Análise e Projeto de um Circuito, de Ajuda, A Comutação

,
ANALISE E, PROJETO DE
. UM CIRCUITO, DE AJUDA
A COMUTAÇAO REGENERATIVO
JOSE RENES PINHEIRO (*); HUMBERTO PINHEIRO (* *)
IVAN EIDT COLLING (*); DALTON LUIZ RECH VIDOR (**)
(**) Pontifícia Universidade Católica
(*) Universidade Federal de Santa Maria
CT/DESP/LABEL - Laboratório de Eletro-Eletrô,nica
Campus Universitário - Camobi
97.119 - Santa Maria - RS
Resumo - Este trabalho trata do estudo e projeto de um
Circuito de Ajuda à Comutação Regenerativo (CACR)
aplicado a Transistores Bipolares de Potência, operando
como chave. Pode também ser utilizado associado à Transistores MOSFET de potênçia, GTO (Gate Tum off
Thyristor), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) etc...
São estabelecidos critérios que possibilitam o dimensionamento dos componentes do ,circuito. O CACR
apresentado poderá ser utilizado em substituição aos ,CAC
convencionais (Dissipativo), ou incluídos em conversores
que não utilizem CACo As análises qualitativa e quantitativa do CACR são apresentadas, como também, os resultados teóricos e experimentais. Um projeto-:exemplo ilustra
a utilização do método proposto.
Abstract - Presented in this paper are analysis and design
oe a Bipolar Transistor switching-aid-circuit with energy
recovery, which can be used on Power MOSFET Transistor, GTO (Gate Tum off Tbyristor), IGBT (Insulated
Gate Bipolar Transistor), etc... Criteria are established for
dimensioning circuit components. The switching-aid-circuit
with energy recovery can be used in place of conventional
snubbers (dissipative), or on converters without snubbers.
The quantitative and qualitative circuit analysis as well as
theorical and practical results are presented. A design exampIe is inc1uded to demonstra te the use of the proposed
method.
do Rio Grande do Sul
Departamento de Eletrônica
90.000 - Porto Alegre - RS
Basicamente os circuito~ de ajuda à comutação (CAC)
compõe-se de dois dispos.itivos: um em paralelo (capacitor),
com a chave semi-condutora que reduz as perdas no bloqueio e a taxa de crescimento da tensão
(dv/dt);
e
outro em série (indutor) que reduz as perdas no disparo e
a taxa de' crescimento da corrente
(di/dt).
Os CAC's
possibilitam a utilização de chaves semicondutoras próximas
dos seus I imites máximos de tensão e de corrente, pois
evitam a simultaneidade dessas grandezas. Ainda, os
CAC's podem controlar os efeitos decorrentes dos
fenômenos de recuperação dos diodos de roda-livre.
Podemos distinguir dois tipos de CAC, no que se
refere a fonna de evacuação de energia, os dissipativos e
os regenerativos (não-dissipativos). De modo geral, a soma
da energia armazenada nos elementos do
CAC
2
2
(LI / 2 + CV / 2)
aumenta quadraticamente com a
potência. Devido a este fato, a medida que a potência
aumenta o uso de CAC Regenerativo torna-se mais
atrativo. Trabalhos visando a utilização de indutores e
capacitores não-lineares que diminuem a energia associada
ao CAC vêm sendo publicados.(Steyn - 1988).
Cita-se a seguir algumas características desejáveis de um
CAC:
- constituído somente por elementos passivo sem perdas
(L, C,D);
1.
INTRODUÇÃO
Diversos trabalhos têm sido publicados com o objetivo
de abordar novas topologias de circuitos que minimizem as
perdas em comutação de conversores estáticos (Boehring,
KnõU - 1979; Holtz, Wemer - 1989).
328
SBA: Controle & Automação
- não apresentem picos de corrente e tensão excessivos
sobre as chaves semicondutoras;
- a energia associada aos elementos do CAC
transferida para carga ou devolvida à fonte;
deve ser
- deve possibilitar pequenos tempos de condução e bloqueio.
2. TOPOLOGIAS DE CIRCUITOS DE AJUDA ,À
. COMUTAÇÃO REGENERATIVO
Topologia 1: O circuito da figura 1 é um circuito de
ajuda à comutação ao bloqueio regenerativo (peter . 1979).
Inicialmente supõe-se que o transístor
Tr ' encontra-se
bloqueado, o díodo DrI. conduz a corrente da carga "I",
os capacitores
Cl
e
C2
encontràm-se descarregados e não há corrente em L. No momento que Tr
entra em condução o circuito formado por E, C1, D2,
L, C2, Troscila e faz com que a tensão nos capacitores
Cl, C2 atinja a tensão da fonte. Quando o transístor bloqueia-se, sua corrente atinge zero e a corrente de carga
passa a circular por C1, DI e C2, D3. Os capacitores
C1 e C2 descarregam-se linearmente.
No instante em que a tensão em C1 e C2
zero o diodo DrI assume a corrente de carga.
Drt
•
Figura 2.
Topologia 2
Figura 3.
Topologia 3
atinge
I
Tr
instante em que
Tr
bloqueia-se o capacitor
C
asEl e D2
carregando-se
sume a corrente de carga via
linearmente até a polarização direta de
Drl.
Figura 1.
Topologia I
Topologia 2: O circuito da figura 2 é um circuito de
ajuda à comutação ao bloqueio regenerativo. Vamos supor
inicialmente que
D3
conduza a corrente de carga
I,
o transístor
Tr
encontra-se bloqueado e
C
descarTr
o diodo
regado. Com a entrada em condução de
D3 'bloqueia-se, o transístor Tr assume a corrente de.
carga e o circuito ressonante formado por
EI, DI, L,
C, Tr
leva a tensão de
C
até
2E.
Quando o
transistor
Tr
bloqueia-se o capacitor
C
assume a
D2
e descarrega-se linearmente
corrente de carga via
até zero, polarizando diretamente
D3.
Topologia 3: O circuito da figura 3 foi' concebido a partir do apresentado em (Holtz, Wemer - 1989) é, também
um circuito de ajuda à comutação ao bloqueio regenerativo.
Vamos supor inicialmente que o diodo
Drl
conduza a
encontracorrente de carga
I
e que o. capacitor C
se carregado com
E
volts. No momento que o transistor entra em condução assumindo a corrente de carga,o
diodo
Dlr
bloqueia-se e o circuito formado por
C,Dl, L, Tr . oscila e inverte a tensão no capacitor. No
Topologia 4: Na figura 4.a é apresentado o circuito de
ajuda à comutação Regenerativo a entrada em condução.
Vamos supor inicialmente que o diodo
DrI
conduza a
corrente de carga I. No momento que o transístor entra
em condução, o reator
L
limita a taxa de crescimento
da corrente. No bloqueio de
Tr
a energia armazenada
em
L
é transferida para a fonte de entrada via diodo
D.
o
E
Figura 4.a.
Topologia de
CACR
condução.,
a entrada em
SBA: Controle" Automação
329
Na figura 4.b é mostrada outra vanaçao do circuito,
apresentada originalmente por (Calkin, Hamilton - 1976).
irt<t)
1 ....--...
o
I
• dild·t
E
I
rm ------------
Figura 6.
Figura 4.b.
3. ESTUDO
CACR
Topologia de
condução
DO
CAC
Corrente de recuperação de
Dr!
a entrada em
REGENERATIVO
o CACR apresentado na figura 5 foi concebido a partir dos apresentados por Boehringer & Knõll (1979) e
Williams.
Figura 7. Característica da tensão e corrente do
transístor, na entrada de condução e bloqueio.
E
Figura S.
CACR
A análise do CACR apresentado é realizada, visando
estudar os fenômenos associados a entrada em condução e.
a entrada em bloqueio. Algumas hipóteses e simplificações
são assumidas, são elas:
a) A corrente de carga é considerada constante durante
os intervalos de comutação.
b) Os indutores e capacitares são considerados ideais.
c) As indutâncias e capacitâncias parasitas dos condutores de interconexão do circuito são desprezadas.
d) os semicondutores são considerados ideais, a menos
das não-idealidades apresentadas.
e) A corrente de recuperação do díodo de roda-livre
Dr!
possui característica conforme mostra a figura 6.
1) O transistor
Tr
possui características de tensão e
corrente conforme mostra a figura 7.
330
SBA: Controle & Automação
As características de corrente de recuperação do diodo
de roda-livre e do transistor baseiam-se em dados experimentais confórme citam (peter - 1979; Steyn - 1988;
Thomson, 1983). Na entrada em condução a tensão vce(t)
decai linearmente em função do tempo, enquanto a corrente
cresce segundo as leis que regem o circuito. Já na entrada
em bloqueio a corrente decai linearmente em função do
tempo, enquanto que a tensão evolui segundo as leis que
regem o circuito.
Apresentar-se-ão a seguir os estudos qualitativo e
analítico do CACR apresentado na figura S. São abordados em sequências diferenciadas pelos estados de
comutação dos componentes semicondutores. Os diodos
enegrecidos indicam que estão conduzindo.
3. 1. ENTRADA EM CONDUçÃO
P Sequência: Conforme é apresentado na figura 8, o
transístor
Tr
encontra-se bloqueado o diodo
conduzindo a corrente de carga I.
Dr!
o
capacitor de ajuda ao bloqueio. Cb
encontra-se
carregado, com tensão . igual a da fonte de alimentação E,
com polaridade conforme mostra a figura 8. O. capacitor de
regeneração
Cr,
.encontra-se descarregado.
3 1 Sequência: nesta sequência lfl1Cla a eyacuação das
cargas armazenadas na capacitância intrínseca de junção do
diodo
DrI.
Finaliza em
t3,
quando a corrente
reversa de
Drl
ati!lge seu valor máximo
Irm.
Dr'
J:L
E
E
Tr
Figura 8.
Figura 10.
1a Sequência
2 a Sequência: Inicia no instante em que a tensão do
transistor começa a decrescer, decorrente da· atuação do circuito de comando de base do tTansístor à entrada em
condução. A corrente que circula por Drl
começa a ser
transferida para
Tr.
A 2 a Sequência é mostrada na figura 9, que finaliza
em
t2,
quando a tensão
vce
atinge zero.
3' Sequência
A tensão e corrente no indutor Le são dadas por:
vle (t) =E
ile (t) -
(4)
~et + ile (t2)
(5)
4 a Sequência: na figura 11 está representada a 41 seq. de
entrada em condução, que inicia após a corrente reversa de
Drl
atingir
Irm,
polarizando diretamente o díodo
Do· O capacitor Cb
descarrega-se via
Do, Cr, Le
e Tr.
Neste processo, Cb
transfere sua carga a Cr
e Le. O término desta sequência ocorre em T4, quando
a corrente do diodo
Dr!
atinge novamente zero. A
relação entre as capacitâncias é dada por:
Cb
n= Cr
E
O capacitor
Cr
deve ser maior ou igual a
Cb,
para que toda a energia acumulada em
Cb
seja
transferida para
Cr,
sem que a tensão do capacitar
Cr
seja maior que a tensão da fonte E. Portanto,
O<ns1.
Figura 9.
2a Sequência
As expressões que regem a tensão e corrente no transistor e indutor
Le,
são dadas a seguir:
E
t
vce (t) - E (1 - tfv)
ic (t)
ile (t)
vle (t)
E. t
tfv
(1)
E. t2
2 Le. tfv
(2)
(3)
Figura 11.
4 1 Sequência
SBA: Controle & Automação
331
As expressões de tensão e corrente que regem a 41 seq.
são:
'1 e (t)
1
1 I
(1
.~ sen wt) E. sen wt
--f+--f+ wLe '
.+ rm
t
wt
•
Irm.Le ..
f . (cos w
t - 1) + Ecos wt, onde
t
.
v I e (t) -
=
tf
ver (I) -
t4-t3
'e
e~·f L
e+
r
w=
Y_·_1_ .(n+1)
LeCr
finaliza no instante t6 em que a corrente r.essonante do
capacitor
Cr
atinge zero. Pode-se dizer que toda a
energia annazenada no início da entrada em condução em
Cb foi transferida para o capacitor Cr. O ciclo de entrada
em condução é Cmalizado em t6, em que a corrente em
Le
é igual a corrente de carga e a tensão final no
capacitor
Cr
é igual a
Ver,
com polaridade con·
fonne mostra a fig. 13.
n
E). (n: 1). (l ~ eos wt)
v c b (t) • E - [ I r m.
t f Le + E ) . ( n 1
+ 1) . (1 - cos wt)]
(
i c r (t) •
,
i c b (t)
= .(1 r m + .
E · ) . sen wt
w ft . w L e
'
E
S' Sequência: Após o bloqueio do diodo Dr! pode-se
1 e
dizer que o transistor conduz a corrente ~e carga
uma parcela d~vido o circuito ressonante
Cb,' Do, Cr
e Le.
A S' seq. finàliza. no instante
tS. A tensão
no capacitor
Cb
atinge zero. Toda acaiga· acumulada
em
Cb
foi transferida para . Cr
e Le.
As expressões que regem a tensão e corrente em função
do 'tempo nos principais elementos são:
vle (t)
=
(V
I:/:
v I e (t) - - v c r (t) -
4») . sen w I
ver (l)=r,:g:»).sen wl + vle (14).n.
-C
i c r (t)
As expressões da tensão e corrente dos principais
elementos são:
v I e (t4) . cos wt - i c r (t 4) . senw t
i 1 e (I) - I + i e r (14). cos w I +
i c.
b (t) = i c r
6 1 Sequência
Figura 13.
(
í I e (t 5) Wêr
I) . sen
o
Wo
t+
+ v c r (t 5) . cos W o t
i c r (t)
(i I e (t 5) - I). cos W o t -
v c r (t 5)
L
. sen W o t
Wo
e
-::\WI)+ver (14)
(t 4) . cos wt +
(V 1ewI+ e(t 4»)
. sen wt
3.2. ENTRADA EM BLOQUEIO
l' Sequência: A corrente de carga flui através do indutor Le e pelo transistor
Tr.
O capacitor
Cr
encontra-se carregado com tensão igual a
V cr
e o
Cb
encontra-se descarregado.
capacitor
E
E
Figura 12.
S' Seqilência
61 Sequência: Após a tensão em Cb
atingir a zero,
o díodo Db é polarizado diretamente conduzindo a pareb
transferiu para Le. Esta seq.
cela da ca.rga que
332
SBA: Controle & Automação
Figura 14.
l' Sequência
21 Sequência: Inicia no instante t6 quando um sinal
A corrente
de bloqueio é enviado para o transistor Tr.
de coletor dó transistor ic começa a decrescer. Finaliza
no· instante t7 quando a corrente do transistor ic atinge
zero.
E
41 Sequência: Inicia quando a soma das tensões de Cb
Cr
for igual a
E,
polarizando diretamente o
mais
diodo
Dr.
Portanto, inicia-se a transferência da energia
Cr
para a carga. Finaliza no instante
acumulada em
t9,
quando a tensão no capacitor
Cb
atinge
E.
E
21 Sequência
Figura ·15.
Figura 17.
As expressões da tensão e da corrente nos principais
elementos são:
v c b (t)
t fi
vce (t)=2 Cb.tfi' onde
- t7-t6; ic(t)
= I (l-t~i)
31 Sequência: Inicia quando a corrente do transistor ic
atinge zero e [maliza em t8 quando a soma das tensões
E.
Condos capacitores
Cb
e
Cr
for igual a
forme mostra a figura 16, o capacitor
Cb
carrega-se
com corrente constante igual a
I.
E
1
41 Sequência
As expressões que regem as tensões e correntes nesta
seq. são:
I
sen w t
(n + 1) C b [n. t + -w-] + E - Vcr
v c b (t)
=
i c b (t)
= i I e (t) = -...!-l (n + cos w t)
n+
w t - t) + V c r
v c r (t) = (n + I1) Cr (sen
WSi Sequência: O capacitor
Cr
descarrega-se com
corrente constante' igual a
I,
e finaliza em
no
quando o capacitor Cr atinge zero. Assim, toda a energia armazenada em
Cr
é transferida à carga. A partir
deste instante
(tIO) o
diodo
DrI
passa a conduzir
a corrente de carga.
A tensão e a corrente no capacitor
por:
v c r (t)
=vcr
(19)
Cr
I
C r· t; i c r (t) = I
Le
Deve-se evitar a presença de corrente em
seq. por três motivos:
Figura 16.
31 Sequência
As expressões da tensão e corrente, nos principais
elementos são
v c b (t)
I
t
fi
= Cb (t + T)
i c b (t) = I
são dadas
nesta
a) para garantir que toda energia acumulada em
seja entregue a carga.
b) para que o tempo de descarga de
queno.
Cr
Cr
seja pe-
c) para que as condições iniciais da entrada em
condução sejam garantidas.
SBA: Controle & Automação
333
o projeto desenvolvido é aplicado a um pulsador transistorizado com as seguintes características:
E .. 250 V; 1 - 5 A e f - 25 kHz.
o transitor e o diodo Drl possuem as seguintes
características dadas pelos fabricante:
Trans.
tfv=1, 25J.lS; tfi=3,75J.lS; Eto=2,OV e Rto=0,4 C
Diodo
Irm=IA; tf=168 ns e Qrr=0,2J,tC
E
Fazendo com que a corrente em Le no fmal do bloqueio
seja zero, as seguintes relações devem ser satisfeitas:
Figura 18.
Si Sequência
l
Na figura 19 estão representadas as formas de ondas de
tensão e corrente nos principais componentes do
CACR,
no instante de disparo e bloqueio.
2
wCb .. [no cos- (-n) + Yl_n
n+l
n+l
.
(7)
I
vn.E
n+l
wLe
wC
(8)
b
Substituindo-se os dados nas equações (6), (7), (8) e
4. PROJETO E RESULTADOS EXPERIMENTAIS
No projeto de um
CACR
os seguintes parâmetros
podem ser escolhidos como restrições:
- Rendimento do conversor
adotando n = 0,5, tem-se:
Pconv
Corrente máxima sobre o transistor
=
12,4. 10-6w + 867.987 + 20
w
- Tempos mínimos de condução e bloqueio
Sabe-se que o rendimento do conversor é um dos
fatores determinantes para a escolha de uma estrutura, principalmente em potência elevadas. Desenvolveu-se uma
metodologia que visa primeiramente a maximização da
eficiência do conversor em um ponto de operação. As
restrições de tempo mínimo de conduç.ão e bloqueio, assim
como volume e custo poderão levar o projetista a escolher
outra metodologia de cálculo dos componentes do CACR.
A potência dissipada no cOnversor Pconv é dada por:
v _ [ ( E. t f v )2
24Le
2
+
( I. t f i )2
24Cb + ~ Eto. lcmed +
então,
w
=
265.108
rad/s,
Pconv(mín)= 26,6W
o
rendimento do conversor será então,
Os valores da indutância
são:
Le
'YJ = 98%
e do capacitar
Cb
A corrente máxima sob o transistor é
Imáx • 11,3A
te = 16,6J.lS e
tb = 18,5~
onde
Pe
é a potência dissipada no transistor durante a
entrada em condução;
Pb
é a potência dissipada no transistor durante a
entrada em bloqueio;
é a pot. dissipada no transistor em condução;
Pc
Icmed
e
Icrms
são as correntes média e eficaz no
transistor.
Considera-se que as perdas predominantes no
estão sob o transistor, desprezando as demais.
334
'
(6)
Rto. 1 crms ]. f ;
\
aw
Os tempos de condução (te) bloqueio (tb) são:
Pconv = Pe + Pb + Pc
con -
a Pconv = o
Le = 156J,tH e Cb = 1351lF
PROJETO-EXEMPLO:
P
Calcula-se a potência mínima do conversor fazendo
SBA: Controle & Automação
CACR
Se, numa dada aplicação os tempos de condução
e bloqueio calculados forem elevados, é necessário recalcular os elementos do CACR. Estipulado o tempo de
condução em
6,0~ os novos valores de indutância Le e
capacitância Cb, tempo de bloqueio, potência dissipada e o
rendimento são:
Le = 54J.tH;
TI
= 97,5%
eb = 47nF;
t = 7 ,4~;
Pconv
= 30,6w
Na figura 20 são apresentados alguns resultados experimentais cOm os valores de
Le = 54IJ.H
e
Cb
47nF.
Constatou-se que o
CACR
é uma estrutura simples,
robusta, eficiente e de baixo custo. Salienta-se que circuitos
de comando de base adequados podem diminuir os tempos
de chayeamento do transístor.
s.
Os
CACR
são recomendados principalmente em
conversores estáticos de média e alta potência, em que o
rendimento é um dos principais fatores indicadores de
desempenho.
=
CONCLUSÕES
o CACR proposto foi analisado e implementado.
Expressões que regem seu comportamento, bem como resultados experimentais foram apresentados. Sendo orientado. à
aplicações com' estruturas pulsadoras. É constituído de somente seis elementos: 3 diodos, 2 capacitores e um indutor.
ic
O dimensionamento dos componentes do
CACR
é
um processo iterativo, em que o projetista normalmente terá
'
I
,
I
,
I
,,
I
I
t
, I
I
I
I
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'" ,
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I
I
I
I
I
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' I
I:I,
,' ,
I
t
t
t
t
I
•
II
1 2 34 5
\
I
I
Entrado em condução
Figura 19.
'I
123 4
6
\
5
/
Ent. em bloqueio
Formas de ondas
SBA: Controle & Automação
335
ite(t)
OA
o V...........'-+-+--+--~-+--+-+- ....._~
OV
ati icX Y ce' SO V/div, 1.5 Alcllv.
a) ver(t) • ile (t) na entrada em condução.
SO V/div. 3 A/div, 2,UI/div.
o A. V"'--+-t'-+....;;;:~-+--+--+-+-~-~
c) vcb(t) • i..(t), no bloqueio.
50 VIdlv, 1.5 A/dlv, 2 p.lcIiv.
Figura 20.
que refazê-lo várias vezes até encontrar um ponto adequado
de _operação. A sensibilidade e a experiência do projetista
são fundamentais à realização de um bom projeto.
HOLTZ, J. and WERNER, K.H. (1989), "A non-dissipative
snubber circuito for high-power GTO inverters". IEEE
trans. on. indo AppI., voI. 25, nA, july/august.
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