ELETRÔNICA DE POTÊNCIA II

(1)

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA II

Prof. Marcio Kimpara

UFMS - Universidade Federal de Mato Grosso do Sul

FAENG – Faculdade de Engenharias, Arquitetura e Urbanismo e Geografia

AULA 9 – CONVERSORES

(2)

Prof. Marcio Kimpara – UFMS/FAENG Eletrônica de Potência II 2

Flyback é o conversor mais

comumente

usado

em

aplicações de baixa potência

onde a tensão de saída precisa

ser isolada da fonte principal de

entrada.

Conversor Buck

Conversor Buck Boost

Conversor Forward

Conversor Flyback

Sem isolação

Isolados

Incorporação do isolamento galvânico ao

conversor Buck-Boost

O indutor e o

transformador podem ser integrados em um único

(3)

O conversor flyback é derivado do conversor buck-boost, com a

adição do transformador.

• É comumente usado no modo de condução descontínua;

• Não precisa de indutor de saída;

• Múltiplas saídas isoladas;

• Transformador  indutores acoplados*;

• Modificando o sentido do enrolamento no secundário, pode-se

obter a tensão positiva ou negativa para a carga;

*No Flyback o elemento magnético na verdade não funciona

como transformador convencional, mas sim como indutores

acoplados, pois, idealmente, em um transformador não há

armazenamento de energia (toda a energia é instantaneamente

transferida do primário para o secundário)

(4)

Prof. Marcio Kimpara – UFMS/FAENG Eletrônica de Potência II

Anote: Diferenças entre um transformador e

indutores acoplados

No Flyback, quando a chave conduz, armazena-se energia na indutância do

"primário" (no campo magnético) e o diodo fica reversamente polarizado.

Quando a chave desliga, para manter a continuidade do fluxo, o diodo entra

em condução, e a energia acumulada no campo magnético é enviada à saída.

4

Um dispositivo magnético comporta-se como um transformador quando

existirem, ao mesmo tempo, correntes em mais de um enrolamento, de

maneira que o fluxo de magnetização seja essencialmente constante.

Outro arranjo possível para enrolamentos acoplados magneticamente é

aquele em que a continuidade do fluxo é feita pela passagem de corrente ora

por um enrolamento, ora por outro, garantindo-se um sentido de correntes

que mantenha a continuidade do fluxo.

(5)

Prof. Marcio Kimpara – UFMS/FAENG Eletrônica de Potência II 5 L Vin C D Vo Vin C D Vo

-

+

Vin Chave Vin Chave

Adição do transformador

(indutores acoplados)

Modificando a posição da

chave...

Circuito Buck-Boost

Modificando o

sentido do

enrolamento no

secundário

(6)

Conversor Flyback – Circuito Básico

C

D

Vcc

Chave

Sinal gate

C

V

₁

V

₂

Possibilidade de

(7)

• O circuito magnético é assumido linear e o acoplamento entre primário e

secundário é considerado ideal.

• Semicondutores sejam ideais (durante a condução a queda de tensão na

chave e no diodo são desprezadas, assim como os tempos de subida e

descida)

• Os enrolamentos do transformador, bem como o núcleo é considerado são

considerados sem perdas.

• A tensão de entrada é constante e livre de ondulações.

Simplificações para análise

Antes de analisar o circuito mostrado no slide anterior,

considere que:

(8)

Princípio de Operação – Análise Qualitativa

Circuito Básico: A análise a seguir será feita para 1 saída, porém o

mesmo vale para outras saídas, caso o conversor seja de múltiplas

saídas.

C

D

Vcc

Chave Sinal gate

Vo

(9)

Etapas de Operação – 1ª Etapa

Quando a chave “S” é ligada, o enrolamento primário do transformador é

conectado à fonte de entrada Vcc com o “ponto” ligado no lado positivo.

Neste instante, o diodo “D” conectado em série com o enrolamento

secundário fica reversamente polarizado devido à tensão induzida no

secundário (potencial positivo aparece no terminal com “ponto” do

secundário). Assim, com a chave ligada, existe corrente fluindo pelo

enrolamento primário mas não pelo enrolamento secundário devido ao

bloqueio do diodo. Neste estágio, a corrente no primário cresce

linearmente e ocorre o armazenamento de energia no transformador

(indutor)

C

D

Vcc

S

Vo

Durante toda esta

etapa, a carga é

alimentada

pelo

capacitor

(previamente

carregado

em

etapas anteriores)

(10)

Etapas de Operação – 2ª Etapa

Tem início quando a chave “S” é desliga após conduzir por certo tempo. O

caminho para a corrente no primário é interrompida e de acordo com as

leis da indução magnética, a polaridade dos enrolamentos (indutâncias) se

inverte. A reversão de polaridade da tensão no secundário faz com que o

diodo “D” entre em condução.

A corrente passa a fluir no secundário carregando o capacitor e

alimentando a carga, fazendo com que a corrente decresça a medida que a

energia armazenada no transformador durante a primeira etapa é

transferida.

10

C

D

Vcc

S

Vo

(11)

2ª Etapa

11

Durante a segunda etapa, duas situações podem ocorrer:

❶ A energia armazenada no primário foi totalmente

descarregada, configurando o modo de condução descontínua

 existe uma terceira etapa

❷ A energia armazenada no primário não foi totalmente

descarregada e o período de chaveamento iniciará um novo

ciclo, o que configura o modo de condução contínuo.

(12)

Etapas de Operação – 3ª Etapa (apenas para o

modo descontínuo)

Nesta etapa a corrente i2 se torna nula e o diodo “D” é bloqueado. Por não

existir corrente nos enrolamentos primário e secundário, as tensões sobre

ambos também são nulas. Nesta etapa o capacitor de saída fornece a

energia para a carga.

A etapa 3 se encerra quando a chave “S” é ligada e o circuito volta para a

etapa 1 novamente e a sequência se repete.

12 C D Vcc S Vo

(13)

Operação do conversor no MCD – reg. permanente

1º Subintervalo

C

D

Vin

S

Vo

V

S

V

D

V

1

V

2

dt

di

L

V

_in 1 1 1 1



1 2 2 1 2 1 2

.

N

V

N

V

in



o in D o D

V

N

V





















1 2 2

.

0 

S

V

S

I

₁



R

V

I

_C



_o



o

DT

L

V

I

_{m áx} in

.

1 _ 1



0

2



I

D



I

dt

L

V

di

L

V

dt

di

_in

.

1 1 1 1 1







(14)

2º Subintervalo

C D Vin S Vo VS VD V1 V 2

0 

D

V

dt

di

L

V

_o 2 2 2 2

.







2 1 1 2 1 2 1

.

N

V

N

V

o























2 1 1

.

N

V

o in S in S D o m áx m ín

t

L

V

I

.

2 _ 2 _ 2





m áx m áx m áx m áx

I

N

I

N

I

V

I

V

P

_ 1 2 1 _ 2 1 2 _ 2 _ 1 2 2 1 1 2 1

.





0 

S

I

D



I

C



I

o 2

I

_D



(15)

3º Subintervalo

0 



D o D

I

V

0

2 2



I

V

0

1 1



I

V

0 



S in S

I

V

C D Vin S Vo VS VD V1 V 2

No primário:

No secundário:

o C

I



(16)

Formas de Onda MCD

Conversor Flyback -

Correntes

máx

I

₁_{_}

t

) ( ) ( 1 t I t I  _S

)

(t

I

_C ) ( ) ( 2 t I t I  _D ton toff Ts tD tX o

I



I



I

o





₂ máx

I

₂_{_} C D Vcc S Vo Ic

(17)

Formas de Onda - MCD

Conversor Flyback -

Tensões

t

)

(

1

t

V

)

(t

V

_S

)

(t

V

_D ton toff 2 1 N N V V_in  _o 2 1 N N V_o  in

V

Ts tD tX in

V

o

V

1 2 N N V V_o _in

)

(

2

t

V

o V  1 2 N N V_in

t

C D Vcc S Vo

(18)

Relação entre tensão de saída e entrada (ganho estático)

0 .

.

2 1

































_o _D S in

t

N

V

T

D

V

Balanço volts.segundos

1 2

.

N

t

f

D

V

D S in o



) ( 1 t V 2 1 N N V_o  in V ton toff Ts tD tX

Isolando tD:

1 2

.

N

V

f

D

V

t

o S in D



Para operar no modo descontínuo:

off D

t







_S o S in

_D

_T

N

V

f

D

V

.

1 .

.

1 2





1 2

1

1 N

N

V

D

o in





(19)

Cálculo das indutâncias

S m áx in

f

I

D

V

L

.

_ 1 1



D o m áx m ín

t

L

V

I

.

2 _ 2 _ 2





No secundário

0 m áx D o

I

t

V

L

_ 2 2

.



No primário

(

MCD

)

t

ton toff Ts tD tX Correntes 1 L

i



i

L2 máx

I

₁_{_} máx

I

₂_{_}

DT

L

V

I

_{m áx} in

.

1 _ 1



(20)

Esforços de corrente nos semicondutores

2 .

.

1

_ 1 _ _ _ m áx m éd S m éd S in m éd S

I

D

I

Área

T

I



o méd D

I

_{_}



Área

T

I

_D_{_}_{m éd}



1 .

t

) ( ) ( 2 t I t I  _D ton toff Ts tD tX máx

I

₂_{_}

Diodo

Chave

S m áx D o m éd D

T

I

t

I

.

2 .

₂_{_} _



máx

I

₁_{_}

t

) ( ) ( 1 t I t I  _S

(21)

Exemplo de Projeto

Dados de Projeto

- Tensão de entrada: Vin = 15V

- Tensão de saída: Vo = 5V

- Potência na carga: P = 15W

- Frequência de operação: fs = 20kHz

- Relação de transformação: N1/N2 = 10

❶

Cálculo do valor médio da corrente na carga:

_A

V

P

i

o o

1

15

15 



❷

Definição do valor do duty cicle máximo:

1 2

1

1 N

N

V

D

o in





10

1

5

15

1

1 





D



0 ,

2439



(22)

❸

Cálculo do intervalo de tempo da segunda etapa (

t

D

)

❹

Cálculo do valor da máxima corrente no secundário:

m áx m áx

I

N

I

₂_{_} 1 2 _ 1



.



I

1_máx



3 ,

3 A

1 2

.

N

V

f

D

V

t

o S in D



10

1

5

10

20

2 ,

0

15

3





D

t



t

_D



3 

s

❺

Cálculo do valor da máxima corrente no primário:

S D o m áx

f

t

i

I





2

_ 2



 



3 6 _ 2

10

20

10

3

1

2 





_ m áx

I



I

2_máx



33 A



33

10

1

_ 1 m áx





I



❻

Cálculo da indutância no secundário:

m áx D o

I

t

V

L

_ 2 2

.



33

10

3

5

6 2 





L

2



454 nH

(23)

❼

Cálculo da indutância no primário:

❽

Esforços de tensão e corrente nos semicondutores:



S m áx in

f

I

D

V

L

.

_ 1 1



000 .

20

3 ,

3

2 ,

0

15

1





L

1



45 ,

4 

H

A

V

P

i

in m ed S

1

15

_



Chave “S”

(se eficiência=100%)

A

I

i

_S_{_}_máx



₁_{_}_máx



3 ,

3 



V

N

V

m áx S o in m áx S

65

10

5

15

_ 2 1 _

























Diodo “D”

A

I

i

_D_{_}_med



_o



1 A

I

i

_D_{_}_máx



₂_{_}_máx



33 



V

N

V

m áx S in o m áx D

5 ,

6

10

1 .

15

5

_ 1 2 _























(24)

Prof. Marcio Kimpara – UFMS/FAENG Eletrônica de Potência II 24 Enrolamento primário:

O transformador precisa satisfazer:

Projeto Transformador

pri on in m áx pri

L

t

V

I

_{_}



.

s pri in pri

f

I

D

V

L

.

max _ max







pri



op out pri núcleo in

L

I

f

P



.



2

1

2 max _ ) (

Onde armazenar a energia ?

1. Para uma densidade de fluxo magnetico uniforme

Onde:  = permeabilidade, H = intensidade do campo magnético, r = material magnético e g = entreferro

2. Para o ferrite, _r é da ordem de 1500 enquanto que para o entreferro ele é da ordem de 1. Assim, a intensidade do campo magnético no entreferro é muito maior que a intensidade do campo magnético no ferrite.

3. A energia armazenada é proporcional ao quadrado da intensidade do campo magnético. Deste modo, a energia é virtualmente armazenada no entreferro.





2 max _ . 2 1 pri pri I L W  g g r r H H A B     .   .

(25)

Projeto Transformador

O transformador do Flyback normalmente utiliza gap

(26)

Prof. Marcio Kimpara – UFMS/FAENG Eletrônica de Potência II 26 Comprimento airgap (cm):

Número de voltas:

Número de voltas no secunário da saída de mais alta potência:

Para determinar o número de voltas no secundário de saídas adicionais:

Projeto Transformador





2 max 8 2 max _

10

4 ,

0 B

A

I

L

l

c pri pri g







L pri pri

A

L

N



1000

Ac  área da seção transversal do núcleo (cm²) Bmáx  máxima densidade de fluxo (Tesla) L  em mH

AL  parâmetro fornecido pelo fabricante









m áx in m áx fwD out pri

D

V

D

V

N

.

1

sec











1 ) 1 ( ) 1 sec( ) ( ) sec( D out D n out n

V

N

V

N





VfwD  queda de tensão no diodo (quando em condução)

(27)

Projeto Transformador

Figure: Flyback transformer secondary arrangements:

(a) center-tapped secondaries; (b) isolated secondaries.

(a)

(28)

Existem duas ressonâncias:

1. Ressonância entre a indutância de dispersão do transformador e a capacitância dreno-fonte do MosFet; 2. Ressonância entre a indutância de magnetização do transformador e a capacitância dreno-fonte do Mosfet.

Técnica de enrolamento do transformador

Limitações no projeto:

1. Indutância de dispersão;

2. Escolha adequada da densidade de fluxo máxima e da densidade de corrente

nos enrolamentos. Para uma determinada densidade de fluxo máxima e

frequência de funcionamento, as perdas no núcleo e a densidade de fluxo de

saturação do material magnético reduzem com o aumento da temperatura.

(29)

Efeito da indutância de dispersão do transformador

Vclamp ds dp C L f * 2 1 1   ds m p C L f * 2 1 2  

(30)

Utilizando a técnica chamada de interleaved (as camadas dos enrolamentos são intercalados) é possível obter um melhor acoplamento, o que reduz a ressonância devido à indutância de dispersão

(31)

(32)

Características Flyback

Flyback é o conversor mais comumente usado em aplicações de baixa potência • Modo de condução descontínuo

Vantagens: Transformador menor, tempo de recuperação reversa do diodo de saída é menor;

Desvantagem: Pico de corrente na chave e no diodo são maiores; ondulação de corrente no capacitor de saída é maior que no modo contínuo;

• Modo de condução contínuo

Vantagem: Pico de corrente na chave e no diodo são menores; ondulação de corrente no capacitor de saída é menor;

Desvantagens: Transformador maior, possui zero no semiplano direito dificultando a compensação (controle)