INSTITUTO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

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1 INSTITUTO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Departamento de Engenharia Elétrica Centro Tecnológico UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROJETO DE UM CONVERSOR FLYBACK E DE UM CONVERSOR FORWARD ISOLADOS COM RETIFICADOR E FILTRO CAPACITIVO Responsável pelo Projeto: Clóvis Antônio Petry (INEP/EEL UFSC) Professor Responsável: Prof. Arnaldo José Perin (INEP/EEL UFSC) Agosto/000 Caixa Postal 5119, CEP: Florianópolis - SC Tel. : (048) Fax: (048) Internet:

2 ÍNDICE 1 INTRODUÇÃO... 3 RETIFICADOR COM FILTRO CAPACITIVO ESPECIFICAÇÕES DE PROJETO DO RETIFICADOR COM FILTRO CAPACITIVO PROJETO DO RETIFICADOR COM FILTRO CAPACITIVO Determinação do Capacitor de Filtragem Determinação dos Diodos Retificadores CONVERSOR FLYBACK ESPECIFICAÇÕES DE PROJETO DO CONVERSOR FLYBACK PROJETO DO CONVERSOR FLYBACK Projeto do Transformador Determinação do Capacitor de Saída Especificação do Interruptor Especificação do Diodo SIMULAÇÃO DO CONVERSOR FLYBACK SIMULAÇÃO COM TENSÃO MÍNIMA NA ENTRADA SIMULAÇÃO PARA TENSÃO MÁXIMA NA ENTRADA CONVERSOR FORWARD ESPECIFICAÇÕES DE PROJETO DO CONVERSOR FORWARD PROJETO DO CONVERSOR FORWARD Projeto do Transformador Cálculo dos Novos Valores de D Projeto do Indutor de Filtragem da Corrente de Saída Determinação do Capacitor de Saída Especificação do Interruptor Especificação do Diodo de Desmagnetização (Dd) Especificação do Diodo Retificador da Saída Especificação do Diodo de Circulação SIMULAÇÃO DO CONVERSOR FORWARD SIMULAÇÃO COM TENSÃO MÍNIMA NA ENTRADA SIMULAÇÃO COM TENSÃO MÁXIMA NA ENTRADA ANÁLISE DOS RESULTADOS OBTIDOS PROJETO DO TRANSFORMADOR COM DEMAG TRANSFORMADOR DO CONVERSOR FLYBACK Projeto pela Restrição de Temperatura Projeto pelo Produto de Áreas TRANSFORMADOR DO CONVERSOR FORWARD Projeto pela Restrição de Temperatura CONCLUSÃO BIBLIOGRAFIA ANEXOS ANEXO I CARACTERÍSTICAS DO MATERIAL IP 1R ANEXO I CARACTERÍSTICAS DO MATERIAL IP 1E... 65

3 1 INTRODUÇÃO Este trabalho tem como objetivo o projeto de um conversor Flyback e de um conversor Forward isolados incluindo o retificador e filtro de entrada. O retificador com filtro capacitivo é o responsável pela conversão da tensão alternada da rede numa tensão contínua com ondulação preestabelecida. Por tratar-se de um filtro capacitivo, na tensão de saída estará presente uma componente alternada de 10Hz. A tensão de saída do retificador com filtro capacitivo será aplicada à entrada do conversor Flyback e/ou do conversor Forward. Estes conversores, pela característica do circuito de controle, apresentam resposta lenta à variações da tensão de entrada, desta forma a ondulação de 10Hz presente na tensão de entrada dos conversores não será compensada pelo circuito de controle, se fazendo presente na saída dos mesmos. Por se tratarem de conversores isolados faz-se necessário o uso de transformador. Este, além da função de isolação permite também a adaptação da tensão de saída em função da tensão de entrada. Desta forma o conversor tem como função principal o controle da tensão de saída, operando com razão cíclica maior, pois esta está diretamente ligada à diferença entre a tensão de entrada e de saída. No conversor Flyback o transformador assume também a função do indutor de armazenamento de energia. No conversor Forward tem-se a presença de um indutor para filtragem da corrente na saída. A princípio isto pode ser visto como um aumento do volume total do conversor. No entanto este aumento de elementos magnéticos é compensado pela diminuição do capacitor de filtragem da saída. Tem-se a seguir o projeto do retificador com filtro capacitivo. Em seguida tem-se o projeto do conversor Flyback com posterior simulação e do conversor Forward com simulação. Por final tem-se o projeto dos transformadores usando o software de projeto DEMag. Faz-se também a especificação dos componentes, com determinação da potência dissipada sobre os mesmos visando especificar um dissipador. Ressalta-se que a especificação dos componentes e eventualmente de dissipadores visa apenas servir como instrumento de aprendizado. Portanto, não ter-se-á preocupação em especificar os melhores componentes, em termos de características elétricas, mecânicas e econômicas. 3

4 RETIFICADOR COM FILTRO CAPACITIVO.1 Especificações de Projeto do Retificador com Filtro Capacitivo Sejam as seguintes especificações para o retificador com filtro capacitivo: Vin min = 190V - Tensão mínima de entrada; Vin max = 40 V - Tensão máxima de entrada; V = 5% - Ondulação da tensão na saída do retificador; ret = 90% - Rendimento do retificador com filtro capacitivo; P con = 100W - Potência de saída dos conversores; f = 60Hz - Freqüência da rede; Ta = 50 0 C - Temperatura de operação dos circuitos; con = 70% - Rendimento do conversor (pior caso); Vd = 3V - Queda de tensão nos diodos retificadores. O circuito do retificador com filtro capacitivo a ser projetado está mostrado na Fig D1 D Vin + - C Saída D3 D4 Fig. 1 - Circuito do retificador com filtro capacitivo. -. Projeto do Retificador com Filtro Capacitivo Para determinação dos componentes do retificador com filtro capacitivo será usada a metodologia apresentada em []...1 Determinação do Capacitor de Filtragem A potência de saída do retificador é dada pela (Eq. 1): Pcon 100 Pout (Eq. 1) 0,7 con Pout 14,86W (Eq. ) 4

5 Portanto a potência de entrada do retificador será: Pout 14,86 Pin (Eq. 3) 0,9 ret Pin 158,7W (Eq. 4) A tensão de pico sobre o capacitor é dada por: Vpk Vin min Vd (Eq. 5) Vpk 65,7V (Eq. 6) A tensão mínima sobre o capacitor será: Vc min 0,95( Vin min Vd) 0,95( 190 3) (Eq. 7) Vc min 5,4V (Eq. 8) Portanto o capacitor será: Pin 158,7 (Eq. 9) f (Vpk Vc min ) 60(65,7 5,4 ) C C 384,34 F (Eq. 10) Usando-se o valor comercial mais próximo: C 470 Fx400V (Eq. 11) Capacitor eletrolítico de alumínio marca Icotron... Determinação dos Diodos Retificadores O tempo de condução dos diodos é dado por: tc cos 1 Vc min Vpk f 1 5,4 cos 65,7 60 (Eq. 1) tc 0,84ms (Eq. 13) A corrente de pico na saída do retificador é dada por: C V ,3 Ip (Eq. 14) tc 0,84m 5

6 Ip 7,4A (Eq. 15) No entanto, conforme é recomendado em [] a corrente de pico deve ser considerada com o dobro de amplitude, desta forma: Ip 14,8A (Eq. 16) O valor eficaz da corrente na saída do retificador é: Ief Ip tcf (tcf) 7,4 0, ( 0, ) (Eq. 17) Ief,3A (Eq. 18) A corrente média fornecida pelo capacitor ao conversor é dada por: Imd Pin 158,7 (Eq. 19) Vc min 5,4 Imd 0,63A (Eq. 0) A corrente total no capacitor de filtragem é dada por: Icef Ief Imd,3 0,63 (Eq. 1) Icef,3A (Eq. ) As correntes nos diodos retificadores serão: Idp Ip 14,8A (Eq. 3) Idef Ip tcf 7,4 0, (Eq. 4) Idef 1,67A (Eq. 5) Pin 1587 Idmd (Eq. 6) Vc min 5,4 Idmd 0,31A (Eq. 7) Vd max Vin max 40 (Eq. 8) Vd max 339,4V (Eq. 9) Portanto pode-se usar o diodo 1N 4005 Semikron. Suas características elétricas são: V RRM = 600V - Máxima tensão reversa; I F = A - Corrente eficaz; I md = 1A - Corrente média direta; 6

7 I p = 35A - Máxima corrente suportada durante 10ms; V TO = 0,85V - Queda de tensão direta; rt = 90m - Resistência série direta; Tj = C - Temperatura de junção; Rtja = 80 0 C/W - Resistência térmica entre junção e ambiente para montagem em placas de circuito impresso. Pode-se então determinar a potência dissipada sobre os diodos retificadores: Pd V 3 TOIdmd rtidef 0,85 0, , 67 (Eq. 30) Pd 0,51W (Eq. 31) Portanto a resistência térmica entre junção e ambiente será: Tj Ta Rja (Eq. 3) Pd 0,51 0 Rja 54,9 C/ W (Eq. 33) Como o valor calculado é maior que o especificado para o diodo 1N 4005 não necessita-se o emprego de dissipador. 7

8 3 CONVERSOR FLYBACK 3.1 Especificações de Projeto do Conversor Flyback Sejam as seguintes especificações para o conversor Flyback: Vin min = 53V - Tensão mínima de entrada; Vin max = 340 V - Tensão máxima de entrada; Vc = 100mV - Ondulação da tensão na saída do conversor; V out = 13V - Tensão de saída do conversor; = 70% - Rendimento do conversor Flyback; P out = 100W - Potência de saída do conversor; fs = 8kHz - Frequência de chaveamento; Dmax = 0,4 - Razão cíclica máxima; Ta = 50 0 C - Temperatura de operação do circuito; Vd = 1,5V - Queda de tensão no diodo. O circuito do conversor Flyback a ser projetado está mostrado na Fig.. Ip=I T Is=Id D Ic Io + Vin + - T Np Ns C Ro Vout - Fig. - Circuito do conversor Flyback. 3. Projeto do Conversor Flyback Para determinação dos componentes do conversor Flyback será usada a metodologia apresentada em [1] Projeto do Transformador Escolha do Núcleo Para escolha do núcleo é usada a (Eq. 33): 1.1Pout AeAw Kp Kw j B fs (Eq. 34) 8

9 Onde: Ae - Área da seção transversal do núcleo; Aw - Área da janela do núcleo; Kp = 0,5 - Fator de utilização do primário; Kw = 0,4 - Fator de utilização da área da janela; j = 400A/cm - Densidade de corrente; B = 0,5T - Variação da densidade de fluxo. Os valores de Kp, Kw, j e B são valores típicos extraídos da literatura [5] para as especificações de projeto apresentadas anteriormente. Portanto o produto AeAw será: 1,1 100 AeAw (Eq. 35) 0,5 0, ,5 8k 4 AeAw 1,964cm (Eq. 36) Da tabela de núcleos do fabricante Thornton escolhe-se o núcleo E-4/15 que possui área da seção do núcleo de: Ae 1,81cm (Eq. 37) Determinação do Entreferro A energia acumulada no enrolamento primário durante a etapa de magnetização do transformado (interruptor T conduzindo) é dada por: Pout 100 W (Eq. 38) fs 0,7 8k W 5,10mJ (Eq. 39) 7 o W ,10m (Eq. 40) 4 B Ae 0,5 1,81 10 Onde o é a permeabilidade do ar. Assim: 1,134mm (Eq. 41) Se na montagem do transformador o entreferro ocupar os dois lados do núcleo do tipo E tem-se: 1,134 lg (Eq. 4) lg 0,567mm (Eq. 43) 9

10 Cálculo do Número de Espiras do Enrolamento Primário O número de espiras do primário é calculado pela (Eq. 44): B Np (Eq. 44) o Ip Mas a corrente de pico no primário é dada por: Pout 100 Ip (Eq. 45) Vin Dmax 0,7 53 0,4 min Ip,8A (Eq. 46) Portanto: 3 0,5 1, Np ,8 (Eq. 47) Np 80espiras (Eq. 48) Cálculo do Número de Espiras do Enrolamento Secundário O número de espiras do secundário é calculado pela (Eq. 49): (Vout Vd) (1 Dmax) (13 1,5) (1 0,4) Ns Np 80 (Eq. 49) Vin Dmax 53 0,4 min Ns 7espiras (Eq. 50) Determinação da Seção dos Condutores Para determinação da seção dos condutores é necessário determinar-se a profundidade de penetração do campo, dada por: 7,5 7,5 (Eq. 51) fs 8k 0,09cm (Eq. 5) A (Eq. 51) se mostra correta para uma temperatura de C. Da tabela de fios de cobre verifica-se o que o fio de número 19AWG satisfaz o diâmetro especificado. Este possui uma seção de: 7 m S 6,57 10 (Eq. 53) 10

11 A seção do condutor para o enrolamento primário é dada por: Ipef Sp (Eq. 54) j Mas a corrente eficaz do primário é dada por: Dmax 0,4 Ipef Ip,8 (Eq. 55) 3 3 Ipef 1,031A (Eq. 56) Portanto: 1,0131 Sp (Eq. 57) m Sp, (Eq. 58) Pela tabela de fios de cobre verifica-se que o fio de número 3AWG satisfaz o valor calculado. Como a seção do condutor calculada para o enrolamento primário é menor do que a especificada pela profundidade de penetração pode-se especificar o condutor de bitola 3 AWG, pois assim é melhor utilizado o espaço do núcleo disponível para os enrolamentos. A seção do condutor para o enrolamento secundário será: Isef Ss (Eq. 59) j Mas a corrente eficaz do enrolamento secundário é dada por: Isef To fs Is (Eq. 60) 3 Considerando o tempo de condução do diodo igual ao tempo de abertura do interruptor temse: 1 Dmax 1 0,4 To T T T1 T(1 Dmax) (Eq. 61) fs 8k To 1,43 s (Eq. 6) Assim: 1,43 8k Isef 3, (Eq. 63) 3 Isef 14,4A (Eq. 64) 11

12 Portanto: 14,4 Ss (Eq. 65) m Ss 3,6 10 (Eq. 66) A seção calculada para o enrolamento secundário é maior do que a especificada pela profundidade de penetração. Desta forma é necessário usar-se condutores em paralelo de seção 19AWG conforme especificado pela profundidade de penetração. O número de condutores em paralelo será: 6 Ss 3,6 10 ns (Eq. 67) 7 S 6,57 10 ns 6 (Eq. 68) São portanto usados 6 condutores em paralelo de bitola 19AWG para confecção do enrolamento secundário Determinação das Indutâncias Magnetizantes dos Enrolamentos Para simulação do conversor faz-se necessário conhecer as indutâncias magnetizantes dos enrolamentos primário e secundário. A indutância do primário é determinada por: 4 Np B Ae 80 0,5 1,81 10 Lmp (Eq. 69) Ip,8 Lmp 1,8mH (Eq. 70) Para o enrolamento secundário tem-se: Ns B Ae Lms (Eq. 71) Is Mas a corrente de pico no secundário é dada por: Np 80 Is Ip,8 (Eq. 7) Ns 7 Is 3,A (Eq. 73) Portanto: 4 7 0,5 1,81 10 Lms (Eq. 74) 3, 1

13 Lms 9,84 H (Eq. 75) 3.. Determinação do Capacitor de Saída O capacitor de saída é determinado por: Io Dmax C (Eq. 76) fs Vc A corrente média na carga é dada por: Pout 100 Io (Eq. 77) Vout 13 Io 7,69A (Eq. 78) Portanto: 7,69 0,4 C (Eq. 79) 8k 0,1 C 1,099mF (Eq. 80) A resistência série equivalente máxima do capacitor é dada por: Vc 0,1 RSE (Eq. 81) Is 3, RSE 3,1 m (Eq. 8) Para satisfazer a RSE escolheu-se 6 capacitores eletrolíticos de alumínio não sólido da Icotron que possuem RSE de 17m e F x 16V Especificação do Interruptor A corrente de pico no interruptor é a mesma que no enrolamento primário, assim: I T Ip,8A (Eq. 83) A corrente eficaz também será a mesma do enrolamento primário: ef I T Ipef 1,031A (Eq. 84) 13

14 A corrente média no interruptor será: Vin min Dmax 53 0,4 ITmd (Eq. 85) fs Lmp 8k 1,8m I T md 0,565A (Eq. 86) A tensão máxima sobre o interruptor é dada por: V T Np 80 max Vin max (Vout Vd) 340 (13 0,5) (Eq. 87) Ns 7 V T max 505,7V (Eq. 88) O interruptor escolhido é o IRFI BE 0G que possui como principais características: V DS = 800V - Máxima tensão entre dreno e source; I D = 1,4A - Corrente eficaz direta; R Dson = 6,5 - Resistência de condução direta; Rtjc = 4,1 0 C/W - Resistência térmica entre junção e cápsula Especificação do Diodo A corrente de pico no diodo é a mesma do enrolamento secundário: Id Is 3,A (Eq. 89) A corrente eficaz no diodo também será a mesma que no enrolamento secundário do transformador: Idef Isef 14,4A (Eq. 90 ) A corrente média no diodo será: Is To 3, 1,43 8k Idmd (Eq. 91) T Idmd 9,66A (Eq. 9) A máxima tensão reversa sobre o diodo será: Ns 7 Vd max Vout Vin max (Eq. 93) Np 80 Vd max 4,75V (Eq. 94) 14

15 O diodo escolhido e que atende as especificações acima é o SKN F 17/04 da Semikron que possui as características listadas abaixo: V RRM = 400V - Máxima tensão reversa; I F = 41A - Corrente eficaz direta; I Dm = 6A - Corrente média direta; Ip = 450A - Corrente de pico; Rtjc = 1, 0 C/W - Resistência térmica entre junção e cápsula; Rtcd = 0,5 0 C/W - Resistência térmica entre cápsula e dissipador; rt = 1m - Resistência de condução direta; Tj = C - Máxima temperatura de junção; V TO = 1,3V - Queda de tensão direta. A potência dissipada sobre o diodo é: Pd V 3 TO Idmd rt Idef 1,3 9, , 4 (Eq. 95) Pd 15,04W (Eq. 96) A resistência térmica entre junção e ambiente será: Tj Ta Rja (Eq. 97) Pd 15,04 0 Rja 6,65 C/ W (Eq. 98) Mas tem-se que: Rja Rjc Rcd Rda (Eq. 99) Portanto: Rda Rja Rjc Rcd 6,65 1, 0,5 (Eq. 100) 0 Rda 4,95 C/ W (Eq. 101) Da tabela de dissipadores pode-se escolher o dissipador K5 da Semikron. Ressalta-se que este dissipador possui um volume grande, não sendo adequado para uso em fontes de alimentação. 15

16 3.3 Simulação do Conversor Flyback O circuito simulado está mostrado na Fig. 3. D1 D3 d1n4005 Vin + - d1n4005 D D4 470uF C1 Vin+ Vin+ Vin- Vin- + - Vg Lp 1,8mH T IRFI BE 0G K K1 k_linear COUPLING=0,9999 Lp Ls D5 Ls Dbreak 9,84uH C.00u Rlig 1M Diodos não especificacos: MUR 1560 Fig. 3 - Circuito para simulação. Ro 1, Simulação com Tensão Mínima na Entrada São mostradas a seguir as formas de onda obtidas através de simulação para uma tensão na rede de 190V. A razão cíclica (D) do conversor foi ajustada a fim de obter-se potência nominal na saída do mesmo. Na Fig. 4 tem-se a tensão da rede e na saída do retificador. Nota-se uma pequena ondulação de 10Hz. Esta ondulação se faz presente pela natureza da filtragem (filtro capacitivo) usada na etapa de retificação. Na mesma figura tem-se também a corrente solicitada da rede. No momento da energização do circuito a corrente de carga do capacitor de filtragem é grande e deve ser evitada. No trabalho em questão não pretende-se sanar este problema. 400V Vin Vrede 0V -400V 50A Irede 0A -50A 0s 5ms 10ms 15ms 0ms 5ms 30ms 35ms 40ms Fig. 4 - Tensão da rede e na saída do retificador Corrente na fonte. 16

17 Na Fig. 5 mostra-se a ondulação de 10Hz presente na tensão de saída do retificador com filtro capacitivo. A ondulação de 5% especificada no projeto, que corresponde a uma tensão de aproximadamente 13V, está sendo atendida pelo circuito. 68V Vin 64V Vond = 7,8V 60V 56V 10A Irede 0A -10A 0ms ms 4ms 6ms 8ms 30ms Fig. 5 - Detalhe da ondulação na tensão de saída do retificador. Na Fig. 6 tem-se a tensão sobre cada enrolamento do transformador (primário e secundário). A ondulação presente na entrada em condução do interruptor é devida às não idealidades dos componentes, já que a simulação foi realizada com componentes reais. 400V Vp 0V -400V 50V Vs 0V -50V ms ms ms ms ms ms ms ms Fig. 6 - Tensão no primário e no secundário do transformador. 17

18 Na Fig. 7 tem-se a corrente em cada enrolamento (primário e secundário) do transformador. Identifica-se que o conversor está operando em condução descontínua. 4.0A Ip.0A 0A -.0A 50A Is 0A -50A ms ms ms ms ms ms ms ms Fig. 7 Corrente no primário e no secundário do transformador. Na Fig. 8 tem-se a tensão e corrente no interruptor e no diodo retificador da saída. 800 V T x 0 I T I d 0 V d ms ms ms ms ms ms ms ms Fig. 8 - Tensão e corrente no interruptor - Tensão e corrente no diodo. 18

19 A forma de onda da tensão e da corrente na carga é mostrada na Fig. 9. Nota-se que o transitório é de aproximadamente 10ms até estabelecer-se a operação em regime permanente. A tensão na carga possui uma ondulação de 10Hz conforme comentado anteriormente. Esta ondulação pode ser eliminada pela atuação do circuito de controle sobre a razão cíclica do conversor. 15V Vout 10V 5V 0V 10A Io 5A 0A 0s 0ms 40ms 60ms 80ms 100ms 10ms 140ms Fig. 9 - Tensão e corrente na carga em regime permanente. Na Fig. 10 mostra-se a ondulação presente na tensão de saída. O valor de ondulação pico-apico está de acordo com a especificação de projeto (100mV). Na simulação realizada não considerou-se a resistência série equivalente (RSE) do capacitor. Para compensar seu efeito seria aumentada enormemente a capacitância do capacitor de filtro da saída e assim os tempos envolvidos na simulação aumentariam, sendo que os resultados esperados seriam os mesmos dos obtidos com a simulação ora em análise V Vout V Vond = 65.4mV V V 7.791A Io 7.760A 7.70A Iond = 38.5mA 7.68A ms ms 0.000ms ms ms ms ms Fig Detalhe da ondulação de tensão e corrente na carga. Na Fig. 11 tem-se a potência na carga. Não realizou-se simulação da resposta dinâmica da tensão na carga para variações desta, pois o trabalho em questão trata da operação de conversores 19

20 em malha aberta. Portanto os conversores em estudo (Flyback e Forward) não apresentam circuito de controle. Também não verificou-se o rendimento dos circuitos em questão, pois desconsiderouse alguns elementos causadores de perdas na simulação, por exemplo a resistência dos condutores presentes no circuito, as perdas no núcleo dos transformadores e indutores e as resistências série equivalentes dos capacitores. 10W Pout 100W 80W 60W 40W 0W 0W 0s 0ms 40ms 60ms 80ms 100ms 10ms 140ms Fig Potência na saída em regime permanente. 0

21 3.5 Simulação para Tensão Máxima na Entrada São mostradas a seguir as formas de onda obtidas através de simulação para uma tensão na rede de 40V. A razão cíclica (D) do conversor foi ajustada a fim de obter-se potência nominal na saída do mesmo. Na Fig. 1 tem-se a tensão da rede e na saída do retificador e a corrente solicitada da rede. 400V Vin Vrede 0V -400V 80A Irede 40A 0A -40A 0s 5ms 10ms 15ms 0ms 5ms 30ms 35ms 40ms Fig. 1 - Tensão da rede e na saída do retificador Corrente na fonte. Na Fig. 13 mostra-se a ondulação de 10Hz presente na tensão de saída do retificador com filtro capacitivo. A ondulação de 5% especificada no projeto, que corresponde a uma tensão de aproximadamente 17V, está sendo atendida pelo circuito. 340V Vin (0.877m, ) 336V 5,77V (0.337m,33.89) 33V 10A Irede 0A -10A 0ms ms 4ms 6ms 8ms 30ms Fig Detalhe da ondulação na tensão de saída do retificador. 1

22 Na Fig. 14 tem-se a tensão sobre cada enrolamento do transformador (primário e secundário). 400V Vp 0V -400V 80V Vs 40V 0V -40V ms 100.0ms ms ms ms ms ms ms Fig Tensão no primário e no secundário do transformador. Na Fig. 15 tem-se a corrente em cada enrolamento (primário e secundário) do transformador. O conversor continua operando em condução descontínua. 3.0A Ip.0A 0A -1.0A 50A Is 5A -5A ms 100.0ms ms ms ms ms ms ms Fig. 15 Corrente no primário e no secundário do transformador.

23 Na Fig. 16 tem-se a tensão e corrente no interruptor e no diodo retificador da saída. 800 V T I T x V D 0 I D ms 100.0ms ms ms ms ms ms ms Fig Tensão e corrente no interruptor - Tensão e corrente no diodo. A forma de onda da tensão e corrente na carga é mostrada na Fig. 17. Nota-se um transitório de aproximadamente 5ms, ou seja, metade do tempo em relação à simulação com tensão mínima na entrada. 15V Vout 10V 5V 0V 10A Io 5A 0A 0s 5ms 10ms 15ms 0ms 5ms 30ms 35ms 40ms Fig Tensão e corrente na carga em regime permanente. 3

24 Na Fig. 18 mostra-se a ondulação presente na tensão de saída. O valor de ondulação pico-apico está de acordo com a especificação de projeto (100mV). 13.0V Vout 13.15V Vond = 66mV 13.10V 13.05V 7.80A Io 7.78A Iond = 40mA 7.76A 7.74A 0.1ms ms ms ms ms ms ms ms Fig Detalhe da ondulação de tensão e corrente na carga. Na Fig. 19 tem-se a potência na carga. 10W Pout 100W 80W 60W 40W 0W 0W 0s 0ms 40ms 60ms 80ms 100ms 10ms 140ms Fig Potência na saída em regime permanente. 4

25 4 CONVERSOR FORWARD 4.1 Especificações de Projeto do Conversor Forward Sejam as seguintes especificações para o conversor Forward: Vin min = 53V - Tensão mínima de entrada; Vin max = 340 V - Tensão máxima de entrada; Vc = 100mV - Ondulação da tensão na saída do conversor; V out = 13V - Tensão de saída do conversor; il = 10% - Ondulação de corrente no indutor; = 80% - Rendimento do conversor Forward; P out = 100W - Potência de saída do conversor; fs = 8kHz - Frequência de chaveamento; Dmax = 0,4 - Razão cíclica máxima; Ta = 50 0 C - Temperatura de operação do circuito; Vd = 1,5V - Queda de tensão no diodo. O circuito do conversor Forward a ser projetado está mostrado na Fig. 0. Vin + - Np T Nt Dd Ns D1 D il L C ic Ro Io + Vout - 4. Projeto do Conversor Forward Fig. 0 - Circuito do conversor Forward. Para determinação dos componentes do conversor Forward será usada a metodologia apresentada em [1] Projeto do Transformador Escolha do Núcleo Para escolha do núcleo é usada a (Eq. 10): 1, Pout AeAw (Eq. 10) Kp Kw j B fs 5

26 Onde: Ae - Área da seção transversal do núcleo; Aw - Área da janela do núcleo; Kp = 0,3 - Fator de utilização do primário; Kw = 0,4 - Fator de utilização da área da janela; j = 400A/cm - Densidade de corrente; B = 0,3 T - Variação da densidade de fluxo. Os valores de Kp, Kw, j e B são valores típicos extraídos da literatura [5] para as especificações de projeto apresentadas anteriormente. Portanto o produto AeAw será: 1, 100 AeAw 0,3 0, ,3 8k 0,8 4 AeAw 3,7cm (Eq. 103) Da tabela de núcleos do fabricante Thornton escolhe-se o núcleo E-4/0 que possui área da seção do núcleo de: Ae,40cm (Eq. 104) Determinação do Entreferro O transformador do conversor Forward não necessita de entreferro. No entanto, pelo alto valo de B que está sendo utilizado neste projeto convém determinar o valor do entreferro, para que na implementação prática, se houver necessidade, este já esteja determinado. A energia acumulada no enrolamento primário durante a etapa de magnetização do transformador (interruptor T conduzindo) é dada por: Pout 100 W (Eq. 105) fs 0,8 8k W 4,46mJ (Eq. 106) 7 o W ,46m (Eq. 107) 4 B Ae 0,3,40 10 Onde o é a permeabilidade do ar. Assim: 0,5mm (Eq. 108) Se na montagem do transformador o entreferro ocupar os dois lados do núcleo do tipo E tem-se: 0,5 lg (Eq. 109) lg 0,6mm (Eq. 110) 6

27 Cálculo do Número de Espiras do Enrolamento Primário O número de espiras do primário é calculado pela (Eq. 111): Vin min Dmax 53 0,4 Np 4 Ae B fs, ,3 8k (Eq. 111) Np 51espiras (Eq. 11) Cálculo do Número de Espiras do Enrolamento Secundário O número de espiras do secundário é calculado pela (Eq. 113): (Vout Vd Dmax) (13 1,5 0,4) Ns 1.1Np 1,1 51 (Eq. 113) Vin Dmax 53 0,4 min Ns 8 espiras (Eq. 114) Cálculo do Número de Espiras do Enrolamento Terciário (de desmagnetização) O número de espiras do terciário é calculado pela (Eq. 115): Nt Np 51espiras (Eq. 115) Determinação da Seção dos Condutores Para determinação da seção dos condutores é necessário determinar-se a profundidade de penetração, dada por: 7,5 7,5 (Eq. 116) fs 8k 0,09cm (Eq. 117) A (Eq. 116) apresenta-se correta para uma temperatura de C. Caso contrário, o valor determinado pela mesma é aproximado, que é o presente caso. Da tabela de fios de cobre verifica-se que o fio de número 19AWG satisfaz o diâmetro especificado, e este possui uma seção de: 7 m S 6,57 10 (Eq. 118) A seção do condutor para o enrolamento primário é dada por: Ipef Sp (Eq. 119) j 7

28 Mas a corrente eficaz do primário é dada por: Ipef 3 Ns Ns Vin min Dmax Vin min Dmax Io Dmax Io (Eq. 10) Np Np Lmp A indutância magnetizante do primário é dada por: fs Lmp 3 fs Vin min Dmax Lmp (Eq. 11) fs Ip' Onde Ip é a corrente de pico devido a magnetizante, assim: Ns 8 Ip' il 0,769 (Eq. 1) Np 51 Ip' 0,11A (Eq. 13) Portanto: 53 0,4 Lmp (Eq. 14) 8k 0,11 Lmp 9,96mH (Eq. 15) ,4 53 0,4 Ipef 7,69 0,4 7,69 (Eq. 16) ,96m 8k 9,96m Ipef 0,84A (Eq. 17) Portanto: 0,84 Sp (Eq. 18) m Sp,09 10 (Eq. 19) Pela tabela de fios de cobre verifica-se que o fio de número 4AWG satisfaz o valor calculado. Como a seção do condutor calculada para o enrolamento primário é menor do que a especificada pela profundidade de penetração pode-se especificar o condutor de bitola 4 AWG, pois assim é melhor utilizado o espaço do núcleo disponível para os enrolamentos. A seção do condutor para o enrolamento secundário será: Isef Ss (Eq. 130) j 8

29 Mas a corrente eficaz do enrolamento secundário é dada por: Io Pout 100 Isef (Eq. 131) Vout 13 Isef 5,44A (Eq. 13) Portanto: 5,44 Ss (Eq. 133) m Ss 1,36 10 (Eq. 134) A seção calculada para o enrolamento secundário é maior do que a especificada pela profundidade de penetração. Desta forma é necessário usar-se condutores em paralelo de seção 19AWG conforme especificado pela profundidade de penetração. O número de condutores em paralelo será: 6 Ss 1,36 10 ns (Eq. 135) 7 S 6,57 10 ns (Eq. 136) São portanto usados condutores de bitola 19AWG para confecção do enrolamento secundário. A corrente eficaz do terciário é dada por: 3 Vin min Dmax Itef (Eq. 137) fs Lmt 3 Mas a indutância magnetizante do terciário é: Nt B Ae Lmt (Eq. 138) It A corrente de pico no terciário é dada por: Vin min Dmax Np 53 0,4 51 It (Eq. 139) Lmp fs Nt 9,96m 8k 51 It 0,11A (Eq. 140) Portanto: ,3,40 10 Lmt (Eq. 141) 0,11 9

30 Lmt 30,35mH (Eq. 14) Então finalmente: ,4 Itef (Eq. 143) 8k 30,35m 3 Itef 0,044A (Eq. 144) Portanto: 0,044 St (Eq. 145) m St 0, (Eq. 146) Pela tabela de fios de cobre verifica-se o fio de número 36AWG satisfaz o valor calculado. Como a seção do condutor calculada para o enrolamento terciário é menor do que a especificada pela profundidade de penetração pode-se especificar o condutor de bitola 36AWG, pois assim é melhor utilizado o espaço do núcleo disponível para os enrolamentos Determinação das Indutâncias Magnetizantes dos Enrolamentos Para simulação do conversor faz-se necessário conhecer as indutâncias magnetizantes dos enrolamentos primário, secundário e terciário. As indutâncias do primário e do terciário foram determinadas anteriormente e valem: Lmp 9,96mH (Eq. 147) Lmt 30,35mH (Eq. 148) Para o secundário tem-se: Ns B Ae Lms (Eq. 149) Is Mas a corrente de pico no secundário, devido à corrente de magnetização do primário é dada por: Vin min Dmax Np 53 0,4 51 Is (Eq. 150) Lmp fs Ns 9,96m 8k 8 Is 0,385A (Eq. 151) 30

31 Portanto: 4 8 0,3,40 10 Lms (Eq. 15) 0,385 Lms 0,375mH (Eq. 153) O valor de Lms poderia ser obtido usando-se a indutância do primário e a relação de transformação. A corrente de pico no secundário pode ser obtida diretamente usando a expressão: il Is Io (Eq. 154) Posteriormente será comprovado por simulação que o valor da corrente de pico no primário é devido à magnetizante e também devido à ondulação de corrente na saída. Por isso em algumas expressões acima aparecem termos multiplicados ou divididos por. Se a corrente de saída fosse isenta de ondulação os valores teóricos seriam confirmados na simulação, sem necessidade de ajuste. 4.. Cálculo dos Novos Valores de D Em função da relação de transformação pode-se determinar os valores máximo e mínimo de D. O valor de Dmin é dado por: Np 51 Vout 13 D min Ns 8 (Eq. 155) Vin 340 max Dmin 0,44 (Eq. 156) O valor de Dmax será: Np 51 Vout 13 D max Ns 8 (Eq. 157) Vin 53 min Dmax 0,38 (Eq. 158) 4..3 Projeto do Indutor de Filtragem da Corrente de Saída Cálculo da Indutância A indutância do indutor de filtro da corrente de saída, calculada para Vin min e Dmax, é dada 31

32 por: Vin min (1 D max) D max Np/ Ns L' (Eq. 159) fs il A corrente média na carga é dada por: Pout 100 Io (Eq. 160) Vout 13 Io 7,69A (Eq. 161) Portanto a ondulação de corrente é dada por: il 0,1 Io 0,1 7,69 (Eq. 16) il 0,769A (Eq. 163) E assim: 53 (1 0,38)0,38 L' 51/8 (Eq. 164) 8k 0,769 L' 0,406mH (Eq. 165) Calculando-se para Vin max e Dmin tem-se: Vin max (1 Dmin)Dmin 340 (1 0,44)0,44 Np/ Ns L'' 51/8 (Eq. 166) fs il 8k 0,769 L'' 0,457mH (Eq. 167) Para manter a ondulação de corrente na saída dentro do valor especificado escolhe-se o maior valor de L, portanto: L 0,457mH (Eq. 168) Escolha do Núcleo il 0,769 L Io 0,457m 7,69 AeAw (Eq. 169) k B j 0,7 0, AeAw 3,55cm (Eq. 170) 3

33 Onde: Ae - Área da seção transversal do núcleo; Aw - Área da janela do núcleo; K = Fator de utilização do enrolamento; j = 400A/cm - Densidade de corrente; B = 0,3 T - Variação da densidade de fluxo; Io il / I p - Corrente de pico no indutor. L Os valores de Kp, j e B são valores típicos extraídos da literatura [5] para as especificações de projeto apresentadas anteriormente. Da tabela de núcleos do fabricante Thornton escolhe-se o núcleo E-4/0 que possui área da seção do núcleo de: Ae,40cm (Eq. 171) Cálculo do Número de Espiras O número de espiras é calculado por: il 0,769 L Io 0,457m 7,69 N (Eq. 17) 4 B Ae 0,3,40 10 N 5espiras (Eq. 173) Cálculo do Entreferro O entreferro é calculado por: 7 4 N o Ae ,40 10 (Eq. 174) 3 L 0, ,57mm (Eq. 175) Se na montagem do transformador o entreferro ocupar os dois lados do núcleo do tipo E tem-se: lg 1,78mm (Eq. 176) Escolha do Condutor A corrente eficaz no indutor é aproximadamente a corrente média na saída, pois a ondulação é muito pequena. Portanto a seção do condutor será: Io 7,69 S (Eq. 177) J

34 6 m S 1,9 10 (Eq. 178) Portanto o número de condutores considerando a profundidade de penetração será: 6 S 1,9 10 n (Eq. 179) 7 S 6,57 10 n 3 (Eq. 180) São portanto usados 3 condutores de bitola 19AWG para confecção do indutor de filtragem da corrente de saída Determinação do Capacitor de Saída O capacitor de saída é determinado por: il 0,769 C (Eq. 181) fs Vc 8k 0,1 C 43,7 F (Eq. 18) A resistência série equivalente máxima do capacitor é dada por: Vc 0,1 RSE (Eq. 183) il 0,769 RSE 0, 13 (Eq. 184) O capacitor escolhido que satisfaz as características desejadas é: x F x 16V da marca Icotron de código B41859 que possui RSE de 0, Especificação do Interruptor A corrente de pico no interruptor é a mesma que no enrolamento primário, assim: I T I T il Ns il Ns 0, ,769 8 Ip Io 7,69 (Eq. 185) Np Np Ip 1,33A (Eq. 186) A corrente eficaz também será a mesma do enrolamento primário: ef I T Ipef 0,84A (Eq. 187) 34

35 A corrente média no interruptor será: Ns Vin min Dmax ,4 ITmd Io Dmax 7,69 0,4 (Eq. 188) Np Lmp fs 51 1,46m 8k I T md 0,53A (Eq. 189) A tensão máxima sobre o interruptor é dada por: Np 51 VT max Vin max Vin max (Eq. 190) Nt 51 V T max 680V (Eq. 191) O interruptor escolhido é o IRFI BE 30G que possui como principais características: V DS = 800V - Máxima tensão entre dreno e source; I D =,1A - Corrente eficaz direta; R Dson = 3 - Resistência de condução direta; Rtjc = 3,6 0 C/W - Resistência térmica entre junção e cápsula Especificação do Diodo de Desmagnetização (Dd) A corrente de pico no diodo Dd é a mesma do enrolamento terciário: Idd It 0,11A (Eq. 19) A corrente eficaz no diodo Dd também será a mesma que no enrolamento terciário do transformador: Iddef Itef 0,044A (Eq. 193) A corrente média no diodo Dd será: Vin min To Iddmd (Eq. 194) Lmt T Mas o tempo para desmagnetização do transformador é: Lmt It 30,35m 0,11 To (Eq. 195) Vin 53 min To 14,51 s (Eq. 196) 35

36 Portanto: 53 (14,51 ) Iddmd (Eq. 197) 30,35m 1/ 8k Iddmd 0,04A (Eq. 198) A máxima tensão reversa sobre o diodo será: Vdd max Nt 51 Vin max Vin max (Eq. 199) Np 51 Vdd max 680V (Eq. 00) O diodo escolhido e que atende as especificações acima é o SK3 GL08 da Semikron que possui as características listadas abaixo: V RRM = 800V - Máxima tensão reversa; I F = 10A - Corrente eficaz direta; I Dm = 3A - Corrente média direta; Ip = 175A - Corrente de pico; rt = 40m - Resistência de condução direta; Tj = C - Máxima temperatura de junção; V TO = 0,95V - Queda de tensão direta. A potência dissipada sobre o diodo é: Pd VTO Idmd rt Idef 0,95 0, , 04 3 (Eq. 01) Pd 0,04W (Eq. 0) A resistência térmica entre junção e ambiente será: Tj Ta Rja (Eq. 03) Pd 0,04 0 Rja 3.15 C/ W (Eq. 04) Conclui-se então que este diodo não precisa de dissipador e poderá ser montado diretamente sobre a placa. Novamente ressalta-se que os componentes especificados podem não ser os mais adequados para um projeto prático. 36

37 4..7 Especificação do Diodo Retificador da Saída A corrente de pico no diodo D1 é dada por: il 0,769 Id1 Is Io 7,69 8,07A (Eq. 05) A corrente eficaz no diodo D1 também é a mesma do enrolamento secundário: Id1ef Isef 5,44A (Eq. 06) A corrente média no diodo D1 será: Id1md Io Dmax 7,69 0,4 (Eq. 07) Id1md 3,08A (Eq. 08) A máxima tensão reversa sobre o diodo D1 será: Ns 8 Vd1max Vin max 340 (Eq. 09) Nt 51 Vd1max 53,3V (Eq. 10) O diodo escolhido e que atende as especificações acima é o SKN F 17/04 da Semikron que possui as características listadas abaixo: V RRM = 400V - Máxima tensão reversa; I F = 41A - Corrente eficaz direta; I Dm = 6A - Corrente média direta; Ip = 450A - Corrente de pico; Rtjc = 1, 0 C/W - Resistência térmica entre junção e cápsula; Rtcd = 0,5 0 C/W - Resistência térmica entre cápsula e dissipador; rt = 1m - Resistência de condução direta; Tj = C - Máxima temperatura de junção; V TO = 1,3V - Queda de tensão direta. A potência dissipada sobre o diodo D1 é: Pd V 3 TO Id1md rt Id1ef 1,3 3, , 44 (Eq. 11) Pd 4,36W (Eq. 1) A resistência térmica entre junção e ambiente será: Tj Ta Rja (Eq. 13) Pd 4,36 37

38 0 Rja,94 C/ W (Eq. 14) Mas tem-se que: Rja Rjc Rcd Rda (Eq. 15) Portanto: Rda Rja Rjc Rcd,94 1, 0,5 (Eq. 16) 0 Rda 1,4 C/ W (Eq. 17) Da tabela de dissipadores pode-se escolher o dissipador k9 da Semikron Especificação do Diodo de Circulação A corrente de pico no diodo D é a mesma do diodo retificador da saída: Id Is 8,07A (Eq. 18) A corrente eficaz no diodo D é dada por: Idef il To il To To Io Io il il (Eq. 19) T T 3 T Idef 0,769 14,51 1/ 8k 0,769 14,51 1/ 8k 14,51 3 1/ 8k 7,69 7,69 0,769 0,769 (Eq. 0) Idef 4,9A (Eq. 1) A corrente média no diodo D será: Idmd To 14,51 Io 7,69 3,1A (Eq. ) T 1/ 8k A máxima tensão reversa sobre o diodo D será: Ns 8 Vd max Vin max 340 (Eq. 3) Np 51 Vdmax 53,3V (Eq. 4) O diodo escolhido e que atende as especificações acima é o SKN F 17/04 da Semikron que possui as características listadas abaixo: V RRM = 400V - Máxima tensão reversa; 38

39 I F = 41A - Corrente eficaz direta; I Dm = 6A - Corrente média direta; Ip = 450A - Corrente de pico; Rtjc = 1, 0 C/W - Resistência térmica entre junção e cápsula; Rtcd = 0,5 0 C/W - Resistência térmica entre cápsula e dissipador; rt = 1m - Resistência de condução direta; Tj = C - Máxima temperatura de junção; V TO = 1,3V - Queda de tensão direta. A potência dissipada sobre o diodo D1 é: Pd V 3 TO Id1md rt Id1ef 1,3 3, , 9 (Eq. 5) Pd 4,3W (Eq. 6) A resistência térmica entre junção e ambiente será: Tj Ta Rja (Eq. 7) Pd 4,3 0 Rja 3,3 C/ W (Eq. 8) Mas tem-se que: Rja Rjc Rcd Rda (Eq. 9) Portanto: Rda Rja Rjc Rcd 3,3 1, 0,5 (Eq. 30) 0 Rda 1,6 C/ W (Eq. 31) Da tabela de dissipadores pode-se escolher o dissipador k9 da Semikron. Deve-se verificar que este dissipador é muito volumoso para ser usado numa fonte de alimentação, isto ocorre porque os diodos especificados não são os mais adequados para esta aplicação. Poderia-se usar diodos de outro fabricante, por exemplo Motorola, que possuem características melhores e mais adequadas para a presente aplicação. No entanto, neste trabalhou não buscou-se determinar os componentes mais indicados para a presente aplicação, pois o projeto aqui desenvolvido não será implementado, e a metodologia usada tem como objetivo o aprendizado. 39

40 4.3 Simulação do Conversor Forward O circuito simulado está mostrado na Fig. 1. K K1 D1 D3 Vin + - D D4 470uF C1 Vin+ Vin- Vin- Vin+ 9,96m Lp Vg T + - IRFI BE 0G 30,35m Lt D5 COUPLING=1 Lp Lt D6 Ls 0,737m Ls Rlig D7 L 0,457m C 47uF Ro 1,69 1M Diodos não especificacos: MUR 1560 Fig. 1 - Circuito para simulação. 4.4 Simulação com Tensão Mínima na Entrada São mostradas a seguir as formas de onda obtidas através de simulação para uma tensão na rede de 190V. A razão cíclica (D) do conversor foi ajustada a fim de obter-se potência nominal na saída do mesmo. Na Fig. tem-se a tensão da rede e na saída do retificador. Nota-se uma pequena ondulação de 10Hz na tensão de saída do retificador, isto devido ao tipo de filtragem utilizada (filtro capacitivo). 400V Vin Vrede 0V -400V 50A Irede 0A -50A 0s 5ms 10ms 15ms 0ms 5ms 30ms 35ms 40ms Fig. - Tensão da rede e na saída do retificador Corrente na fonte. 40

41 Na Fig. 3 pode-se verificar que a máxima ondulação de tensão na saída do retificador foi atendida, conforme especificado em projeto (aproximadamente 13V). 68V Vin 64V Vond = 7,15V 60V 56V 10A Irede 0A -10A 0ms ms 4ms 6ms 8ms 30ms Fig. 3 - Detalhe da ondulação na tensão de saída do retificador. Na Fig. 4 mostra-se a tensão em cada enrolamento do transformador. Pode-se verificar aqui uma forma de onda de melhor qualidade em relação aquela do conversor Flyback, isto no que concerne as influências das não idealidades dos componentes do circuito. 400V Vp 0V -400V 100V Vs 0V -100V 400V Vt 0V -400V 0.00ms 0.0ms 0.04ms 0.06ms 0.08ms 0.10ms Fig. 4 - Tensão no primário, no secundário e no terciário do transformador. 41

42 A corrente de cada enrolamento é mostrada na Fig. 5. Verifica-se que a condução é descontínua e também a atuação do enrolamento de desmagnetização. Pode-se notar pela figura em análise que a corrente de magnetização tem valor maior que 0%, conforme considerado em [1]. 4.0A Ip 0A -4.0A 10A Is 0A -10A 4.0A It 0A -4.0A 0.0ms 0.03ms 0.04ms 0.05ms 0.06ms 0.07ms 0.08ms 0.09ms 0.10ms Fig. 5 Corrente no primário, no secundário e no terciário do transformador. Na Fig. 6 mostra-se a tensão e corrente no interruptor e no diodo de desmagnetização. 800 V T x 50 I T V d5 0 I x 50 d ms 0.03ms 0.04ms 0.05ms 0.06ms 0.07ms 0.08ms 0.09ms 0.10ms Fig. 6 - Tensão e corrente no interruptor - Tensão e corrente no diodo de desmagnetização. 4

43 Na Fig. 7 tem-se a tensão e a corrente no diodo retificador da saída e no diodo de circulação. 40 V d5 0 I d V d6 I d ms 0.03ms 0.04ms 0.05ms 0.06ms 0.07ms 0.08ms 0.09ms 0.10ms Fig. 7 - Tensão e corrente no diodo retificador da saída e no diodo de circulação. A máxima ondulação de corrente no indutor de filtragem da corrente de saída é atendida corforme mostra a Fig. 8. Como especificação de projeto tem-se uma ondulação máxima de 769mA e pela simulação tem-se 75mA. 8.A I L 8.0A 7.8A 7.6A Iond = 75mA 7.4A 7.A 0.0ms 0.03ms 0.04ms 0.05ms 0.06ms 0.07ms 0.08ms 0.09ms 0.10ms Fig. 8 - Detalhe da ondulação de corrente no indutor de filtragem. 43

44 A tensão e a corrente na carga são mostradas na Fig. 9. O tempo para entrada em regime é de aproximadamente 5ms. Pode-se concluir assim que o tempo de entrada em regime do conversor Forward é menor do que do conversor Flyback. Isto se deve ao fato do conversor Forward utilizar um capacitor bem menor na saída em relação ao conversor Flyback. A ondulação de 10Hz também está presente na tensão de saída do conversor Forward, e da mesma maneira que no Flyback pode ser eliminada pela atuação do circuito de controle, o qual não é objeto de estudo neste trabalho. 15V Vout 10V 5V 0V 10A Io 5A 0A 0s 0ms 40ms 60ms 80ms 100ms 10ms 140ms Fig. 9 - Tensão e corrente na carga em regime permanente. Conforme especificação de projeto a ondulação na tensão de saída está em conformidade. Tem-se 100mV na especificação contra 70mV obtidos na simulação. 1.96V Vout 1.9V Vond = 70mV 1.88V 7.675A Io 7.660A 7.640A Iond = 41.mA 7.60A ms 0.000ms ms ms ms ms Fig Detalhe da ondulação de tensão e corrente na carga. Na Fig. 31 tem-se a potência na saída do conversor Forward operando com tensão mínima 44

45 na entrada, o que implica em razão cíclica mínima. 100W Pout 80W 60W 40W 0W 0W 0s 0ms 40ms 60ms 80ms 100ms 10ms 140ms Fig Potência na saída em regime permanente. 45

46 4.5 Simulação com Tensão Máxima na Entrada São mostradas a seguir as formas de onda obtidas através de simulação para uma tensão na rede de 40V. A razão cíclica (D) do conversor foi ajustada a fim de obter-se potência nominal na saída do mesmo. Na Fig. 3 tem-se a tensão da rede e na saída do retificador. 400V Vin Vrede 0V -400V 80A Irede 40A 0A -40A 0s 5ms 10ms 15ms 0ms 5ms 30ms 35ms 40ms Fig. 3 - Tensão da rede e na saída do retificador Corrente na fonte. Na Fig. 33 pode-se verificar que a máxima ondulação de tensão na saída do retificador foi atendida, conforme especificado em projeto (aproximadamente 17V). 340V Vin 336V Vond = 7.77V 33V 10A Irede 0A -10A 0ms ms 4ms 6ms 8ms 30ms Fig Detalhe da ondulação na tensão de saída do retificador. 46

47 Na Fig. 34 mostra-se a tensão em cada enrolamento do transformador. 500V Vp 0V -500V 100V Vs 0V -100V 400V Vt 0V -400V 0.00ms 0.0ms 0.04ms 0.06ms 0.08ms 0.10ms Fig Tensão no primário, no secundário e no terciário do transformador. A corrente de cada enrolamento é mostrada na Fig A Ip 0A -4.0A 10A Is 0A -10A 4.0A It 0A -4.0A 0.00ms 0.0ms 0.04ms 0.06ms 0.08ms 0.10ms Fig. 35 Corrente no primário, no secundário e no terciário do transformador. 47

48 Na Fig. 36 mostra-se a tensão e a corrente no interruptor e no diodo de desmagnetização. 800 V T 400 I T x V d5 0 I d5 x ms 0.0ms 0.04ms 0.06ms 0.08ms 0.10ms Fig Tensão e corrente no interruptor - Tensão e corrente no diodo de desmagnetização. Na Fig. 37 tem-se a tensão e corrente no diodo retificador da saída e no diodo de circulação. 40 V d6 0 I d V d7 0 I d ms 0.0ms 0.04ms 0.06ms 0.08ms 0.10ms Fig Tensão e corrente no diodo retificador da saída e no diodo de circulação. 48

49 A máxima ondulação de corrente no indutor de filtragem da corrente de saída não foi atendida conforme mostra a Fig. 38. Como especificação de projeto tem-se uma ondulação máxima de 769mA e pela simulação tem-se 818mA. Para uma implementação prática o indutor de filtragem da corrente na saída teria que ser aumentado para atender a especificação de projeto. 8.A I L 8.0A 7.8A Iond = 818mA 7.6A 7.4A 7.A 0.00ms 0.0ms 0.04ms 0.06ms 0.08ms 0.10ms Fig Detalhe da ondulação de corrente no indutor de filtragem. A tensão e corrente na carga são mostradas na Fig. 39. O tempo para entrada em regime é de aproximadamente 5ms. 15V Vout 10V 5V 0V 10A Iout 5A 0A 0s 0ms 40ms 60ms 80ms 100ms 10ms 140ms Fig Tensão e corrente na carga em regime permanente. 49

50 Na Fig. 40 mostra-se a ondulação da tensão e da corrente na carga. A especificação de projeto foi atendida. 13.0V Vout 13.16V 13.1V Vond = 78.4mV 13.08V 7.80A Io 7.78A 7.76A Iond = 46.45mA 7.74A 0.00ms 0.0ms 0.04ms 0.06ms 0.08ms 0.10ms Fig Detalhe da ondulação de tensão e corrente na carga. Na Fig. 41 tem-se a potência na carga. Nota-se um valor um pouco maior do que 100W, que é a potência nominal. Para obter-se potência nominal bastaria um pequeno ajuste na razão cíclica. 10W Pout 100W 80W 60W 40W 0W 0W 0s 0ms 40ms 60ms 80ms 100ms 10ms 140ms Fig Potência na saída em regime permanente. 50

51 5 ANÁLISE DOS RESULTADOS OBTIDOS A seguir apresenta-se tabelas comparando os valores de projeto com os obtidos por simulação. Discute-se em seguida as conformidades e também/principalmente as discrepâncias entre os valores calculados e os obtidos por simulação. Na Tabela 1 tem-se os dados comparativos para o conversor Flyback e na Tabela os dados comparativos para o conversor Forward. Tabela 1 Dados comparativos para o conversor Flyback. Conversor Flyback Grandeza Valor Projetado Valor da Simulação Difer. Descrição da Grandeza Observações Vondret [V] 13,00 7,0-80,56% Ondulação na tensão de saída do retificador Vpk [V] 65,70 66,00 0,11% Tensão máxima sobre o capacitor do retificador Vcmin [V] 5,40 59,50,74% Tensão mínima sobre o capacitor do retificador Idp [A] 14,80 9,40-57,45% Corrente de pico nos diodos do retificador Idef [A] 1,67 1,0-39,17% Corrente eficaz nos diodos retificadores Idmd [A] 0,31 0,0-55,00% Corrente média nos diodos retificadores Vdmax [V] 340,00 330,00-3,03% Tensão máxima sobre os diodos retificadores Vondcon [V] 0,10 0,07-50,38% Ondulação de tensão na saída do conversor Ip [A],8,50-1,80% Corrente de pico no primário do transformador Ipef [A] 1,03 0,87-18,51% Corrente eficaz no primário do transformador Is [A] 3,0 8,00-15,00% Corrente de pico no secundário do transformador Picos de 43A Isef [A] 14,40 1,30-17,07% Corrente eficaz no secundário do transformador Itmd [A] 0,57 0,45-5,56% Corrente média no interruptor Vtmax [V] 505,70 506,00 0,06% Tensão máxima sobre o interruptor Picos de 618,7V Idmd [A] 9,60 7,88-1,83% Corrente média no diodo retificador da saída Vdmax [V] 4,75 4,0-1,30% Tensão máxima sobre o diodo retificador da saída Picos de 64,6V Tabela - Dados comparativos para o conversor Forward. Conversor Forward Grandeza Valor Projetado Valor da Simulação Difer. Descrição da Grandeza Observações Vondret [V] 13,00 7,0-80,56% Ondulação na tensão de saída do retificador Vpk [V] 65,70 66,70 0,37% Tensão máxima sobre o capacitor do retificador Vcmin [V] 5,40 59,60,77% Tensão mínima sobre o capacitor do retificador Idp [A] 14,80 9,40-57,45% Corrente de pico nos diodos do retificador Idef [A] 1,67 1,0-39,17% Corrente eficaz nos diodos retificadores Idmd [A] 0,31 0,0-55,00% Corrente média nos diodos retificadores Vdmax [A] 340,00 339,00-0,9% Tensão máxima sobre os diodos retificadores Vondcon [V] 0,10 0,07-43,68% Ondulação de tensão na saída do conversor Iond [A] 0,77 0,7-7,55% Ondulação de corrente no indutor de filtragem da corrente de saída Ip [A] 1,33 1,34 0,75% Corrente de pico no primário do transformador Ipef [A] 0,84 0,75-1,00% Corrente eficaz no primário do transformador Is [A] 8,07 8,00-0,88% Corrente de pico no secundário do transformador Isef [A] 5,44 4,65-16,99% Corrente eficaz no secundário do transformador It [A] 0,1 0,09-3,97% Corrente de pico no terciário do transformador Itef [A] 0,04 0,04 0,00% Corrente eficaz no terciário do transformador Itmd [A] 0,53 0,45-17,78% Corrente média no interruptor Vtmax [V] 680,00 666,00 -,10% Tensão máxima sobre o interruptor Picos de 738,6V Idretmd [A] 3,08,8-9,% Corrente média no diodo retificador da saída Vdretmax [V] 53,30 5,0 -,11% Tensão máxima sobre o diodo retificador da saída Picos de 65,3V Iddmd [A] 0,0 0,0-40,68% Corrente média no diodo de desmagnetização Vddmax [V] 680,00 661,70 -,77% Tensão máxima sobre o diodo de desmagnetização Picos de 71,V Idciref [A] 4,90 4,63-5,83% Corrente eficaz no diodo de circulação Idcirmd [A] 3,1,79-11,83% Corrente média no diodo de circulação Vdcir [V] 53,30 50,00-6,60% Tensão máxima sobre o diodo de circulação Picos de 66V Nota-se pelas tabelas acima que os valores projetados na maioria dos casos estão próximos ou acima dos valores obtidos por simulação. As formas de onda mostradas nos capítulos anteriores não apresentam os mesmos valores que os mostrados nas tabelas acima. Isto porque várias equações foram deduzidas novamente, sendo que as figuras já encontravam-se formatadas neste documento. Optou-se por não acrescentar as novas formas de onda pelo acréscimo de tempo e também pelo fato de que este trabalho, por ora, tem apenas fins didáticos. 51