Design and analysis of DC-DC Converter FLYBACK in CCM Luís Henrique Basilio Eric Hack Universidade do Contestado (UnC) Canoinhas, Brasil [email protected] Universidade do Contestado (UnC) Canoinhas, Brasil [email protected] Resumo — Este artigo apresenta o projeto e a analise de um conversor CC-CC Flyback operando em modo de condução contínua, tendo como principal característica a isolação galvânica da entrada e da saída, através de indutores acoplados que ao mesmo tempo regulam a tensão de saída, tornando esse um conversor de baixo custo e seguro. Estes conversores CC-CC são muito utilizados em sistemas de geração solar e eólica, mas também são encontrados em diversos outros aparelhos eletrônicos. O conversor projetado possui 12W de potência e tem como objetivo converter 60V de entrada para 12V de saída. Figura 1. Topologia proposta baseada no conversor FLYBACK. I. INTRODUCÃO Conversores CC-CC são sistemas formados por semicondutores de potência e por elementos passivos, e tem por função regular um nível de tensão e corrente contínua em outro nível, maior ou menor. O conversor necessita de interruptores controlados que trabalhem em alta frequência de comutação (MOSFETs,IGBTs,BJTs,GTOs). Esta frequência tende a ser a mais alta possível, diminuindo assim o volume dos elementos magnéticos e capacitivos do conversor [1]. Esses conversores são amplamente utilizados em aparelhos eletrônicos, como celulares e notebooks, desde os carregadores utilizados nas baterias, até mesmo subcircuitos nos aparelhos que utilizam tensões menores. Alguns conversores são desenvolvidos para aproveitar ao máximo a potência gerada em sistemas fotovoltaicos e turbinas eólicas, através do controle de uma malha fechada, controlando a corrente e tensão do sistema. Estes são chamados também de otimizadores de energia. Estes conversores começaram a ser usados na década de 60, em programas espaciais, graças ao avanço da microeletrônica e a necessidade de compactação dos equipamentos. O conversor do tipo Flyback com isolamento, em condução descontínua (MCD), é largamente empregada para baixas potências (<100W) [2]. O transformador no sistema (indutores acoplados) possui três funções: propiciar o isolamento entre a fonte e a carga, fazer a acumulação de energia quando o transistor (S) é fechado e adaptar a tensão necessária no secundário [2]. Características gerais - Baixo custo; - Saídas múltiplas; - Aceita variação da resistência de carga; - Propicia isolamento entre a entrada e saída; II. SISTEMA PROPOSTO O artigo propõe o sistema visto na Figura 1. A topologia consiste em um Conversor CC-CC Flyback, que é muito semelhante ao conversor buck-boost. Ele foi criado através da substituição do indutor de saída por indutores acoplados, que são isolados galvanicamente. Outro diferencial é a polaridade invertida do diodo, resolvendo o inconveniente da saída com polaridade invertida no conversor buck-boost. - Boa regulação cruzada; - Dispensa indutor de filtragem; - Em condução descontínua, permite o uso de diodos lentos no estagio retificador (400ns); - Resposta rápida; - Fácil de ser estabilizada, por apresentar um polo simples na função transferência. III. TOPOLOGIA DO CONVERSOR A topologia apresentada na Figura 2 é a do conversor Flyback, composta pela fonte de entrada, a chave (S), transformador (TR), diodo (D), capacitor (C) e a carga (R). Figura 2. Topologia do FLYBACK. A. Etapas de Operação A seguir são apresentadas as etapas de operação do conversor Flyback, demonstrando o momento em que a chave esta aberta e fechada, e por onde há circulação de corrente no circuito. 1) Na primeira etapa de operação, mostrada na Figura 3, quando a chave S está fechada (em condução) o diodo (D) se mantém bloqueado e com corrente nula. Caso esteja carregado, o capacitor alimenta a carga. A corrente ip passa pela chave e pelo enrolamento primário. Lp representa a indutância magnetizante medida no primário do transformador [2]. Figura 3. Primeira etapa de operação do conversor. 2) Na segunda etapa de operação, mostrada na Figura 4, quando a chave S está aberta, a polaridade do transformador inverte e o diodo (D) conduz. A energia acumulada no transformador é transferida para o capacitor e para a carga. Figura 5. Forma de ondas das correntes e tensão do conversor. IV. Figura 4. Segunda etapa de operação do conversor. B. Formas de Ondas As formas de onda de tensão e corrente nos componentes do conversor e as principais grandezas envolvidas estão representadas na Figura 5. METODOLOGIA DE PROJETO A seguir é mostrada a metodologia do projeto, com as nomenclaturas das variáveis das principais equações necessárias para o desenvolvimento do circuito e escolha dos componentes. Vg: valor médio da tensão de entrada; Vo: valor médio da tensão de saída; Vgramp: tensão máxima na chave; Vpri: tensão de saída refletida no primário; D: razão cíclica; Po: potência de saída; Pg: potência média no grampo; fs: frequência de comutação; n: relação de transformação; ΔVCg: variação de tensão no capacitor do grampo; ∆iL1: ondulação da corrente no indutor L1; ∆VC1: ondulação da tensão no capacitor C1. Vg n D 1 D V pri Vg O valor de C1 é obtido através da equação (3), que utiliza o critério de variação de tensão no capacitor (∆VC1). As especificações de projeto são apresentas na Tabela I. TABELA I. O valor da indutância L1 encontrado utilizando o critério de variação de corrente no mesmo, como visto na equação (4). L1 Vg .D iL1 . fs Encontrado o valor de L1, através da equação (5), que relaciona o valor do indutor com a relação de transformação, obtém-se o valor de L2. 2 L2 L1 .n2 n1 Para o circuito de proteção da chave (snubber), os valores de Rg e Cg são encontrados através de (6) e (7) respectivamente. 2 Rg Cg Vgramp Pg Pg Vgramp.VC g . fs ESPECIFICAÇÕES DE PROJETO. Especificação Tensão de entrada (Vg ) 60V Tensão de saída (Vo ) 12V Tensão máxima no grampeador (Vgramp) 125V Potência de saída ( Po ) 12W Potência média no grampeador (Pg) 0.386W Razão cíclica ( D) 0.3 Frequência de comutação ( f s ) 20kHz Ondulação de tensão em C1 (vC1 ) 1% Ondulação de corrente em L1 (iL1 ) 30% Ondulação no capacitor do grampeador (ΔVCg) 0.1V TABELA II. Vo .D C1 Ro .VC1 . fs PROJETO DO CONVERSOR A Tabela II apresenta os resultados do projeto realizado, de acordo com a metodologia de projeto discutida anteriormente. Após escolher o valor de Dn, que se encontra na Tabela I, iniciam-se os cálculos da relação de transformação através das equações (1) e (2). V pri V. Valor VALORES OBTIDOS COM O PROJETO. Grandeza Relação de transformação (n) 2.14 Resistor de grampeamento (Rg) 40kΩ Capacitor de grampeamento (Cg) 1.5µF Indutor ( L1 ) 4,5 mH Indutor ( L2 ) 0,98mH Capacitor (C1 ) 125μF VI. Valor RESULTADOS DE SIMULAÇÃO NUMÉRICA A partir das especificações do projeto, foi montado o circuito do conversor no software PowerSIM. A forma de onda da tensão de saída do circuito pode ser vista na Figura 6 e com maior detalhe na Figura 7, observando-se bem a variação de tensão na saída conforme a especificação de 1%. Na Figura 8, temos a tensão no interruptor. Observamos que em um pequeno intervalo de tempo essa tensão chega próxima aos 110V e é cortada pelo circuito grampeador. Figura 9. Tensão no interruptor e grampo do conversor. Figura 6. Tensão de saída no conversor. TABELA III. Grandeza Indutor L1 Indutor L2 Transistor S1 Diodo Dg e D1 Capacitor C1 Capacitor Cg Resistor Rg Circuito de comando COMPONENTES UTILIZADOS NO PROJETO. Valor Indutância: 4,5mH Número de espiras: 86 Fio condutor: 24 AWG Núcleo: E42/15 Indutância: 0,98mH Número de espiras:40 Fio condutor: 21 AWG Núcleo:E42/15 MOSFET IRFP460 (500V/20A) MUR460 (600V/4A) 33µF + 100µF = 133µF/25V 1µF 22kΩ UC3524A Figura 7. Tensão de saída detalhada do conversor. Figura 8. Tensão no interruptor do conversor. VII. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Montado o protótipo, são realizadas as simulações práticas diretamente no circuito. A Figura 9 mostra em amarelo a tensão no interruptor, que pode ser comparada com a Figura 8. Em azul é mostrado a tensão no circuito de grampeamento. A Tabela III mostra os componentes utilizados na fabricação do protótipo, que pode ser visto finalizado na Figura 10. Figura 10. Foto do protótipo do conversor Flyback. VIII. CONCLUSÃO Neste artigo analisou-se o conversor CC-CC Flyback, que é um conversor semelhante ao Buck-Boost, mas tendo como diferença a isolação da fonte de entrada da saída. Esta isolação se da por meio dos indutores acoplados, que tem também por finalidade regular a tensão de saída. Após feita a analise teórica com as principais equações, foi possível encontrar, em conjunto com as especificações do projeto, os componentes a serem usados no protótipo do conversor, para então ser realizada as simulações práticas. Os resultados práticos mostraram-se semelhantes aos encontrados nas simulações numéricas. A fonte entrega 12V na saída com uma forma de onda dentro das especificações de variação de tensão. O rendimento do conversor é de aproximadamente 80%, o que, levando em conta as perdas no interruptor e circuito de grampeamento, é considerado um valor aceitável. Para que o rendimento do projeto melhore, são necessários valores mais precisos dos componentes do circuito de grampeamento, já que foram usados os valores comerciais mais próximos dos solicitados pelo projeto. Com isso também observa-se a importância do dimensionamento correto do circuito de proteção do interruptor, evitando uma possível saturação do mesmo. REFERÊNCIAS [1] [2] [3] C. A. Petry, “Fundamentos sobre conversores CC-CC”, Introdução aos conversores CC, pg. 3, 2001. I. Barbi, “Fontes Chaveadas do tipo Flyback”, Eletrônica de Potência: Projetos de fontes chaveadas, pg. 57 – 75. I. Barbi, “Estudo do Circuito Grampeador Para o Conversor Flyback”, Estudo do Circuito Grampeador para os Conversores Flyback e Forward e do Circuito Equivalente do Transformador de Três Enrolamentos, pg. 3 – 13, 2007.
