Ola!
Na primeira parte desse tutorial, vimos um pouco sobre mosfet's, seus principio básico de funcionamento e características.
Não falei muito sobre IGBT's no post passado, mas acontece que na verdade um IGBT (Transistor Bipolar de Gate Isolado) nada mais é do que um Mosfet comandando a Base de um TBJ (Transistor Bipolar de Junção).
Por que você usaria um mosfet pra acionar um transistor Bipolar? Simples... Mosfets são componentes incríveis, extremamente eficientes, porem tem que operar estritamente dentro das especificações! Já os transistores Bipolares são mais robustos.
Então basicamente o IGBT junta o melhor dos dois mundo em um componente muito bem balanceado entre custo x Beneficio. Isso se traduz no fato de que IGBT's são mais baratos, tem um processo de fabricação mais simples, maior durabilidade e suportam melhor estresses gerados por overload, a densidade de corrente é maior e podem operar em tensões até duas vezes e meia maiores que os mosfets de potencia disponíveis no mercado! Como nem tudo são flores, eles são mais lentos, a eficiência também é menor em alguns casos.
Enfim, prosseguindo: Nesse post vamos focar especificamente nos Drivers, seus princípios básicos de funcionamento, bem como alguns circuitos de drivers mais simples, mas muito funcionais!
Vimos no post passado que quando queremos usar um mosfet como elemento chaveador, temos que evitar ao máximo as zonas transitórias e colocar o componente nas zonas de corte e saturação o mais rápido possível.
Então precisamos de um driver que seja capaz não só de fornecer uma tensão adequada e corrente suficiente, mas que seja capaz de drenar essa corrente também (o gate do Mosfet se comporta como um "capacitorzinho" lembra?)!
Então nada de ligar um pino do Arduino no gate de um mosfet e achar que já pode usar PWM pra acionar um motor de partida de um Gol quadrado!
Alguns componentes conseguem acionar mosfets adequadamente, mas temos que ficar atentos as especificações, pois certos componentes tem capacidade de fornecer corrente, mas não de drenar, outros tem capacidade de Drenar mas não de fornecer corrente suficiente para que a velocidade de resposta do componente não seja afetada (esse é o caso dos pinos de saída da maioria das placas de Arduino).
Uma topologia de driver muito utilizada é um arranjo de transistores na configuração Push-Pull.
O nosso sinal entra pela Entrada "Signal" e é utilizado para excitar a base dos transistores, de maneira que sempre que o sinal for "1" (nível Lógico Alto) o Transistor Q1 conduz, ligando nossa saída OUT a fonte V1 e sempre que o sinal for 0 (nível lógico Baixo) quem conduz é Q2, ligando nossa saída OUT ao GND.
Com o nosso buffer de corrente pronto, precisamos adicionar mais alguns elementos no circuito, para garantir que o Mosfet seja polarizado corretamente.
O resistor R1 serve para duas coisas: Dar uma limitada na corrente de carga do capacitor de Gate do mosfet e amortecer a oscilação gerada pelo efeito de "Ringing", esse fenômeno acontece por que a capacitor do gate pode sofrer influencia de uma indutância parasita formando um oscilador LC, essa oscilação interfere na dissipação de energia e rendimento do circuito pois o mosfet pode não saturar ou não corta totalmente, em ambos os casos um Resistor no Gate ajuda a estender a vida útil do componente. O valor de R1 deve ser baixo,geralmente se usa menos de 20 Ohms, mas dependendo da frequência e da potencia do circuito é recomendado dimensionar-lo adequadamente, existem manuais de cálculos que podem ser encontrados facilmente no google.
O Diodo D1 também desempenha um papel importante, por que quando Q2 conduz o capacitor intrínseco do gate começa a se descarregar, sem o Diodo D1 essa descarga ocorreria pelo resistor R1 o que retardaria o processo de descarga prologando o tempo em que o Mosfet fica na zona transitória entre a saturação e o corte, nesse caso D1 serve como um By-pass, permitindo escoar a corrente do Gate "contornando" R1, o que acelera o desligamento do Mosfet.
O gate de um Mosfet tem um impedância altíssima! Isso pode gerar um problema quando desenergizamos o circuito, se um transistor estava em condução no momento em que o circuito foi desligado, esse transistor vai se manter em condução, já que a carga no Gate não tem por onde escoar, isso pode gerar um curto-Circuito ou o acionamento indevido de uma carga na próxima vez que você ligar o circuito, pois o transistor já estará em condução.
Para evitar isso colocamos o resistor R2, ele conecta o Gate ao Source e assim escoa a carga residual acumulada no Gate sempre que desenergizamos o circuito, o valor de R2 pode ser alto, geralmente se usam valores entre 10 e 100 Kilo Ohm's.
Com isso aprendemos o funcionamento básico de um dos circuitos de driver mais comum que existe, porem se repararem bem vão ver que o Transistor Q1 esta polarizado na configuração Seguidor-Emissor, isso significa que não importa qual o valor da fonte V1, a tensão máxima na saída OUT que sera aplicada ao Gate do mosfet sera a tensão do sinal na entrada SIGNAL.
Então por exemplo, se você esta usando um Arduino para gerar o sinal de entrada e esta usando uma Fonte V1 de 12 Volts, a tensão no Gate do Transistor sera no Máximo a tensão de saída do pino do Arduino (geralmente 5 Volts), o que pode não saturar completamente o Mosfet, ja que a maioria dos mosfets de potencia saturam com cerca de 12 volts de VGS (alguns comportam até 20 volts, então verifique o Datasheet do componente para para ter certeza sobre esses parâmetros).
Para corrigir isso, podemos adicionar um "pré-Estagio" (com transistores também) que vai elevar o nível da Entrada SIGNAL, igualando-o com a tensão de V1.
Agora imaginem que queremos montar uma Ponte H com mosfets! Precisamos comandar o gate dos mosfets da parte Alta e da parte Baixa da ponte.
Veja a figura logo abaixo....
Para a ponte H funcionar Bem, os mosfets Q1 e Q4 devem conduzir ao mesmo tempo fazendo a corrente circular em um sentido, para inverter o sentido da corrente na carga basta os mosfets Q2 e Q3 conduzirem ao mesmo tempo... Em hipótese nenhuma as duplas Q1 e Q3 ou Q2 e Q4 devem conduzir ao mesmo tempo! Isso vai danificar a sua fonte ou no minimo queimar os mosfets!
Para os mosfets da parte baixa (Q3 e Q4) podemos simplesmente usar o driver que vimos acima.
Porem para os mosfets da parte alta, a coisa muda um pouco de figura, isso por que para exitar o transistor temos que aplicar uma determinada tensão entre o Gate e o Source (VGS), ou seja VGS = Vgate - Vsource.
digamos que o nosso driver forneça 12 Volts, para os mosfets da parte baixa o source esta conectado ao GND (potencial Zero) logo VGS = 12 - 0 = +12V.
Já para os mosfets da parte alta (Q1 e Q2) temos um fenômeno que dificulta as coisas um pouco, quando eles começarem a conduzir, sua resistência interna vai diminuir e o potencial do Source vai se aproximar do valor da fonte V1, então teremos VGS = 12 - Vs sendo que Vs =~ V1.
Se V1 for próximo do valor da tensão de saída do nosso drive (12 volts no exemplo acima) o mosfet pode ficar preso dentro da zona transitória, o que vai prejudicar o fornecimento de energia para a carga e fazer o transistor esquentar até queimar. Se V1 for maior que a tensão de saída do Driver o mosfet pode nem sequer chegar a conduzir!
Existem varias maneira de solucionar esse problema, sabemos que precisamos de uma fonte flutuante que esteja referenciada ao Source do Mosfet.
Um jeito de resolver isso é usar uma fonte completamente isolada para os mosfets da parte alta, isso é até recomendado por medidas de segurança dependendo da potencia e da tensão com a qual sua ponte H esta trabalhando. Mas para projetos mais simples, por vezes não é necessário e nem sequer compensa o esforço/custo envolvido.
Outra solução mais simples é usar um circuito de Bootstrap! Similar ao que temos a baixo:
Note que temos a nossa fonte V1, ela deve ter uma tensão equivalente ao que queremos aplicar no Gate do Transistor (12 Volts por exemplo), todo o nosso circuito esta alimentado por meio do Diodo Db, inclusive capacitor Cb que vai se carregar com 11,3V (12v - 0,7v que cai no diodo Db)... Quando acionarmos o Mosfet, ele entrará em condução e a tensão em seu terminal de source começara a subir até se aproximar do valor da fonte V2, ai vem o pulo do gato!
Note que o outro terminal do capacitor esta conectado a linha do source do mosfet (nossa referencia), conforme a tensão ali aumenta a tensão VCb aumenta proporcionalmente, então é como se estivéssemos somando o potencial da fonte V1 armazenado no capacitor Cb através do diodo Db ao potencial da fonte V2 que alimenta o barramento DC nossa ponte H. Em referencia ao GND na pratica temos ali V2 + 11,3v (o suficiente para disparar nosso mosfet).
O Diodo Db impede que essa tensão gerada no circuito de bootstrap se espalhe para o resto do circuito da fonte (já que ele conduz em apena um sentido), isso é importante por que em referencia ao GND do circuito a tensão gerada pelo circuito de Bootstrap sera igual a V2 + V1-0,7 o que pode danificar muita coisa se essa tensão toda chegar onde não deve.
O Optocoupler não é necessário, pode se usar um transistor ali (sem isolamento Óptico), porem é necessário ter cuidado no dimensionamento dos componentes, a tensão de trabalho desse circuito vai ser sempre V2 + V1 - 0,7 (na parte que temos referencia ao GND) se V2 for 120 Volts por exemplo (tensão de saída tipica de um Inversor de voltagem desses mais simples) todos os componentes do circuito de Bootstrap deverão ser dimensionados para no minimo 140 Volts.
Com isso já temos como comandar a parte alta e parte baixa da nossa Meia-Ponte, para fazer uma Ponte H completa basta unir dois desses circuitos
Pode parecer complexo olhando o circuito por inteiro, mas vimos que seu funcionamento é relativamente simples, e funciona muito bem para PWM... Em breve pretendo ensinar como fazer um Inversor DIY, senoide Pura usando esse tipo de circuito!
Pra quem achou que pode ser trabalhoso montar todo esse driver pode apelar para alguns circuitos integrados projetados especialmente para comandar o gate de Mosfets e IGBT's, tipo o IR2110, que basicamente tem todo esse circuito ai dentro dele, sendo necessário apenas adicionar o capacitor e diodo de Bootstrap!
E o melhor, ele já vem todo dimensionado para lidar com barramentos de até 500 Volts DC (600 Volts no caso do IR2113), fora outras vantagens, como o fato dele ter portas Schimitt-Trigger nas entradas, proteção contra Under-Voltage, etc.
O diagrama de Blocos dele pode ser visto abaixo:
Com 2 deles você já consegue montar sua ponte H!
Bom, por hoje é isso! Espero que tenham gostado, caso tenham alguma duvida, sugestão ou correção deixem ai a baixo nos comentários!
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