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 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.
O indutor e o transformador podem ser integrados em um único dispositivo magnético
Sem isolação
Isolados
Conversor Buck
Conversor Forward
Conversor Buck Boost
Conversor 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.
O indutor e o transformador podem ser integrados em um único dispositivo magnético
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 negativa para a carga; 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)
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.
-
Vin L
C
Vo
+
Adição do transformador (indutores acoplados) D
Circuito Buck-Boost Vin
C
Vo
Modificando a posição da chave... Vin
Vin
Chave
Chave
Modificando o sentido do enrolamento no secundário
Conversor Flyback – Circuito Básico D Vcc C
V1
C
V2
Chave Sinal gate
Possibilidade de múltiplas saídas isoladas
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.
•
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 Chave Sinal gate
Vo
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
Vo
Durante toda esta etapa, a carga é alimentada pelo capacitor (previamente carregado em etapas anteriores)
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
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.
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
S
Vo
Operação do conversor no MCD – reg. permanente 1º Subintervalo
VD V 2
V2
V1
S
V 1 V in di1 V 1 L1 dt
.
D
Vin
V S 0
V 1
C
VS
di1 V 1 V in di1 .dt dt L1 L1 V in I 1 _ máx . DT L1 I 1 I S
Vo
V 2
V in
N 2 N 1
.
N 2 N 1
V D V 2 V o N 2 V D V in . V o N 1
V o I C I o R I 2 I D 0
Operação do conversor no MCD – reg. permanente 2º Subintervalo
VD D
Vin
V2
V1
S
V S V in V 1 N 1 V S V in V o . N 2 I S 0
C
VS
N 1 V 1 V 2 . N 2 N 1 V 1 V o . N 2 I D
I 2
I D I C I o V D 0
Vo
V 2 V o di2 V 2 L2 . dt V o I 2 _ mín I 2 _ máx .t D L2 P 1
P 2
V 1 . I 1
V 2
I 1 _ m áx I 2 _ m áx I 2 _ m áx
. I 2
N 2 N 1 N 1 N 2
I 1 _ m áx
Operação do conversor no MCD – reg. permanente 3º Subintervalo VD
No secundário:
D
Vin
V2
V1
S
Vo
C
V 2
0
I 2
0
VS
No primário:
V 1 0 I 1 0 V S
V in
I S
0
V D V o I D 0
I C I o
I 1(t ) I S (t )
Formas de Onda MCD Conversor Flyback Correntes
I 1 _ máx
D Vcc
I C (t ) I o
Ic
C
S
t
Vo
I 2 I o
t
I 2(t ) I D(t )
I 2 _ máx
ton
t
toff tD tX Ts
V 1 ( t )
Formas de Onda - MCD Conversor Flyback Tensões
V in
N 1
V o
D
t
N 2
V S (t )
Vcc C
Vo
V in V o
S
N 1 N 2
V in
t
V D (t ) N 2 V o V in N 1
V 2 (t ) N V in 2 N 1
V o
ton
V o
t
t
toff tD tX
Relação entre tensão de saída e entrada (ganho estático) V 1 ( t )
Balanço volts.segundos
V in
N 1 V in . D.T S V o .t D 0 N 2
N V o 1 N 2 ton
toff
V o D N 2 V in f S .t D N 1
tD tX Ts
Isolando tD:
t D
V in . D N 2 f S .V o N 1
Para operar no modo descontínuo:
t D t off V in . D N 2 1 D .T S f S .V o N 1
1
D 1
V in N 2 V o N 1
Cálculo das indutâncias No secundário
V o I 2 _ m ín I 2 _ m áx .t D L2 0 (MCD)
V o .t D L2 I 2 _ m áx Correntes
No primário
V in I 1 _ máx . DT L1
V in . D L1 I 1 _ m áx. f S
I 1_ máx I 2 _ máx i L 2
i L1 ton
t
toff tD tX Ts
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.T S
I 2 (t ) I D(t )
I 2 _ máx
ton
t
toff tD tX Ts
Chave I 1(t ) I S (t )
I S _ m éd I in I S _ m éd I S _ m éd
1
. Área
T D. I 1 _ m áx 2
I 1_ máx
t
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
P 15 io 1 A V o 15
❶ Cálculo do valor médio da corrente na carga: ❷ Definição do valor do duty cicle máximo:
D
1
V in N 2 1 V o N 1
D 1
1 15 5
1 10
D 0,2439
❸Cálculo do intervalo de tempo da segunda etapa (tD)
V in . D N 2 t D f S .V o N 1
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 2 1 I I 2 _ máx 2 _ máx t D f S 3 106 20 103
I 2 _ máx 33 A
❺ Cálculo do valor da máxima corrente no primário:
I 1 _ máx
N 2 .I 2 _ máx N 1
I 1 _ máx
1 10
33
I 1 _ máx 3,3 A
❻ Cálculo da indutância no secundário:
V .t L2 o D I 2 _ m áx
L2
5 3 10 6 33
L2 454 nH
❼Cálculo da indutância no primário:
V in . D L1 15 0,2 L1 I 1 _ m áx . f S 3,3 20 .000
L1 45,4 H
❽ Esforços de tensão e corrente nos semicondutores: Chave “S”
P 15 1 A iS _ m ed V in 15
Diodo “D” (se eficiência=100%)
iS _ máx I 1 _ máx 3,3 A V S _ m áx V S _ m áx
N 1 V in V o N 2 15 5 10 65V
i D _ med I o 1 A i D _ máx I 2 _ máx 33 A V D _ m áx
N 2 V o V in N 1
V S _ máx 5 15. 110 6,5V
Projeto Transformador Enrolamento primário:
I pri _ máx
O transformador precisa satisfazer:
V in .t on L pri
L pri
V in . Dmax I pri _ max . f s
1
P in ( núcleo) L pri . I pri _ max 2 . f op P out 2
Onde armazenar a energia W 1 L pri .I pri _ max 2 ? 2
1. Para uma densidade de fluxo magnetico uniforme B
r . H r g .H g A 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.
Projeto Transformador O transformador do Flyback normalmente utiliza gap
Projeto Transformador 0,4 L pri I pri _ max 108 2
Comprimento airgap (cm):
l g
2 Ac Bmax
L pri Número de voltas: N pri 1000 A L
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 pri V out V fwD 1 Dmáx N sec V in . 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) V D N sec(1) V out (1) V D1
Projeto Transformador
(a)
Figure: Flyback transformer secondary arrangements: (a) center-tapped secondaries; (b) isolated secondaries.
(b)
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.
Efeito da indutância de dispersão do transformador Tensão no transistor (MOSFET) VDS f 1
1 2
Ldp * C ds
Vclamp
f 2
1 2 Lm p * C ds
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
Adição de Snubber
