UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CTT ENGENHARIA ELÉTRICA

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CTT ENGENHARIA ELÉTRICA PROPOSTA E IMPLEMENTAÇÃO DE UM INDUTOR ACOPLADO PARA O CONVERSOR FLYBACK ANDRÉ CEVINSKI ALISSON MENGATTO BIANCA ZANATTA GUILHERME PAUL JEFSON DE SOUZA MARIANA M. HIRAKAWA BALDASSI MURILO ROSA SÉRGIO NAVA JÚNIOR WILLIAN MARTIM LENERT JOINVILLE, 2015

2 ANDRÉ CEVINSKI ALISSON MENGATTO BIANCA ZANATTA GUILHERME PAUL JEFSON DE SOUZA MARIANA M. HIRAKAWA BALDASSI MURILO ROSA SÉRGIO NAVA JÚNIOR WILLIAN MARTIM LENERT PROPOSTA E IMPLEMENTAÇÃO DE UM INDUTOR ACOPLADO PARA O CONVERSOR FLYBACK Trabalho desenvolvido em laboratório na matéria de Projetos de Conversores Estáticos do curso de Engenharia Elétrica da Universidade do Estado de Santa Catarina. Professor: Joselito Anastácio Heerdt JOINVILLE, 2015

3 INTRODUÇÃO Este trabalho tem como objetivo a avaliação do conversor flyback, já desenvolvido e apresentado aos alunos em laboratório, e a partir de observações em bancada, propor melhorias para o conversor, aplicando assim a teoria aprendida em sala de aula. Serão comparados valores teóricos, simulados e experimentais, com a finalidade de validar todas as etapas desenvolvidas, das formas de onda na saída, nos semicondutores, no indutor acoplado e no snubber, assim como será avaliada a temperatura dos componentes para verificar o correto dimensionamento e se os requisitos de projeto estão atendidos. A proposta e implementação da melhoria do conversor tem como objetivo adequar os componentes ao conversor, sem que isso comprometa o funcionamento. Ao final do trabalho, o conversor com o novo componente será comparado com o conversor original, verificando seu funcionamento e dimensionamento. O Flyback em questão apresenta três saídas, duas delas de 15V e 20W e uma de 5V e 10W. O diagrama elétrico é representado na figura 1. Figura 1 Conversor Flyback DESENVOLVIMENTO Primeiramente, o conversor original foi colocado em teste, e suas formas de onda e temperatura nos componentes críticos foram obtidas como intuito de verificar o dimensionamento e seu funcionamento para então poder propor melhorias ao conversor. Antes de realizar as medições, os resistores de carga nas três saídas do conversor foram alterados para que seja possível alcançar a potência nominal, verificando assim seu funcionamento na região em que foi dimensionado. Os resultados obtidos podem ser verificados nas imagens a seguir.

4 Figura 2 Formas de onda de tensão e corrente na entrada do conversor flyback. Figura 3 Formas de onda de tensão e corrente invertida no secundário do indutor acoplado do conversor flyback.

5 Figura 4 Formas de onda de tensão e corrente invertida no primário do indutor acoplado do conversor flyback. Figura 5 Formas de onda de tensão e corrente na saída de 5V do conversor flyback.

6 Figura 6 Ondulação na saída de 5V do conversor flyback (acoplamento CA). Figura 7 Formas de onda de tensão e corrente na saída de 15V do conversor flyback.

7 Figura 8 Ondulação na saída de 15V do conversor flyback (acoplamento CA). Figura 9 Tempos de subida e descida do conversor flyback. Também foram obtidas as temperaturas nos componentes mais importantes do circuito. A partir da temperatura verificada nos componentes, é possível verificar se estão dimensionados de acordo com as especificações de projeto. A imagem com as temperaturas dos componentes operando em potência nominal podem ser visualizadas nas figuras a seguir.

8 Figura 10 Temperatura no interruptor do conversor flyback (34.8 C). Figura 11 Temperatura no indutor acoplado do conversor flyback (37,9 C). Figura 12 Temperatura no resistor de snubber do conversor flyback (>270 C).

9 Figura 13 Temperatura nos resistores de carga de 15V (164 C), 15V (268 C) e 5V (234 C), respectivamente. Após análise dos dados obtidos e das imagens anteriormente mostradas, concluiu-se que devido à baixa temperatura no núcleo magnético do indutor acoplado, este componente provavelmente estaria sobredimensionado. O que levou o grupo a realizar um novo projeto para o indutor, com um núcleo de menor tamanho, com o intuito de reduzir custos e também o tamanho do conversor. Além disso, é possível verificar um grande aquecimento no resistor de snubber e a operação com sobretensão no interruptor. Portanto, também é necessário o cálculo de um novo snubber para o interruptor. O núcleo do indutor acoplado antes da alteração era o EE42/21/20, que possuía um volume de 23.3cm 3, e o projeto foi realizado com os parâmetros abaixo: Para diminuir o tamanho do núcleo, a frequência foi aumentada de 50kHz para 80kHz e a densidade de corrente também foi aumentada de A/ cm para 500 A / cm. Então, o cálculo é iniciado a partir dos parâmetros de projeto do indutor: Kp = 0,5, Kw = 0,4, ΔB = 0,12T, J COND = 500 A cm 2, V D = 0,9 V, P OUT = 50W, Assim, µ 0 = 4π T. m A 4D MÁX 3 P OUT 10 4 Ae. Aw = Kp Kw J COND f S ΔBη = 4, m 4

10 O núcleo escolhido para o desenvolvimento do indutor acoplado foi o EE30/15/11, que possui área de 8.17cm 3 (praticamente um terço do tamanho do número anterior) com os parâmetros a seguir: TABELA I Parâmetros do núcleo EE30/15/11. Núcleo Ae (cm²) Aw (cm²) Ae.Aw (cm 4 ) EE 30/15/ ,3862 2,911 Cálculo do entreferro: gap 2P out o f s B 2 A e m gap 1.291mm l gap gap 2 Número de espiras no primário: l gap 0.646mm N p_calculado B gap I s1_peak kgm s 2 A 2 espiras mkg A 2 s 2 N p_calculado espiras N p 15 N p 1 D max V o1 V D N sec1_calculado V in_min D max N sec1_calculado s2 A 2 espiras kgm N sec1 4 N p 1 D max V o2 V D N sec2_calculado V in_min D max N sec2_calculado s2 A 2 espiras kgm N sec2 10 N p 1 D max V o3 V D N sec3_calculado V in_min D max N sec3_calculado s2 A 2 espiras kgm N sec3 N sec2

11 Área de condutor necessária: S cu_primario I s1_rms J cond S cu_primario cm 2 S cu_secundario I d1_rms J cond S cu_secundario cm 2 S cu_t erciario I d2_rms J cond S cu_terciario m 2 Diâmetro máximo do fio: cm 15 s max f s max 0.053cm Cálculo das indutâncias magnetizantes: D max T s L primario V in_min I s1_peak L primario H N sec1 L secundario L primario N p L secundario 1.567H 2 N sec2 L terciario L primario N p 2 terciario = 15V L terciario 9.792H

12 Escolha do fio: Segundo os cálculos acima, foi escolhido o seguinte fio: AWG23 S cu_awg cm 2 S cu_awg23_isolado cm 2 S cu_primario S cu_secundario n p_calculado n S sec1_calculado cu_awg23 S cu_awg23 n sec2_calculado S cu_t erciario 1.54 S cu_awg23 Espiras em paralelo: n primario 2 n secundario 2 n terciario 2 Capacidade de Execução: Como a equação que segue é muito grande, ela foi composta em três partes, onde: K u1 S cu_awg23_isolado N p n primario K u2 S cu_awg23_isolado N sec1 n secundario Aw2 0.96cm 2 K u3 2S cu_awg23_isolado N sec2 n terciario Aw2 = área carretel K u1 K u2 K u3 K u Aw2 K u1 K u2 K u3 K u Como Ku =.262, é possivel construir o indutor acoplado. Então, tal projeto foi posto em prática para verificar seu funcionamento, e para poder retirar os demais parâmetros e então realizar os cálculos necessários para o snubber.

13 SIMULAÇÃO A nível de validação das formas de onda, foi efetuada a simulação das formas de onda. Figura 14 - Formas de onda de tensão e corrente na saída de 15V do conversor Flyback via simulação (tensão em vermelho, corrente em azul) Figura 15 Formas de onda de tensão (vermelho) e corrente (azul) na entrada do conversor Flyback via simulação

14 Figura 16 Formas de onda de tensão (vermelho) e corrente (azul) no interruptor do conversor Flyback via simulação Figura 17 - Formas de onda de tensão (vermelho) e corrente (azul) no diodo da saída de +15V do conversor Flyback via simulação

15 Figura 18 - Formas de onda de tensão (vermelho) e corrente (azul) no secundário da saída de +15V do conversor Flyback via simulação A simulação em questão não apresenta todas as perdas reais do conversor, pois não foram utilizados os componentes reais presentes no conversor, porém as formas de onda validam os resultados obtidos em bancada, e mostram que o conversor se comporta conforme as expectativas do grupo. Figura 19 Potência de entrada

16 Figura 20 Formas de onda de tensão e corrente na saída de 5V do conversor Flyback após melhorias Figura 21 Formas de onda de tensão e corrente na saída de +15V do conversor Flyback após melhorias

17 Figura 22 - Formas de onda de tensão e corrente na saída de -15V do conversor Flyback após melhorias Figura 23 Formas de onda de tensão e corrente no diodo da saída de +15V do conversor Flyback após melhorias

18 Figura 24 Formas de onda de tensão e corrente no interruptor do conversor Flyback após melhorias É possível observar que o pico de tensão na chave é de aproximadamente 340V, um valor bem acima da tensão na chave antes das alterações efetuadas, devido ao aumento da indutância de dispersão presente no novo indutor acoplado. Conforme foi visto anteriormente, a simulação também não detectou o valor de pico da tensão da chave, pois apesar de considerar a indutância de dispersão, outras não idealidades não são consideradas no modelo, como o interruptor real utilizado, os diodos, indutância de layout, etc. Figura 25 Formas de onda de tensão e corrente no secundário da saída de +15V do conversor Flyback após melhorias

19 Além das formas de onda, foi coletado a temperatura de alguns componentes, como no interruptor, no resistor do snubber, e do transformador. Figura 26 Temperatura no interruptor do conversor Flyback após melhorias Figura 27 Temperatura no resistor do snubber do conversor Flyback após melhorias

20 Figura 28 Temperatura do transformador do conversor Flyback após melhorias A utilização do snubber mostrou-se necessária para o acionamento da chave. Optou-se por utilizar a topologia RCD de controle de derivada de tensão, com a simulação realizada abaixo. Figura 29 Esquemático Orcad K K1 COUPLING = 1 K_Linear D1 42 R V7 L5 V1 = 0 V2 = 1 TD = 0 TR = 1n TF = 1n PW = 5.24u PER = 12.5u 1.142u V5 S Sbreak 1n L1 25uH C5 1n I Dbreak 75 R11 L2 1.9uH D4 Dbreak D2 Dbreak L3 11.8uH C2 390u 0 C3 390u R8 1Meg R9 1Meg 2.5 R4V+ 11 V- R3 0 C6 D3 0 L uH Dbreak C4 390u R R7 1Meg

21 Figura 30 Tensão do interruptor Devido à alteração da planta em relação a indutância magnetizante e aumento da frequência de comutação para 80kHz, o projeto de controle realizado nos semestres anteriores não se mostrou apto a regular a tensão de saída de 5V. Por isso, alterações no circuito de comando do CI 3525 foram realizadas de forma a tornar o acionamento do conversor em malha aberta, de modo a regular a razão cíclica para entrada de 48V e saídas com a tensão nominal. O esquemático do comando anteriormente era como mostrado na figura abaixo: Figura 31 Esquemático do controlador antes da melhoria implementada.

22 Para tornar o sistema em malha aberta, o amplificador operacional interno entre o pino 1 e 9, antes usado como integrador para o controle, foi adaptado para se tornar um buffer, conectando o pino 9 ao 1 diretamente, através de um jumper no capacitor C4 e retirada do resistor R3 que tinha a função de realizar um pull down. O CI que tem uma onda triangular interna variante de 3.7 a 0.7 V, é comparada, pelo pino 2, com o valor da tensão do divisor resistivo pelo potenciômetro com sinal de tensão provindo do pino 16, este de 5.1V. Na configuração anterior, a tensão não era suficiente para alcançar o valor da razão cíclica necessária, para operar em tensão nominal. Então, o divisor resistivo foi alterado, saindo do pino 16, R4 foi substituído por 1K, o potenciômetro antes de 5K, foi substituído por um de 1K, e o resistor de baixo R5, substituído por um resistor de 1.5K. RENDIMENTO Para averiguar a melhoria no conversor Flyback, foi calculado o rendimento do conversor para as situações antes e depois das alterações efetuadas. Antes: Para uma primeira análise, foram obtidas as formas de onda da tensão e corrente da entrada do conversor, porém como é possível observar na Figura 1 a média da corrente calculada pelo osciloscópio não pode ser considerada correta devido aos picos negativos. Para uma análise mais coerente, foi retirada a equação da corrente, para assim obter o dado da corrente média da entrada: Imed Como as tensões e correntes das saídas são aproximadamente constantes, é possível obter o rendimento fazendo as seguintes considerações: P 5, 26V 1,37 A 7, 21W out5v P 14,9V 1, 26A 18, 77W out15v s Imed 0.972A n Dessa maneira: s 7A t dt s W 18.77W 18.77W 52V Imed Portanto, antes das melhorias implementadas, o rendimento do conversor era de aproximadamente 88%.

23 Depois: Para a segunda etapa, percebidos os problemas decorrentes da aquisição de dados, o grupo obteve os dados das potências com um wattímetro, resultando em um rendimento de 77%. Para comparação, o rendimento também foi calculado através das formas de onda pelo osciloscópio, gerando um rendimento de 60%. Vale lembrar que o rendimento obtido pelo wattímetro é o correto a se analisar. O rendimento do conversor foi reduzido, pois o núcleo foi redimensionado para operação em plena carga e houve aumento da densidade de corrente, resultando em um aumento significativo na temperatura do núcleo, o que consequentemente leva a um aumento das perdas do conversor. CONCLUSÃO Com o desenvolvimento deste relatório, foi possível observar através da temperatura que o indutor acoplado estava sobredimensionado, sendo necessária a mudança de parâmetros como a densidade de corrente, frequência de comutação, e a variação do fluxo para que fosse possível a implementação do indutor acoplado em um núcleo reduzido, tendo assim uma maior densidade de potência. Além disso, foi necessário a mudança do controlador, abrindo a malha devido a alteração da planta. Foi possível observar que o Snubber estava mal dimensionado, e além disso a indutância de dispersão foi alterada, logo foi necessário realizar uma simulação para obter os novos parâmetros desses. Dentre as dificuldades encontradas na execução do projeto foram a necessidade de enrolar o indutor acoplado mais de uma vez para que coubesse no carretel, as adaptações no comando, e no projeto do Snubber. Como pode ser observado pelas imagens abaixo, o tamanho físico do indutor acoplado foi notavelmente reduzido:

24 Figura 32 Foto do conversor Flyback antes das alterações Figura 33 Foto do conversor Flyback depois das alterações

25 Figura 34 Foto da comparação do tamanho entre os indutores acoplados Como melhorias para os próximos semestres, o grupo recomenda o projeto de controle em malha fechada levando em consideração a nova planta; melhorar o circuito de acionamento para colocar tensão negativa, preferencialmente utilizando um driver isolado; melhorias no projeto do snubber, projetando um snubber para grampeamento de tensão ao invés de controle de derivada de tensão; e também seria interessante o projeto de uma PCB para fixação da resistência de carga.