Conversor Flyback - Batlab

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA II
AULA 9 – CONVERSORES
ISOLADOS - CONVERSOR FLYBACK
Prof. Marcio Kimpara
UFMS - Universidade Federal de Mato Grosso do Sul
FAENG – Faculdade de Engenharias, Arquitetura e Urbanismo e Geografia
Sem isolação
Isolados
Conversor Buck
Conversor Forward
Conversor Buck Boost
Conversor Flyback
Incorporação do
isolamento galvânico ao
conversor Buck-Boost
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.
Prof. Marcio Kimpara – UFMS/FAENG
O indutor e o
transformador podem ser
integrados em um único
dispositivo magnético
Eletrônica de Potência II
2
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)
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Eletrônica de Potência II
3
Anote: Diferenças entre
indutores acoplados
um
transformador
e
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.
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.
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4
D
-
Vin
L
C
Vo
+
Adição do transformador
(indutores acoplados)
D
Circuito Buck-Boost
Vin
C
Vo
Modificando a posição da
chave...
Vin
Vin
Chave
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Chave
Modificando o
sentido do
enrolamento no
secundário
Eletrônica de Potência II
5
Conversor Flyback – Circuito Básico
D
Vcc
C
V1
C
V2
Chave
Sinal gate
Possibilidade de
múltiplas saídas isoladas
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Eletrônica de Potência II
6
Simplificações para análise
Antes de analisar o circuito mostrado no slide anterior,
considere que:
• 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.
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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.
D
Vcc
C
Vo
Chave
Sinal gate
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Eletrônica de Potência II
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)
D
Vcc
C
S
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Vo
Durante toda esta
etapa, a carga é
alimentada
pelo
capacitor
(previamente
carregado
em
etapas anteriores)
Eletrônica de Potência II
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.
D
C
Vcc
Vo
S
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2ª Etapa
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.
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Eletrônica de Potência II
11
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.
D
Vcc
C
Vo
S
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Operação do conversor no MCD – reg. permanente
1º Subintervalo
VD
D
Vin
V2
V1
V1  Vin
di1
V1  L1
dt
Vo
C
S
VS  0
N2
V2  V1.
N1
VD  V2  Vo
VS
Vin
di1 V1

 di1 
.dt
dt L1
L1
Vin
I1_ máx 
.DT
L1
I1  I S
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N2
V2  Vin .
N1

N2 
  Vo
VD  Vin .
N1 

Vo
IC  Io 
R
I2  ID  0
Eletrônica de Potência II
13
Operação do conversor no MCD – reg. permanente
2º Subintervalo
V2  Vo
VD
D
Vin
V2
V1
S
VS  Vin  V1
 N1 

VS  Vin  Vo .
 N2 
IS  0
C
VS
N1
V1  V2 .
N2
N1
V1  Vo .
N2
Vo
di2
V2  L2 .
dt
Vo
I 2 _ mín  I 2 _ máx  .t D
L2
P1  P2
V1.I1  V2 .I 2
I1 _ m áx
N2

N1
ID  I2
I 2 _ m áx
I D  IC  Io
N1
I 2 _ m áx 
 I1 _ m áx
N2
VD  0
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Operação do conversor no MCD – reg. permanente
3º Subintervalo
VD
No secundário:
D
Vin
V2
V1
S
C
Vo
V2  0
I2  0
VS
No primário:
V1  0
I1  0
VS  Vin
VD  Vo
ID  0
IC  Io
IS  0
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Eletrônica de Potência II
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I1(t)  IS (t)
Formas de Onda MCD
Conversor Flyback Correntes
I1_ máx
D
Vcc
Ic
C
S
Vo
t
I C (t )
Io
I2 Io 
t
I2 (t)  ID(t)
I 2 _ máx
ton
t
toff
tD
tX
Ts
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Eletrônica de Potência II
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Formas de Onda - MCD
Conversor Flyback Tensões
V1 ( t )
Vin
Vo 
D
N1
N2
t
VS (t )
Vcc
C
Vo
N1
N2
Vin  Vo 
S
Vin
t
V D (t )
Vo Vin 
V2 (t )
Vin 
N2
N1
Vo
N2
N1
ton
Vo
t
t
toff
tD
tX
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Eletrônica deTsPotência II
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Relação entre tensão de saída e entrada (ganho estático)
V1 ( t )
Balanço volts.segundos
Vin

N1  
.t D   0
Vin .D.TS    Vo 
N2  

N
Vo  1
N2
ton
toff
tD
Vo
D N2

Vin f S .t D N1
tX
Ts
Isolando tD:
Vin .D N 2
tD 
f S .Vo N1
Para operar no modo descontínuo:
t D  toff
Vin .D N 2
 1  D .TS
f S .Vo N1
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1
D
1
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Vin N 2

Vo N1
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Cálculo das indutâncias
No secundário
Vo
I 2 _ mín  I 2 _ máx  .t D
L2
0
Vo .t D
L2 
I 2 _ m áx
(MCD)
Correntes
No primário
Vin
I1_ máx 
.DT
L1
Vin .D
L1 
I1 _ m áx. f S
I1_ máx
I 2 _ máx
 iL 2
 i L1
ton
t
toff
tD
tX
Ts
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Eletrônica de Potência II
Esforços de corrente nos semicondutores
Diodo
I D _ méd  I o
1
I D _ m éd  . Área
T
t D .I 2 _ m áx
I D _ m éd  I o 
2.TS
I2 (t)  ID(t)
I 2 _ máx
ton
t
toff
tD
tX
Ts
Chave
I S _ m éd  I in
I S _ m éd
I S _ m éd
1
 . Área
T
D.I1 _ m áx

2
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I1(t)  IS (t)
I1_ máx
t
Eletrônica de Potência II
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:
io 
P 15
  1A
Vo 15
❷ Definição do valor do duty cicle máximo:
D
1
V
N
1  in  2
Vo N1

1
D
15 1
1 
5 10
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
D  0,2439
Eletrônica de Potência II
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❸Cálculo do intervalo de tempo da segunda etapa (tD)
Vin .D N 2
tD 
f S .Vo N1
 t D  15  03,2  1
20 10  5 10
t D  3s

❹ Cálculo do valor da máxima corrente no secundário:
2  io
I 2 _ máx 
tD  f S
 I
2 _ m áx 
2 1
3 10 6  20  10 3

 

 I 2 _ máx  33 A
❺ Cálculo do valor da máxima corrente no primário:
I1_ máx 
N2
.I 2 _ máx
N1

I1 _ m áx 
1
 33
10

I1_ máx  3,3 A
❻ Cálculo da indutância no secundário:
Vo .t D
L2 
I 2 _ m áx

5  3  10 6
L2 
33
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
L2  454 nH
Eletrônica de Potência II
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❼Cálculo da indutância no primário:
L1 
Vin .D
I1 _ m áx. f S
 L1 
15  0,2
3,3  20.000
L1  45,4 H

❽ Esforços de tensão e corrente nos semicondutores:
Chave “S”
iS _ med
P 15


 1A
Vin 15
Diodo “D”
(se eficiência=100%)
iS _ máx  I1_ máx  3,3 A
 N1 

VS _ m áx  Vin  Vo
 N2 
VS _ m áx  15  5  10   65V
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iD _ med  I o  1A
iD _ máx  I 2 _ máx  33 A

N 
VD _ m áx  Vo  Vin 2 
N1 

VS _ m áx  5  15. 1  6,5V
10

Eletrônica de Potência II

23
Projeto Transformador
Vin .ton
Enrolamento primário: I pri _ m áx 
L pri
O transformador precisa satisfazer:
 L pri
Pin ( núcleo) 
Vin .Dmax

I pri _ max . f s
1
2
L pri .I pri _ max  . f op  Pout
2
Onde armazenar a energia W  1 L pri .I pri _ max 2 ?
2
1. Para uma densidade de fluxo magnetico uniforme B 

A
  r .H r   g .H g
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.
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24
Projeto Transformador
O transformador do
Flyback normalmente
utiliza gap
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Eletrônica de Potência II
25
Projeto Transformador
0,4  L pri I pri _ max  108
2
Comprimento airgap (cm): l g 
Número de voltas: N pri  1000
2
Ac  Bmax
L pri
AL
Ac  área da seção
transversal do núcleo (cm²)
Bmáx  máxima densidade
de fluxo (Tesla)
L  em mH
AL  parâmetro fornecido pelo fabricante
Número de voltas no secunário da saída de mais alta potência:
N sec 
N pri Vout  V fwD 1  Dmáx 
Vin .Dmáx
VfwD  queda de tensão no diodo
(quando em condução)
Para determinar o número de voltas no secundário de saídas adicionais:
N sec( n )

V

out( n )
 VD N sec(1)
Vout(1)  VD1
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Projeto Transformador
(a)
Figure: Flyback transformer secondary
arrangements:
(a) center-tapped secondaries;
(b) isolated secondaries.
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(b)
Eletrônica de Potência II
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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.
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.
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Eletrônica de Potência II
28
Efeito da indutância de dispersão do transformador
Tensão no transistor (MOSFET) VDS
f1 
1
2 Ldp * Cds
f2 
1
2 Lmp * Cds
Vclamp
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Eletrônica de Potência II
29
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
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Eletrônica de Potência II
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Adição de Snubber
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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)
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Eletrônica de Potência II
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