ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

CIRCUITOS DE DRIVES

Discentes:

Guilherme Bruni Vincenzi

Willian Ricardo Bispo Murbak Nunes

Docentes:

André Luiz Batista Ferreira

Carlos Henrique Gonçalves Treviso

Londrina

2011

2

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA

CENTRO DE TECNOLOGIA E URBANISMO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

CIRCUITOS DE DRIVES

Trabalho apresentado à disciplina de

Eletrônica de Potência, do curso de

Engenharia Elétrica, ministrado pelos

professores André Luiz Batista Ferreira e

Carlos Henrique Gonçalves Treviso, da

Universidade Estadual de Londrina.

Londrina

2011

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SUMÁRIO

1- Introdução e Objetivos........................................................... 4

2- Revisão de Literatura............................................................. 5

3- Procedimento experimental................................................... 9

4- Resultados............................................................................... 12

4.1- Exercício 1........................................................................................ 12

4.2- Exercício 2........................................................................................ 13

4.3- Questão 1......................................................................................... 15

4.4- Questão 2......................................................................................... 17

4.5- Questão 3......................................................................................... 18

5- Conclusão................................................................................ 20

6- Bibliografia.............................................................................. 21

7- Anexos..................................................................................... 22

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1-INTRODUÇÃO E OBJETIVOS

Com o acelerado avanço da tecnologia e o crescente desenvolvimento

de equipamentos eletrônicos, principalmente nas áreas de telecomunicações e

sistemas de computadores, surge a necessidade de desenvolver fontes de

alimentação de alto desempenho, elevada eficiência e reduzido volume. Tais

fontes são implementadas fazendo-se uso de conversores estáticos de energia,

nos quais chaves eletrônicas, por exemplo, MOSFET (Metal-Oxide-

Semiconductor Field-Effect Transistor) e IGBT (Insulated Gate Bipolar

Transistor) controlam o fluxo de energia entre a fonte e a carga. Para comutar

estes dispositivos, ou seja, fechar (colocar em condução) e abrir (bloquear)

fazem-se necessário o uso de circuitos eletrônicos acionadores conhecidos

como drives. Tais circuitos devem fornecer níveis de tensão e de corrente

adequados para que as chaves comutem de maneira eficaz, (Zanatta, Santin e

Hey, 2001).

Nesta experiência de laboratório serão avaliados os parâmetros

fundamentais de projeto e de funcionamento de dois circuitos de drives isolado,

isto é, tendo um isolamento galvânico (por meio de transformador de pulso)

entre o circuito de comando e o circuito de potência (conversor). Os drives

isolados são de utilização imprescindível nas topologias de conversores, caso

contrário pode-se colocar em curto o circuito do conversor.

O primeiro circuito propõe uma configuração de circuito de drive com

acionamento do transistor por níveis de tensão positivo e zero, enquanto o

segundo circuito propõe níveis de tensão tanto positivo quanto negativo para o

chaveamento do transistor.

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2-REVISÃO DE LITERATURA

Segundo CORTIZO (2002), as fontes chaveadas derivam de estruturas

básicas de conversores cc-cc. A estrutura mais conhecida é o conversor

abaixador de tensão apresentado na figura 1 e denominada na literatura

conversor "buck".

Figura X1 – Circuito básico do conversor buck.

Figura 2 - Formas de onda de corrente no indutor e tensão de entrada do filtro LC

O transistor Q1 é usado como uma chave que tem seus tempos de

condução (tON) e corte (tOFF) comandados pelo circuito modulador de largura de

pulsos. Quando Q1 está conduzindo, energia é transferida da fonte VIN para a

carga através do indutor L1. Nesta condição D1 está polarizado reversamente

e o capacitor CO é carregado. Quando Q1 é desligado, o indutor força a

condução do diodo D1 e a corrente de carga passa por L1 e D1.

A figura 2 mostra as formas de onda de tensão VA e corrente IL no

indutor L1. A tensão VA é filtrada pelo filtro de segunda ordem constituído por

L1, C0 e RL, garantindo uma tensão contínua, com baixo ripple na saída.

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Os transistores Mosfets ou IGBTs são dispositivos que se caracterizam

por serem controlados por tensão. A impedância do circuito Gate-Source no

Mosfet é muito elevada, diminuindo a potência média a ser fornecida pelo

circuito de comando e simplificando o projeto do mesmo. Embora a potência

seja reduzida, é preciso que o circuito de comando seja capaz de fornecer

pulsos de corrente elevados para carregar e descarregar rapidamente as

capacitâncias internas do transistor.

Atualmente existem no mercado vários fabricantes de circuitos

integrados específicos para o comando destes transistores. Alguns modelos

permitem a implementação de um circuito de proteção do transistor contra

correntes elevadas de modo a evitar a queima do mesmo.

Sobretudo neste trabalho implementou-se um circuito de drive, conforme

Figura 1, o qual funciona da seguinte maneira:

Figura1 – Circuito expositivo para o drive.

Quando há um pulso de sinal alto no gerador de onda quadrada, o

BC327, que é um transistor PNP, está cortado, pois a tensão na sua base é

maior do que a sua tensão no emissor. Já o BC337, transistor NPN, está

conduzindo (saturação), pois há a tensão +VCC na sua base, visto que o sinal

do gerador é descarregado no resistor de 10kΩ em função do circuito aberto

provocado pelo corte do BC327. Assim, a tensão de magnetização do primário

é dada por:

onde VCEsat é a tensão de saturação do transistor NPN e VD é a tensão

do diodo 1N4148.

Assim, supondo uma relação de espiras de 1:1 para primário e

secundário, tem-se no secundário do transformador de pulso a tensão Vmag.

Essa tensão sofre uma queda VD no diodo 1N4148 e vai para a base do

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transistor BC327, deixando-o em corte, pois a tensão no emissor do transitor

será a tensão Vmag menos as duas quedas nos diodos 1N4148, ou seja, a

tensão na base é maior do que a tensão no emissor. Assim, a tensão de saída

no gate do drive, ou seja, a tensão VGS vale:

Já na situação em que tem-se um pulso de nível baixo na entrada do

circuito, ocorre que o transistor BC327 conduz, pois a tensão na sua base é

menor do que a tensão no emissor, ao contrário do BC337, que está em corte.

Isso faz com que a tensão +VCC seja descarregada no terra colocado pelo corte

do BC327 e a bobina do primário se desmagnetize, grampeando a tensão com

a tensão do diodo zener mais a tensão no diodo 1N4148, com a polaridade

invertida, ou seja:

Assim, supondo ainda a mesma relação de espiras em 1:1, a tensão no

secundário valerá Vdmag, cortando o diodo 1N4148, saturando o transistor

BC327, pois sua tensão na base é menor que a tensão no emissor. Assim, a

tensão de saída VGS vale:

Para o melhor entendimento do funcionamento do circuito de drive, vale

destacar ainda algumas relações entre tensões e correntes no transformador

de pulso, uma delas é a de que a corrente de magnetização é igual à corrente

de desmagnetização. Tal relação é comprovada pelo fato de que as energias

de magnetização e desmagnetização do primário são iguais.

Assim:

Além disso, vale também destacar a relação entre os períodos de

magnetização e desmagnetização e as tensões de magnetização e

desmagnetização, dada por:

8

Destaca-se também a relação de tensão e corrente no indutor, de onde

são retiradas as expressões para as correntes de magnetização e

desmagnetização, dada por:

Feita a exposição sobre a teoria, são mostrados a seguir os

procedimentos experimentais relativos à avaliação de circuitos de drives.

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3-PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Materiais Utilizados

Para a realização do experimento fez-se necessário utilizar os seguintes

equipamentos.

- 1 núcleo de toróide de ferrite tipo NT19/10/6.

- 1 CI CD4050, portas não inversoras.

- 1 MOSFET IRF740.

- 3 transistores (1BC337 e 2 BC327).

- 1 resistor de 10Ω;1/4W

- 1 resistor de 560Ω;1/4W

- 1 resistor de 1kΩ;1/4W

- 1 resistor de 10kΩ;1/4W

- 1 resistor de 22kΩ;1/4W

- 3 diodos 1N4148.

- 1 diodo zener 1N4746, Vz de 18V.

- 1 diodo zener 1N4733, Vz de 5V1.

- 1 fonte de alimentação simples.

- 1 gerador de funções.

- 1 osciloscópio.

- 1 protoboard.

Procedimentos

Para o primeiro item, foram efetuados os enrolamentos do transformador

de pulso, utilizando como núcleo o toróide de ferrite NT19/10/6. Sendo que se

adotou 15 espiras para o enrolamento primário e 15 espiras para o secundário.

Após o enrolamento do transformador de pulso, montou-se o circuito da Figura

2.

10

Figura 2 – Circuito para a prática de laboratório.

Após a montagem, o gerador de funções foi ajustado para uma tensão

de 10Vpp com offset de 5V, freqüência de 100kHz e razão cíclica D = 0,5. O

passo seguinte foi avaliar, com o osciloscópio, o comportamento do circuito,

ressaltando-se a forma de onda entre gate e source do mosfet da figura 2.

Por conseguinte, denotou-se a importância do diodo zener de 18V no

circuito, com base nos parâmetros de funcionamento observados.

Em seguida calculou-se a razão cíclica máxima permissível sem que o

transformador sature, para o circuito da figura 2.

No item seguinte, efetuou-se alguns acréscimos no circuito da figura 2

de modo a ter pulsos na chave com tensão de gate positiva e negativa. As

modificações propostas estão denotados na figura 3.

Figura 3 – Circuito para tensões de valor positivo e negativo no gate.

Após a montagem, verificou-se a forma de onda de tensão entre gate e

source da figura 3.

Em seguida, embasando-se no circuito da figura 3, calculou-se o valor

do diodo zener necessário para obter uma razão cíclica de 0,9.

Posteriormente, iniciou-se a solução das questões propostas. Para a

primeira questão desenhou-se o esquema elétrico do circuito acima aplicado ao

conversor Buck, determinado se o potencial source S do drive é o mesmo do

terra do Buck.

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Na segunda questão, determinou-se as freqüências mínimas para a

razões cíclicas de 0,5 e 0,9, sabendo que o núcleo é do tipo toróide

NT10/5/6.5, material IP6 e fator de indutância de 2000nH ± 25%.

Na terceira questão, calculou-se as potências do diodo zener para as

duas razões cíclicas nas freqüências mínimas obtidas no item 2.

Feita a exposição sobre os procedimentos práticos, são apresentados a

seguir os resultados relativos à avaliação de transformadores feitos a partir de

toróides.

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4-RESULTADOS

4.1-Exercício 1

Após a execução da montagem do circuito da figura 3, obtiveram e

avaliou-se a forma de onda correspondente a tensão VGS do mosfet IRF740,

conforme figura 4.

Figura 4 – Representação da tensão VGS para o circuito de drive da figura 2.

Da figura X3, percebe-se que a forma de onda possui uma pequena

distorção em forma de bico, resultado de um efeito de dispersão, isto é, a

capacitância dos semicondutores entram me ressonância com o indutor do

transformador de pulso

De tal figura nota-se que a tensão de saída do drive, isto é a tensão VGS

é uma forma de onda com aspecto quadrado, assumindo valores de tensão de

VCE(SAT) a VdVdN

NVdd 2202

1

2 −=− .

Analisando o comportamento do circuito, observa-se que o diodo zener

existente em paralelo com o primário do transformador de pulsos, possui a

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função de permitir a desmagnetização do núcleo, grampeando a tensão de

desmagnetização em VdVz + .

Para o circuito montado avaliou-se ainda a razão cíclica máxima

permissível sem que o transformador sature.

Para tal considerou-se a expressão que relaciona a energia no primário

durante os tempos em que a chave, o transistor BC337, está em estado

saturado (On/chave fechada) e em corte (Off/chave aberta).

Logo é válido que:

DMGMG II =

OFFOFFONON tVtV =

TDTDMÁXMÁX

)1(1812 −⋅=⋅

6,030

18==

MÁXD

4.2-Exercício 2

Acrescentando outros componentes do circuito, montou-se o circuito da

figura 3. Após a montagem, verificou-se a forma de onda correspondente a

tensão VGS do mosfet IRF740, conforme figura 5.

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Figura 5 – Representação da tensão VGS para o circuito de drive da figura 3.

Da figura 5, nota-se ainda que a tensão de saída do drive, isto é a

tensão VGS é uma forma de onda com aspecto quadrado, assumindo valores de

tensão positivo igual a:

VVdVzVdN

NVddVV SG 5,1329,142

1

2 ≅−=−

−=−

considerando-se a tensão do diodo Vd igual a 0,7V.

E com valor negativo fixo em:

VVzVVV SATCESG 9,4)( −≅−=−

considerando-se VCE(SAT), a tensão entre coletor e emissor do transistor em

saturação igual a 0,2V.

Ora esta forma de onda obtida é importante pelo seguinte fato: durante o

tempo em que a tensão VGS é negativa é onde ocorre a descarregamento da

energia acumulada nos capacitores intrínsecos ao mosfet, evitando assim que

o transistor seja ativado para o modo de condução devido ao acúmulo de

energia residual dos capacitores intrínsecos a este.

15

Para este mesmo circuito implementado, determinou-se um provável

valor da tensão do diodo zener que satisfizesse a condição de razão cíclica

igual a 0,9.

Para tal considerou-se novamente a expressão que relaciona a energia

no primário durante os tempos em que a chave, o transistor BC337, está em

estado saturado (On/chave fechada) e em corte (Off/chave aberta).

Portanto é válido que:

DMGMG II =

OFFOFFONON tVtV =

TDVzDT )1(12 −⋅=⋅

VVz 1089*12 ==

4.3-Questão 1

Agrupando o circuito de drive ao conversor cc, denominado Buck, obtém

a configuração de circuito denotado na figura 6.

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Figura 6 – Representação do esquema elétrico do circuito de drive aplicado ao conversor

Buck.

Da figura 6, nota-se que o potencial source do drive é diferente do

potencial terra do conversor Buck, uma vez que existe uma isolação galvânica

devida a presença do transformador.

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4.4-Questão 2

Neste item determinou-se as freqüências mínimas para o núcleo tipo

toróide NT10/5/6.5, para a razões cíclicas de 0,5 e 0,9.

O cálculo se baseou inicialmente em determinar a indutância do

enrolamento primário do transformador de pulso, sendo o fator de indutância Al

igual a 2000nH/esp2, logo:

HNAlL µ4502 =⋅=

Consultando o manual do fabricante do núcleo encontrou-se que a área

efetiva do núcleo Ae=15,6mm2, logo determinou-se o valor da corrente de

magnetização por meio da expressão de energia:

( )

⋅

⋅==

−

n

x

L

EI

20002

3,0106,15

450

22 2262

µ

2

2

1LIE =

⋅==

Al

BAe

LL

EI

2

max22 222

( )

⋅

⋅==

−

n

x

L

EI

20002

3,0106,15

450

22 2262

µ

mAI 156=

Da expressão de tensão sobre o indutor, determinou-se então o valor da

freqüência mínima para os razoes cíclicas de 0,5 e 0,9, conforme denotado a

seguir.

VD

LIT

dt

diLV =⇒=

Para D=0,5:

kHzfsm

T 47,857,115,012

156450=⇒=

⋅

⋅= µ

µ

Para D=0,9:

kHzfsm

T 8,1535,69,012

156450=⇒=

⋅

⋅= µ

µ

18

4.5-Questão 3

Já neste item foram calculadas as potências do diodo zener para a

condição de freqüências mínimas obtidas no item 2.

O embasamento inicial dos cálculos foi por meio de:

medIzVzPz ⋅=

Onde dmgmed IIz =

Todavia, para D=0,5, determina-se que a tensão do diodo zener é dada por :

OFFOFFONON tVtV =

TDVzDT )1(12 −⋅=⋅

VVz 12=

Enquanto que para D=0,9, a tensão do diodo zener é dada por :

OFFOFFONON tVtV =

TDVzDT )1(12 −⋅=⋅

VVz 108=

No entanto para o cálculo da corrente do diodo zener sabe-se que a

corrente média é dada pelo valor médio da corrente de desmagnetização que

tendo a forma de onda triangular seu valor médio é:

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DIdmg

T

DTIdmgIzmed

⋅=

⋅

⋅=

Do item anterior, determinou-se que a corrente máxima permissível no

núcleo é de 156mA.

Logo, calculando-se o valore médio de corrente no zener para a razão

cíclica D de 0,5 obtém-se:

mAIzmed 39=

E o valor médio de corrente no zener para a razão cíclica D de 0,9 é

igual a:

mAIzmed 2,70=

Portanto a potência do diodo zener para a freqüência mínima de

85,47kHz , quando D=0,5, será de:

WmAVPz 468,03912 =⋅=

19

Enquanto que a potência do diodo zener para a freqüência mínima de

153,8kHz , quando D=0,9, será de:

WmAVPz 58,770108 =⋅=

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5-CONCLUSÃO

A partir dos conhecimentos adquiridos e aplicados nesta prática de

laboratório, torna-se possível tirar algumas conclusões a respeito da análise e

implementação de circuitos de drives.

Em primeiro lugar, pode-se concluir que drives são circuitos capazes de

gerar o pulso de disparo de uma chave em uma fonte chaveada. Para o

funcionamento adequado, é necessário que esse pulso esteja isolado do

referencial da fonte, o que ocorre por meio do transformador de pulso.

Em segundo lugar, pode-se notar a presença de oscilações nos sinais,

pois as indutâncias dos enrolamentos associadas com as capacitâncias

intrínsecas dos semicondutores geram ondulações de tensão, que se

propagam pelo circuito e podem inclusive disparar a chave em momentos

inadequados. Assim é interessante que o nível baixo do pulso seja deslocado

para baixo, tornando as oscilações incapazes de disparar a chave. O nível

baixo negativo é importante para evitar que o MOSFET dispare pelo

armazenamento de energia na capacitância intrínseca. Com o pulso negativo,

tal energia é descarregada.

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6-BIBLIOGRAFIA

FERREIRA, André L. B.; Experiência 03: Circuitos de Drives. Roteiro de

Laboratório da disciplina Eletrônica de Potência. Universidade Estadual de

Londrina. Departamento de Engenharia Elétrica. Londrina, Pr. 2011.

TREVISO, Carlos H. G.; Eletrônica de Potência. Capítulo 01: Indutores,

Transformadores e Efeito Pelicular (SKIN). Londrina, 2011.

ZANATTA, C.; SANTIN, F. T.; HEY, H. L.; “Um Circuito de Driver Isolado para

MOSFET e IGBT”, Congresso Regional de Iniciação Científica e Tecnológica

em Engenharia (CRICTE), 2001.

http://www.eletronicadepotencia.com.br/2010/05/circuito-de-drive-isolado-para-

mosfet-e.html

CORTIZO, Porfírio Cabaleiro. Comando de transistor. Aula Prática 02 da

disciplina Eletrônica de Potência. Escola de Engenharia - Curso de Engenharia

Elétrica. Universidade Federal de Minas Gerais. Belo Horizonte, 2002.

Datasheet do CI 4050. Capturado em 03/04/11.

http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/cd4050b.pdf

Datasheet dos CIs BC337 e BC327. Capturado em 03/04/11.

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/fairchild/BC337.pdf

Datasheet dos Mosfet IRF740. Capturado em 25/04/11.

http://www.micropik.com/PDF/irf740.pdf

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7-ANEXO

Seguem abaixo alguns diagramas que podem auxiliar em uma melhor

compreensão das idéias expostas neste relatório.

Anexo 1 – Datasheet do CI 4050.

Anexo 2 – Diagrama de blocos funcional do CI 4050.

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Anexo 3 – Pinagem do transistor BC 337 do BC 327.

Anexo 4 – Pinagem, esquemático e dados do MOSFET IRF740.