CONVERSOR CC-CC ABAIXOR DE TENSÃO COM AUXÍLIO À

CONVERSOR CC-CC ABAIXOR DE TENSÃO COM AUXÍLIO À COMUTAÇÃO
Padilha, Marina1; Jung, Felipe1; Dequigiovani, Tiago 2
1,2
Instituto Federal Catarinense, Luzerna/SC
INTRODUÇÃO
Os conversores CC-CC fazem parte da família dos conversores estáticos de energia,
largamente utilizados para controle do fluxo de potência de uma fonte CC ou CA para a carga.
A ciência dedicada ao estudo destes conversores é a eletrônica de potência, pesquisando
métodos e desenvolvendo dispositivos para tornar estes equipamentos mais eficientes.
Nos conversores, geralmente se utiliza técnica de modulação por largura de pulso
(PWM), para fazer o controle de potência entre fonte e carga, onde os semicondutores são
comutados em alta frequência, situação onde níveis adicionais de tensão e corrente surgem
devido às não idealidades destes semicondutores e até mesmo do circuito.
Com o objetivo de minimizar, ou até mesmo anular estes efeitos, circuitos auxiliares
tem sido adicionados de modo a absorver ou regenerar a energia dissipada nos
semicondutores, reduzindo os esforços sobre os mesmos, e, em alguns casos, proporcionando
aumento no rendimento do conversor.
Neste trabalho é abordada a aplicação de circuitos auxiliares dissipativos ao conversor
CC-CC, denominados circuitos snubber. São analisados os efeitos através da implementação
e observação das principais formas de onda sobre os semicondutores.
MATERIAIS E MÉTODOS
Os experimentos foram realizados no laboratório de eletrônica do IFC-Luzerna
durante os meses de junho a agosto, sendo utilizado o osciloscópio e ponteiras de medição
diferencial. Primeiramente, foram obtidos dados referentes ao conversor operando sem auxílio
à comutação, sendo o conversor projetado conforme especificações definidas no início do
projeto. Em seguida, neste mesmo circuito, foram adicionadas três topologias de circuito
snubber, sendo um para amortecimento de oscilações, outro para controle de derivadas e o
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Curso de Bacharelado em Engenharia de Controle e Automação
Mestre em Engenharia Elétrica pela UTFPR
Trabalho financ iado com apoio do IFC.
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último para grampeamento de tensões. Foram obtidas diferentes formas de onda, sendo
comparadas com conversor sem auxílio à comutação.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
A Figura 1 ilustra o conversor utilizado para o estudo, sendo indicadas as principais
especificações do circuito. A tensão de saída pode ser regulada de acordo com a razão cíclica
do sinal de PWM conectado no terminal de Gate (G) da chave. Contudo, para este projeto, a
tensão de saída (Vo) foi mantida fixada em 5V. A Figura 2 ilustra as topologias de circuito
snubber adicionados ao conversor. O circuito ilustrado em (a) é utilizado para amortecimento
de oscilações; o ilustrado em (b) é utilizado para controle de derivadas ou grampeamento de
tensões e o ilustrado em (c) é exclusivo para grampeamento de tensão. As letras indicam em
que pontos os terminais do snubber são conectados ao circuito.
Figura 1 - Conversor CC-CC tipo Buck com especificações indicadas
Fonte: Próprio autor, 2014.
Figura 2: Topologias do circuito snubber (a) amortecimento de oscilações; (b)controle de
derivadas e (c) grampeamento de tensão
Fonte: Próprio autor, 2014.
A partir da forma de onda obtida experimentalmente, é possível determinar os
parâmetros para o circuito snubber para controle de oscilações. Havanur (2007) define as
seguintes expressões:
√
(1)
(2)
2
√
(3)
(4)
Onde
é o período da ressonância, que é a oscilação causada predominantemente
pela capacitância de saída do capacitor, definida por
circuito
na equação, e pela indutância do
, que é a variável a ser determinada pela equação (2). Para que a ressonância seja
amortecida, a resistência
do circuito auxiliar deve ser igual à impedância característica
da ressonância, conforme especifica a equação (3). Por fim, o capacitor
é obtido a partir
da constante de tempo do circuito snubber, devendo esta ser três vezes o período de
ressonância, conforme equação (4).
Para o snubber para controle de derivadas, o capacitor deve limitar a taxa de
crescimento da tensão, e Todd (1993) define as seguintes equações:
(5)
(6)
Onde
e
são os parâmetros do circuito snubber,
é a corrente de dreno,
é o pico de tensão que ocorre no transistor no momento em que é bloqueado,
que o transistor passa do estado ligado para bloqueado e
é tempo
é tempo de condução do transitor.
O resistor é calculado para garantir que o capacitor descarregue a cada ciclo, permitindo o
funcionamento do circuito snubber a cada ciclo de chaveamento. Para isso, a constante de
tempo do circuito snubber, sugere Todd (1993), deve ser em torno de 10 vezes menor o
período de condução da chave ( ). Todd (1993) também define que o snubber para
grampeamento de tensões tem constante de tempo superior ao período de chaveamento do
transistor, ao contrário do snubber para controle de derivadas. Desta forma, o capacitor já
estará carregado e conectado a um potencial positivo no circuito, sendo que a cada ciclo, o
capacitor deve absorver a energia armazenada na indutância parasita. As equações para
projeto são:
(7)
(8)
O
é a indutância parasita do circuito, é a corrente de pico desta indutância,
a variação de tensão do capacitor e
é
é a tensão inicial do capacitor. Os parâmetros calculados para
cada topologia estão apresentados na Tabela 1. As formas de onda da tensão VDS do
transistor, obtidas experimentalmente com auxílio do osciloscópio, podem ser observadas na
3
Figura 3. Percebe-se que para cada topologia, a forma de onda da tensão na chave muda. Na
operação sem auxílio à comutação, além do alto pico de tensão, existe ressonância elevada,
como pode ser observado na Figura 3(a).
Tabela 1 - Parâmetros para cada topologia de snubber
Topologia
Parâmetros
C
R
Amortecimento de
Oscilações
4,7nF
80Ω
Controle de
Derivadas
20nF
33Ω
Grampeamento de
Tensão
780nF
180Ω
Fonte: Próprio Autor, 2014.
Figura 3 - Tensão entre Dreno e Source (a) sem auxilio à comutação, (b) com snubber para
amortecimento de oscilações, (c) para controle de derivadas e (d) para grampeamento de tensão
z
(a)
(b)
(c)
(d)
Fonte: Próprio autor, 2014.
O resultado com o snubber com amortecimento de oscilação, exposto na Figura 3(b),
apesar de apresentar pico de tensão menor, a melhoria mais significativa é quanto à
ressonância amortecida, poupando o transistor das oscilações de tensão e corrente na chave,
presentes no período em que o semicondutor está bloqueado e idealmente não deveriam
existir. Com o snubber para controle de derivadas, ilustrado na Figura 3(c), a tensão apresenta
pico menor em relação ao anterior e, além disso, não apresenta oscilação, devido ao seu efeito
de limitação de carga/descarga das reatâncias parasitas. O último snubber testado (Figura
3(d)) apresenta pico de tensão inferior aos demais, uma vez que seu objetivo de projeto é
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bloquear picos de tensão elevada. Observa-se, entretanto, que a ressonância está presente,
com amplitude menor em relação ao conversor operando sem auxílio à comutação.
CONCLUSÕES
Circuitos snubber dissipativos possuem topologia relativamente simples, tendo como
vantagem o custo e o volume baixos, sendo facilmente aplicados sem grande complexidade de
projeto em conversores de potência. Apesar da simplicidade, proporcionam ao conversor
melhoria em relação aos picos de tensão e ressonâncias, causadas devido às não idealidades
do circuito e do transistor. A escolha de qual será implementado deve considerar o objetivo
principal, entre diminuir picos de tensão que causariam ruptura do mesmo, ou evitar
ressonâncias, desperdiçando potência no transistor.
Na sequência deste projeto, além do estudo de métodos mais precisos para projetos de
circuitos snubber para o conversor Buck, deseja-se ampliar as técnicas utilizadas para auxiliar
na comutação, utilizando o circuito Zero Voltage Switching (ZVS) com componentes
passivos, dentro do conceito de comutação suave, onde a potência dissipada no semicondutor
é idealmente nula e os componentes do circuito auxiliar não dissipam energia, contribuindo
para o aumento global do rendimento do conversor.
REFERÊNCIAS
Asfaq Ahmed, “Eletrônica de Potência”, São Paulo: Prentice Hall, 2000.
Maxim Integrated Products, “Input and Output Noise in Buck Converters Explained”.
Disponível em: <http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/986>. Acesso
em 30 ago. 2014.
ON Semiconductor, “Switcher Efficiency & Snubber Design”. Disponível em:
<http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TND396-D.PDF>. Acesso em 27/08/2014.
ON Semiconductor, “Switchmode Pulse Width Modulation Control Circuit: TL494”.
Disponível em: <http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TL494-D.PDF>. Acesso em 30
jul. 2014.
Philip C. Todd, “Snubber Circuits: Theory, Design and Application”, Maio, 1993.
Sanjay Havanur, “Snubber Design For Noise Reduction In Switching Circuits”, Alpha e
Omega Semicondutor, Maio, 2007.
Yales Rômulo De Novaes, “Projeto de Conversores Estáticos”. Disponível em:
<http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/yales/materiais/snubbers_yales_v6.pdf>.
Acesso em 26 ago. 2014.
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