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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


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 2


SUMÁRIO 1- Introdução e Objetivos...........................................................

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

5

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

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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. 5


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:

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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.

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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 Vdd

N2 − 2Vd = 20 − 2Vd . N1

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 Vz + Vd . 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: I MG = I DMG VON tON = VOFF tOFF 12 ⋅ DMÁX T = 18 ⋅ (1 − DMÁX )T DMÁX =

18 = 0,6 30

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:

  N VG − VS = Vdd 2 − 2Vd  − Vz = 14,9 − 2Vd ≅ 13,5V N1   considerando-se a tensão do diodo Vd igual a 0,7V. E com valor negativo fixo em: VG − VS = VCE ( SAT ) − Vz ≅ −4,9V

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.

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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: I MG = I DMG VON tON = VOFF tOFF 12 ⋅ DT = Vz ⋅ (1 − D )T Vz = 12 * 9 = 108V

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: L = Al ⋅ N 2 = 450 µH

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: 2 2E 2  15,6 x10 −6 ⋅ 0,32  I = =  L 450 µ  2 ⋅ 2000n 

(

2

E=

I2 =

)

1 2 LI 2

2 E 2  Ae 2 ⋅ B max 2   =  L L 2 Al 

2 2E 2  15,6 x10 −6 ⋅ 0,32  I = =  L 450 µ  2 ⋅ 2000n 

(

2

)

I = 156mA

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. V =L

di LI ⇒T = dt VD

Para D=0,5: T=

450 µ ⋅156m = 11,7 µs ⇒ f = 85,47 kHz 12 ⋅ 0,5

T=

450 µ ⋅156m = 6,5µs ⇒ f = 153,8kHz 12 ⋅ 0,9

Para D=0,9:

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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: Pz = Vz ⋅ Iz med

Onde Iz med = I dmg Todavia, para D=0,5, determina-se que a tensão do diodo zener é dada por : VON t ON = VOFF t OFF 12 ⋅ DT = Vz ⋅ (1 − D )T

Vz = 12V

Enquanto que para D=0,9, a tensão do diodo zener é dada por : VON t ON = VOFF t OFF 12 ⋅ DT = Vz ⋅ (1 − D )T

Vz = 108V

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: Iz med =

Idmg ⋅ DT Idmg ⋅ D = 2 ⋅T 2

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: Iz med = 39mA

E o valor médio de corrente no zener para a razão cíclica D de 0,9 é igual a: Iz med = 70,2mA

Portanto a potência do diodo zener para a freqüência mínima de 85,47kHz , quando D=0,5, será de: Pz = 12V ⋅ 39mA = 0,468W

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Enquanto que a potência do diodo zener para a freqüência mínima de 153,8kHz , quando D=0,9, será de: Pz = 108V ⋅ 70mA = 7,58W

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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-paramosfet-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

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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em

03/04/11.


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.

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Circuitos de drives