As instalações industriais são ambientes barulhentos, tanto do ponto de vista acústico quanto elétrico, com o zumbido de inversores solares, o rugido de grandes motores elétricos de alta tensão e o ruído constante de sistemas de climatização (HVAC). Além de toda essa variedade de equipamentos, que são propensos a emitir interferência eletromagnética (EMI), os engenheiros precisam de fontes de alimentação DC de baixa tensão e confiáveis para operar componentes essenciais, como controladores, sensores e links de comunicação. Tradicionalmente, isso requer um transformador abaixador para converter a entrada AC para uma tensão mais baixa, seguido por um retificador e um regulador, seja chaveado ou linear, para obter de 5VDC a 48VDC.
Infelizmente, essa abordagem costuma ser volumosa e cara. Componentes magnéticos, como transformadores, são grandes, enquanto os reguladores lineares são geralmente ineficientes. Embora os reguladores chaveados ofereçam maior eficiência, ambos podem exigir dissipadores de calor e introduzir EMI adicional, o que demanda filtragem extra na forma de componentes magnéticos, como indutores (chokes).
No entanto, uma alternativa moderna está surgindo. Conversores integrados baseados em carbeto de silício (SiC) estão redefinindo o projeto das fontes de alimentação auxiliares. Este artigo explora como esses dispositivos compactos e eficientes podem fornecer até 48W sem a necessidade de dissipadores de calor, simplificando o projeto e, consequentemente, reduzindo custos e espaço nos sistemas industriais.
FETs de Alta Tensão
Outra opção para obter energia DC auxiliar é utilizar um transistor de efeito de campo (FET) de alta tensão que possa operar diretamente da alimentação AC (Figura 1).
Para projetistas que buscam implementar essa solução, a ROHM Semiconductor oferece uma variedade de dispositivos que priorizam eficiência, confiabilidade, baixo consumo de energia em standby e segurança. Entre eles estão os transistores MOSFET de silício (Si-MOS) classificados para 730V ou mais. Como mostrado na Figura 2, a arquitetura interna dos modelos de 730V/800V separa o MOSFET de potência, o circuito de inicialização e o circuito de controle para proporcionar alta imunidade a ruídos.
Uma adição recente à linha de produtos da ROHM é a série BM2SC12xFP2, que integra um MOSFET de SiC com um controlador quase-ressonante (QR) para aumentar a eficiência e reduzir a EMI. Uma das versões, em um encapsulamento de montagem em superfície (SMD) TO263, inclui um MOSFET de SiC de 1.700V com uma resistência dreno-fonte (RDS(on)) de 1,12W. Ele também possui um gate driver interno e circuitos de controle, eliminando a necessidade de componentes externos. Essa abordagem não apenas reduz os custos da lista de materiais (BOM) e o espaço na placa de circuito impresso (PCB), mas também minimiza a indutância de loop tipicamente introduzida por gate drivers externos, diminuindo assim as perdas de comutação.
A Figura 3 ilustra quatro possíveis implementações de uma fonte de alimentação auxiliar utilizando dispositivos Si-MOS e SiC. As barras horizontais azuis representam a potência de saída alcançável sem um dissipador de calor, enquanto as barras cor-de-rosa indicam a faixa em que um dissipador de calor é necessário. No topo, um projeto que usa doze componentes discretos pode operar a aproximadamente 8W sem um dissipador de calor e aumenta para 25W quando um é adicionado.
O projeto na parte inferior da Figura 3 destaca a eficiência de um único BM2SC121FP2 em um encapsulamento TO263, fornecendo impressionantes 48W de potência sem a necessidade de um dissipador de calor. A série integrada BM2SC12xFP2 é a escolha ideal para projetos compactos onde a minimização do tamanho, custo e manutenção do dissipador de calor é crucial.
Observando a segunda linha da Figura 3, um dispositivo Si-MOS de 1.500V com componentes adicionais pode atingir 12W de saída sem dissipador e até 100W com um. A terceira linha destaca um dispositivo BM2SC12xFP2 em um encapsulamento TO220 com terminais, capaz de alcançar 100W com um dissipador de calor e 36W sem ele. Embora impressionante, isso ainda fica aquém dos 48W que a versão SMD pode oferecer sem dissipador de calor.
Comutação Quase-Ressonante (QR)
Uma característica de destaque da série BM2SC12xFP2 é o uso da comutação quase-ressonante (QR) em vez da tradicional modulação por largura de pulso (PWM). A comutação QR possibilita o soft-switching (comutação suave), permitindo que as transições ocorram em pontos de corrente zero ou de baixa tensão no ciclo de comutação para minimizar picos de tensão, ruído e interferência, o que simplifica o projeto do filtro.
A série BM2SC12xFP2 alcança a comutação QR através do controle de gate integrado, o que elimina oscilações e garante uma operação estável. Essa integração também reduz a necessidade de componentes externos, possibilitando projetos mais simples e compactos. Além disso, a comutação QR melhora o desempenho térmico, contribuindo para a capacidade da versão SMD de fornecer até 48W sem um dissipador de calor.
Kits de Avaliação
Para acelerar o desenvolvimento de fontes de alimentação auxiliares, a ROHM oferece uma variedade de placas de avaliação, incluindo opções para a série de conversores PWM BM2P06xMF-Z, que suportam saídas de 5V, 12V ou 24VCC a partir de uma gama de tensões de entrada. Por exemplo, a placa de avaliação BM2P060MF-EVK-001 (Figura 4) possui um conversor BM2P061MF-Z com controlador PWM e MOSFET de comutação de 650V em um encapsulamento SOP-20A. Esta placa pode fornecer até 1,67A a 24V a partir de uma tensão de entrada de 90V a 264VCA.
Para auxiliar ainda mais os projetistas, a ROHM oferece uma ferramenta de projeto de conversores AC/DC que simula o comportamento do circuito e exibe formas de onda para verificar a operação antes da prototipagem. Planilhas de cálculo automatizadas também estão disponíveis para gerar os principais parâmetros de projeto para topologias QR e buck.
Conclusão
Fontes de alimentação auxiliares são usadas para energizar controladores, sensores, registradores de dados e dispositivos de comunicação em uma ampla gama de aplicações, desde equipamentos industriais trifásicos de 400V, sistemas de energia renovável e robótica, até sistemas industriais de HVAC e fontes de alimentação ininterrupta (no-breaks), bem como bombas, elevadores, transportadores e guindastes.
Para atender a essas necessidades, a ROHM Semiconductor oferece um portfólio abrangente de soluções de conversão AC/DC, que incluem controladores PWM e QR, FETs de potência e soluções totalmente integradas que combinam FETs, controladores e gate drivers para simplificar os projetos. Os principais produtos incluem a série BM2SC12xFP2, que integra um FET de SiC e um controlador QR. Uma variante de montagem em superfície (SMD) dessa série pode operar diretamente a partir de uma fonte de alimentação AC de alta tensão e fornecer até 48W de energia DC sem um dissipador de calor, ajudando os engenheiros a reduzir tanto os custos do sistema quanto o espaço na placa em projetos de fontes de alimentação auxiliares.
Artigo escrito por Rick Nelson e publicado no blog da Mouser Electronics: SiC Converters: Redefining Auxiliary Power in Harsh Environments
Traduzido pela Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados
