universidade federal da bahia escola politécnica departamento de engenharia elétrica

Universidade Federal da BahiaUniversidade Federal da BahiaEscola PolitécnicaEscola PolitécnicaDepartamento de Engenharia Departamento de Engenharia ElétricaElétrica

Tema 09: Novos Componentes e Circuitos para Eletrônica de

Potência

Equipe: Alex SouzaEmanuella Dias

Edi MatosVictor Nunes

SumárioSumárioIntroduçãoInversor ressonante de alta frequência

com baixo estresse de tensãoConversor DC-DC boost para altas

frequênciasRetificador trifásico isolado com alto

fator de potencia usando conversor zeta

SiC-Carboneto de Silício Aplicações, diodo schottky

IntroduçãoIntroduçãoExiste 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 INVERSOR RESSONANTE DE ALTA RESSONANTE DE ALTA FREQUÊNCIA COM FREQUÊNCIA COM BAIXO ESTRESSE DE BAIXO ESTRESSE DE TENSÃOTENSÃO

Inversor ressonante de Inversor ressonante de alta frequência com alta frequência com baixo estresse de tensãobaixo estresse de tensão

Topologia – Inversor classe Φ2

Inversor ressonante de Inversor ressonante de alta frequência com alta frequência com baixo estresse de tensãobaixo 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 Inversor ressonante de alta frequência com alta frequência com baixo estresse de tensãobaixo 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 EO Inversor Classe E

Inversor Classe EInversor Classe EO 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 EInversor 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 EInversor 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 Inversor Classe ΦΦUtiliza 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 Inversor Classe ΦΦ22

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 Inversor Classe ΦΦ22

Circuito de entrada:

Alta impedância na frequência fundamental e na terceira harmônica e baixa impedância na segunda harmônica;

Inversor Classe Inversor Classe ΦΦ22

Circuito de entrada:

CF: capacitância da chave COSS com uma capacitância opcional CF,EXTRA

Inversor Classe Inversor Classe ΦΦ22

A impedância vista pela porta dreno-fonte é Zds = ZMR || ZL (chave desligada).

ProjetoProjeto

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.

ProjetoProjeto

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.

ProjetoProjeto

1) XsNa frequência fundamental:

ProjetoProjeto2) 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.

ProtótipoProtótipofS = 30MHz, VIN de 160V a 200 V

Protótipo - ResultadosProtótipo - Resultados

Protótipo - ResultadosProtótipo - Resultados

Protótipo - ResultadosProtótipo - Resultados

Protótipo - ResultadosProtótipo - Resultados

Protótipo - ResultadosProtótipo - Resultados

Protótipo - ResultadosProtótipo - Resultados

CONVERSOR DC-DC CONVERSOR DC-DC BOOST VHFBOOST VHF

Conversor DC-DC boost Conversor DC-DC boost VHFVHF

Operação em VHF 30-300MHzBaixo ripplePequenos componentes passivos,

permitindo um tamanho pequeno e uma resposta ao transitório muito rápida.

Conversor DC-DC boost Conversor DC-DC boost VHFVHF

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

InversorInversorLF , 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

InversorInversorEm 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.

RetificadorRetificadorO 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.

RetificadorRetificadorO 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

RetificadorRetificadorA 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.

RetificadorRetificadorPosteriormente, 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.

ConversorConversorA 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.

ConversorConversorEm 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.

ConversorConversorNos 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 RETIFICADOR TRIFÁSICO ISOLADO TRIFÁSICO ISOLADO COM ALTO FATOR DE COM ALTO FATOR DE POTENCIA USANDO POTENCIA USANDO CONVERSOR ZETACONVERSOR ZETA

Esquema do circuito Esquema do circuito proposto.proposto.

Com o objetivo de Com o objetivo de simplificar a operação simplificar a operação algumas considerações algumas considerações são feitassão 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 Características de controle do circuitocontrole 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 Características de controle do circuitocontrole 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 Características de controle do circuitodo circuito

Para a etapa 1 onde a chave esata fechada:

Características de controle Características de controle do circuitodo circuito

Para a etapa 2,com a chave s aberta:

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

Pra um determinado Pra um determinado projeto podemos projeto podemos considerar:considerar:

Vf=127v-tensão de entrada Po=1,5kw-potencia a ser

entregue a cargaA tensão na carga Vo`=60vFr=60Hz-frequencia da redeFs=20kHz-frequencia de

chaveamento

Calculo dos paramentros Calculo dos paramentros do circuito:do circuito:

Calculo dos parâmentros Calculo dos parâmentros do circuito:do circuito:

Calculo dos paramentros do Calculo dos paramentros do circuito: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 Calculo dos paramentros do circuito:circuito:

Calculo dos paramentros do Calculo dos paramentros do circuito:circuito:

Por sua vez devemos obter a indutância Leq para que fator de potencia seja maior possivel,dentro das característica de operação:

Calculo dos Calculo dos paramentros do paramentros do circuito:circuito:

Calculo dos Calculo dos paramentros do paramentros do circuito:circuito:Agora podemos determinar

Lm,indutância magnetizante do circuito:

Calculo dos Calculo dos paramentros do paramentros do circuito:circuito:

Verificação do metodoVerificação do metodoSintetizado o circuito com os

valores calculados a cima,podemos ver o efeito da ponte retificadora na rede acoplada ao modo zeta:

Verificação da Verificação da aplicaçãoaplicação

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 Espectro da corrente da rede CA usando o rede CA usando o circuito propostocircuito proposto

Vantagens do uso deste Vantagens do uso deste conversor.conversor.

Pode-se regular a tensão de saida,para valor desejado,seja elevando-a ou abaixando-a.

Estrutura simples e robustaEm 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 SIC-CARBONETO DE SILÍCIOSILÍCIOAPLICAÇÕES, DIODO APLICAÇÕES, DIODO SCHOTTKYSCHOTTKY

SiC-Carboneto de SilícioSiC-Carboneto de SilícioAplicações, diodo Aplicações, diodo schottkyschottky

Natureza, origensPesquisadores pioneirosPrimeiro dispositivo, Infineon

Estrutura CristalEstrutura CristalPropriedades Físico-Propriedades Físico-QuímicasQuímicasSilício convencional monocristalino

SiC: planos compactos empilhados

Estrutura CristalEstrutura CristalPropriedades Físico-Propriedades Físico-QuímicasQuímicas

Estrutura CristalEstrutura CristalPropriedades Físico-Propriedades Físico-QuímicasQuímicasTemperatura, resistência química, aspectos

eletrônicos, dinâmica térmica

Estrutura CristalEstrutura CristalPropriedades Físico-Propriedades Físico-QuímicasQuímicasBanda de energia proibida, melhorias em

tensões e temperaturas limites

Estrutura CristalEstrutura CristalPropriedades Físico-Propriedades Físico-QuímicasQuímicasSi tradicional

Estrutura CristalEstrutura CristalPropriedades Físico-Propriedades Físico-QuímicasQuímicasAlta velocidade de saturação, alta

condutividade térmica

Estrutura CristalEstrutura CristalPropriedades Físico-Propriedades Físico-QuímicasQuímicas

Resumo:Aumento da voltagemAumento na temperaturaRedução no tamanhoMinimização de perdasAumento da frequênciaAumento da potência

Diodo SchottkyDiodo SchottkySiC: compromisso entre

velocidade de chaveamento e queda de tensão no estado ligado

SiC Schottky 4H N-type: líder no mercado-pioneiro

Diodo SchottkyDiodo Schottky

Diodo SchottkyDiodo SchottkyEstrutura SiC 4H N-type

Diodo SchottkyDiodo SchottkyComparação entre diodo bipolar e schottky

Diodo SchottkyDiodo SchottkyAplicaçõesAplicações

PFCChaves de alta frequência

SiCSiCOutros DispositivosOutros Dispositivos

Transistor MOSFET canal N inversor

SiCSiCOutros DispositivosOutros Dispositivos

SiCSiCOutros DispositivosOutros Dispositivos

Accumulation MOSFET, JFET transistors

Transistores de potência SIT, MESFET em aplicações de alta frequência e micro-ondas

SiCSiCOutros DispositivosOutros Dispositivos

SiC bipolaresDiodos, Schottky

SiCSiCOutros DispositivosOutros Dispositivos

SiCSiCOutros DispositivosOutros Dispositivos

SiCSiCConclusõesConclusões

Antecedentes do SiCOutros usosPesquisasUm novo material semicondutor

ExercíciosExercíciosAbordagem de projeto diferente

da convencionalActive PFC ( boost converter )Simulações

QuestõesQuestões1.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 Referências BibliográficasBibliográficas

J.M. Rivas, Y. Han, O. Leitermann, A.D. Sagneri, and D.J. Perreault,A High-Frequency 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 PalmourCree, Inc, 4600 Silicon Dr., Durham, NC 27703, Anant_Agarwal@cree.comPh. (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, ilia.zverev@infineon.com