UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA GIAN LUCAS NUNES JARDEL RÉGIS TEIXEIRA PEDRO HENRIQUE FRANÇA RODOLFO VANASSI VINICIUS CASARA MELHORIA DO CONVERSOR FORWARD A DUAS CHAVES JOINVILLE, SC 2015

2 2 GIAN LUCAS NUNES DE ALMEIDA JARDEL RÉGIS TEIXEIRA PEDRO HENRIQUE FRANÇA RODOLFO VANASSI VINICIUS PELIZZER CASARA MELHORIA DO CONVERSOR FORWARD A DUAS CHAVES Trabalho de Laboratório da Disciplina de Projeto de Conversores Estático do Curso de Bacharelado em Engenharia Elétrica do Centro de Ciências Tecnológicas, da Universidade do Estado de Santa Catarina, como requisito para obtenção da nota parcial da disciplina. Orientador: Joselito Anastácio Heerdt JOINVILLE, SC 2015

3 3 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 - Estrutura do Conversor do conversor Forward duas chaves Figura 2 - Primeira etapa de operação do conversor forward duas chaves Figura 3 - Segunda etapa de operação do conversor forward duas chaves Figura 4 - Terceira etapa de operação do conversor forward duas chaves Figura 5 - Nova disposição dos dissipadores dos diodos D1 e D2 (visão superior) Figura 6 - Nova disposição dos dissipadores dos diodos D1 e D2 (visão frontal) Figura 7 - Mudança de distancia entre os dissipadores das chaves Figura 8 - Circuito do conversor Forward de dois interruptores Figura 9 - Tensão e corrente no indutor Figura 10 - Tensão e corrente no diodo D Figura 11 - Tensão e corrente no diodo D Figura 12 - Tensão e corrente no interruptor S Figura 13 - Tensão e corrente no interruptor S Figura 14 - Tensão e corrente na carga Figura 15 - Tensão e corrente no Indutor com V in =180V Figura 16 - Tensão e corrente na chave S1 com V in = 180V Figura 17 - Tensão e corrente no diodo D1 com V in =180V Figura 18 - Tensão e corrente no diodo D2 com V in = 180V Figura 19 - Tensão e corrente no Diodo D3 com V in = 180V Figura 20 - Temperatura no interruptor S2 com V in = 180V após estabilização térmica, sendo sua temperatura igual a 43,2ºC Figura 21 - Temperatura no interruptor 1 com V in = 180V após estabilização térmica, sendo sua temperatura igual a 52,1ºC Figura 22 - Temperatura no Indutor com V in = 180V após estabilização térmica, sendo a temperatura no maior ponto de calor equivalente a 37,9ºC Figura 23 Temperatura no Diodo D1 com V in = 180V após estabilização térmica, sendo sua temperatura equivalente a 50,9ºC Figura 24 - Temperatura no Diodo D2 com V in = 180V após estabilização térmica, sendo sua temperatura equivalente a 61,9ºC Figura 25 - Tensão e corrente na chave S2 com V in = 210V Figura 26 - Tensão sobre a chave S1 e corrente na saída para a carga com V in = 210V, com oscilações nos instantes em que ocorre o chaveamento Figura 27 - Tensão e corrente no indutor com V in = 210V, com oscilações nos instantes em qeu ocorre o chaveamento Figura 28 - Tensão e corrente no diodo D2 com V in = 220V, podendo ser observado oscilações no período de chaveamento Figura 29 - Visão térmica superior do conversor em tensão nominal, após atingir o regime térmico Figura 30 - Visão térmica do indutor em tensão nominal, após atingir o valor de regime térmico Figura 31 - Visão térmica do snubber 2 em tensão nominal, após atingir o valor de regime térmico Figura 32 - Visão térmica do dissipador do diodo D1 com tensão nominal e após atingir o regime térmico Figura 33 - Temperatura na chave S2 operando em tensão nominal e após atingir o regime térmico Figura 34 - Temperatura na chave S1, em tensão nominal após atingir o regime térmico

4 4 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO TOPOLOGIA DO CONVERSOR ETAPAS DE OPERAÇÃO ETAPA ETAPA ETAPA ESPECIFICAÇÕES ESPECIFICAÇÃO DOS COMPONENTES Especificação do diodo D Especificação do diodo D Especificação do diodo D3 e D Especificação da chave Especificação do capacitor de barramento Especificação do transformador Especificação do indutor Especificação do capacitor de saída MELHORIA PARA O CONVERSOR MELHORIA NOS DISSIPADORES MELHORIAS NO INDUTOR Indutor SIMULAÇÃO DO CONVERSOR COM O NOVO INDUTOR ENSAIOS NA BANCADA ENSAIO ANTES DA MELHORIA Análise das formas de ondas Análise da temperatura ENSAIO APÓS AS MELHORIAS Análise das formas de ondas Análise da temperatura CONCLUSÃO... 35

5 5 1 INTRODUÇÃO Este relatório consiste no estudo do conversor Forward a duas chaves, disponível no laboratório, onde serão apresentadas melhorias no projeto do indutor e na estrutura física, análises das formas de ondas de tensão e corrente no ponto de operação nominal. Além disso, um comparativo das análises obtidas do conversor antes e depois do emprego das melhorias.

6 6 2 TOPOLOGIA DO CONVERSOR O conversor Forward é um conversor DC/DC que utiliza um transformador para aumentar ou diminuir a tensão de saída (dependendo da relação de transformação do transformador) assim proporcionando uma isolação galvânica para a carga. Como é utilizado um transformador, pode utilizar múltiplos enrolamentos de saída assim podendo providenciar tensões maiores e menores que a entrada simultaneamente. O conversor Forward diferentemente do conversor Flyback não armazena energia durante o tempo de condução, por outro lado a energia é passada diretamente para a saída do conversor durante a etapa de condução. A Figura 1 apresenta a estrutura do conversor Forward com duas chaves, utilizado no desenvolvimento deste trabalho. Figura 1 - Estrutura do Conversor do conversor Forward duas chaves.

7 7 3 ETAPAS DE OPERAÇÃO O conversor da Figura 1 opera no modo contínuo no indutor, no qual possui três etapas de operação para o transformador e duas etapas no indutor de saída, sendo apresentadas a seguir: 3.1 ETAPA 1 A primeira etapa de operação, apresentada na Figura 2, ocorre no intervalo de tempo entre 0 DTs, sendo transferido potência da fonte de entrada V i para a carga. Durante esta etapa as chaves Q 1 e Q 2, e o diodo D 1 estão em condução. Já os diodos D 2, D 3 e D 4 estão bloqueados. Figura 2 - Primeira etapa de operação do conversor forward duas chaves. 3.2 ETAPA 2 A segunda etapa de operação, apresentada na Figura 2 - Primeira etapa de operação, ocorre no intervalo de tempo entre DTs DT+td, sendo desmagnetizado o transformador, devolvendo energia para a fonte V i, e a carga é alimentada pela energia do indutor e do capacitor de saída. Durante esta etapa os diodos D 2, D 3 e D 4 estão em condução. Já as chaves Q 1 e Q 2, e o diodo D 1 estão bloqueados.

8 8 Figura 3 - Segunda etapa de operação do conversor forward duas chaves. 3.3 ETAPA 3 A terceira etapa de operação, apresentada na Figura 3, ocorre no intervalo de tempo entre DT+td T s, quando o transformador fica desmagnetizado totalmente, e a carga continua sendo alimentada pela energia do indutor e do capacitor de saída. Durante esta etapa somente o diodo D 2 está em condução. Já as chaves Q 1 e Q 2, e os diodos D 1, D 3 e D 4 estão bloqueados. Figura 4 - Terceira etapa de operação do conversor forward duas chaves.

9 9 4 ESPECIFICAÇÕES As especificações de operação do conversor Forward do laboratório utilizado na realização deste trabalho, que pode ser visualizado na Figura 1 - Estrutura do Conversor, estão relacionadas abaixo: Condução contínua; Tensão de entrada da fonte CA: V in_fonte = 220V; Tensão no barramento do conversor, capacitor C in : V in_barramento = 270 V; Potência nominal de saída: P o =200W; Tensão de saída: V o =50V; Frequência de chaveamentos: f s = 90kHz; Variação de tensão de saída: ΔV=2%; Variação da corrente de saída: ΔI=15%; Razão cíclica máxima: D máx =0.45; Temperatura máxima da junção: T j = 100º C; Temperatura ambiente de projeto: T a = 50º C. O conversor é controlado utilizando a modulação PWM gerada no circuito integrado SG ESPECIFICAÇÃO DOS COMPONENTES Especificação do diodo D1 Os máximos esforços sobre o diodo D1 são mostrados na Tabela 4-1, ou seja, os mínimos esforços que o diodo D1 deve suportar. Tabela 4-1 Máximos esforços sobre o D1 O diodo utilizado foi o MUR 860 com os dados mostrados na Tabela 4-2.

10 10 Tabela 4-2 Dados do diodo MUR 860 (diodo D1) Especificação do diodo D2 O diodo D2 tem a função de roda livre. A Tabela 4-3 mostra os máximos esforços de tensão e corrente sobre o diodo D2. Tabela 4-3 Máximos esforços do diodo D2 O diodo utilizado foi o MUR 860 com os dados mostrados na Tabela Especificação do diodo D3 e D4 A Tabela 4-4 apresenta os máximos esforços de tensão e corrente sobre o diodo D3 e D4. Tabela 4-4 Máximos esforços do diodo D3 e D4 O diodo utilizado foi o UF 5408 com os dados mostrados na Tabela 4-5. Tabela 4-5 Dados do diodo UF5408 (diodos D3/D4)

11 Especificação da chave Os esforços sobre a chave são mostrados na Tabela 4-6. Tabela 4-6 Esforços sobre as chaves A chave utilizada foi o Mosfet IRF 840 e suas principais características são apresentadas na Tabela 4-7 Tabela 4-7 Características da chave utilizada (IRF 840)

12 Especificação do capacitor de barramento Tabela 4-8. Os esforços sobre o capacitor de barramento Vc in são apresentados na Tabela 4-8 Esforços sobre o capacitor de barramento O capacitor utilizado foi um capacitor da empresa EPCEOS de 940µF de 450V, sendo 2 capacitor de 470µF em paralelo Especificação do transformador A Tabela 4-9 apresenta os dados utilizados para o dimensionamento do transformador.

13 13 Tabela 4-9 Dados utilizados para o dimensionamento do transformador O núcleo utilizado foi E-42/21/15 com as características mostradas na Tabela Tabela 4-10 Dados do núcleo utilizado no projeto do transformador (E-42/21/15) A Tabela 4-11 apresenta os dados de relação de espiras do transformador e razão cíclica de operação do conversor. Tabela 4-11 Relação de espiras do transformador e razão cíclica do conversor Os esforços de correntes dos enrolamentos primário e secundário do transformador são apresentados nas Tabela 4-12 e Tabela 4-13 respectivamente.

14 14 Tabela 4-12 Esforços de corrente no enrolamento secundário Tabela 4-13 Esforços de corrente no enrolamento primário 25 AWG. A bitola do condutor de cobre utilizado para o enrolamento do transformador foi Especificação do indutor indutor. A Tabela 4-14 apresenta os dados utilizados para o dimensionamento do Tabela 4-14 Dados utilizados para projeto do indutor O núcleo utilizado na confecção do indutor foi E-42/21/20, com os dados mostrados na Tabela Tabela 4-15 Dados do núcleo utilizado no projeto

15 15 O número de espiras do enrolamento do indutor é de 51 espiras, com a bitola do fio de 25 AWG. O entreferro do núcleo é l entreferro =0,931mm e l entreferro_perna =0,466mm. Os dados elétricos e térmicos do indutor estão apresentados na Tabela Tabela 4-16 Dados elétricos e térmicos do indutor O valor da indutância projetada do indutor é L min = 0,766mH e a obtida no projeto prático foi de 0,843mH Especificação do capacitor de saída O valor de capacitância mínima, resistência série máxima e tensão mínima que o capacitor deve suportar é apresentado na Tabela 4-17 Tabela 4-17 Parâmetros que o capacitor de saída deve satisfazer O capacitor utilizado foi da fabricante EPCOS de 1000µF/160V/0.6Ω.

16 16 5 MELHORIA PARA O CONVERSOR Nesta seção será apresentado as melhorias proposta para o conversor forward a duas chaves do laboratório. Após análises de esforços e de temperatura de operação dos componentes e das formas de ondas obtidas, que serão expostas na secção 7.2, foi proposto uma melhoria no dissipador de calor dos diodos e das chaves, além de um novo indutor de saída. 5.1 MELHORIA NOS DISSIPADORES Depois de colocado o conversor em ponto de operação próximo da nominal, observou-se que nas formas de ondas obtidas apresentaram ruídos, estes podendo ser causados devido aos diodos do lado secundário estarem fixados no mesmo dissipador, causando uma possível fuga de corrente, e também uma capacitância presente entre os diodos e o dissipador. Já os dissipadores das chaves, estes estavam em contato, podendo gerar interferência. Além disso os dissipadores presentes estavam todos subdimensionado. Como melhoria proposta, foi substituído o dissipador dos diodos do lado secundário para dois outros dissipadores, um para cada diodo, além de ser colocado entre cada diodo e o dissipador a pasta térmica. Os dissipadores substitutos são de tamanhos menores do que havia no conversor, conforme pode ser visto nas Figura 5 e Figura 6. Este dissipador foi escolhido devido à disponibilidade do laboratório. Já nos dissipadores das chaves, foi realizado espaçamento entre os dissipadores para assim diminuir possíveis capacitâncias parasitas e garantir um maior, esta mudança pode ser vista na Figura 6. Figura 5 - Nova disposição dos dissipadores dos diodos D1 e D2 (visão superior).

17 17 Figura 6 - Nova disposição dos dissipadores dos diodos D1 e D2 (visão frontal). Figura 7 - Mudança de distancia entre os dissipadores das chaves. 5.2 MELHORIAS NO INDUTOR Com o conversor também no ponto de operação próximo da nominal, com o uso da câmera térmica disponível no laboratório verificou-se que o indutor operava a frio, sendo subdimensionado. Com as especificações do indutor apresentadas na subseção e com um núcleo disponibilizado no laboratório, foi confeccionado um novo indutor, conforme segue: Indutor Para confeccionar o novo indutor foram utilizados os dados da Tabela 4-14 e os dados de dimensão do novo núcleo. Abaixo segue novamente a tabela para

18 18 facilitar a compreensão dos cálculos de entreferro, número de espiras do indutor e bitola do fio de cobre. A indutância mínima deste indutor terá que ser de L min = 0,766mH, conforme especificado no projeto do conversor e apresentado na subseção Para cálculo destes parâmetros foi utilizado o software Mathcad. Todos os dados foram obtidos no projeto do conversor disponibilizado pelo professor. Tabela 5-1 Dados para cálculo do indutor O núcleo utilizado foi o E-42/21/15, no qual as medidas do núcleo foram medidas com o auxilio de um paquímetro durante os experimentos para obter os valores calculados mais próximos. Os valores medidos seguem abaixo: A e =1,74 cm 2 A w =2,14 cm 2 A e A w =3,723cm 4 Núcleo no formato E Bitola do fio de cobre Sendo: I LRMS = 4,015A J máx = 450 A/cm 2 (1)

19 19 Com base na tabela de fios em AWG, foi obtido o fio 18AWG. Para evitar o efeito skin, optou-se por usar 2 fios 23AWG que equivalente ao 18 AWG Número de espiras (2) Foi determinado Nl=63 espiras Entreferro (3) (4) Foi obtido um valor de entreferro de Devido os arredondamentos considerados, foi feito o cálculo inverso, para verificar o valor da indutância que será obtido com este valor de Lg. Conforme segue: (5) Após enrolado o indutor foi obtido uma indutância de 0,83mH. Logo se pode considerar o resultado satisfatório tendo em vista que o erro experimental foi de aproximadamente 6%.

20 20 6 SIMULAÇÃO DO CONVERSOR COM O NOVO INDUTOR Figura 8 - Circuito do conversor Forward de dois interruptores. Figura 9 - Tensão e corrente no indutor simulada.

21 21 Figura 10 - Tensão e corrente no diodo D2 simulada. Figura 11 - Tensão e corrente no diodo D1 simulada.

22 22 Figura 12 - Tensão e corrente no interruptor S1 simulada. Figura 13 - Tensão e corrente no interruptor S2 simulada.

23 Figura 14 - Tensão e corrente na carga simulada. 23

24 24 7 ENSAIOS NA BANCADA Para comparação das formas de onda do conversor antes e após as melhorias, foram realizados ensaios com análise das formas de onda de tensão e corrente do conversor, e da temperatura dos componentes após um tempo de operação. 7.1 ENSAIO ANTES DA MELHORIA A seguir serão mostradas as imagens adquiridas realizando o ensaio de bancada utilizando o osciloscópio com ponteiras de tensão e corrente. É importante salientar que as medições em tensões acima de 180V apresentaram dificuldades em ser mensuradas devido ao projeto não possuir filtro de EMI na entrada, assim em muitos casos não foi possível a medição pois tamanha era a interferência que a proteção do driver de comando atuasse, assim desligando o conversor Análise das formas de ondas Figura 15 - Tensão e corrente no Indutor com V in =180V

25 25 Figura 16 - Tensão e corrente na chave S1 com V in = 180V Figura 17 - Tensão e corrente no diodo D1 com V in =180V Figura 18 - Tensão e corrente no diodo D2 com V in = 180V

26 26 Figura 19 - Tensão e corrente no Diodo D3 com V in = 180V Análise da temperatura Podemos notar que todos os dissipadores estavam trabalhando com folga térmica, inclusive o indutor. Este foi o motivo principal, no qual foram realizadas as mudanças neste componentes. Figura 20 - Temperatura no interruptor S2 com V in = 180V após estabilização térmica, sendo sua temperatura igual a 43,2ºC.

27 27 Figura 21 - Temperatura no interruptor 1 com V in = 180V após estabilização térmica, sendo sua temperatura igual a 52,1ºC. Figura 22 - Temperatura no Indutor com V in = 180V após estabilização térmica, sendo a temperatura no maior ponto de calor equivalente a 37,9ºC.

28 28 Figura 23 Temperatura no Diodo D1 com V in = 180V após estabilização térmica, sendo sua temperatura equivalente a 50,9ºC. Figura 24 - Temperatura no Diodo D2 com V in = 180V após estabilização térmica, sendo sua temperatura equivalente a 61,9ºC.

29 ENSAIO APÓS AS MELHORIAS As figuras a seguir ilustram as formas de ondas de tensão e corrente, bem como as imagens térmicas dos dissipadores e do novo indutor. Nelas podemos notar que as oscilações nos chaveamentos diminuíram e o novo indutor, bem como os dissipadores estão operando com temperaturas dentro dos limites previstos pelos fabricantes Análise das formas de ondas Figura 25 - Tensão e corrente na chave S2 com V in = 210V

30 30 Figura 26 - Tensão sobre a chave S1 e corrente na saída para a carga com V in = 210V, com oscilações nos instantes em que ocorre o chaveamento. Figura 27 - Tensão e corrente no indutor com V in = 210V, com oscilações nos instantes em qeu ocorre o chaveamento

31 31 Figura 28 - Tensão e corrente no diodo D2 com V in = 220V, podendo ser observado oscilações no período de chaveamento Análise da temperatura Figura 29 - Visão térmica superior do conversor em tensão nominal, após atingir o regime térmico.

32 32 Figura 30 - Visão térmica do indutor em tensão nominal, após atingir o valor de regime térmico. Figura 31 - Visão térmica do snubber 2 em tensão nominal, após atingir o valor de regime térmico.

33 33 Figura 32 - Visão térmica do dissipador do diodo D1 com tensão nominal e após atingir o regime térmico. Figura 33 - Temperatura na chave S2 operando em tensão nominal e após atingir o regime térmico.

34 Figura 34 - Temperatura na chave S1, em tensão nominal após atingir o regime térmico. 34

35 35 8 CONCLUSÃO A partir de todo o desenvolvimento de cada etapa do projeto final de laboratório pode-se concluir que todos os acadêmicos tiveram um avanço no conhecimento prático de conversores estáticos, por mais que o estudo realizado tenha sido apenas sobre uma topologia, já foi possível criar uma noção de qual a relação na prática. Pode-se observar no decorrer do trabalho, que a prática se aproxima consideravelmente à teoria, entretanto nem sempre o resultado é exato. Um exemplo que pode ser citado, foi durante a execução do projeto do novo indutor, previa-se a partir dos cálculos que o resultado da indutância iria ser exato, porém na teoria não são consideradas todas as variáveis que pode alterar o resultado, logo algumas adaptações tiveram que ser realizadas para obter um valor mais preciso da indutância. Outro detalhe bem interessante foram os ruídos providos da circulação para a rede afetando as formas de onda do conversor. Para este caso, conclui-se que a melhor solução seria isolar a rede do conversor. Além disso, com a nova adaptação dos dissipadores foram possíveis realizar novos testes com tensões de entrada maiores que haviam sido feitas até então, devido ao problema mencionado anteriormente. Por fim, deixa-se como preposição futura, que se inicie com mais antecedência os testes práticos do conversor para que haja mais tempo. Com isso, outras melhorias poderiam ser implementas e o conhecimento prático aumentaria também.