UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRCIA DEE

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRCIA DEE ELAINE GIRARDI LUCAS VINÍCIUS DE SOUZA CONVERSOR FLYBACK JOINVILLE 2014

2 1 INTRODUÇÃO Neste trabalho será avaliado o funcionamento do conversor Flyback construído em semestres anteriores para a disciplina de Projetos de Conversores Estáticos. Serão comparados valores experimentais e teóricos das formas de onda na saída e nos semicondutores do conversor, será analisada a temperatura em que os componentes estão para verificar se há o dimensionamento correto dos mesmos e serão verificados se os requisitos de projetos foram atendidos. As mudanças realizadas no conversor terão como objetivo melhorar seu funcionamento sem que haja mudança no projeto original para que possa ser realizada a comparação da teoria com a prática. Ao final do trabalho serão indicadas sugestões para um melhor funcionamento e também para dimensionamento correto dos componente, com o intuído de diminuir os gastos e o tamanho do conversor. 2 MUDANÇAS REALIZADAS Durante o laboratório da disciplina de PCE foi apresentado o mesmo conversor flyback utilizado neste trabalho, notou-se um sobreaquecimento da carga. Então, antes de realizar qualquer teste com o conversor, realizou-se a troca dos resistores por valores equivalentes e com maior potência. A Figura 1 mostra a substituição feita. Figura 1 Substituição da carga do conversor

3 Posteriormente, foi verificado um sobreaquecimento no resistor de gate do comando da chave do conversor. Foram realizados testes de continuidade no driver para verificar se não havia nenhum curto circuito que estivesse causando a alta temperatura neste resistor, alguns componentes foram retirados e soldados novamente, pois suas trilhas estavam muito próximas, porém não houve melhora. Para tentar resolver o problema o resistor de gate foi trocado por uma resistência de valor equivalente e com maior potencia, a substituição deste resistor está mostrada na Figura 2. Figura 2 Substituição do resistor de gate Ao ligar somente o comando notou-se que o problema persistiu. Foram realizados diversos testes de continuidade para garantir que não estivesse ocorrendo nenhum curto circuito, e então foi tirado um dos terminas do resistor de gate da placa para abrir o circuito e serem realizadas medições com o osciloscópio enquanto o circuito de comando estava energizado. Verificou-se que na saída o optoacoplador estava chegando apenas um sinal contínuo, sem que houvesse mudanças nele ao se alterar a razão cíclica através do trimpot. Para ver qual era o valor da razão cíclica era necessário medir o sinal antes do fotoacoplador. A Figura 3 os problemas encontrados.

4 Figura 3 Problemas verificados no comando Também havia dificuldades no ajuste da razão cíclica, pois ao tentar alterá-la o sinal na entrada do fotoacoplador ia para zero, para que isso não ocorresse era necessário deixar o trimpot em uma posição fixa. Acredita-se que ao trocar o trimpot este problema seria resolvido. Também não há a necessidade da utilização do foto acoplador em um conversor que não precisa de isolação do comando, como é o caso do flyback. Chegou-se a conclusão de que seria necessário substituir o driver utilizado, pois o mesmo era de baixa qualidade e todos os problemas que surgiam estavam relacionados a ele. A Figura 4 mostra o novo circuito de driver utilizado. Figura 4 Novo driver do conversor

5 O driver foi colocado antes do foto acoplador já que não há a necessidade de isolação. R1 e Rg são de 560 e 18, respectivamente. O capacitor utilizado foi de 1n, não foi utilizado R2 nem os diodos zener pelo fato de que a alimentação do circuito era de 15V e os transistores suportavam até 30V. A figura 5 mostra a substituição do driver que foi realizada, colocou-se uma nova placa conectada na antiga pelo fato de que as trilhas da placa original já estavam se soltando, não possibilitando novas alterações. Figura 5 Substituição do driver Após esta alteração foi possível ligar a potência ao conversor e obter as formas de ondas necessárias para o trabalho. 3 RESUTADOS EXPERIMENTAIS Após as mudanças no drive do conversor foi possível obter as formas de onda de corrente e tensão em cima dos componentes. A tensão de entrada utilizada foi de 46V, o controle ficou em MA e o duty cycle foi ajustado para que se obtivesse as tensões desejadas na saída. A Figura 6 mostra a tensão que chega no gate da chave.

6 Figura 6 Comando no gate da chave A figura 7 mostra a tensão em cima da chave, a tensão apresenta um pico máximo de 102V devido à ressonância que ocorre pela presença da capacitância parasita do mosfet e da indutância de dispersão do indutor acoplado durante a abertura da chave. Figura 7 Tensão na chave A figura 8 mostra a tensão e corrente na chave durante a entrada em condução, nota-se pequena ondulação na corrente. A figura 9 mostra o comportamento da corrente e da tensão durante o bloqueio da chave.

7 Figura 8 Entrada em condução da chave Figura 9 Bloqueio da chave A Figura 10 dá a tensão na saída de 15V, pode-se observar que a média desta tensão é exatamente 15V como foi mostrado nos requisitos de projeto.

8 Figura 10 Tensão na saída de 15V A ondulação da saída de 15V está representada na Figura 11. O requisito de ondulação do projeto é de 1%, o que representaria 150mV de ondulação na saída. Na prática foi medido um valor de 192mV, valor próximo ao do projeto. Figura 11 Ondulação de tensão na saída de 15V A Figura 12 mostra a corrente na saída de 15V. No projeto esta corrente foi calculada para uma carga de 10% da utilizada na prática. O conversor apresentava chaves para alterar a carga para valores de 100%, 50% e 10%. Ao alterarmos a chave para a carga permanecer em 10%, como seria necessário para realizar a comparação com o relatório teórico, se verificou mudança na carga apenas para a saída de 5V. Então, ao analisarmos o valor obtido de corrente para a saída de 15V temos um valor médio de corrente 10 vezes menor do que o esperado pelo fato de não ser possível

9 alterar a carga para as ambas saídas de 135mA quando deveria ser 1,33A.. Observa-se que a corrente média é de Figura 12 corrente na saída de 15V Todas as tensões de saída obtidas na prática foram as mesmas de projeto. Na figura 13 está a ondulação de tensão na saída de 5V. O projeto foi feito para que ela permanecesse abaixo de 50mV, na prática obteve-se um valor de 208mV. Figura 13 Ondulação de tensão na saída de 5V A figura 14 mostra a tensão em cima do diodo da saída de 15V.

10 Figura 14 Tensão no diodo da saída de 15V A figura 15 mostra a corrente média na saída de 5V, para esta saída é possível alterar a carga para 10% da nominal. Obteve-se uma corrente média de 1,22A enquanto que o esperado seria 2A. Figura 15 Corrente na saída de 5V foi de 42mA. A figura 16 mostra a ondulação na corrente na saída de 5V, a ondulação medida

11 Figura 16 Ondulação de corrente na saída de 5V A figura 17 mostra a corrente que passa pelo diodo da saída de 15V. O valor médio é de 90,6mA, valor um pouco inferior a corrente média mostrada na figura 12. Figura 17 corrente no diodo da saída de 15V A Figura 18 mostra a corrente que passa pela chave e pelo primário, sendo que o valor médio dela é de 300mA. Valor menor do que o apresentado no relatório pelo fato de que o conversor está operando com potência bem inferior do que 50W

12 Figura 18 corrente na chave 4 SIMULAÇOES DO CONVERSOR Ao se realizar a simulação com os mesmos valores de componentes fornecidos pelo relatório da construção do conversor, não foi possível atingir os valores de tensão de saída especificados no projeto. Para atingi-los era necessário um duty cycle de aproximadamente 0,5 sendo que no projeto o máximo era de 0,4. Como foi utilizado Dmax=0,4 para o cálculo de todos os componentes optou-se por não ultrapassar este valor. A simulação foi realizada em malha aberta e foi utilizado o novo circuito de driver.

13 K D1 K1 K_Linear COUPLING = 1 L uH L uH MUR1560 D4 R C2 390u 0 R7 5 15Vdc V3 alim 46Vdc V1 controle M1 IRF740 L2 700nH R1 D3 120 Dbreak D2 Dbreak C1 18n L uH L uH MUR1560 D5 R C3 390u R C4 390u R5 110 R V1 = 0 V2 = 5 TD = 0 TR = 100n TF = 100n PW = 2.5u PER = 18.3u V2 0 0 R8 670 Q7 2N2222 Q6 2N R9 18 alim controle 0 MUR1560 Figura 19 Circuito de simulação do Flyback O circuito da figura 19 possui algumas alterações para que os resultados obtidos se aproximassem mais da prática. Estas mudanças foram feitas pelo fato de haver diferenças consideráveis nas formas de onda ao se utilizar os valores que foram fornecidos para a simulação. Acredita-se que como a simulação passada estava com o controle em MF (a atual está em MA) a razão cíclica tenha sido alterada para valores maiores que 0.4 para conseguir chegar na tensão de referência, pois não havia nada para limitá-la. Na prática utilizou-se a carga da saída de 5V em 10% e as outras em 100%, pois como foi mencionado anteriormente não era possível alterar as cargas para as saídas de. O período de chaveamento foi alterado para 18,3us, pois a freqüência de chaveamento medida na prática estava mais alta do que a apresentada no projeto. O duty cycle utilizado foi de 0,137, que foi o valor medido na laboratório para que as tensões alcançassem 5 e. A Figura 20 mostra as tensões de saída obtidas na simulação.

14 Figura 20 Tensões de saída A figura 21 mostra a ondulação de tensão obtida na saída de 5V. A ondulação é de 200mV, valor maior do que o projetado e igual ao obtido na prática. Figura 21 Ondulação na saída de 5V A figura 22 mostra a ondulação de tensão na saída de 15V, o valor da simulação é de 187mV, muito próximo do valor do projeto porém semelhante ao obtido na prática.

15 Figura 22 Ondulação de tensão na saída de 15V A figura 23 mostra a tensão no gate do mosfet obtida através da simulação Figura 23 Tensão no gate do mosfet A figura 24 mostra a tensão na chave, verificou-se que o valor máximo de tensão da simulação é de 85V e na prática obteve-se 102V.

16 Figura 24 Tensão na chave A tensão nos diodos é mostrada na figura 24, na prática obteve-se 56V de pico no diodo da saída de 15V, em simulação o valor obtido foi de 44V e no projeto foi de 53V. Figura 25 Tensão nos diodos As Figuras 26 e 27 mostram as ondulações nas correntes de saída. As corrente médias estão simulares às obtidas na prática. A ondulação de corrente na saída de 5V foi de 40mA, valor muito próximo do obtido na prática.

17 Figura 26 Corrente na saída de 5V Figura 27 Corrente na saída de 15V A figura 28 mostra que a corrente na chave possui um valor de pico de 3A enquanto que na prática obteve-se 3,4A. O valor médio é de 245mA enquanto que na prático foi de 300mA.

18 Figura 28 Corrente na chave A figura 29 mostra a corrente no diodo, o pico é 1,54A e na prática foi de 2,36A Figura 29 Corrente no diodo da saída com tensão 15V 5 TEMPERATURA NOS COMPONENTES Após o conversor permanecer ligado durante meia hora, utilizou-se a câmera térmica para medir a temperatura nos componentes. A figura 30 fornece a temperatura nas cargas das saídas de, como as mesmas estão com temperatura próxima a 40 C não haveria necessidade da troca realizada no começo do trabalho, este provavelmente não era o problema verificado no início.

19 Figura 30 Temperatura na carga da saída de elevada. A figura 31 mostra a carga para a saída de 5V, a qual está com temperatura Figura 31 temperatura na carga da saída de 5V A figura 32 mostra a temperatura no resistor do snubber, também com temperatura elevada.

20 Figura 32 Temperatura no resistor do snubber Na figura 33 é mostrada a temperatura no dissipador, foi colocado uma fita preta no ponto em que está sendo realizada a medição para fosse evitado reflexão que ocorre no alumínio. A temperatura está bem baixa, sendo assim, o dissipador está sobredimensionado. Figura 33 Temperatura no dissipador A figura 34 mostra a temperatura na chave, a qual está bem baixa e mostra que a chave está sobredimensionada.

21 Figura 34 Temperatura na chave 6 CONCLUSÃO Houve a necessidade de trocar o driver do conversor para que ele voltasse a funcionar, o driver antigo possuía baixa qualidade, então a troca além de fazer o conversor retomar seu funcionamento, melhorou a sua qualidade. Não há a necessidade de utilizar optoacoplador para um conversor flyback como foi apresentado no projeto anterior. Os picos de corrente e valores médios se diferenciam dos valores calculados pelo fato de não ser possível alterar as cargas para valores de 10% nas saídas de. Assim, o conversor está trabalhando com uma potência máxima muito inferior à projetada. Como a potência máxima é inferior a 50W alguns componentes estarão sobredimensionados, pois as correntes máximas e médias ficaram bem menores do que as calculadas. Há alguma incoerência nos valores fornecidos para a realização da simulação, pois foram alterados todos os parâmetros para que a simulação chegasse o mais próximo possível da prática e mesmo assim houve diferenças. O que mais se distanciou da prática foram os valores de tensões na saída, acredita-se que há diferença razoável na indutância da prática com a utilizada na simulação. Outro erro verificado foi que sem realizar estas alterações no circuito simulado (para que se chegasse mais perto do que estava acontecendo na prática), não era

22 possível chegar aos valores de tensões apresentados no relatório anterior com razão cíclica de 0,4, sendo que foram utilizados exatamente os mesmos componentes e parâmetros fornecidos. Acredita-se que o motivo para que as tensões de saída apresentadas no relatório anterior tenham chegado aos valores corretos seja que ao operar em malha fechada não havia nada limitando a razão cíclica e a mesma deveria estar com um valor superior a 0,4. Em relação à medição de temperatura verificou-se que a chave e o dissipador estavam com temperatura bem baixa, o que representa um sobredimensionamento destes componentes.