Tabela 3: Perdas dos modelos de MOSFETs
IRF540 IRF640 IRF740 Pcond [W] 0,4813 1,1250 3,4375 Pgate [W] 0,1296 0,1260 0,0774 Pcom[W] 0,6517 0,6292 0,1656 Ptotal [W] 1,2626 1,8802 3,6805
Fonte: Autoria pr ´opria.
de subida e descida. Mesmo assim, possui as menores perdas totais dos 3 MOSFETs, totalizando 1,2626 W. A carga de corpo do diodo Qrr ´e a menor dentre todas, o que o caracteriza como menos suscept´ıvel a EMI e, portanto, a melhor escolha dentre os modelos avaliados.
Como duas chaves sempre conduzem simultaneamente, a perda total nas chaves ´e 2 vezes o valor encontrado. Assim, a perda total ´e de 2,5252 W, ou seja, 5,05% da pot ˆencia nominal do amplificador.
A simulac¸ ˜ao para validar a escolha das chaves ser ´a realizada junto `a simulac¸ ˜ao completa do circuito, pois n ˜ao h ´a prop ´osito em faz ˆe-la separadamente.
3.3 PROJETO DO CIRCUITO DE ACIONAMENTO DAS CHAVES
Tendo-se escolhido o MOSFET IRF540, fabricado pela Vishay, para ser a chave utilizada para formar a ponte completa do amplificador, deve-se agora projetar um circuito de acionamento que seja compat´ıvel com os par ˆametros dessas chaves e eficiente no acionamento delas.
Como a frequ ˆencia de chaveamento ´e de 150 kHz, precisa-se de um driver capaz de suprir e drenar a corrente de acionamento do MOSFET em tempos na es- cala de microssegundos. Isso j ´a limita bastante as opc¸ ˜oes de circuitos integrados dis- pon´ıveis para o projeto. Como n ˜ao foi encontrado algum driver com as quatro sa´ıdas necess ´arias para acionar a ponte, e j ´a que com uma ´unica sa´ıda o circuito acabaria ficando maior, limita-se a busca para CIs com duas sa´ıdas.
Deste modo, escolhe-se o driver IR2110, da International Rectifier. Este CI possui duas sa´ıdas independentes, para comandar um brac¸o, como requerido. Por consequ ˆencia, ser ˜ao utilizados dois CIs para acionar a ponte completa. A sa´ıda para a chave superior utiliza o artif´ıcio do circuito de bootstrap para enviar o pulso de co- mando, j ´a que o terminal source da chave encontra-se em outra refer ˆencia que n ˜ao a do driver. Como n ˜ao possui o recurso de tempo morto integrado, faz-se necess ´ario a implementac¸ ˜ao dele no est ´agio anterior, ou seja, ainda na modulac¸ ˜ao. Pode for-
necer at ´e 2 A de corrente em cada sa´ıda, al ´em de suportar at ´e 500 V de tens ˜ao de barramento, o que garante que ele atenda os requisitos do sistema e das chaves.
Assim, a Figura 26 apresenta o circuito montado para um dos drivers, que consiste de capacitores de desacoplamento, circuito de bootstrap e de resistores para limitar a corrente fornecida.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 IR 2 1 1 0 Vcc Cboot Dboot D1 D2 R1 C2 R2 C1 R3 R4 + 1 2 V PWM_2 PWM_1
Figura 26: Circuito completo para um dos drivers. Fonte: Autoria pr ´opria.
Os capacitores de desacoplamento s ˜ao conectados em paralelo com a re- fer ˆencia e o pino de alimentac¸ ˜ao do CI de modo a neutralizar/diminuir as indut ˆancias parasitas das trilhas, que impedem que o CI receba corrente suficiente nos picos de demanda, devido, justamente, `a essa caracter´ıstica indutiva. Com os capacitores aco- plados o mais pr ´oximo poss´ıvel aos pinos, eles podem fornecer essa corrente quando solicitada. S ˜ao utilizados um capacitor eletrol´ıtico de 22 µF para as frequ ˆencias mais baixas, juntamente com um capacitor cer ˆamico de 100 nF para as altas frequ ˆencias, conforme indicado no datasheet fornecido pelo fabricante.
O circuito de bootstrap ´e composto por um diodo e dois capacitores, con- forme a Figura 26. O diodo deve ser de r ´apida recuperac¸ ˜ao, pois ir ´a conduzir e blo- quear na mesma frequ ˆencia do chaveamento. Ent ˜ao, escolhe-se o diodo BYT600, fabricado pela ST Microelectronics. Tem limite de corrente m ´edia de 3 A, corrente de pico repetitiva de 50 A e tens ˜ao de bloqueio de 600 V, al ´em de tempo de recuperac¸ ˜ao de 150 ns, o que supre os requisitos da tarefa. O valor da capacit ˆancia de boots- trap ´e definido em equac¸ ˜oes emp´ıricas variadas, que utilizam par ˆametros do capa- citor e das chaves que, por vezes, precisam ser estimados. Desta forma, seguindo recomendac¸ ˜oes do fabricante do IR2110 e atrav ´es de testes de bancada, definiu-se a utilizac¸ ˜ao de um capacitor cer ˆamico de 100 nF e de um capacitor eletrol´ıtico de 1 µF,
3.3 Projeto do Circuito de Acionamento das Chaves 64
conectados em paralelo.
Por fim, definem-se os resistores conectados entre a sa´ıda do driver e a chave. A malha DR (diodo-resistor) ´e inserida para que quando o sinal de sa´ıda seja alto e a corrente esteja carregando a capacit ˆancia da porta do MOSFET, o diodo polarize-se reversamente e bloqueie. Assim, o sinal percorre o resistor, que limitar ´a o valor da corrente m ´axima fornecida pela sa´ıda do CI. Sabe-se que quanto maior o valor da corrente, maior pode ser a frequ ˆencia de chaveamento. Como o valor da capacit ˆancia de porta ´e baixo nesta chave e o driver trabalha bem abaixo do seu limite m ´aximo de frequ ˆencia, escolhe-se o valor de 47 Ω para o resis- tor, levando-se em conta o gr ´afico fornecido pelo fabricante, apresentado na Figura 27.
Amplitude do pico de tensão negativa
Resistência Série de Porta
Figura 27: Pico de tens ˜ao negativa em func¸ ˜ao do re- sistor s ´erie.
Fonte: Adaptado de (HV. . ., 2007).
Intuitivamente, sabe-se que tens ˜oes negativas no meio do brac¸o n ˜ao cau- sam bons resultados, pois est ˜ao levando a carga a esforc¸os maiores que os preten- didos, al ´em de aplicarem uma tens ˜ao negativa sobre a chave inferior. Desta forma, escolheu-se este valor para o resistor, onde a corrente mantenha-se suficientemente grande para acionar a chave sem dificuldades, e a tens ˜ao negativa no pino VB seja a menor poss´ıvel. O resistor de 1 kΩ conectado entre a porta e a fonte do MOS- FET serve para garantir que quando ligados, todos os MOSFETs iniciem em modo de corte, at ´e receberem sinais de comando. Isto visa evitar curto-circuitos em potencial devido a cargas residuais na capacit ˆancia das chaves. Tamb ´em auxilia na hora de descarregar a capacit ˆancia, oferecendo um caminho alternativo `a corrente.
A simulac¸ ˜ao que exibe o funcionamento dos drivers nas condic¸ ˜oes de tra- balho projetadas ´e apresentada na Sec¸ ˜ao 4.1.2.