Aulas Liberato Do professor Irineu cursofontes UFSC

Texto

(1)

Projeto de Fontes Chaveadas

Universidade Federal de Santa Catarina

Universidade Federal de Santa Catarina

Departamento de Engenharia Elétrica

Departamento de Engenharia Elétrica

Instituto de Eletrônica de Potência

Instituto de Eletrônica de Potência

Prof. Alexandre

(2)

Programa

Programa

1

a

Semana:

• Introdução

• Capítulo I – Retificador e Filtro de Entrada

• Capítulo II – Fontes Chaveadas do Tipo Flyback

• Capítulo III – Fontes Chaveadas do Tipo Forward

• Capítulo IV – Fontes Chaveadas do Tipo Half-Bridge, Full Bridge e

Push-Pull

(3)

Programa

Programa

2

a

Semana:

• Capítulo VI – Circuitos de Comando para Transistores de Potência

• Capítulo VII – Circuitos de Comando para Fontes Chaveadas

• Capítulo VIII – Resposta Transitória e Estabilidade

• Capítulo IX – Interferência Eletromagnética em Fontes Chaveadas

(4)

Introdução a Fontes

Introdução a Fontes

Chaveadas

Chaveadas

Fonte de

Alimentação

Rede CA

- Computadores e microcomputadores;

- Periféricos (impressoras, terminais, ...);

CC

- Telecomunicações;

- Equipamentos médicos e militares;

- Aviões e satélites;

- Fontes de alimentação para circuitos de comando de conversores.

Fonte de Alimentação: - Linear

(5)

Introdução a Fontes

Introdução a Fontes

Chaveadas

Chaveadas

Fonte Linear: Transformador de baixa freqüência, ponte retificadora, filtro capacitivo e regulador linear série.

• Elevada robustez e confiabilidade.

• Baixo custo.

• Simplicidade de projeto e operação.

• Elevado peso e volume.

• Baixo rendimento (reguladores lineares).

• Limitação na regulação.

• Geração de componentes harmônicas na corrente de entrada,

resultando um baixo fator de potência.

• Atualmente limitam-se à aplicações de baixa potência (simplicidade

(6)

Início do desenvolvimento: década de 60 em programas

espaciais.

• Avanço da microeletrônica e a necessidade de compactação dos

equipamentos aliado a baixo consumo difundiu o uso das fontes

chaveadas.

• Substituiu as Fontes Lineares.

Introdução a Fontes Chaveadas

(7)

Introdução a Fontes Chaveadas

• Características das

Fontes Chaveadas:

- Maior rendimento;

!

- Elevada densidade de potência: menor volume e peso;

!

- Grande capacidade de regulação;

!

- Possibilidade de operar com fator de potência unitário;

!

- Menos robusta e resposta transitória lenta;

"

- Ondulação na tensão de saída;

"

- Interferência radioelétrica e eletromagnética;

"

- Maior número de componentes;

"

(8)

Introdução a Fontes Chaveadas

Esforços dos pesquisadores para diminuir as desvantagens das Fontes Chaveadas: - Nível teórico (topologias, comutação, controle, modulação, ...);

- Otimização dos projetos;

- Fabricantes de componentes (circuitos integrados dedicados, semicondutores, ...).

Avanço dos semicondutores:

- Década de 70: Transistor Bipolar com freqüências de até 20kHz;

- Década de 80: MOSFET (baixa potência) e diodo ultra-rápido com freqüências de até 100kHz;

- Recentemente: Fontes com comutação suave podendo operar na faixa dos MHz,

(9)

Introdução a Fontes Chaveadas

• Configuração usual de uma Fonte Chaveada

:

Filtro de Rádio Freqüência

- Retificador - Filtro

- Proteções

Interruptor IGBT/ MOSFET

Transformador de Isolamento

- Retificadores - Filtros

Circuitos de Controle - Comando

(10)

Introdução a Fontes Chaveadas

• Desenvolvimento de uma Fonte Chaveada

:

- Técnicas p/ redução da interferência eletromagnética gerada;

- Métodos p/ a correção do fator de potência; - Conversores CC-CC;

- Teoria de controle e modelagem de conversores estáticos;

- Projeto de indutores e transformadores de alta freqüência;

- Semicondutores de potência e circuitos integrados dedicados;

- Projeto térmico;

- Circuitos de comando e proteção;

(11)

Introdução a Fontes Chaveadas

Etapas de Projeto

1. Especificar: - Tensão de entrada e saída; - Freqüência da rede;

- Tensões nominais, máxima e mínima da rede; - Ondulação de 120Hz na saída;

- Ondulação da saída na freqüência de comutação; - Hold-Up time;

- Temperatura ambiente; - Proteções exigidas; - Rendimento;

- Regulação de carga; - Regulação de linha; - Resposta transitória; - Tensão de isolamento;

(12)

Introdução a Fontes Chaveadas

• Etapas de Projeto

2. Definir: - Topologia do conversor; - Freqüência de comutação;

- Interruptor principal (IGBT, MOSFET, etc.);

- Isolamento (transformador de comando de base/gatilho, isolador ótico ou sensor hall no laço de realimentação);

3. Cálculo de Estágio de Entrada: - Retificador;

- Capacitor de filtragem;

- Limitação de corrente de pré-carga do capacitor de filtragem.

4. Projeto do Conversor

5. Cálculo do Transformador de Isolamento de Alta Freqüência

(13)

Introdução a Fontes Chaveadas

Etapas de Projeto

7. Circuito de comando de base ou gate

8. Projeto do circuito de compensação (estabilidade e resposta transitória)

9. Escolha do CI-PWM e cálculo dos componentes externos

10. Projeto dos circuitos de proteção

11. Cálculo da fonte auxiliar

(14)

Introdução a Fontes Chaveadas

1. Retificadores não Controlados (baixo FP)

1.1 Monofásico

i

vC

2

i

1

C

Conversor 110V

S

220V 2

1 2 D

vAC 1

D

3

D D4 C2

VCmin

ππππ 2π2π2π2π

0

Vpk

t1 t2

i I

p

vC

tc

t

ω ωω ω

t

ω ω ω ω

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 0.0%

9.2% 18.5% 27.7% 37.0% 46.2% 55.5% 64.7% 74.0% 83.2% 92.5%

(15)

Introdução a Fontes

Chaveadas

1. Retificadores não Controlados (b

aixo FP)

1.2 T

rifásico

-D 2

D1

D 6

V 1 V 2 D 3

V 3 D 4 D 5

C

R

V C

+ _

V C i 1

V 1

π

t

(16)

Introdução a Fontes Chaveadas

2. Retificadores Controlados (FP elevado)

2.1 Monofásicos: BOOST, BUCK, ...

Vs

CONVERSOR carga

(17)

Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro

de Entrada

Retificador Monofásico com Filtro Capacitivo

i

v

C

2

i

1

C

Conversor

110V

S

220V 2

1 2 D

vAC

1

D

3

D D4 C2

Operação em

Operação em

220 V e 110 V (

220 V e 110 V (

dobrador

dobrador

de

de

tensão

tensão

)

)

C

C C

C

C

=

+

1

2

1

2

220 V

220 V

(

2

)

min C 2

pk

in

C

V

V

2

1

2

W

=

W

P

f

(18)

Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro

de Entrada

V

Cmin

=

V

pk

cos(

2

π

f t

c

)

VCmin

π 2π

0

V pk

t1 t2

i I

p vC

t c

t

ω

t

ω

(

)

f

2

V

V

cos

arc

t

c Cmin pk

π

=

t

t

cc

= intervalo de condu

= intervalo de condu

çã

çã

o dos diodos ou tempo de recarga de C (equivalente)

o dos diodos ou tempo de recarga de C (equivalente)

Carga transferida para C

Carga transferida para C

V

C

t

I

Q

=

p c

=

c C pk

c p

t

V

V

C

t

V

C

(19)

Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro

de Entrada

C V

V

P

f

pk

C

in

(

2

min

2

)

=

C

P

f V

V

in

pk

C

=

(

2

min

2

)

Seja

Seja

I

IC1efC1ef -- valor eficaz da componente alternada da corrente ivalor eficaz da componente alternada da corrente i I

Imedmed -- valor mvalor méédio da corrente idio da corrente i I

Iefef --valor eficaz da corrente ivalor eficaz da corrente i

2 1 2

2

ef C med

ef

I

I

I

=

+

2 2

1ef ef med

C

I

I

I

=

I

I

t

T

med

=

p c

2

T

t

I

I

ef

=

p

2

c

2 2

2 1

2

2

=

T

t

I

T

t

I

I

C ef p c p c 2

(20)

Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro

de Entrada

EstEstáágio de entrada gio de entrada éé ligado ao conversor CCligado ao conversor CC--CC operando em alta CC operando em alta freq

freqüêüênciancia

2pk

I

T

T i

ωt

on 2

s

D

V

I

P

in

=

2pk Cmin

D

T

T

on

=

D

V

P

I

C in pk

min 2

=

Onde:

Onde:

Para

Para DDmaxmax=0,5=0,5

min 2

2

C in pk

V

P

I

=

min 2

2

2

C

in pk

ef

V

P

I

I

=

=

P

P

in

=

out

η

Logo:Logo: 2

1 2

2ef C ef

C

I

I

I

(21)

Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro

de Entrada

Grandezas ElGrandezas Eléétricas nos Diodos das Pontes Retificadorastricas nos Diodos das Pontes Retificadoras

I

P

V

Dmed

in

C

=

2

min

I

I

t

T

Def

=

p

c

pk

D

V

(22)

Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro

de Entrada

Exemplo Num

Exemplo Num

é

é

rico

rico

V

V

ACAC

= 117V ;

= 117V ;

V

V

ACminACmin

= 99V ;

= 99V ;

V

V

ACmaxACmax

= 135V

= 135V

f = 60Hz ;

f = 60Hz ;

V

V

CminCmin

= 100V ;

= 100V ;

ηηηη

ηηηη

= 0,7 ;

= 0,7 ;

P

P

outout

= 70W

= 70W

P

in

=

P

out

=

=

W

η

70

0 7

,

100

C

P

f V

V

in

pk C

=

(

2 min2

)

V

pk

=

2

V

A Cmin

=

2 99

=

140

V

a)

a)

b)

b)

V

V

pk

=

135

V

=

V

pk

V

Cmin

=

135 100

=

35

V

C

=

F

100

60 135

(

2

100

2

)

203

µ

F

C

(23)

Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro

de Entrada

c) c) d) d)

(

)

(

)

t

arc

V

V

f

arc

ms

c C pk

=

=

⋅ ⋅

=

cos

cos

,

min

2

100 135

2

60

1 954

π

π

I C V

t A p c = = ⋅ ⋅ ⋅ = − −

203 10 35

1 954 10 3 64

6

3

, ,

e)

e)

2

t f

c

= ⋅

2 1 954 10

,

3

60

=

0,2345

A

f

t

f

t

I

I

C1ef

=

p

2

c

(

2

c

)

2

=

3

,

64

0

,

2345

0

,

2345

2

=

1

,

54

f)

f)

1

A

100

100

V

P

I

min C in ef

2

=

=

A

I

I

I

C ef C ef

ef

1

1

,

54

1

,

84

2 2

2 1 2

2

+

=

+

=

=

g)

g)

h)

h) I I t

T A

Def = p c = ⋅

⋅ =

− − 3 64 1 954 10

16 666 10 1 25 3

3

, ,

(24)

Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro

de Entrada

i)

i)

j)

j)

k)

k)

I

P

V

A

Dmed in

C

=

=

=

2

100

2 100

0 5

min

,

V

Dmax

=

V

pk max

=

2

V

A Cmax

=

2 135 191

V

I

Dp

=

I

p

=

3 64

,

A

UFA !!

(25)

Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro

de Entrada

Simula

Simula

çã

çã

o Num

o Num

é

é

rica

rica

R

R

i vC

iC

2

D i

1

D

vA C

3

D D4

C

v

A C

( )

t

=

2 99

sen

(

377

t

)

C = 203 C = 203µµFF R = 100 R = 100ΩΩ

140V

130V

120V

110V

100V

vC

t

Vpk

VCmin

V

V

pkpk

≅≅≅≅

≅≅≅≅

140V

140V

V

V

CminCmin

≅≅≅≅

≅≅≅≅

102V

102V

t

t

cc

= 2,1ms

= 2,1ms

I

I

picopico

≅≅≅≅

≅≅≅≅

8,0A

8,0A

I

(26)

Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro

de Entrada

CorrenteCorrente CapacitorCapacitor + Carga+ Carga

10A

8A

6A

4A

2A

0A

-2A

i

t

Q

tc

1,4A

1,3A

1,2A

1,1A

1,0A

iR

t

Corrente de CargaCorrente de Carga

10A

8A

6A

4A

2A

0A

-2A

iC

t

Corrente noCorrente no CapacitorCapacitor

10A

5A

0A

-5A

-10A

i

t

vA C

(27)

Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro

de Entrada

••••

•••• VVCminCmin, , VVpkpk, , ttcc, , ∆∆∆∆∆∆∆∆Q e Q e IImedmed possuem praticamente os mesmos valores;possuem praticamente os mesmos valores;

p pico

I

I

2

••••

••••

AnAnáálise Detalhadalise Detalhada

θ3 π θ2 θ1

2 π 3π2

V pk V

Cmín

iC

α

β γ

π

V

1

V

C

ωt S1

S2 S3

( )

θ

=

V

sen

θ

V

C pk

( )

θ = ω ⋅ θ

( )

θ d dV C

iC C

( )

θ

=

ω

CV

cos

θ

i

C pk

( )

2 R

( )

2

C

i

i

θ

=

θ

( )

2

pk 2

R sen

R V

i θ = − θ

2 pk

2

pk

sen

R

V

cos

CV

θ

=

θ

ω

tg

θ

2

=

ω

RC

θ

π

tg

1

(

ω

RC

)

2

(28)

Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro

de Entrada

AnAnáálise Detalhadalise Detalhada

θ3 π θ2 θ1

2 π 3π2

V pk V Cmín iC α β γ π V 1 V C ωt S1 S2 S3

(

θ

π

)

=

pk 1

min

C

V

sen

V

(

)

pk min C 1

V

V

sen

θ

π

=

+

π

=

θ

pk min C 1 1

V

V

sen

1

2

3

θ

π

=

α

β

=

θ

2

π

2

π

=

γ

+

β

+

α

3 2

1

S

S

S

=

+

( )

θ

θ

=

π

α −

π

i

d

S

2 C

2 1

(

α

)

ω

=

CV

1

cos

S

1 pk

( )

=

θ

θ

θ θ ο

d

R

V

S

C 2 1 2

( )

(

)

RC

pk

C

V

cos

e

V

ω θ −

β

=

θ

      − β ⋅ ⋅ ω = ω θ − θ − RC pk 2 2 1 e 1 R cos V RC S

( )

2

i

S

3

=

C

θ

2

β

R 2

cos V

(29)

Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro

de Entrada

AnAnáálise Detalhadalise Detalhada

θ3 π θ2 θ1

2 π 3π2

V pk V

Cmín

iC

α

β γ

π

V

1

V

C

ωt S1

S2 S3

3 2

1

S

S

S

=

+

0.2 0.28 0.36 0.44 0.52 0.6 0.68 0.76 0.84 0.92 1 0

8 16 24 32 40 48 56 64 72 80

RC

VCmin p / V

ω

(30)

Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro

de Entrada

AnAnáálise Detalhadalise Detalhada

θ3 π θ2 θ1

2 π 3π2

V pk V

Cmín

iC

α

β γ

π

V

1

V

C

ωt S1

S2 S3

3 2

1

S

S

S

=

+

0 10 20 30 40 50 60 70 0

0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4

I Cef R

V pk

ω R C

(31)

Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro

de Entrada

Dobrador

Dobrador

de

de

Tensão

Tensão

(110 V)

(110 V)

i + Conversor vC1 -+ vC2 -1 C 2 D vA C

1

D

3

D D4 C2

+ vC -+ _ i + Conversor vC1 -+ C2 -1 C 2 D vA C

1

D

3

D D4 C2

+ vC -v + _ π 2π 0 VC2 vC1 t ω pk VC2min vC2 VC1pk VC1min t ω VCpk VCmin C v vA C

2

V

V

V

V

min pk

min 2 C 2 C 1 C min C

+

+

=

min

min C2

1

C

V

V

=

pk

pk C2

1 C

V

V

=

3

V

V

2

V

pk min 1 C min C 1 C

=

)

(

1 2 1 2

(32)

Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro

de Entrada

Dobrador

Dobrador

de

de

Tensão

Tensão

(110 V)

(110 V)

)

t

f

2

(

cos

V

V

C1 C1 c

pk

min

=

π

(

)

f

2

V

V

cos

arc

t

c C1min C1pk

π

=

c 1 C 1 C 1 c 1 1 1 p t ) V V ( C t V C

I = ∆ = pkmin

I

med1

=

I

p1

t

c

f

T

t

I

dt

I

T

1

I

p12 c

t 0 2 1 p 2 1 ef c

=

=

I

Ief1ef1 = valor eficaz da corrente i= valor eficaz da corrente i

f

t

I

I

ef1

=

p1 c

I

ICef1Cef1 = valor eficaz da corrente (alternada) em um= valor eficaz da corrente (alternada) em um capacitorcapacitor

2 1 med 2 1 ef

C

I

I

I

ef

1

=

2 c c

1 p

C

I

t

f

(

t

f

)

I

ef

1

=

2 ef 2 2 1 Cief

Cef

I

I

(33)

Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro

de Entrada

Dobrador

Dobrador

de

de

Tensão

Tensão

(110 V)

(110 V)

-

-

Projeto

Projeto

V

V

ACAC

= 117V ;

= 117V ;

V

V

ACminACmin

= 99V ;

= 99V ;

V

V

ACmaxACmax

= 135V

= 135V

f = 60Hz ;

f = 60Hz ;

V

V

CminCmin

= 100V ;

= 100V ;

ηηηη

ηηηη

= 0,7 ;

= 0,7 ;

P

P

outout

= 70W

= 70W

a)

a) V 2 99 140V min

pk

1

C = ⋅ =

V

135

V

min pk 1

C

=

88

,

33

V

3

135

200

2

3

V

V

2

V

pk min 1 C min C 1 C

=

=

=

J

667

,

1

60

100

f

P

W

in

=

in

=

=

b)

b) 160 F

33 , 88 135 667 , 1 ) V V ( f P C C 2 2 2 1 C 2 1 C in 2 1 min pk µ ≅ − = − = =

F

80

C

µ

(

)

(

)

ms 275 , 2 60 2 135 33 , 88 cos arc f 2 V V cos arc

tc C1min C1pk =

⋅ π ⋅ = π = c) c) d)

d) 3,28A

(34)

Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro

de Entrada

Dobrador

Dobrador

de

de

Tensão

Tensão

(110 V)

(110 V)

-

-

Projeto

Projeto

e) e) f) f) g) g) h) h) 1365 , 0 60 10 275 , 2 f

tc = ⋅ −3 ⋅ =

A 126 , 1 ) 1365 , 0 ( 1365 , 0 28 , 3 ) f t ( f t I

IC p1 c c 2 2

ef

1 = − = ⋅ − =

A 5 , 0 200 100 V P I min C in ef

2 = = =

A 23 , 1 5 , 0 126 , 1 I I

ICef = C1ef2 + 2ef2 = 2 + 2 =

V

382

135

2

2

V

2

2

(35)

Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro

de Entrada

Resultados Experimentais

Resultados Experimentais

100V/

100V/divdive 500mA/e 500mA/divdiv Tensão

Tensão e e Corrente Corrente de de EntradaEntrada Transitório Transitório de de PartidaPartida

100V/

100V/divdive 10 A/e 10 A/divdiv

100V/

(36)

Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro

de Entrada

ProteProteçãção de Ino de In--rushrush

S

R1

R

i i

vC

iC

- +

vA C

C Carga

I

V

R

p

pk

<

1

ττττ

ττττ

= 25ms = 25ms

ττττ

ττττ

11

= R

= R

11

C = 10

C = 10

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

1000

1000

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

10

10

--66

= 10ms

= 10ms

ττττ

ττττ

= 3

= 3

ττττ

ττττ

11

= 3R

= 3R

11

C

C

C

R

A

=

5

.

τ

15

.

1

.

0ms 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms 100A

50A

0A 400V

200V

0V

vC

iC

R = 2

(37)

Capítulo I – Estágio Retificador com Filtro

de Entrada

Circuito de disparo para um TriacCircuito de disparo para um Triac

R1

NT +

C

-A C

v

T D

C

(38)

Capítulo II - Fontes Chaveadas do Tipo

FLYBACK

S

D

R L

+

-Vin

Vce

C +

-+

-iL L

is

Vout

+

-+ -1

P

R +

-Vin

P i

C V

N

CE D

R T

S N

+

-T

Vout D

i

C i 1

1 +

-+

-BUCK-BOOST

FLYBACK

Funções do Transformador: - isolamento entre a fonte e a carga

(39)

Capítulo II - Fontes Chaveadas do Tipo

FLYBACK

• Conversor CC-CC do Tipo Buck-Boost

V L

V CE

i D i s

( Vin+Vout )

( Vin ) T

T1 T2

To ( Vin )

( Ip )

iL

( Vout )

S

D

R L

+ -Vin

Vce

C +

-+

-iL L

is

Vout +

-+ -1

S

D

R L

+ -Vin

Vce

C +

-+

-iL L

is

Vout +

-+ -1

1a Etapa

2a Etapa

(40)

Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK

• Equacionamento

a) Corrente de Pico na entrada

dt

di

L

V

L

=

T

D

L

V

I

p

=

in

T

T

D

=

1

D

L

f

V

I

p in

.

=

D

L

f

V

I

p in max

.

max

=

V L

V CE

i D i s

( Vin+Vout )

( Vin ) T

T1 T2

To ( Vin )

( Ip )

iL

( Vout )

45

0

(41)

Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK

b) Tensão de Carga

T

2

T

I

V

I

V

P

1

=

in

.

1md

=

in

.

p

.

1

L 2 out 2 2 1 2 in 1

R

V

P

T

L

2

T

V

P

=

=

=

.

.

.

L

2

f

R

T

V

T

L

2

T

V

R

V

in 1 L

2 1 2 in L out

.

.

.

.

.

.

.

.

=

=

L

2

f

R

D

V

L

2

f

R

f

D

V

V

out in L in L

(42)

Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK

c) Indutor

f

I

L

2

1

P

P

P

in

=

L

=

out

=

.

.

p2

.

η

2 2

2 2 in out

L

f

D

V

f

L

2

1

P

.

.

.

.

.

max

=

η

f

P

D

V

2

1

L

out 2 2 in

.

.

.

.

max

η

(43)

Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK

• Conversor CC-CC do Tipo Flyback

Etapas de Funcionamento e Formas de Onda Básicas para Condução Descontínua:

P R + Vin P i C V L CE D S V + -T Vout + -- + -T i L 1 P R + -Vin V C VCE D S L + -T Vout D i C V -+ S i L + -1 V P V CE i P

( Vin ) ( Vin )

Ip Vout . To T1 T2 N P N S Vin . N S N P

( Vout ) V

S

( Vin+Vout ) . N

P N

S

( Vin )

i T =

i S=iD I . N P N S P T1 T1 To To

1a Etapa

(44)

Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK

• Conversor CC-CC do Tipo Flyback

Flyback com Múltiplas Saídas

T +

-Vin

N

S1 D1

C1

L1 R

D2

P S2 C2 RL2

D3

S3

C3

L3 R N

N N

V 2 V

1

(45)

Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK

• Conversor CC-CC do Tipo Flyback

Características gerais: - baixo custo

- saídas múltiplas

- aceita grande variação da resistência de carga - isolamento entre a entrada e a saída

- boa regulação cruzada

- dispensa indutor de filtragem

- permite uso de diodos lentos na saída (cond. desc.) - resposta rápida

(46)

Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK

• Equacionamento

a) Corrente de Pico no Primário

T1=DT T2

T Ip

iL VL

Vin

-Vo t

t

dt

di

L

V

L

=

T

D

L

V

I

p

=

in

max in

out p

D

V

P

2

I

(47)

Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK

• Equacionamento

b) Tensão na Carga Vin

Ip

T1

Ts

t

=

=

T1

0

s 1 p 1

p

s

2

T

T

I

dt

T

t

I

T

I

md

1

1

s 1 in

md 1 in

T

L

T

V

I

V

P

2

2 2

1

=

=

L out o

R

V

P

P

2

1

η

=

=

s

L

in

out

f

L

2

R

D

V

(48)

Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK

• Equacionamento

c) Cálculo da Indutância

η

=

=

=

=

out

s

p

L

P

f

I

L

t

w

dt

dw

P

2

2

1

s

out

2

max

2

in

f

P

D

V

2

1

L

=

η

d) Razão Cíclica Crítica

(

out

in

)

in

out

crit

V

V

1

V

V

D

+

=

(49)

Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK

• Equacionamento

e) Esforços nos Semicondutores





+

=

+

=

=

max

max

in

o

in

D

ce

D

D

V

V

V

V

V

1

1

out

2

in

md

D

V

L

f

D

V

I

2

2

=

3

1

2 in 3

(50)

Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK

R V C L C Vo + - R V C L C Vo + -I o iS

• Equacionamento

f) Capacitor de Saída

dt

dV

C

i

c

=

c

c s max o

V

f

D

I

C

=

s c SE

I

V

R

<

(51)

Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK

A A

e w

δ

2

s w

p

4 out

w e

f

B

J

k

k

10

P

,

A

A

=

1

1

• Equacionamento

g) Transformador

Kp - fator de utilização do primário (0,5)

kw - fator de utilização da área do enrolamento (0,4 )

J - densidade de corrente ( 250 - 400A/cm2)

(52)

Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK

• Equacionamento

g) Transformador

e o

A

B

W

2

2

µ

=

δ

δδδδ - entreferro (metros)

µµµµo - 4ππππ 10-7

Ae - área da secção transversal do núcleo (metros2)

∆∆∆∆W - energia (joule)

∆∆∆∆B - variação de fluxo eletromagnético (0,2-0,3T)

p p

I

,

B

N

π

δ

=

4

0

Np - número de espiras do primário

δδδδ - entreferro (centímetros)

∆∆∆∆B - variação de fluxo eletromagnético (Gauss=104T)

(

)

(

)

nom nom in

F n

out p

sn

D

D

-1

V

V

V

N

N

=

+

Ns - número de espiras do secundário

(53)

Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK

• Característica de Saída em CCM e DCM

I

D

f

L

2

R

D

V

V

o s

L

in out

=

η

=

Condução Descontínua

Condução Contínua

D

-1

D

V

V

in out

=

0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 1 2 3 4

D=0.2 0.4

0.6 0.7 Vout

____

Vin

(54)

Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK

• Procedimento de Projeto para o Buck-Boost em Cond. Desc.

2. Calcular a razão cíclica crítica e definir a nominal.

(

out in

)

in out

crit

V

V

1

V

V

D

+

=

para DCM Dnom

Dcrit

3. Calcular a indutância.

s out

max in

f

P

D

V

L

=

η

2 2

2

1

tempo de condução chave =D

nom

T

s

(55)

Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK

• Procedimento de Projeto para o Buck-Boost em Cond. Desc.

4. Calcular a corrente de pico máxima.

nom s

in

p

D

L

f

V

I

=

5. Calcular a resistência de carga.

6. Calcular a capacitância.

out out o

P

V

R

2

=

c s

max o

V

f

D

I

C

(56)

Fontes Chaveadas do Tipo FLYBACK

• Procedimento de Projeto para o Flyback em Cond. Desc.

2. Calcular o produto AeAw e definir o núcleo.

1. Especificar: Vin, Vout, Pout, fs, ∆∆∆∆Vo, ηηηη.

s w

p

4 out

w e

f

B

J

k

k

10

P

1

,

1

A

A

=

3. Calcular a corrente de pico no primário.

4. Calcular a energia acumulada no transformador.

max in

out p

D

V

P

2

I

η

=

s out

f

P

W

Imagem

Referências