Slide 1 - DEE UFBA

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]