas

espaciais.

Avano da microeletrnica e a necessidade de compactao dos

equipamentos aliado a baixo consumo difundiu o uso das fontes

chaveadas.

Substituiu as Fontes Lineares.

Introduo a Fontes Chaveadas

Fontes Chaveadas : Utilizam interruptores de potncia na regio de saturao

(chave com estados aberto e fechado).


Caractersticas das Fontes Chaveadas:

- Maior rendimento; !- Elevada densidade de potncia: menor volume e peso; !- Grande capacidade de regulao; !- Possibilidade de operar com fator de potncia unitrio; !- Menos robusta e resposta transitria lenta; "- Ondulao na tenso de sada; "- Interferncia radioeltrica e eletromagntica; "- Maior nmero de componentes; "- Componentes mais sofisticados. "


Esforos dos pesquisadores para diminuir as desvantagens das Fontes Chaveadas:

- Nvel terico (topologias, comutao, controle, modulao, ...);- Otimizao dos projetos;- Fabricantes de componentes (circuitos integrados dedicados, semicondutores, ...).

Avano dos semicondutores:

- Dcada de 70: Transistor Bipolar com freqncias de at 20kHz;- Dcada de 80: MOSFET (baixa potncia) e diodo ultra-rpido com freqncias de at 100kHz;- Recentemente: Fontes com comutao suave podendo operar na faixa dos MHz, rendimento prximo a 90%, e pouco rudo radioeltrico.


Configurao usual de uma Fonte Chaveada:

Filtro de Rdio Freqncia

- Retificador

- Filtro

- Protees

InterruptorIGBT/ MOSFET

Transformador deIsolamento

- Retificadores

- Filtros

Circuitos de

Controle

- Comando

- Proteo

- Fonte Auxiliar

Rede AC


Desenvolvimento de uma Fonte Chaveada:

- Tcnicas p/ reduo da interferncia eletromagntica gerada;

- Mtodos p/ a correo do fator de potncia;

- Conversores CC-CC;

- Teoria de controle e modelagem de conversores estticos;

- Projeto de indutores e transformadores de alta freqncia;

- Semicondutores de potncia e circuitos integrados dedicados;

- Projeto trmico;

- Circuitos de comando e proteo;

- Simulao de conversores estticos.

Introduo a Fontes Chaveadas Etapas de Projeto

1. Especificar: - Tenso de entrada e sada;- Freqncia da rede;- Tenses nominais, mxima e mnima da rede;- Ondulao de 120Hz na sada;- Ondulao da sada na freqncia de comutao;- Hold-Up time;- Temperatura ambiente;- Protees exigidas;- Rendimento;- Regulao de carga;- Regulao de linha;- Resposta transitria;- Tenso de isolamento;- Nvel de interferncia radioeltrica e eletromagntica;- Normas aplicveis (IEC 61000-3-2, CISPR 22, IEC950).


2. Definir: - Topologia do conversor;- Freqncia de comutao;- Interruptor principal (IGBT, MOSFET, etc.);- Isolamento (transformador de comando de base/gatilho,

isolador tico ou sensor hall no lao de realimentao);

3. Clculo de Estgio de Entrada: - Retificador;- Capacitor de filtragem;- Limitao de corrente de pr-carga do

capacitor de filtragem.4. Projeto do Conversor

5. Clculo do Transformador de Isolamento de Alta Freqncia

6. Clculo de Estgio de Sada


7. Circuito de comando de base ou gate

8. Projeto do circuito de compensao (estabilidade e resposta transitria)

9. Escolha do CI-PWM e clculo dos componentes externos

10. Projeto dos circuitos de proteo

11. Clculo da fonte auxiliar

12. Clculo do filtro de rdio freqncia

Introduo a Fontes Chaveadas1. Retificadores no Controlados (baixo FP)

1.1 Monofsico

i

vC

2i

1C

Conversor110VS

220V2 1

2

DvAC

1D

3D D4 2C

VCmin

22220

Vpk

t t1 2

i Ip

vC

tc

t

t

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 510.0%

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

Introduo a Fontes Chaveadas1. Retificadores no Controlados (baixo FP)

1.2 Trifsico

-

D2D1

D6

V1

V2

D3

V3

D4 D5

C RVC

+

_

VC

i1

V1

t

Introduo a Fontes Chaveadas2. Retificadores Controlados (FP elevado)

2.1 Monofsicos: BOOST, BUCK, ...

VsCONVERSOR carga

controle

retificador

Captulo I Estgio Retificador com Filtro de Entrada

Retificador Monofsico com Filtro Capacitivo

i

vC

2i

1C

Conversor110VS

220V2 1

2

DvAC

1D

3D D4 2C

Operao em Operao em 220 V e 110 V (220 V e 110 V (dobrador dobrador de de tensotenso))

CC C

C C=

+1 2

1 2

220 V220 V

( )2minC2pkin VVC212W = W Pfin in=


V V f tC pk cmin cos( )= 2VCmin

20

Vpk

t t1 2

i Ip

vC

t c

t

t

( )f2

VVcosarct pkminCc

=

ttcc = intervalo de condu= intervalo de conduo 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

cp t

VVCtVCI

)(. min=

=


C V VPfpk Cin( )min2 2 = C

Pf V V

in

pk C=

( )min2 2

Seja Seja IIC1efC1ef -- valor eficaz da componente alternada da corrente ivalor eficaz da componente alternada da corrente iIImedmed -- valor mvalor mdio da corrente idio da corrente iIIefef --valor eficaz da corrente ivalor eficaz da corrente i

21

22efCmedef III += 221 medefefC III = I I

tTmed p

c=

2

TtII cpef

2=

222

122

=

TtI

TtII cpcpefC 21 )2(2 ftftII ccpefC =


EstEstgio de entrada gio de entrada ligado ao conversor CCligado ao conversor CC--CC operando em alta CC operando em alta freqfreqnciancia

2pkI

TT

i

t

on

2

s

DVIP Cpkin min2=

DTTon

=

DVPI

C

inpk

min2 =

Onde:Onde:

Para Para DDmaxmax=0,5=0,5min

22

C

inpk V

PI =

min

22 2 C

inpkef V

PII == PP

inout

= Logo:Logo: 2

12

2 efCefC III ef +=


Grandezas ElGrandezas Eltricas nos Diodos das Pontes Retificadorastricas nos Diodos das Pontes Retificadoras

IP

VDmedin

C=

2 min

I ItTDef pc

=

pkD VV =max


Exemplo NumExemplo Numricorico

VVACAC = 117V ; = 117V ; VVACminACmin = 99V ; = 99V ; VVACmaxACmax = 135V= 135V

f = 60Hz ; f = 60Hz ; VVCminCmin = 100V ; = 100V ; = 0,7 ; = 0,7 ; PPoutout = 70W= 70W

PP

Winout

= = =700 7

100,

CP

f V Vin

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 1002032 2( )

FCC 40621 ==


c)c)

d)d)

( ) ( )t

arc V V

farc

mscC pk

= =

=

cos cos,

min

2100 135

2 601 954

IC V

tAp

c= =

=

203 10 351 954 10

3 646

3,,

e)e) 2 2 1 954 10 60 0,23453t fc = =,

AftftII ccpefC 54,12345,02345,064,3)2(222

1 ===

f)f) A1100100

VPI

minC

inef2 ==

AIII efCefCef 84,154,11222

12

2 =+=+=g)g)

h)h) I ItT

ADef pc

= =

=

3 641 954 10

16 666 101 25

3

3,,,

,


i)i)

j)j)

k)k)

IP

VADmed

in

C= =

=

2100

2 1000 5

min,

V V V VD pk ACmax max max= = = 2 2 135 191

I I ADp p= = 3 64,

UFA !!UFA !!


SimulaSimulao Numo Numricarica

R

Ri

vC

iC2Di

1DvAC

3D 4D

C

v t sen tAC( ) ( )= 2 99 377

C = 203C = 203FF

R = 100R = 100

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


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

i R

t

Corrente de CargaCorrente de Carga

10A

8A

6A

4A

2A

0A

-2A

i C

t

Corrente noCorrente no CapacitorCapacitor10A

5A

0A

-5A

-10A

i

t

vAC

Corrente de EntradaCorrente de Entrada


VVCminCmin, , VVpkpk, , ttcc, , Q e Q e IImedmed possuem praticamente os mesmos valores;possuem praticamente os mesmos valores;

ppico II 2

AnAnlise Detalhadalise Detalhada

1232

32

VpkVCmn

iC

V1

VC

t

S1

S2S3

( ) = senVV pkC( ) ( )

=d

dVCi CC

( ) = cosCVi pkC( ) ( )2R2C ii =( ) 2pk2R senR

Vi =

2pk

2pk senRV

cosCV = RCtg 2 = ( )RCtg 12 =



1232

32

VpkVCmn

iC

V1

VC

t

S1

S2S3

( )= 1pkminC senVV( )

pk

minC1 V

Vsen =

+= pk

minC11 V

Vsen

123 = 22

=

=++321 SSS +=

( ) =

diS C2

2

1

( )= cos1CVS pk1

( ) =

dR

VS C21

2

( ) ( ) RCpkC ecosVV

=

=

RCpk2

21

e1R

cosVRCS

( )2

iS 2C3

=

R2cosV

S pk3

=



1232

32

VpkVCmn

iC

V1

VC

t

S1

S2S3 321 SSS +=

0.2 0.28 0.36 0.44 0.52 0.6 0.68 0.76 0.84 0.92 10

8

16

24

32

40

48

56

64

72

80

RC

VCmin p/ V

k



1232

32

VpkVCmn

iC

V1

VC

t

S1

S2S3 321 SSS +=

0 10 20 30 40 50 60 700

0.40.81.21.6

22.42.83.23.64

I CefRV pk

R C

.


DobradorDobrador de de TensoTenso (110 V)(110 V)

i +

Conversor

vC1-

+vC2

-

1C2DvAC

1D

3D D4 2C

+

vC

-

+ _

i +

Conversor

vC1-

+C2

-

1C2DvAC

1D

3D D4 2C

+

vC

-v

+_

20

VC2

vC1

t

pk

VC2min

vC2VC1pk

VC1min

t

VCpk

VCmin

Cv

vAC

2

VVVV pkmin

min

2C2C1CminC

++=

minmin 2C1C VV = pkpk 2C1C VV =

3

VV2V pk

min

1CminC1C

= )( 212

121

minCC

in

VVfPCC

pk

==


DobradorDobrador de de TensoTenso (110 V)(110 V)

)tf2(cosVV c1C1C pkmin =( )

f2

VVcosarct pkmin 1C1Cc

=

c

1C1C1

c

111p t

)VV(C

tVCI minpk

=

=

ftII c1p1med =

Tt

IdtIT1I c21p

t

0

21p

21ef

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

21med

21efC III ef1 =

2cc1pC )ft(ftII ef1 =

2ef2

21CiefCef III +=


DobradorDobrador de de TensoTenso (110 V) (110 V) -- ProjetoProjeto

VVACAC = 117V ; = 117V ; VVACminACmin = 99V ; = 99V ; VVACmaxACmax = 135V= 135V

f = 60Hz ; f = 60Hz ; VVCminCmin = 100V ; = 100V ; = 0,7 ; = 0,7 ; PPoutout = 70W= 70W

a)a) V140992Vminpk1C ==

V135Vminpk1C =

V33,883

13520023

VV2V pk

min

1CminC1C =

=

=

J667,160

100f

PW inin ===b)b) F16033,88135

667,1)VV(f

PCC 2221C

21C

in21

minpk

=

==

F80C ( ) ( ) ms275,2

60213533,88cosarc

f2

VVcosarct pkmin

1C1Cc =

=

=c)c)

d)d) A28,310275,2

)33,88135(10160t

)VV(CI 3

6

c

1C1C11p

minpk=

=

=


DobradorDobrador de de TensoTenso (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 ===

A5,0200100

VP

IminC

inef2 ===

A23,15,0126,1III 222ef22

ef1CCef =+=+=

V38213522V22V maxCAmaxDp ==


Resultados ExperimentaisResultados Experimentais

100V/100V/divdiv e 500mA/e 500mA/divdiv

Tenso Tenso e e Corrente Corrente de de EntradaEntrada Transitrio Transitrio de de PartidaPartida

100V/100V/divdiv e 10 A/e 10 A/divdiv

100V/100V/divdiv e 5 A/e 5 A/divdiv -- com resistor de 22 com resistor de 22 em sem srierie..


ProteProteo de Ino de In--rushrush

S

R1

Rii

vC

i C

- +vAC

C Carga

IVRp

pk

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