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).
Introduo a Fontes Chaveadas
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. "
Introduo a Fontes Chaveadas
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.
Introduo a Fontes Chaveadas
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
Introduo a Fontes Chaveadas
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).
Introduo a Fontes Chaveadas Etapas de Projeto
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
Introduo a Fontes Chaveadas Etapas de Projeto
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=
Captulo I Estgio Retificador com Filtro de Entrada
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=
=
Captulo I Estgio Retificador com Filtro de Entrada
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 =
Captulo I Estgio Retificador com Filtro de Entrada
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 +=
Captulo I Estgio Retificador com Filtro de Entrada
Grandezas ElGrandezas Eltricas nos Diodos das Pontes Retificadorastricas nos Diodos das Pontes Retificadoras
IP
VDmedin
C=
2 min
I ItTDef pc
=
pkD VV =max
Captulo I Estgio Retificador com Filtro de Entrada
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 ==
Captulo I Estgio Retificador com Filtro de Entrada
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,,,
,
Captulo I Estgio Retificador com Filtro de Entrada
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 !!
Captulo I Estgio Retificador com Filtro de Entrada
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
Captulo I Estgio 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
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
Captulo I Estgio 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
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 =
Captulo I Estgio Retificador com Filtro de Entrada
AnAnlise Detalhadalise Detalhada
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
=
Captulo I Estgio Retificador com Filtro de Entrada
AnAnlise Detalhadalise Detalhada
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
Captulo I Estgio Retificador com Filtro de Entrada
AnAnlise Detalhadalise Detalhada
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
.
Captulo I Estgio Retificador com Filtro de Entrada
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
==
Captulo I Estgio Retificador com Filtro de Entrada
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 +=
Captulo I Estgio Retificador com Filtro de Entrada
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=
=
=
Captulo I Estgio Retificador com Filtro de Entrada
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 ==
Captulo I Estgio Retificador com Filtro de Entrada
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..
Captulo I Estgio Retificador com Filtro de Entrada
ProteProteo de Ino de In--rushrush
S
R1
Rii
vC
i C
- +vAC
C Carga
IVRp
pk