Detalhamento de Semicondutores
Tens ˜ao m ´axima a suportar 198 V
Corrente RMS a suportar 3,05 A
MOSFET utilizado IRFP450
Tens ˜ao m ´axima entre dreno e source 500 V Corrente cont´ınua suportada em 25◦C 14 A
Per´ıodo de chaveamento 10 µS
Corrente RMS na ponte retificadora 2,33 A Tens ˜ao reversa m ´axima na ponte secund ´aria 100 V Diodos para alta frequ ˆencia escolhidos MUR1560 Corrente m ´edia suportada em 150◦C 15 A Tens ˜ao reversa m ´axima suportada 600 V
Tabela 4: Escolha de chaves semicondutoras e ponte retificadora de alta frequ ˆencia. Fonte: Autoria pr ´opria.
3.2 PROJETO DE COMPONENTES MAGN ´ETICOS
Sendo um dos elementos de maior import ˆancia no desempenho do conver-sor, o projeto destes componentes deve ser ter cuidado para que estes n ˜ao operem fora das suas regi ˜oes lineares, nem ultrapassem determinada temperatura em regime permanente de operac¸ ˜ao. O projeto dos n ´ucleos magn ´eticos foi realizado visando a possibilidade de execuc¸ ˜ao, necessitando de que se dimensione considerando tamb ´em o custo do componente e o volume final ocupado na placa.
Nos itens abaixo, o projeto dos dois componentes magn ´eticos presentes no conversor half-bridge ser ˜ao detalhados.
3.2.1 O TRANSFORMADOR DE ALTA FREQU ˆENCIA
Seguindo o m ´etodo de projeto do fabricante Magnetics (s.d.), a escolha do material ´e feita de acordo com o produto das ´areas de janela de enrolamento dis-pon´ıvel (Wa) e sec¸ ˜ao transversal do n ´ucleo (Ac).
WaAc= Pout
KtBmaxfswJ[cm
4] (38)
Ap ´os a definic¸ ˜ao do n ´ucleo, o n ´umero de espiras do lado prim ´ario s ˜ao calcu-ladas pela equac¸ ˜ao 39, as espiras do lado secund ´ario s ˜ao definidas a partir da relac¸ ˜ao
3.2 Projeto de Componentes Magn ´eticos 45
de transformac¸ ˜ao, apresentada pela equac¸ ˜ao 40.
NP = VinDmax
4BmaxACfsw ∗ 108 (39)
NS = VS
VP ∗ NP (40)
O efeito pelicular imp ˜oe certo cuidado no projeto de componentes magn ´eticos, e devido a este fen ˆomeno, a corrente se distribui nas periferias do condutor, causando uma reduc¸ ˜ao na sec¸ ˜ao transversal ´util do fio. A relac¸ ˜ao entre a frequ ˆencia da corrente e a profundidade de penetrac¸ ˜ao pode ser calculado pela equac¸ ˜ao 41.
∆ = √7.5 fsw
[cm] (41)
A ´area m ´axima do(s) condutor(es) ´e calculada a partir da profundidade de penetrac¸ ˜ao:
Amax = π∆2[cm2] (42)
Deve-se utilizar condutor(es) com sec¸ ˜ao menor ou igual ao calculado em 42 para que a corrente ocupe toda a ´area ´util.
Adotando uma densidade de corrente (J ) nas bobinas de acordo com a necessidade de projeto, calcula-se a sec¸ ˜ao transversal necess ´aria do condutor para conduzir a corrente do enrolamento.
Sf io = IRM S J [cm
2] (43)
No entanto a sec¸ ˜ao necess ´aria de conduc¸ ˜ao de corrente determinada por 43 pode ser superior a ´area m ´axima definida pelo efeito peculiar. Neste caso, ´e im-portante associar um n ´umero de condutores menores em paralelo para satisfazer as condic¸ ˜oes de temperatura e penetrac¸ ˜ao de corrente. O n ´umero de condutores em paralelo ´e definido pela equac¸ ˜ao .
ncondutores= Sf io Amax
(44) A ´area total ocupada pelas bobinas prim ´aria e secund ´aria ´e calculada pela equac¸ ˜ao 45. Caso o n ´ucleo escolhido n ˜ao possua a ´area de janela necess ´aria para
3.2 Projeto de Componentes Magn ´eticos 46
comportar as bobinas, um n ´ucleo de maiores dimens ˜oes ´e necess ´ario. O conversor em quest ˜ao utiliza dois enrolamentos secund ´arios id ˆenticos que deve ser levado em considerac¸ ˜ao no c ´alculo.
Wa= NPAmax,P + 2 ∗ NSAmax,S
K [cm
2] (45)
O projeto do transformador ´e feito de acordo com as equac¸ ˜oes entre 38 e 45, os dados de projeto est ˜ao apresentados na tabela 5 e as caracter´ısticas do transformador implementado na tabela 6.
Par ˆametro Especificac¸ ˜oes para Projeto
Pot ˆencia de sa´ıda 150 W
Duty Cycle m ´aximo 0,5
Densidade de corrente 450 A/cm2
Fluxo Magn ´etico m ´aximo 0,255 T (2,55 kGauss) Frequ ˆencia de chaveamento 50 kHz
Constante de topologia (Kt) 0,0014 Constante de formato (K) 0,4
Tens ˜ao m ´axima/m´ınima no Prim ´ario 99 V/81 V Corrente RMS na bobina prim. 3,49 A Corrente RMS nas bobinas sec. 2,12 A
Tabela 5: Par ˆametros de projeto para o Transformador de alta frequ ˆencia. Fonte: Autoria pr ´opria.
O n ´ucleo escolhido foi de geometria EE sem gap oferecidos pelo labo-rat ´orio. As caracter´ısticas do transformador constru´ıdo est ˜ao descritos na tabela 6.
3.2.2 OS FILTROS INDUTIVOS DE SA´IDA
A construc¸ ˜ao dos filtros indutivos de sa´ıda do conversor segue uma meto-dologia para projeto e execuc¸ ˜ao da fabricante Magnetics (s.d.), fornecendo um m ´etodo gr ´afico para escolha do material adequado de acordo com a energia armazenada no campo magn ´etico (LI2). No entanto, para cada n ´ucleo EE variando em di ˆametro e espessura para uma condic¸ ˜ao de fluxo magn ´etico constante, o fabricante disponibi-liza um coeficiente AL caracter´ıstico, sendo utilizado apenas o valor de indut ˆancia do projeto para o c ´alculo do n ´umero de espiras, a equac¸ ˜ao 46.
3.2 Projeto de Componentes Magn ´eticos 47
Par ˆametro N ´ucleo Implementado
Fabricante Thornton Eletr ˆonica Ltda.
Modelo do N ´ucleo NEE-55/28/25-IP12E
´
Area enrolamento/ ´Area da janela 3,54/2,50 cm2 Permeabilidade inicial (µi) 2300
Densidade de Fluxo 0,510 T (5,10 kGauss)
NP rimario 41
NSecundario 28
Bitola do Fio Prim ´ario/Secund ´ario AWG 24/AWG 24 Nro. de Fios em Paralelo Prim./Sec. 3/4
´
Area da janela utilizada 1,82 cm2 (73%) Indut ˆancia de dispers ˜ao (prim ´ario) 3,35 µH
Indut ˆancia de Magnetizac¸ ˜ao 4,552 mH
Tabela 6: Dados do N ´ucleo Magn ´etico e caracter´ısticas para construc¸ ˜ao do Transforma-dor.
Fonte: Autoria pr ´opria.
N =r L
AL (46)
Foi considerado uma variac¸ ˜ao de corrente m ´axima no indutor de 20% da corrente de carga com o conversor trabalhando em modo de conduc¸ ˜ao cont´ınua, e para atender este quesito, ´e necess ´ario uma indut ˆancia m´ınima de 606 µH de acordo com a equac¸ ˜ao 5.
O projeto das dimens ˜oes dos elementos magn ´eticos segue o mesmo m ´etodo de escolha do n ´ucleo utilizado no cap´ıtulo 3.2.1. Ap ´os determinado as dimens ˜oes m´ınimas necess ´arias, uma comparac¸ ˜ao de entre elementos magn ´eticos dispon´ıveis foi realizada para a escolha do mais adequado para construc¸ ˜ao. O modelo encon-trado poss´ıvel de ser executado utilizado no prot ´otipo bem como as especificac¸ ˜oes dos fios est ˜ao descritos na tabela 7.
Considerando a descarga da energia armazenada no campo magn ´etico em condic¸ ˜oes de carga m´ınima, foi estabelecido um valor de tens ˜ao m ´axima toler ´avel para a operac¸ ˜ao do filtro capacitivo, e assim p ˆode ser projetado utilizando a equac¸ ˜ao 8 respeitando o c ´alculo de capacit ˆancia versus ripple m´ınimo estabelecido por 7. Os dados de c ´alculo para o filtro capacitivo est ˜ao dispostos na tabela 8.