PT654885E - Dispositivo de alimentacao de circuito de comando de componente interruptor de potencia - Google Patents

Description

Descrição “Dispositivo de alimentação de circuito de comando de componente interruptor de potência” A presente invenção refere-se, de uma maneira geral, ao comando de componentes interruptores de potência, utilizados designadamente nos conversores de energia e, mais particularmente, à alimentação dos circuitos de comando, denominados também inflamadores, de tais componentes. São conhecidos dois tipos de dispositivos de alimentação de circuitos de comando de componentes interruptores de potência: os que utilizam uma fonte de energia exterior e os que utilizam a tensão que aparece nos terminais do componente interruptor de potência no estado de bloqueado, denominada também tensão de bloqueio, para carregar, durante os períodos de bloqueio deste componente, um condensador denominado de reserva de energia.

Os primeiros têm como inconveniente, além do facto de necessitar de uma tal fonte de energia exterior, de exigir um isolamento galvânico e portanto conduzir a soluções caras e muitas vezes complexas e isso tanto mais quanto é certo que a tensão de isolamento requerida é elevada e nem sempre garante um isolamento dinâmico (ou imunidade às dv/dt) satisfatório.

Os segundos têm em especial o inconveniente de não estarem adaptados aos casos de utilização com tempos de bloqueio relativamente curtos. A carga do referido condensador de reserva de energia pode assim fazer-se: - ou por meio de um sistema do tipo de “bomba de díodo” (ou “boot-strap”), mas ura tal sistema tem, além disso, o inconveniente de não funcionar em todos os casos de aplicação (por exemplo no caso de onduladores denominados de três 2 níveis), - ou por meio de uma fonte de corrente, comandada ou não (balastro de transístor, ...): ver o documento “New driver concept for MOS-gated devices” N. KUMAGAI, Fuji Electric Corporate Japan. PCIM Europe, Março-Abril 1993; esta última solução tem, além disso, o inconveniente de utilizar componentes activos usados no limite do seu intervalo de segurança quando a tensão de bloqueio do componente a comutar aumenta. O documento FR 2 191 343 descreve um dispositivo estático para a alimentação, em baixa tensão, de um circuito de utilização, dispositivo que compreende um condensador de reserva de energia. A presente invenção tem por objectivo principalmente evitar os inconvenientes atrás mencionados. A presente invenção tem por objecto um dispositivo de alimentação de circuito de comando de componente interruptor de potência, a partir da tensão que aparece nos terminais deste componente, no estado de bloqueado, compreendendo este dispositivo um condensador de reserva de energia e, além disso, meios para carregar o referido condensador de reserva de energia durante os períodos de condução do referido componente, sendo o dispositivo de alimentação caracterizado por os referidos meios para carregar o referido condensador de reserva de energia durante os períodos de condução do referido componente compreenderem: - um circuito oscilante, ligado aos terminais do referido componente, - um elemento, designadode derivação, que permite ligar o referido condensador de reserva de energia aos terminais da indutância do referido circuito oscilante, uma vez que, quando se põe o referido componente em condução, a 3, energia armazenada no condensador do referido circuito oscilante, durante os períodos de bloqueio do referido componente, foi transferida para a referida indutância.

Outros objectos e características da presente invenção surgirão na leitura da descrição seguinte de um exemplo de realização, feita com referência aos desenhos anexos, cujas figuras representam: A fig. 1, um esquema destinado a ilustrar um exemplo de realização de um dispositivo segundo a invenção; e A fig. 2, um diagrama destinado a ilustrar o funcionamento do dispositivo ilustrado na fig. 1. O dispositivo de alimentação, com a referência (1), ilustrado na fig. 1, destina-se a alimentar um circuito de comando (2), constituído por um interruptor de potência (3), neste caso constituído por um componente denominado de grelha isolada, tal como um componente designado por IGBT (“Insulated Gate Bipolar Transístor” - “Transístor bipolar com porta isolada”), caso em que o referido circuito de comando tem dois estados de consumo possíveis, um de grande consumo, nos instantes de comando da colocação do referido componente em condução, e outro, de pequeno consumo, fora desses instantes. O dispositivo de alimentação (1) ilustrado na fig. 1 alimenta o circuito de comando (2), a partir da tensão que aparece nos terminais do componente (3) no estado bloqueado. No exemplo ilustrado na fig. 1, este dispositivo compreende: - um condensador de reserva de energia (C2), - meios de regulação de tensão, que fornecem a tensão de alimentação do circuito de comando (2), a partir da tensão nos terminais do condensador de reserva 4 de energia (C2), - meios para carregar o condensador de reserva de energia (C2) durante os períodos de condução do referido componente, e - meios suplementares para alimentar o referido circuito de comando, no arranque.

Os referidos meios para carregar o condensador de reserva de energia durante os períodos de condução do referido componente compreendem, no exemplo ilustrado na fig. 1: - um circuito oscilante, ligado aos terminais do componente (3) e que compreende uma indutância (L) e um condensador (Cl), - um elemento de derivação, constituído, neste caso, por um díodo (Dl), e que permite ligar o condensador de reserva de energia (C2) aos terminais da indutância (L) do circuito oscilante uma vez que, quando se põe no estado de condução o componente (3), a energia armazenada no condensador (Cl) do referido circuito oscilante (durante os períodos de bloqueio do componente (3) foi transferida para a indutância (L) do circuito oscilante.

Os referidos meios suplementares para alimentar o circuito de comando (2), no arranque, compreendem, no exemplo ilustrado na fíg. 1, um circuito de carga do condensador de reserva de energia (C2) durante os períodos de bloqueio do componente (3), sendo este circuito de carga por sua vez constituído por um circuito ligado aos terminais do componente (3) e compreendendo, além do condensador (C2), uma resistência (R2) e um díodo (D2).

Os referidos meios de regulação de tensão compreendem, no exemplo ilustrado na fig. 1, um díodo de Zener (DZ1) e uma resistência (R3). 5 -7/ Γ/ O circuito de comando (2), que tem, neste caso, dois estados de consumo possíveis, é alimentado por meio de dois circuitos: - um primeiro circuito constituído pela resistência (R2) e o díodo (D2), associados aos meios de regulação de tensão (R3, DZ1); este circuito é percorrido por uma corrente denominada de pequeno consumo, durante os períodos de bloqueio do componente (3) e permite a manutenção do sistema em “stand-by” (em espera de uma ordem de colocação em condução); - um segundo circuito constituído pelo condensador (C2) associado aos meios de regulação (R3-DZ1), este circuito fornece: • a corrente de grande consumo, no momento da colocação do componente (3) em condução, • a corrente de pequeno consumo durante os períodos de condução do componente (3). O facto de este dispositivo de alimentação compreender, além disso, meios para carregar o condensador de reserva de energia (C2), durante os períodos de condução do componente (3), permite escolher para esta resistência (R2) uma resistência de valor elevado e portanto minimizar as perdas devidas a uma desadaptação eventual entre o valor da corrente de baixo consumo e o valor da corrente que circula nesta resistência. O facto de este dispositivo de alimentação compreender, além disso, esses meios para carregar o condensador de reserva de energia (C2) durante os períodos de condução do componente permite, uma auto-adaptação do sistema, que transfere, em cada comutação, a energia de que precisa, e permite um funcionamento no qual os períodos de bloqueio do componente são relativamente curtos (evidentemente fora do período de bloqueio que precede o arranque, que é mais longo e que permite por isso uma carga do condensador (C2), por intermédio do seu circuito de carga durante os períodos de bloqueio, suficiente para assegurar a primeira colocação do componente em condução).

Descreve-se agora o funcionamento dos meios para carregar o condensador de reserva de energia (C2), durante os períodos de condução do referido componente, com referência às fig. 1 e 2.

Quando o componente (3) se fecha, o condensador (Cl) (que se carrega através do referido circuito oscilante durante os períodos em que o componente está bloqueado) descarrega-se através da indutância (L), segundo um regime oscilante. A corrente I na indutância (L) é então uma porção de arco da sinusoide com um semi--período T/2 = π.νϊΧΪ. A tensão VC1 nos terminais do condensador (Cl), com a referência VC1, teria tendência para se inverter. Mas em t = tl, VCl atinge -VC2 (onde VC2 designa a tensão nos terminais do condensador (C2), e VA designa a tensão de alimentação obtida nos terminais do díodo de Zener DZ1, com VC2 próximo de VA) e o díodo (Dl) toma-se condutor. A indutância (L) desmagnetiza--se então pela malha (L-D1-C2). Esta desmagnetização efectua-se sob uma tensão constante, em primeira aproximação, e a corrente na indutância (L) diminui linearmente até se anular.

Em t = tl + t2, a corrente na indutância (L) é nula e toda a energia armazenada inicialmente no condensador (Cl) (ou seja, 1/2.C1.E2, onde E designa a tensão que aparece nos terminais do componente no estado de bloqueado) foi transferida para o condensador (C2). A potência correspondente fornecida por este dispositivo de alimentação é pois: 7

Pa - l/2.Cl.E2.f (onde f designa a frequência de comutação do componente).

Cada comutação do componente desencadeia assim uma recarga do condensador de reserva de energia (C2) e fomece-se em cada colocação em condução a energia necessária para o comando.

Em numerosos casos de aplicação, a tensão de bloqueio E do componente varia dentro de um intervalo muito grande (caso da tracção eléctrica, por exemplo). A capacidade do condensador (Cl) deve pois ser calculada para fornecer a energia necessária para a colocação do componente em condução, no caso de a tensão E ser mínima (igual a Emin).

Sendo a potência a fornecer pelo circuito de comando igual a

Pa = VA2.Ce.f w onde Ce designa a capacidade de entrada do componente, a capacidade do condensador (Cl) deve pois verificar a relação:

Cl - 2.Ce (YA.Emm):.

Pelo contrário, para cada uma tensão E maior que Em;n, o excedente de energia, que cresce com o quadrado da tensão, deve ser dissipado no circuito de alimentação, o que é em particular penalizador para o regulador (DZ1).

Mas podemos limitar as perdas no regulador (DZ1), utilizando a saturação da indutância (L) e prevendo, além disso, no referido circuito oscilante, uma resistência (Rl) de valor escolhido igual, ou próximo da resistência crítica RI = 2. ^Lsat /Cl do circuito oscilante formado pelos elementos Lsat (valor no estado de saturação de (L)) e (Cl), a fim de ter um regime amortecido deste circuito quando a indutância (L) está saturada. 8

Assim, para E = E^n, a indutância (L) é dimensionada de modo que a transferência da energia do condensador (Cl) para a indutância (L) se verifique antes da saturação desta última; a resistência (Rl) está então muito longe do valor da resistência crítica do circuito e o regime é oscilante. Pelo contrário, para E > Emin, o valor da indutância (L) cai e o regime do circuito é amortecido, sendo o excedente de energia dissipado na resistência (Rl).

Lisboa, 10 de Maio de 2000

Rua do Salitre, 195, r/c-Srt.. 1250 LISBOA

Claims (7)

1 Reivindicações 1. Dispositivo de alimentação de circuito de comando (2) de componente interruptor de potência (3), a partir da tensão que aparece nos terminais deste componente no estado de bloqueado, compreendendo o dispositivo um condensador de reserva de energia (C2) e, além disso, meios (L, Cl, Dl) para carregar o referido condensador de reserva de energia durante os períodos de condução do referido componente, sendo o referido dispositivo de alimentação caracterizado por os referidos meios para carregar o condensador de reserva de energia durante os períodos de condução do referido componente compreender: - um circuito oscilante (L, Cl), ligado aos terminais do referido componente, - um elemento, denominado de derivação (D 1), que permite ligar o referido condensador de reserva de energia (C2) aos terminais da indutância (L) do referido circuito oscilante, uma vez que, quando se põe o referido componente em condução, a energia armazenada no condensador (Cl) do referido circuito oscilante, durante os períodos de bloqueio do referido componente, foi transferida para a referida indutância (L).

2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender, além disso, meios suplementares (R2, D2, C2) para alimentar o referido circuito de comando no arranque.

3. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 e 2, caracterizado por os referidos meios suplementares para alimentar o referido circuito de comando no arranque compreenderem meios para carregar o referido condensador de reserva de energia (C2) durante os períodos de bloqueio do referido componente.

4. Dispositivo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 3, caracterizado por, apresentando o referido circuito de comando dois estados de consumo possíveis, um de forte consumo, nos instantes da colocação do componente referido em condução, e o outro, de baixo consumo, fora destes instantes, este dispositivo compreende, além disso, um primeiro circuito de alimentação (R2, D2, R3, DZ1), ligado aos terminais do referido componente e que fornece uma corrente denominada de baixo consumo, durante os períodos de bloqueio do referido componente, e um segundo circuito de alimentação (C2, R3, DZ1), ligado aos terminais do referido condensador de reserva de energia e que fornece uma corrente denominada de grande consumo, nos instantes de colocação do referido componente em condução, ou de consumo reduzido durante os períodos de condução do referido componente.

5. Dispositivo de acordo com as reivindicações 3 e 4, caracterizado por o referido primeiro circuito de alimentação incluir os referidos meios para carregar o condensador de reserva de energia durante os períodos de bloqueio do refendo componente.

6. Dispositivo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 5, caracterizado por compreender, além disso, meios (R3, DZ1) de regulação de tensão, que fornecem a tensão de alimentação do referido circuito de comando a partir da tensão nos terminais do referido condensador de reserva de energia.

7. Dispositivo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 6, caracterizado por, sendo o valor da tensão que aparece nos terminais do componente no estado de bloqueado susceptível de variar num certo intervalo, a indutância (L) do referido circuito oscilante é dimensionada de modo que a transferência da energia 3 do condensador (Cl) deste circuito oscilante para esta indutância (L) tenha lugar, antes da saturação desta última, para o valor mínimo desta tensão e, depois da saturação desta última, para um valor desta tensão eléctrica superior a este valor mínimo, e por o referido circuito oscilante compreender, além disso, uma resistência (R1) de valor igual ou próximo da resistência crítica deste circuito oscilante, para o valor no estado saturado da referida indutância (L). Lisboa, 10 de Maio de 2000

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