Universidade Federal da Bahia Escola Politécnica Departamento de Engenharia Elétrica Tema 09: Novos Componentes e Circuitos para Eletrônica de Potência Equipe: Alex Souza Emanuella Dias Edi Matos Victor Nunes Sumário Introdução Inversor ressonante de alta frequência com baixo estresse de tensão Conversor DC-DC boost para altas frequências Retificador trifásico isolado com alto fator de potencia usando conversor zeta SiC-Carboneto de Silício Aplicações, diodo schottky Introdução Existe um aumento pela demanda de circuitos de eletrônica de potência com tamanho, peso e custo reduzido, bem como com melhores performances dinâmicas. Componentes passivos (indutores e capacitores) são os responsáveis pelo tamanho e peso dos conversores de potência. Aumentos na frequência - uma redução na energia armazenada necessária e permite o uso de menores componentes passivos. Altas frequências melhoram a performance no transitório. INVERSOR RESSONANTE DE ALTA FREQUÊNCIA COM BAIXO ESTRESSE DE TENSÃO Inversor ressonante de alta frequência com baixo estresse de tensão Topologia – Inversor classe Φ2 Inversor ressonante de alta frequência com baixo estresse de tensão Características: Opera em VHF (very high frequencies); Baixo estresse de tensão no semicondutor; Baixo armazenamento de energia nos componentes passivos; Resposta transiente rápida; Flexibilidade no design. Inversor ressonante de alta frequência com baixo estresse de tensão Aplicações: Amplificadores de potência de radiofrequência; Geração de plasma; Conversores dc-dc ressonantes. Aplicações que exigem frequências muito altas, com frequência e ciclo de trabalho constantes O Inversor Classe E Inversor Classe E O circuito ressonante produz tensão nula nos terminais do interruptor durante o chaveamento: ZVS (“Zero Voltage Switching”). Utiliza a própria capacitância parasita dreno-fonte como elemento do circuito. Muito utilizado em conversores dc-dc de radiofrequência. Inversor Classe E Desvantagens: Alto estresse de tensão na chave (pico de cerca de 3,6 vezes a tensão de entrada); A capacitância parasita varia com a tensão no dreno de forma não-linear: o estresse de tensão chega a 4,4 vezes a tensão de entrada. Inversor Classe E Desvantagens: A grande indutância de entrada torna a resposta muito lenta às variações na tensão de entrada ou no sinal de controle. A potência da saída depende da capacitância: há um limite mínimo. Inversor Classe Φ Utiliza um linha de transmissão na entrada para melhorar a forma do sinal de saída; Menor estresse de tensão; Opera apenas com ciclo de trabalho menor que 0,5: reduz estresse; Rede ressonante tem alta complexidade; Energia armazenada nos componentes é alta; Inversor Classe Φ2 Atenua a segunda harmônica da tensão para melhor simetria do sinal; Menor influência da capacitância na potência de saída: maior flexibilidade de projeto; A linha de transmissão é substituída por um circuito ressonante de baixa ordem; Inversor Classe Φ2 Circuito de entrada: Alta impedância na frequência fundamental e na terceira harmônica e baixa impedância na segunda harmônica; Inversor Classe Φ2 Circuito de entrada: CF: capacitância da chave COSS com uma capacitância opcional CF,EXTRA Inversor Classe Φ2 A impedância vista pela porta dreno-fonte é Zds = ZMR || ZL (chave desligada). Projeto Resultados esperados: A impedância na freq. fundamental da freq. de chaveamento é 30°–60° indutiva (ZVS); A impedância na segunda harmônica é pequena devido à ressonância de LMR and CMR. Projeto Resultados esperados: A impedância na terceira harmônica é capacitiva e tem módulo de 4 a 8 dB abaixo da impedância na freq. fundamental (limita o máximo da tensão dreno-fonte); Os valores de XS and RLOAD são selecionados para alcançar a transferência de potência desejada. Projeto 1) Xs Na frequência fundamental: Projeto 2) ZMR Atribuir um valor para CF . A partir dele: 3) CP : Projetado para atenuar Zds no terceiro harmônico. 4) LF : pode ser alterado para aumentar a fase de Zds na frequência fundamental. Protótipo fS = 30MHz,VIN de 160V a 200 V Protótipo - Resultados Protótipo - Resultados Protótipo - Resultados Protótipo - Resultados Protótipo - Resultados Protótipo - Resultados CONVERSOR DC-DC BOOST VHF Conversor DC-DC boost VHF Operação em VHF 30-300MHz Baixo ripple Pequenos componentes passivos, permitindo um tamanho pequeno e uma resposta ao transitório muito rápida. Conversor DC-DC boost VHF Inversor + retificador: Utiliza um LDMOSFET para chavear: Construção da seção transversal lateral Aumento da tensão no gate provoca, em um determinado ponto, uma saturação na corrente Inversor LF , L2F , CF e C2F são sintonizados de modo que a tensão do dreno para fonte se aproxime de uma onda quadrada ou trapezoidal Reduz o pico de tensão na chave, < 2Vin (conversores normais apresentam um pico de cerca de 3,6Vin) L2F e C2F são sintonizados para ressonância perto do segundo harmônico da frequência de chaveamento fs Inversor Em adição, os componentes LF e CF são sintonizados em sincronia com os L2F e C2F e a impedância da carga para que a impedância do dreno para fonte seja alta perto da fundamental e da terceira harmônica de fs. Retificador O acoplamamento é feito de forma que o fluxo de potência flua da entrada para a saída. Uma fração da potência total é transferido em CC (sujeito a menor perda na chave ou elementos ressonantes do que a parte ac) Maior eficiência pode ser conseguida em comparação com um desenho que entrega toda a potência através de acoplamento ac. Retificador O design do rectificador pode ser realizada por tentativa e erro, escolhendo valores para Lrect e CRect que resultam na potência de saída desejada. Ou, selecção dos valores dos componente é feito definindo a frequência fundamental e a impedância característica. ◦ Primeiro, a capacitância total em paralelo com o didodo é dada por Ctot=Crect + Cd, onde Cd é a capacitância parasita do diodo. Então a frequência fundamental é ω0 = 1/√LrectCtot e a impedância característica é Z0 = √LrectCtot Retificador A frequência wo é usada para estabelecer uma operação resistiva dada uma entrada no retificado e uma tensão de saída, e a impedância característica Zo permite que a potência de saída possa ser definida. Com ω0 modificando, o ângulo de fase entre o corrente e a tensão muda. Retificador Posteriormente, modificando o valor de Z0 no mesmo rectificador, altera o amplitude da corrente, mas não o ângulo de fase. Isso define o nível de potência, enquanto o retificador continua a parecer uma carga resistiva. Conversor A topologia proposta e a operação em VHF permite valores pequenos de indutores. Baixas perdas são devido ao sistema de controle: A estratégia de controle utilizado é um controle de histerese ON-OFF. ◦ Quando a tensão de saída cai abaixo de um especificado limite, o conversor está habilitado e fornece energia para a saída - tensão de saída aumenta gradualmente. ◦ Quando a saída do sobe acima de um limiar especificado, o conversor é desativado, e a tensão de saída irá diminuir gradualmente. ◦ Efetivamente,potência da carga é controlada alterando o ciclio de trabalho com o qual o conversor é modulado. Conversor Em adição ao tamanho, peso e custo devido as pequenas dimensões dos componentes o aumento da frequência melhora as características do transitório. Por causa das pequenas quantidades de energia armazenadas nos componentes o conversor também pode se ajustar rapidamente a mudanças na carga. Conversor Nos conversores normais a capacitância de saída é escolhida para especificações de ripple e melhor resposta ao transitório. Neste conversor, a resposta ao transitório é determinado pelo circuito ressonante e o tamanho do capacitor é que determina as especificações de ripple. RETIFICADOR TRIFÁSICO ISOLADO COM ALTO FATOR DE POTENCIA USANDO CONVERSOR ZETA Esquema do circuito proposto. Com o objetivo de simplificar a operação algumas considerações são feitas O circuito deve operar em regime permanente Os semicondutores são considerados ideais. O transformador deve ser representado por uma indultancia de magnetização no primaria. A capacitância Co,deve ser extremanente alta de tal forma que a tensão na saida seja o Vo. A tensao da rede é considerada constante em cada instante de chaveamento Características de controle do circuito Etapa 1:no instante 1 a chave S1,conduz corrente,que cresce linearmente com tempo.A fonte de alimentação transfere energia para o indutor magnetizante Lm e capacitor C1 transmite energia pra para o indutor Lo. Características de controle do circuito Etapa 2:A chave é bloqueada ,o diodo entra em condução,permitindo que os indutores Lm e Lo transfiram sua energia para os capacitores C1 e Co. Características de controle do circuito Para a etapa 1 onde a chave esata fechada: Características de controle do circuito Para a etapa 2,com a chave s aberta: Comporatamento da corrente e tensão,durante o chaveamento: Pra um determinado projeto podemos considerar: Vf=127v-tensão de entrada Po=1,5kw-potencia a ser entregue a carga A tensão na carga Vo`=60v Fr=60Hz-frequencia da rede Fs=20kHz-frequencia de chaveamento Calculo dos paramentros do circuito: Calculo dos parâmentros do circuito: Calculo dos paramentros do circuito: A corrente de saida Io e a Ro,também podem ser calculadas: Como queremos que opere no modo mcc,apartir de 10% da carga Calculo dos paramentros do circuito: Calculo dos paramentros do circuito: Por sua vez devemos obter a indutância Leq para que fator de potencia seja maior possivel,dentro das característica de operação: Calculo dos paramentros do circuito: Calculo dos paramentros do circuito: Agora podemos determinar Lm,indutância magnetizante do circuito: Calculo dos paramentros do circuito: Verificação do metodo Sintetizado o circuito com os valores calculados a cima,podemos ver o efeito da ponte retificadora na rede acoplada ao modo zeta: Verificação da aplicação Percebemos pouca distorção no conteúdo da rede da linha “a”com ondulação da tensão bem senoidal e um pequeno defasamento na corrente gerado por pouquissimos hamônicos. Verificou-se que a diferença da fase de tensão e corrente de uma mesma linha é pouco mais de 6°,e o fator de potencia na rede trifasica manteve-se alto cerca de 0,984 Espectro da corrente da rede CA usando o circuito proposto Vantagens do uso deste conversor. Pode-se regular a tensão de saida,para valor desejado,seja elevando-a ou abaixando-a. Estrutura simples e robusta Em caso de falha a chave se abre para proteger o sistema. Alto fator de potencia na em condução contínua,sendo ótimo então para aplicações em alta potencia. Retifica-se o sinal trifásico e o converte a uma tensão desejada na saida,sem grande diminuição no fator de potência do sistema, podendo entregar o máximo de potencia trifásica na saída retificador. SIC-CARBONETO DE SILÍCIO APLICAÇÕES, DIODO SCHOTTKY SiC-Carboneto de Silício Aplicações, diodo schottky Natureza, origens Pesquisadores pioneiros Primeiro dispositivo, Infineon Estrutura Cristal Propriedades Físico-Químicas Silício convencional monocristalino SiC: planos compactos empilhados Estrutura Cristal Propriedades Físico-Químicas Estrutura Cristal Propriedades Físico-Químicas Temperatura, resistência química, aspectos eletrônicos, dinâmica térmica Estrutura Cristal Propriedades Físico-Químicas Banda de energia proibida, melhorias em tensões e temperaturas limites Estrutura Cristal Propriedades Físico-Químicas Si tradicional Estrutura Cristal Propriedades Físico-Químicas Alta velocidade de saturação, alta condutividade térmica Estrutura Cristal Propriedades Físico-Químicas Resumo: Aumento da voltagem Aumento na temperatura Redução no tamanho Minimização de perdas Aumento da frequência Aumento da potência Diodo Schottky SiC: compromisso entre velocidade de chaveamento e queda de tensão no estado ligado SiC Schottky 4H N-type: líder no mercado-pioneiro Diodo Schottky Diodo Schottky Estrutura SiC 4H N-type Diodo Schottky Comparação entre diodo bipolar e schottky Diodo Schottky Aplicações PFC Chaves de alta frequência SiC Outros Dispositivos Transistor MOSFET canal N inversor SiC Outros Dispositivos SiC Outros Dispositivos Accumulation MOSFET, JFET transistors Transistores de potência SIT, MESFET em aplicações de alta frequência e microondas SiC Outros Dispositivos SiC bipolares Diodos, Schottky SiC Outros Dispositivos SiC Outros Dispositivos SiC Conclusões Antecedentes do SiC Outros usos Pesquisas Um novo material semicondutor Exercícios Abordagem de projeto diferente da convencional Active PFC ( boost converter ) Simulações Questões 1.Quais os maiores problemas dos conversores atuais, que impedem a sua “integração” e como isso poderia ser remediado? 2.Cite duas características do inversor ressonante da classe Φ2. 3.Por que o circuito retificador trifásico isolado com conversor zeta em mcc, possibilita um excelente aplicação pra sistemas que trabalham com alta potência?Explique seus benefícios para rede ac em que o retificador está acoplado. Referências Bibliográficas J.M. Rivas,Y. Han, O. Leitermann, A.D. Sagneri, and D.J. Perreault,A HighFrequency Resonant Inverter Topology with Low Voltage Stress,” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 23, No. 4, pp. 1759-1771, July 2008. R.C.N. Pilawa-Podgurski, A.D. Sagneri, J.M. Rivas, D.I. Anderson, and D.J. Perreault, "High-Frequency Resonant Boost Converters," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 24, No. 6, pp. 1654-1665, June 2009. Revista de eletrônica,sobraep 2006,sociedade brasileira de eletrônica de potencia 600 V, 1- 40 A, Schottky Diodes in SiC and Their Applications Anant Agarwal, Ranbir Singh, Sei-Hyung Ryu, James Richmond, Craig Capell, Scott Schwab, Brice Moore and John Palmour Cree, Inc, 4600 Silicon Dr., Durham, NC 27703, [email protected] Ph. (919) 313-5539, Fax: (919) 313-5696 Silicon Carbide Schottky: Novel Devices Require Novel Design Rules I. Zverev* (*contact author), H. Kapels, R. Rupp, M. Herfurth * Infineon Technologies AG, P.O.Box 801709, D-81617 Munich, Germany, fax +4989234712476, [email protected]