Diseño y modelado de RED Snubber PDF

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Diseño de un red snubber para un circuito altamente inductivo...

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Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Electrónica de Potencia

TEMA:

Protección de semiconductores INTEGRANTES:

Katherine Chicaiza Robinson Iza Juan Palacio

SEMETRE: 2020 A.

OBJETIVOS: • •

Conocer sobre los mecanismos de protección de semiconductores de electrónica de potencia. Diseñar circuitos de protección de semiconductores de electrónica de potencia.

INTRODUCCIÓN En los circuitos electrónicos de potencia, cuya corriente es alta, y si esta es muy alta puede provocar daños en los dispositivos, en las instalaciones eléctricas, incluso a las personas que trabajen con este tipo de circuitos, por lo que para ello se utilizan circuitos de protección que permiten aislar la parte en donde se produce el daño o al menos reducir el impacto de producir una falla grave ya sean en los equipos o en las personas que los controlan. En los circuitos con semiconductores, que normalmente son utilizados como interruptores en los circuitos de potencia, dónde circulan altas corrientes, se implementan circuitos de protección Snubbers que suprimen los picos de voltaje y amortiguar la oscilación transitoria producida por la inductancia del circuito cuando el interruptor se abre, este tipo de circuitos mejora el funcionamiento y determinará directamente la fiabilidad y la eficiencia del circuito. Los circuitos Snubber son circuitos utilizados comúnmente para proteger transistores, y tiristores contra sobre tensiones, este tipo de redes se pueden clasificar en pasivos y activos. Los Snubbers de tensión disipada, son circuitos que permiten la conmutación cuya energía se disipa en una resistencia. Los Snubbers de tensión no disipada, son circuitos que permiten la conmutación pero que la energía se regresa a la entrada o avanza a la salida. La red Snubber RC, es la más común ya que permiten atenuar las resonancias parásitas y reducir las pendientes de la tensión en el semiconductor, también permite reducir las pérdidas en el paso de bloqueo, tanto en el capacitor como en la resistencia. En general las redes de Snubbers se utilizan para disminuir transitorios indeseables, con los elementos adecuados estas redes permitirán reducir hasta un 40% de pérdidas de conmutación.

Justificación: Dado que los interruptores son la parte principal de los convertidores de potencia, ellos determinan tanto la eficiencia como la fiabilidad del producto. En los convertidores de potencia se presentan resonancias parasitas lo cual provoca que existan sobre picos al momento de la conmutación, provocando que el dispositivo se desgaste con mayor rapidez y que incluso se den fallas en el funcionamiento de todo el circuito de acuerdo con la aplicación en que se los ocupe. Para eliminar estar resonancias parasitas y para mejorar el rendimiento del circuito de conmutación de potencia que ha ideado cierto tipo de circuitos llamados red snubber los cuales conforman ciertas configuraciones para lo cual se calcula sus valores en torno a los valores de la carga del circuito a mejorar. Existen muchos tipos de red snubber diferentes, pero para esta investigación se va a calcular y estudiar los resultados de 3 redes snubber las cuales son las redes snubber RCL, RDL Y RC.

Planteamiento del problema: Se desea proteger un Mosfet IRF640 el cual va a operar como interruptor conmutado a una frecuencia de 20KHz y con una relación de trabajo que varía entre 0.1 a 0.9. La carga es altamente inductiva que lleva 18 A a 200V. El circuito y disipador para diseñar debe mantener al dispositivo dentro de su área de operación segura(Safe Operating Area SOA) de tal manera que se cumpla que; 1. El dv/dt < 5 V/ns 2. Ton y tof > 100ns 3. Tj< 150C

Desarrollo: Snubber de corriente RDL Esta red es capaz de controlar la evolución de la corriente a través del interruptor durante el encendido del MOSFET. Este tipo de circuitos es muy útil para disminuir las pérdidas que se generan en este tipo de circuitos.

Figura 1. Snubber de corriente RDL[4]

El Snubber de corriente RDL reduce las pérdidas de conducción en alta frecuencia, limitando también la presencia del pico de recuperación inversa del diodo.

Funcionamiento: En primer lugar el transistor debe estar bloqueado soportando la tensión de alimentación, el MOSFET entra en la región de corte, la corriente en el drain tiende a cero en un determinado tiempo 𝑡𝑓𝑣 , la bobina 𝐿𝑠 , limita la tasa de crecimiento de la corriente del drain mientras que el voltaje de drain-source, disminuye hasta llegar a cero en un determinado tiempo, soportando la corriente máxima 𝐼𝑚 , después la bobina 𝐿𝑠 , descargara la energía almacenada, sobre la resistencia R. Ecuaciones para diseño: 𝑡𝑜𝑓𝑓 = 1𝑢𝑠; 𝑡 = 50𝑢𝑠; 𝑡𝑓𝑣 = 0.1𝑢𝑠 𝐼𝑚 = 18𝐴; 𝑉𝐶𝐶 = 200𝑣

𝑅𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =

𝑉𝐶𝐶 200𝑉 = 11.11 = 12𝑂ℎ𝑚 = 18𝐴 𝐼𝑚

𝐿𝑠 =

2 ∗ 𝑉𝑐𝑐 ∗ 𝑡𝑓𝑣 2 ∗ 200𝑣 ∗ 0.1𝑢𝑠 = = 0.25𝑢𝐻 = 0.1𝑢𝐻 9 ∗ 𝐼𝑚 9 ∗ 18𝐴

𝑅𝑠 =

5 ∗ 𝐿𝑠 5 ∗ 1𝑢𝐻 = = 5𝑂ℎ𝑚 𝑡𝑜𝑓𝑓 1𝑢𝐻

𝑃𝑅 =

1 ∗ 𝐿𝑠 ∗ 𝐼𝑚2 ∗ 𝑓 1 ∗ 1𝑢𝐻 ∗ (18𝐴)2 ∗ 20𝑘𝐻𝑧 = = 3.24𝑤 2 2

Con 𝐿𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 1𝑚𝐻: L1

1mH R2 12

R1

M1

I

V2 10 V1 = 0 V2 = 15 TD = 0 TR = 1n TF = 1n PW = 0.01ms PER = 50us

200Vdc

IRF640

V1

0

Figura 2. Simulación circuito RL con L=1mH

Figura 3. Corriente drain del Mosfet

El MOSFET no funciona como interruptor.

Con 𝐿𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 10𝑚𝐻: L1

10mH R2 12

R1 10

M1

I

V2 200Vdc

IRF 640

V1 V1 = 0 V2 = 15 TD = 0 TR = 1n TF = 1n PW = 0.01ms PER = 50us

0

Figura 4. . Simulación circuito RL con L=10mH

Figura 5. Corriente drain del Mosfet

El MOSFET no funciona como interruptor.

Con 𝐿𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 100𝑚𝐻: L1

100mH R2 12

R1 10

M1

I

V2 IRF 640

200Vdc

V1 V1 = 0 V2 = 15 TD = 0 TR = 1n TF = 1n PW = 0.01ms PER = 50us

Figura 6. . Simulación circuito RL con L=100mH

Figura 7. Corriente drain del Mosfet

El MOSFET no funciona como interruptor.

Con 𝐿𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 1𝑢𝐻: L1

1uH R2 12

R1 10

M1

I

V2 200Vdc

IRF 640

V1 V1 = 0 V2 = 15 TD = 0 TR = 1n TF = 1n PW = 0.01ms PER = 50us

0

Figura 8. . Simulación circuito RL con L=1uH

Figura 9. Corriente drain del Mosfet

El MOSFET funciona como interruptor. Escogimos 𝐿𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 1𝑢𝐻 , para que el MOSFET actúe como interruptor.

Formas de onda del circuito sin la red Snubber: L1

1uH R2 12

R1 10

M1

I

V2 200Vdc

IRF 640

V1 V1 = 0 V2 = 15 TD = 0 TR = 1n TF = 1n PW = 0.01ms PER = 50us

0

Figura 10. . Simulación circuito RL con L=1uH

Figura 11. Potencia del mosfet, voltaje de drain, corriente de drain.

Figura 12. Forma de onda Corriente de drain.

Figura 13. Forma de onda Voltaje de drain.

Figura 14. Forma de onda Potencia del mosfet

Formas de onda del Circuito aplicando la red Snubber: VCC

R4 12 D1N4935 D2

R5 5 1uH L3

D1N4935 D3 0.1uH L2

VCC R3

M2

I

10

V4

IRF640 200Vdc V1 = 0 V2 = 15 TD = 0 TR = 1n TF = 1n PW = 0.01m s PER = 50us

V3

0

0

Figura 15. . Simulación circuito RL con red snubber RLD con L=1uH

Figura 16. Forma de onda Potencia del mosfet, Voltaje de drain y corriente de drain.

Figura 17. Forma de onda corriente de drain.

Figura 18. Forma de onda Voltaje de drain.

Figura 19. Forma de onda Potencia de mosfet.

Comentario: Se puede observar mediante las gráficas resultantes que antes de aplicar la red RLD al circuito, este presentaba unos sobre picos de tensión al momento de la conmutación. Al aplicar al circuito la red snubber RLD se pudo controlar estos sobre picos, pero no en su totalidad ya que aun aparecían sobre picos pero de menor magnitud.

SNUBBER DE TENSION RCD Este tipo de circuito está formado por una resistencia, un capacitor y un diodo, aunque se es muy común de incorporar un diodo extra en paralelo con la carga. El circuito tiene dos utilidades que se destacan sobre el resto: • •

Control de la pendiente de subida del voltaje en el interruptor cuando se produce el transitorio de apagado El enclavamiento del voltaje en el interruptor.

Figura 20. . Circuito RL con red snubber RCD.[4]

FUNCIONAMIENTO Antes del apagado del MOSFET, la corriente que está conduciendo consideraremos que tiene el valor Im, y la tensión que soporta será cero. Durante el apagado del transistor, la corriente 𝐼𝐷 se reduce linealmente hasta su completa extinción, por lo que la corriente (Im-𝐼𝐷 ) circulará a través del diodo D cargando el condensador del snubber C. DISEÑO DEL SNUBBER Datos a considerar: 𝑓 = 20𝑘𝐻𝑧 ; 𝐼𝐷 = 18 𝐴 ; 𝑉𝐷𝑆 = 200 𝑉 ; 𝑉𝐺𝑆 = 15 𝑉 ; 𝑡𝑜𝑛, 𝑡𝑜𝑓𝑓 > 100 𝑛𝑠 Comenzamos determinando la corriente máxima que pasara por nuestro elemento, en este caso la 𝐼𝐷 , el voltaje el cual va a circular por en elemento y así podemos sacar el valor del capacitor. 𝑡𝑜𝑛 =

0.5 = 25𝑢𝑠 20𝑘

𝐼𝑚 = 𝐼𝑚 ∗

𝐶𝑑𝑉 𝑑𝑡

𝑑𝑡 =𝐶 𝑑𝑉

18𝐴 ∗

25𝑢𝑠 =𝐶 200𝑉

2.25𝑢𝐹 = 𝐶 => 𝐶 = 2.2 𝑢𝐹 Una vez obtenido el valor del capacitor, debemos asegurar que la descarga y carga del capacitor se realice de forma adecuada teniendo así: 𝑅= 𝑅=

𝑡𝑜𝑛 5∗𝐶

25𝑢𝑠 5 ∗ 2.2𝑛𝐹

𝑅 = 2.3 𝑘𝑜ℎ𝑚

Figura 21. Simulación circuito RL con red snubber RCD con L=1uH

Para la carga se terminó que valor era más optimo y permitía el funcionamiento de nuestro MOSFET, llegando a optar por un valor de 1uH.

Figura 22. Forma de onda voltaje de drain.

Los valores obtenidos para otros valores de inductancia se muestran a continuación, siendo así la primera grafica la correspondiente a 10uH y 100uH.

Figura 23. Forma de onda voltaje de drain.

En la primera grafica se puede apreciar como funcionaria el circuito snubber si la inductancia en serie a la carga fuera de 10 uH, el voltaje sin res se muestra en el grafico dos.

Figura 24. Forma de onda voltaje de drain.

Par una inductancia de 100uH se puede observar que tanto el circuito original y el circuito la red snubber ya se daña completamente, motivo por el cual se trabajara con una inductancia de 1uH.

Figura 25. Forma de onda voltaje de drain con L=1uH.

Como podemos observar con la red snubber diseñada se pudo lograr eliminar completamente los picos de voltaje que se tiene. A continuación, se mostrará el voltaje, corriente y potencia que pasará por nuestro MOSFET:

Figura 26. Forma de onda voltaje de drain con red snubber.

Figura 27. Forma de onda corriente de drain con red snubber.

Figura 28. Forma de onda potencia de mosfet con red snubber.

Comentario: Como se pudo observar en los resultados de las gráficas, la red snubber RCD es efectiva para inductancias pequeñas al igual que la red snubber RLD, en nuestro caso seria un L= 1uH. A diferencia de la red snubber RLD, la red snubber RCD si pudo rectificar los sobre picos en su totalidad, con ello se podría concluir que la red RCD es mejor que la red RLD.

Snubber de corriente RC

Esta red consta de un capacitor(condensador) y una resistencia, estos dos elementos se colocan en paralelo con el dispositivo, en nuestro caso el mosfet irf640. Esta red a pesar de su sencillez es capaz de controlar los picos o pendientes de tensión, así como las resonancias parásitas que pueden darse en el semiconductor. En la figura 1 se tiene el circuito genérico en donde el transistor trabaja como interruptor en conmutación y tiene una carga L y a este se le aplica la red snubber RC.

Figura 29 Circuito RL con red snubber RC.[4]

Si los valores de RC se escogen adecuadamente, la red snubber permitirá reducir en casi su totalidad las perdidas en el paso a bloqueo, estas perdidas se pueden ver reducidas en un 40% hasta los 90 % ya que también influye que tan inductiva es la carga. Funcionamiento: Durante el bloqueo del interruptor, para minimizar la disipación de potencia se necesita una resistencia de snubber de bajo valor óhmico para con ello proporcionar una forma de onda tipo capacitiva y así se puede limitar la subida de voltaje en el interruptor hasta que se bloquee. Por otro lado, en la conmutación hacia la saturación, se necesita que la resistencia de snubber sea alta para poder limitar la corriente por medio del interruptor. Por otro lado, en nuestro diseño se nos ha solicitado que circule por el circuito una corriente de 18 A con una fuente de voltaje de 200 V, entonces, para cumplir esta condición primero se procede a calcular la resistencia que debería tener el circuito para conseguir esta corriente entonces: 𝑅𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =

𝑉𝐶𝐶 200𝑉 = 11.11 = 12𝑜ℎ𝑚 = 18𝐴 𝐼𝑚

En cuanto a la inductancia sabemos que el circuito es altamente inductivo, es por esa razón que nos planteamos una inductancia de L=500 mH. Ahora con la corriente calculada, la cual va a pasar por la bobina, se necesita calcular cuanta energía puede almacenarse en esta bobina por medio de la siguiente formula: 1 𝐸 = 𝐿𝐼 2 Reemplazamos los valores: 𝐸=

1 500[𝑚𝐻 ]18[𝐴] 2 𝐸 = 81 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑠

Posterior a esto, se calcula el valor del condensador por medio de la siguiente formula: 𝐸=

𝐶 ∗ 𝑉2 2

𝐶=

2∗𝐸 𝑉2

Reemplazamos los valores, donde V sería el voltaje máximo el cual caería si en vez del mosfet de tiene un circuito abierto. 𝐶=

2 ∗ 81 2002

𝐶 = 4.05[𝑚𝐹 ] = 4.7[𝑚𝐹] valor estándar Por último, calculamos la resistencia snubber la cual se calcula por medio de la ley de ohm. 𝑅= 𝑅=

𝑉 𝐼

200 𝑉 = 12 𝑂ℎ𝑚 18 𝐴

A continuación, se simula el circuito sin la red Snubber RC

Figura 30. Simulación circuito RL con L=100mH

Figura 31. Forma de onda Potencia del mosfet, Voltaje de drain y corriente de drain sin red snubber.

Se puede observar que el mosfet no actúa como interruptor e incluso tiene sobre picos de tensión que alcanzan los 500 v , estas formas de onda distorsionadas se dan a razón de que la inductancia es alta ya que en el problema planteado se solicitaba que se tenga un circuito altamente inductivo.

Se procede a implementar la red snubber RC al circuito para ver sus resultados.

Figura 32. Simulación circuito RL con red snubber RC con L=100mH

Figura 33. Forma de onda Potencia del mosfet, Voltaje de drain y corriente de drain con red snubber.

Se puede visualizar en las graficas que la red snubber RC pudo eliminar los sobre picos además de que estabilizó al circuito para que pueda funcionar como interruptor. A continuación, se tiene las graficas individuales para visualizar de mejor manera las formas de onda y sus valores máximos.

Figura 34. Forma de onda voltaje de drain con red snubber RC

Figura 35. Forma de onda corriente de drain con red snubber RC

Figura 3. Forma de onda de la potencia del mosfet con red snubber RC

Comentario: De acuerdo a las gráficas resultantes obtenidas aplicando la red snubber RC se puede asegurar que esta red eliminó los sobre picos de tensión además de que estabilizo el circuito de forma eficiente, además , esta red snubber RC si sirve para cargas muy inductivas a diferencia de las anteriores redes snubber (RCD Y RLD), por ese motivo se concluye que la red RC es la mas indicada para proteger el circuito propuesto en el problema.

Conclusiones: •

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Los inductores aun cuando se trabaje en corriente continua, pueden presentar alteraciones al momento de energizarlos, como se puedo observar en las gráficas, a mayor inductancia, se va a tener una mayor distorsión en nuestro diseño. Los valores del circuito snubber deben ser correctamente dimensionados, debido a que, si esto no ocurre, el circuito o bien no genera un cambio o por otro lado comienza a alterar las señales que se tengan. Los circuitos Snubbers son circuitos muy importantes para poder disminuir las pérdidas en los circuitos interruptores con semiconductores, y pueden ser diseñados únicamente con elementos pasivos y se tienen redes RL, RC, RCL, RCD, RLD, que permiten también mayor eficiencia en este tipo de circuitos. La red Snubber RLD, permite reducir las pérdidas de los circuitos con semiconductores, en nuestro proyecto al realizar el diseño de esta red, las pérdidas se redujeron, pero no completamente, por lo que se puede decir que este tipo de red son muy eficientes, pero aún se puede mejorar su rendimiento complementando este tipo de red, con otros elementos. Es importante implementar y diseñar este tipo de redes, ya que permiten proteger los circuitos de potencia cuando existen sobretensiones que pueden provocar daños en los equipos o instalaciones. Se puede concluir que existen varias maneras de proteger a los semiconductores ocupados en circuitos de potencia pero la elección de estos circuitos de protección dependerán de las condiciones en que se requiera que funcione el circuito general. Se concluye que la red snubber RC es la mejor opción para la protección de semiconductores que operan en circuitos en donde la carga es altamente inductiva. Se aprendió que los circuitos de protección o red snubber dependiendo de su configuración, van a proteger al semiconductor en ciertos rangos ya que algunos no eliminan en su totalidad los sobre picos que se tiene cuando un semiconductor funciona como interruptor.

REFERENCIAS: [1] S. Abedinpour and K. Shenai, “5 - Insulated Gate Bipolar Transistor,” in Power Electronics Handbook, Second Edition., M. H. Rashid, Ed. Academic Press, pp. 71–88. [2] Issa Batarseh, “4 - The Power MOSFET,” in Power Electronics Handbook, Second Edition., M. H. Rashid, Ed. Academic Press, pp. 41–69. [3] Finney, Williams and Green, RCD SNUBBER REVISITED, TRANSACCIONES IEEE EN APLICACIONES DE LA INDUSTRIA, VOL. 32, NO. 1, págs. 155-160 [4] William McMurray, OPTIMUM SNUBBERS FOR POWER SEMICONDUCTORS, transacciones IEEE IAS, vol. IA-8, No. 5, págs. 593-600...