Universidade Federal da Bahia Escola Politécnica Departamento de Engenharia Elétrica

1. Universidade Federal da BahiaEscola PolitécnicaDepartamento de Engenharia Elétrica Tema 09: Novos Componentes e Circuitos para Eletrônica de Potência Equipe: Alex Souza Emanuella Dias Edi Matos Victor Nunes

2. Sumário • Introdução • Inversor ressonante de alta frequênciacombaixoestresse de tensão • Conversor DC-DC boost para altas frequências • Retificador trifásico isoladocom alto fator de potencia usando conversor zeta • SiC-Carboneto de Silício Aplicações, diodo schottky

3. 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.

4. Inversor ressonante de alta frequênciacombaixoestresse de tensão

5. Inversor ressonante de alta frequênciacombaixoestresse de tensão Topologia – Inversor classe Φ2

6. Inversor ressonante de alta frequênciacombaixoestresse 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.

7. Inversor ressonante de alta frequênciacombaixoestresse 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

8. O Inversor Classe E

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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;

13. 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;

14. Inversor Classe Φ2 • Circuito de entrada: • Alta impedância na frequência fundamental e na terceira harmônica e baixa impedância na segunda harmônica;

15. Inversor Classe Φ2 • Circuito de entrada: • CF: capacitância da chave COSS com uma capacitância opcional CF,EXTRA

16. Inversor Classe Φ2 • A impedância vista pelaportadreno-fonte é Zds = ZMR || ZL(chavedesligada).

17. 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.

18. 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.

19. Projeto 1) Xs Na frequência fundamental:

20. 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.

21. Protótipo • fS = 30MHz, VIN de 160V a 200 V

22. Protótipo - Resultados

23. Protótipo - Resultados

24. Protótipo - Resultados

25. Protótipo - Resultados

26. Protótipo - Resultados

27. Protótipo - Resultados

28. Conversor DC-DC boost VHF

29. 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.

30. 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

31. 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

32. 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.

33. 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 queentrega toda a potência através de acoplamento ac.

34. 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

35. 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.

36. 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.

37. 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.

38. 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.

39. 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.

40. Retificador trifásico isoladocom alto fator de potencia usando conversor zeta

41. Esquema do circuito proposto.

42. 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

43. 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.

44. 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.

45. Características de controle do circuito • Para a etapa 1 onde a chave esata fechada:

46. Características de controle do circuito • Para a etapa 2,com a chave s aberta:

47. Comporatamento da corrente e tensão,durante o chaveamento:

48. 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

49. Calculo dos paramentros do circuito:

50. Calculo dos parâmentrosdo circuito: