Snubbers

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
PCE – Projeto de Conversores Estáticos
(Graduação em Engenharia Elétrica)
Snubbers passivos dissipativos
Prof. Yales Rômulo De Novaes, Dr.
Aulas anteriores
Especificação de semicondutores
Cálculo de perdas de condução e pré-seleção de dispositivos
semicondutores
Cálculo de perdas de comutação com identificação de existência
ou não dessas perdas
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Tópicos
O que são snubbers?
Quais benefícios são obtidos?
Quais funcionalidades esperadas?
Principais tipos de snubbers e sua classificação
Por quê snubbers são necessários?
Detalhamento de funcionamento e exemplos de projeto para
snubbers de tensão.
Snubber RC
Snubber RCD – controle de derivadas
Snubber RCD - grampeador
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Snubbers
Snubbers visam melhorar ou criar condições adequadas para
realizar as comutações dos interruptores em um determinado conversor.
São circuitos auxiliares (pequenos) que visam controlar os efeitos
causados pelos elementos parasitas do circuito de potência
(dispersões, capacitâncias, layout).
No interruptor (diodo ou interruptor ativo) podem propiciar:
Amortecimento de oscilações
Controle de derivadas de tensões e/ou correntes
Grampeamento de tensões.
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Snubbers
No conversor ou estrutura podem propiciar:
Redução de EMI
Redução de perdas de comutação
Redução do volume dos dissipadores
Aumento da freq. e consequente redução de volume de
passivos.
Obs.: melhora ou piora da eficiência dependem do projeto,
parâmetros e especificações (ambos podem ocorrer).
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Snubbers
Snubbers podem ser passivos ou ativos:
Passivos
Compostos por capacitores, indutores, resistores e diodos
Ativos
Incluem transistores ou outros interruptores controláveis.
Snubbers tbem podem ser dissipativos ou não-dissipativos:
Dissipativos
a energia (ou parte) absorvida é dissipada em resistores
Não dissipativos
A energia (ou parte) é regenerada
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Por quê snubbers são necessários?
Comutação idealizada: sem sobretensões, derivadas de
tensão não são controladas, entrada em condução não-dissipativa
(Flyback DCM).
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O circuito real possui reatâncias, como a indutância de dispersão do
transformador e a capacitância dos interruptores (ambos predominantes e
representados abaixo).
Há também indutância no layout, nos interruptores bem como
capacitância no transformador, que são normalmente menores e
possivelmente não predominantes (verificar predominância).
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Snubbers
A tensão de bloqueio do interruptor será maior do que a tensão ideal.
A energia entregue pelo indutor é igual a energia recebida pelo capacitor:
1
1
2
L ⋅ Isw = C ⋅ ∆VC 2
2
2
Logo, a elevação de tensão pode ser determinada multiplicando a
corrente comutada pela impedância característica do circuito ressonante
L
∆VC =
⋅ Isw 2
C
L
z=
C
∆V = z ⋅ Isw
L
∆VC =
⋅ Isw
C
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1
fr =
2π LC
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Snubbers
Ex.: Calcule a tensão máxima de bloqueio no interruptor de um conversor
Flyback (sem snubber) com as seguintes specs.:
Corrente antes da comutação (Isw): 1,87 A
Tensão de entrada: 200V
Tensão de saída 18V
Relação de espiras: 4,44
Indutância de dispersão do transf.: 2 μH
Capacitância de saída do MOSFET: 330pF
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Solução:
L
z=
= 77,84Ω
C
∆V = 77,84 ⋅1,87 = 145V
Vs max = 145 + 200 + 18 ⋅ 4, 44 = 425V
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A consideração de reatâncias parasitas mostra
que ocorre aumento do pico de tensão no
bloqueio e aumento do pico de corrente durante a
entrada em condução
Lleak = 2µH
Coss = 330pF
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Snubber passivo dissipativo:
amortecimento e controle de
derivadas
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Snubber dissipativo: RC simples
•
É bastante difundido
•
Pode ser conectado em indutores, transformadores, interruptores ativos
ou diodos.
•
Pode ser utilizado para amortecer as oscilações ou;
•
pode ser utilizado para controlar as derivadas (limitado devido ao Rs).
•
É mais utilizado em amortecimento.
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Snubber dissipativo: RC simples
•
Procedimento de projeto:
•
Reduzir a frequência de ressonância pela metade
•
A capacitância Cs deve ser maior do que a capacitância de saída
do interruptor (3 a 4 vezes)
•
A capacitância Cs deve ser pequena o suficiente para não elevar
em demasia as perdas no resistor Rs
•
O valor de Rs é igual a impedância característica (z)
Cs = 3 ⋅ Coss
1
2
P Rs = ⋅ f s⋅ C s⋅ V Cs
2
L leak
Rs = z =
Coss
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PRs é a potência máxima aproximada.
VCs é a tensão em que o capacitor Cs é carregado e
descarregado (próxima do ideal)
fs é a frequência de comutação do conversor
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Snubber dissipativo: RC simples
Ex.: calcule Rs, Cs e PRs para o caso abaixo:
Corrente antes da comutação (Isw): 1,9 A
Tensão de entrada: 200V
Relação de espiras: 4,44
Tensão de saída 18V.
Indutância de dispersão do transf.: 2 μH
Capacitância de saída do MOSFET: 330pF
Cs = 3 ⋅ Coss
L leak
Rs = z =
Coss
1
2
P Rs = ⋅ f s⋅ C s⋅ V Cs
2
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Snubber dissipativo: RC simples
Solução:
Cs=Coss⋅ 3=990pF
L leak
Rs = z =
Coss
L leak
VCS = 200 + 18 ⋅ 4, 44 + Isw ⋅
= 77,83Ω
Coss + Cs
Lleak
VCs=200+18⋅ 4,44+ Isw⋅ (
)
(Coss+Cs)
√
VCs=353,8773996953447
(Simulação resulta 327V)
1
− 12
2
P Rs = ⋅ f s⋅ C s⋅ V Cs =0,5⋅ 20000⋅ 990⋅ 10 ⋅ 353,9
2
P Rs =1,239769218749874 W
(Simulação resulta em 1,1W)
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Snubber dissipativo: RC simples
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Snubber passivo dissipativo
polarizado: controle de derivada de
tensão
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Snubber dissipativo
RCD para controle da derivada
dvCs(t)
iCs = C
dt
∆t
Cs = I
∆VCs
τ = R s Cs
τ = 0,1 ⋅ Ts
0,1
Rs =
Cs ⋅ f s
1
2
PRs = ⋅ Cs ⋅ VCs ⋅ f s
2
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Snubber dissipativo: RCD controlando a derivada
Ex.: Considerando os dados do conversor Flyback, calcule Rs, Cs e PRs
considerando um tempo de subida da tensão no interruptor da ordem de
180 ns.
∆t
Cs = I
∆VCs
0,1
Rs =
Cs ⋅ f s
1
2
PRs = ⋅ Cs ⋅ VCs ⋅ f s
2
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Snubber dissipativo: RCD controlando a derivada
Solução:
∆t := 180ns
Cs :=
Rs :=
Isw⋅ ∆t
Cs = 0.954⋅ nF
VCs
0.1
3
Rs = 5.239 × 10 Ω
Cs⋅ fs
PRs :=
1
2
2
⋅ Cs⋅ VCs ⋅ fs
PRs = 1.187W
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Snubber dissipativo: RCD controlando a derivada
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Snubbers
Snubber passivo dissipativo
polarizado: grampeamento de tensão
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Snubber dissipativo
RCD como grampeador
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Snubber dissipativo
RCD como grampeador
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Snubber dissipativo
O projeto do snubber grampeador, que compreende o cálculo
do resistor (resistência e potência), capacitância e esforços
Depende da topologia do conversor.
Material detalhado sobre o grampeador para os conversores Flyback
e Forward pode ser obtido em [2], disponível na página.
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Snubber dissipativo
Combinação de snubbers
A combinação de snubbers mostra-se efetiva quando suas
funcionalidades são coordenadas, ex.:
- Snubber RC para realizar o amortecimento.
- Snubber RCD para garantir o grampeamento da tensão do
interruptor.
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Snubber dissipativo
Comentários finais
• É boa prática realizar o pré-projeto dos elementos do snubber e
confrontar os resultados com simulações.
• O cálculo dos parâmetros do snubber é aproximado. Portanto,
ajustes via simulação numérica podem ser necessários (RCD
grampeador) bem como em protótipos.
• Pode-se estimar a dispersão a partir da geometria do núcleo,
número de espiras, aspectos construtivos do elemento
magnético (já abordado) ou percentualmente em função da
indutância de magnetização.
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Snubber dissipativo
Comentários finais
“Discrepância muito grande entre teoria e experimentação indicam
que o conversor não foi construído conforme projetado ou não foi
projetado conforme construído” Todd, P.C.
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Referências bibliográficas
[1] Todd, P.C.; “Snubber Circuits: Theory, Design and Application”, May 93.
[2] Barbi, I. “Estudo do Circuito Grampeador para os Conversores Flyback e
Forward e do Circuito Equivalente do Transformador de Três Enrolamentos,
INEP, UFSC, relatório interno, 2007”
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