Desmistificando a calibração eletrônica | Eletrônica de Potência

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Um circuito amortecedor limita os picos de tensão nos conversores de potência. Snubbers também são usados ​​na saída de amplificadores de áudio Classe D pelas mesmas razões (Figura 1). Quando o transistor usado para desligar a corrente, ele gera um pico de alta tensão que pode danificar o dispositivo. Esse pico também gerará interferência eletromagnética (EMI). Esteja ciente de que a EMI é causada por corrente em um loop. Se sua rede snubber direcionar a corrente em um loop grande, ela aumentará, em vez de reduzir a EMI.

1. Uma rede amortecedor amortece o toque e o excesso devido à comutação rápida de altas correntes. (Cortesia de Cirrus Logic)1. Uma rede amortecedor amortece o toque e o excesso devido à comutação rápida de altas correntes. (Cortesia de Cirrus Logic)

É tudo sobre indutância

Os picos de tensão no seu circuito são causados ​​por indutores discretos que você está alternando. A indutância de vazamento dos transformadores se parece com uma indutância em série com o enrolamento ideal do transformador, o que gera picos de tensão. Essas indutâncias discretas são óbvias para o seu esquema. Um outro problema é toda a indutância perdida nos fios e nos traços da placa de circuito impresso (PCB). Qualquer fio no espaço tem indutância. O design da eletrônica de potência é semelhante ao design de RF, onde sua placa de circuito é um componente.

O fato de o layout e a construção de sua PCB mudarem a indutância perdida significa que você precisará criar e testar seus projetos de energia para otimizá-los. Isso geralmente é mais rápido e mais barato do que usar um solucionador de campo para descobrir a indutância perdida durante a fase de projeto. Olhando para projetos semelhantes, você pode ter uma idéia dos tamanhos dos componentes do amortecedor, para começar.

Como desprezar seus picos

A rede snubber mais simples é um circuito RC em série no nó do comutador (Figura 2). O capacitor impede que as correntes CC fluam. Quando o transistor muda, o capacitor tende a parecer um curto-circuito e o resistor pode desviar a corrente do nó do interruptor. Uma desvantagem do amortecedor RC é que ele também aumenta a corrente que o transistor deve transportar quando é ligado – não distingue entre a tensão do nó do comutador que aumenta ou diminui.

2. Uma rede amortecedor RC adiciona um resistor e um capacitor em série ao nó do comutador de alta velocidade do seu circuito. (Cortesia de Cornell Dubilier)2. Uma rede amortecedor RC adiciona um resistor e um capacitor em série ao nó do comutador de alta velocidade do seu circuito. (Cortesia de Cornell Dubilier)

Para aplicações de maior potência, você pode colocar um diodo em série com o RC para criar um amortecedor RCD (Fig. 3). O diodo bloqueia qualquer corrente na rede quando o transistor é ligado. Quando o transistor é desligado, o diodo é polarizado para frente e a corrente flui através do resistor e do capacitor.

3. Uma rede de amortecedores RCD usa um diodo para direcionar a corrente, para que a energia não seja desperdiçada durante a ativação do comutador. (Cortesia de Cornell Dubilier)3. Uma rede de amortecedores RCD usa um diodo para direcionar a corrente, para que a energia não seja desperdiçada durante a ativação do comutador. (Cortesia de Cornell Dubilier)

Snubber Design

Cornell Dubilier tem um bom guia sobre como projetar redes de amortecedores. O guia possui uma seção de design rápido com a sugestão muito analógica: “Planeje o uso de um resistor de composição de carbono de 2 watts.” O guia observa que os resistores enrolados em fio causarão problemas, pois apresentam maior indutância. Mesmo um resistor de filme de metal pode ter problemas se o corte for feito em uma espiral que tenha indutância. Como isso é analógico, você pode ter certeza de que um resistor de 2 W não é apropriado para um inversor de 1 W de parede ou 10 kW. Mas é um bom lugar para começar.

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O guia executa um método de projeto rápido e, em seguida, faz um projeto otimizado que reduz a classificação de potência do resistor em um fator de 5 e o valor do capacitor de amortecedor em um fator de 3,5. Esses ganhos são para um design específico com um layout de PCB específico; o seu certamente será diferente.

Uma observação valiosa no guia é que o nó do switch que você está tentando desconsiderar terá uma impedância característica, como uma linha de transmissão. Você deseja dimensionar o resistor amortecedor não maior que a impedância característica, para que não haja transiente de tensão quando a chave do transistor for aberta.

Cornell Dubilier também tem um guia muito mais detalhado sobre o design de amortecedores. Esse guia tem muito mais matemática, teoria e gráficos. Lembre-se, porém, de que toda a teoria é inútil se você não construir, testar e medir os circuitos de amortecedor que você cria.

Uma coisa boa sobre o resistor na rede RC é que você pode medir através dele com uma sonda de osciloscópio diferencial para ver as correntes instantâneas que também estão no capacitor. Com uma rede RCD, você deve colocar uma sonda de corrente em torno do fio do capacitor. Isso será complicado nos dispositivos de montagem em superfície, mas geralmente você pode cortar um circuito de arame para obter uma sonda de corrente no circuito. Todos esses são sinais rápidos, portanto, certifique-se de ter um osciloscópio e sondas com largura de banda suficiente para medir as verdadeiras correntes e tensões de pico.

O problema com eletrolíticos

Engenheiros analógicos experientes sabem que existem muitas diferenças nos tipos de capacitores. Nenhum capacitor físico é uma representação perfeita do símbolo de seus esquemas ou do modelo em sua simulação Spice. Os capacitores eletrolíticos têm grandes valores e são baratos. Com esse diodo na sua rede de amortecedores RCD, você será capaz de contornar o problema de que os capacitores eletrolíticos têm polaridade e eles explodirão se você os sujeitar a polaridade reversa.

Apesar disso, os capacitores eletrolíticos não são adequados para redes de amortecedores, uma vez que os amortecedores têm correntes de pico muito altas que se autoaquecem e danificam um capacitor eletrolítico. Pior ainda, os capacitores eletrolíticos têm uma confiabilidade terrível, pior que a maioria dos componentes passivos ou discretos, com a possível exceção de um potenciômetro. Isso torna os capacitores eletrolíticos ou de tântalo uma péssima escolha para circuitos amortecedores.

Capacitores de mica e filme

Um recurso interessante do guia Cornell Dubilier é que a empresa é semi-independente do tipo de capacitor usado. O guia inicialmente recomenda que você olhe para um capacitor de mica. A Mica chega perto do capacitor perfeito para muitos parâmetros. Infelizmente, eles só vêm em valores baixos e tendem a ser caros.

4. Os capacitores de filme podem ser do tipo folha ou metalizados. Os tipos de folhas usam uma camada discreta de metal, enquanto os tipos metalizados têm o metal revestido no filme. (Cortesia de Wikimedia)4. Os capacitores de filme podem ser do tipo folha ou metalizados. Os tipos de folhas usam uma camada discreta de metal, enquanto os tipos metalizados têm o metal revestido no filme. (Cortesia de Wikimedia)

Em vez de capacitores de mica, seu amortecedor pode usar capacitores de filme. Estes são os tipos de películas laminadas e tipos de películas metalizadas (Fig. 4). Os tipos de folhas sofrem correntes de pico mais altas. Os tipos de filme “curam” após uma sobretensão, quando o filme plástico simplesmente derrete do orifício de curto-circuito. Alguns tipos de folhas têm espessura variável para aumentar ainda mais a capacidade de corrente e reduzir o tamanho físico (Fig. 5). O filme de polipropileno é preferido, uma vez que o poliéster apresenta maiores perdas, tornando-o inadequado para redes amortecedoras.

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5. Alguns capacitores de filme de folha usam folha mais espessa perto dos eletrodos para permitir maiores correntes de pico. (Cortesia de Wikimedia)5. Alguns capacitores de filme de folha usam folha mais espessa perto dos eletrodos para permitir maiores correntes de pico. (Cortesia de Wikimedia)

Dielétrico: Amigo e Inimigo

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Com tamanho pequeno e robustez, você pode considerar capacitores de cerâmica em redes amortecedoras. Tenha cuidado com a classificação de corrente de pico do capacitor, que você nunca pode exceder, nem que seja momentaneamente. Cerâmica e filme metalizado também terão limitações de tensão transitória, talvez tão baixas quanto 50 V / ns. Com os tempos de comutação muito mais rápidos dos transistores de potência de carboneto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN), você deve ter certeza de que não está excedendo a capacidade de resistência transitória do capacitor amortecedor.

Outro problema com os capacitores de cerâmica é que eles podem perder capacitância com a temperatura e a tensão aplicada. Esta é uma função dos dielétricos utilizados pelas empresas. Um dielétrico C0G tem uma estabilidade de temperatura muito boa, mas está disponível apenas em valores pequenos e custa significativamente mais do que outros dielétricos.

Capacitores de cerâmica funcionam

Apesar das peculiaridades dos capacitores de cerâmica, você pode usá-los em redes snubbing, desde que compreenda suas vantagens e limitações. Murata descreve como diferentes dielétricos são adequados para diferentes capacitores amortecedores. Lembre-se de que os dielétricos de alta capacidade têm desempenho de temperatura pior, portanto, seu tamanho pequeno e baixa indutância têm o custo de precisar de valores mais altos para trabalhar em temperaturas elevadas.

Os fabricantes de transistores querem que você desconecte corretamente seus circuitos. Consequentemente, a ROHM faz uma comparação sobre o uso de capacitores de filme versus capacitores de cerâmica (Fig. 6). Aqui eles projetam em torno das limitações de tensão e valor dos capacitores de cerâmica, colocando dois bancos de cinco capacitores de cerâmica em série. Esses 10 capacitores fornecem a classificação e o valor da tensão compatíveis com um único capacitor de filme.

6. A ROHM experimentou capacitores de filme e cerâmica para seus amortecedores de transistor de potência SiC. (Cortesia de ROHM)6. A ROHM experimentou capacitores de filme e cerâmica para seus amortecedores de transistor de potência SiC. (Cortesia de ROHM)

Os resultados alcançados pela ROHM mostram quanto melhor o toque úmido dos capacitores de cerâmica (Fig. 7). Observe que esses resultados são para os transistores de SiC da ROHM, que alternam muito rapidamente e precisam da rede de amortecedores ideal. Observe também que a empresa não testou nas temperaturas elevadas em que os circuitos de energia sempre operam. É sua responsabilidade garantir que o amortecedor funcione bem em altas temperaturas quando o valor da capacitância cerâmica cair.

7. O traço vermelho mostra a melhor atenuação que os capacitores de cerâmica fornecem à rede de amortecedores ROHM da Figura 6. (Cortesia da ROHM)7. O traço vermelho mostra a melhor atenuação que os capacitores de cerâmica fornecem à rede de amortecedores ROHM da Figura 6. (Cortesia da ROHM)

Você também deve testar problemas acústicos em capacitores de cerâmica. Eles funcionam como alto-falantes e microfones. Se o seu conversor estiver operando abaixo de 20 kHz, os capacitores de amortecedor de cerâmica podem emitir ruídos desagradáveis. Certifique-se de encontrar um jovem para ouvir o barulho; qualquer pessoa com mais de 35 anos não pode ouvir acima de 15 kHz.

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Feito para desprezar

Na APEC 2019, a TDK promoveu seus capacitores CeraLink para conversão de energia. Esses capacitores de cerâmica usam um dielétrico de chumbo-lantânio-zircônio-titânio (PLZT). Esse dielétrico funciona em um nicho de tensão mais alta e de maior valor em comparação com outros tipos de cerâmica (Fig. 8). Os capacitores CeraLink aumentarão em capacitância com a tensão aplicada. Eles compartilham os mesmos problemas de temperatura que a cerâmica convencional. TDK observa que isso pode ser uma vantagem, já que eles não são o porco atual; isto é, o capacitor paralelo mais quente não aumentará em valor e consumirá mais corrente até que queime.

8. Os capacitores CeraLink da TDK são capacitores de cerâmica com um dielétrico exclusivo. Eles tendem a ter um produto de valor-voltagem mais alto. (Cortesia de TDK)8. Os capacitores CeraLink da TDK são capacitores de cerâmica com um dielétrico exclusivo. Eles tendem a ter um produto de valor-voltagem mais alto. (Cortesia de TDK)

Esse compartilhamento atual é crítico, pois os capacitores CeraLink são empilhados em uma configuração ainda mais restrita que os capacitores MLCC empilhados convencionais (Fig. 9). Destinado ao capacitor de link CC nos conversores de comutação, a alta capacidade de corrente de ondulação do CeraLink também pode servir em seus circuitos de amortecimento. A documentação do TDK CeraLink também menciona as tensões físicas que um pulso de tensão colocará em um capacitor de cerâmica. Se rápido e alto o suficiente, pode fraturar o capacitor. Esse é outro motivo pelo qual você precisa testar e medir tudo sobre o seu design de amortecedor para garantir que ele funcione nas temperaturas e nos horários em que você precisar.

9. Além de um dielétrico especial, os capacitores de cerâmica CeraLink da TDK vêm em configurações bem empilhadas para reduzir a indutância e a resistência em série equivalente (ESR). (Cortesia de TDK)9. Além de um dielétrico especial, os capacitores de cerâmica CeraLink da TDK vêm em configurações bem empilhadas para reduzir a indutância e a resistência em série equivalente (ESR). (Cortesia de TDK)

Escolha o seu método de design

Quando eu era engenheiro de automóveis, era geralmente aceito que a GM projetaria coisas que funcionassem primeiro e, em seguida, a empresa retiraria os custos do design até que funcionasse bem o suficiente. Ford, posso atestar pessoalmente, projetou coisas baratas e depois acrescentou custos até que funcionasse. Existe validade nos dois métodos. Agora, faço todos os meus projetos de conversor em placas de circuito multicamadas para protótipos. Eu posso assumir o custo em uma rodada subsequente. Como alternativa, você pode se sentir melhor projetando amortecedores de capacitores de filme comprovados, sabendo que pode adicionar desempenho e custo com capacitores de cerâmica menores.

É uma decisão complicada. Os capacitores menores significam que você terá menos indutância perdida – exatamente o que exige amortecedores maiores. Se você pode reforçar todo o projeto, especialmente com os modelos SiC e GaN, pode fazer sentido começar com a cerâmica. Então, novamente, se você precisar de algum espaço para tirar o calor do design, e esse espaço abrir espaço para um capacitor de filme, bem, talvez essa seja sua melhor aposta. “Talvez” e “analógico” andam de mãos dadas. Todo projeto e todo circuito são únicos, assim como a situação em que é usado. É isso que torna o design analógico tão desafiador e recompensador quando você faz o que é certo.

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