Enviado por jesuino.vieira10

Design and analysis of DC-DC Converter F

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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.
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