Potência de alta densidade

HP (horsepower ou cavalo-vapor) é uma grandeza física de potência. Expressa a velocidade com que o trabalho é realizado. O HP métrico é definido como o poder de elevar uma massa de 75 kg contra a força gravitacional da Terra a uma distância de um metro em um segundo. Meu peso é de cerca de 75 quilos. A força que eu exerceria se impulsionasse meu corpo inteiro contra a gravidade por um metro em um segundo seria a força de um HP — mas não sou tão forte quanto um cavalo. Idealmente, uma fonte de alimentação de 2400W deve fornecer um pouco mais de 3hp. Este texto discute a placa de avaliação de densidade de potência de 2400 W da Infineon Technologies (Infineon) para correção do fator de potência (PFC).

Projetos bem-sucedidos devem ser supereficientes em uma ampla faixa de carga, ser muito confiáveis ​​e, mais do que nunca, estar em um encapsulamento minúsculo. Os transistores MOSFET modernos, quando devidamente integrados, podem produzir eficiências que eram apenas um sonho há duas décadas. Hoje, 95% de eficiência está bem à vista, incluindo retificação de PFC e CA. O engenheiro de projeto deve fazer tudo isso mantendo os custos baixos. A chave para o sucesso é conhecer os melhores e mais recentes semicondutores e otimizar as compensações entre várias áreas de seu circuito.

O PFC é essencial para a conversão de energia off-line moderna. O PFC reduz a carga na rede elétrica, aumenta a qualidade da energia e reduz os custos do sistema elétrico. O PFC é adicionado a uma unidade para atender às especificações da IEC 61000-3-2, que define limites para as correntes harmônicas geradas por um aparelho elétrico.

Eliminando os problemas do projeto do conversor

O CoolMOS S7 da Infineon é um dispositivo de 600V que usa o princípio de superjunção (SJ). Essa família de MOSFETs permite excelente relação custo-benefício para aplicações de comutação de baixa frequência, ao mesmo tempo em que permite comutação rápida que aumenta a eficiência associada. O dispositivo usa um design de encapsulamento kelvin de 4 pinos para complementar a melhor especificação Rds de sua classe.

A placa de avaliação EVAL2K4WACTBRDS7TOBO1 expõe este dispositivo a uma fonte de alimentação de modo de condução contínua (CCM) de 2,4kW operando de 90–265Vrms 50/60Hz com uma tensão de saída nominal de 390V. Este projeto produzirá mais de 98,6% de eficiência com uma entrada de 230 VCA e uma saída de 6 A.

Dispositivos-chave usados ​​na placa de avaliação

A placa de avaliação tem 127 mm de comprimento, 85 mm de largura e 44 mm de altura. Localizado na entrada da placa há um fusível e um protetor contra surtos de varistor de óxido de metal (MOV – Metal-Oxide Varistor), seguido por um filtro de linha de interferência eletromagnética (EMI) de dois estágios. Depois vem o retificador da ponte e o conversor PFC/principal. O indutor primário está localizado no centro da placa (Figura 1).

Figura 1: A placa de demonstração do conversor EVAL_2K4W_ACT_BRD_S7 CCM PFC com 600V CoolMOSTM S7 para retificação de linha ativa e controle de corrente de inrush da Infineon Technologies. (Fonte: Infineon Technologies)

O retificador de ponte ativa

Em um projeto de uma fonte moderna típica, a dissipação de energia do retificador da ponte de entrada domina as perdas com cerca de 35% do total de perdas. O projeto de ponte ativa usa quatro FETs IPT60R022S7 que são paralelos a uma ponte de diodo padrão. Na placa de avaliação, esses FETs estão em uma placa plug-in junto com dois gate drivers (Figura 2). É essencial garantir que os FETs sejam acionados adequadamente para evitar falsos trigers.

Figura 2: Infineon Technologies KIT_ACT_BRD_60R040S7 é uma placa extremamente compacta que visa substituir retificadores de ponte de diodo padrão por uma ponte completa ativa para retificação de linha em conversores CCM PFC padrão. (Fonte: Mouser Electronics)

Com uma carga de 1200 W, este circuito de ponte ativa ganha cerca de 0,5% de aumento de eficiência em relação à ponte padrão. Uma melhoria de eficiência de pico de 1,3% é alcançada na linha de baixo com uma retificação de linha de ponte ativa de 22mΩ MOSFET. Na linha de cima, o pico de eficiência delta é de cerca de 0,7%.

A Conversão e o Controlador PFC

Um CI controlador Infineon ICE3PCS01G fornece regulação de tensão e PFC em uma topologia de boost no CCM. Em um projeto CCM, sempre há um fluxo de corrente no indutor. A tensão através do indutor se inverte à medida que a corrente do indutor aumenta e diminui, e o fluxo de corrente é contínuo. O chip fornece compensação de loop de tensão e resposta dinâmica de saída rápida durante salto de carga e compensação de loop de corrente externa. A frequência de comutação é pré-definida em 65kHz nesta placa de avaliação, mas pode chegar a 250kHz.

Ter um diodo PFC de tempo de recuperação reverso muito baixo é um fator essencial neste projeto de circuito regulador. Um diodo de barreira Schottky 650V G6 CoolSiC™ (IDH12G65C6) da Infineon emprega tecnologia de ponta, aproveitando totalmente todas as vantagens do carboneto de silício sobre o silício. Um processo de soldagem proprietário é combinado com a tecnologia de wafer fino e um novo sistema de metal Schottky. O resultado é um diodo com um VF de 1,25V a 12A e uma carga capacitiva total (QC) de 17,1nC, típica.

Limitação de Inrush de Inicialização

Todos os conversores de energia devem lidar com um grande pico de corrente de entrada quando a energia CA é ligada pela primeira vez. Um método de projeto típico para limitar esse surto é ter um resistor de potência logo após o retificador da ponte. Esse resistor de energia, ou muitas vezes um termistor de coeficiente de temperatura negativo, é então desviado com um relé mecânico após um atraso de tempo para economizar energia. Este design de referência é inteligente e remove grandes componentes para melhorar significativamente a densidade de potência.

Conversão de energia no seu melhor

Vários requisitos de eficiência de conversão de energia, como 80 PLUS ou EuP, são definidos para várias aplicações de conversão de energia. Atender ao requisito de titânio 80 PLUS, o melhor da categoria, não é tarefa fácil. Na classe de platina, a PSU deve ter um pico de eficiência acima de 94% na linha alta e 92% na linha baixa, enquanto para um projeto de titânio, esses valores aumentam para 96% e 94%, respectivamente. A adição da solução de ponte ativa neste design de referência o coloca solidamente na classe platinum, e as excelentes soluções de encapsulamento de todo o esquema o tornam um campeão de densidade de potência e certamente um favorito da indústria.

Conclusão

Embora agora seja possível obter a certificação 80 PLUS Titanium, os projetistas de fontes de alimentação devem melhorar a eficiência de toda a faixa de energia, incluindo o desempenho térmico dos dispositivos de energia usados ​​em fontes de alta potência. A placa de avaliação EVAL_2K4W_ACT_BRD_S7 da Infineon Technologies oferece uma solução para atingir tal eficiência na forma de um conversor CCM PFC de 2400W com retificação de linha ativa e relé de estado sólido. Ele oferece aos projetistas a capacidade de enfrentar rapidamente seu próximo projeto SMPS de alta eficiência e alta densidade de potência.

Artigo escrito por Jim Harisson e Paul Golata e publicado no blog da Mouser Electronics: High-Density Horsepower.

Traduzido por Equipe Embarcados.Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados

(*) este post foi patrocinado pela Mouser Electronics

JUNTE-SE HOJE À COMUNIDADE EMBARCADOS

Sem licença Creative Commons
Home » Hardware » Potência de alta densidade
Comentários:
Notificações
Notificar
guest
0 Comentários
Inline Feedbacks
View all comments
Talvez você goste:
Menu