UNIERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DEE

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1 UNIERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DEE ANGELO E. LANZONI ARTHUR G. BARTSCH GABRIEL H. NEGRI GILMAR NIECKARZ LEONARDO A. RAMOS DOCUMENTAÇÃO DAS ALTERAÇÕES NO CONVERSOR FLYBACK DO LABORATÓRIO JOINVILLE 2013

2 ANGELO E. LANZONI ARTHUR G. BARTSCH GABRIEL H. NEGRI GILMAR NIECKARZ LEONARDO A. RAMOS DOCUMENTAÇÃO DAS ALTERAÇÕES NO CONVERSOR FLYBACK DO LABORATÓRIO Relatório apresentado à disciplina de Projeto de Conversores Estáticos como requisito parcial para a aprovação na mesma. Professor: Dr. Joselito Herdt JOIVILLE 2013

3 1 INTRODUÇÃO O intuito desse projeto é apresentar melhorias para um conversor Flyback de uma chave e três saídas já implementado no laboratório. O conversor foi projetado e construído pelos acadêmicos Sulivan Medeiros e Angelo Paiva. Possui potencia nominal de 50 W (20 W para cada saída de 15 V e 10 W para a saída de 5 V). O circuito é controlado por um CI SG352e não possuí retificador de entrada para o estágio de potência, sendo a tensão CC de entrada entre 36 e 56 V e a nominal 48 V. O capítulo 2 desse relatório apresenta aquilo que foi explorado do circuito ao ser encontrado, o capítulo 3 apresenta as melhorias implementadas no circuito e o capítulo 4 apresenta sugestões para outras melhorias que não puderam ser implementadas devido à limitação de tempo.

4 2 SITUAÇÃO ANTERIOR DO CIRCUITO O circuito foi encontrado operando conforme as condições indicadas. Contudo, o sinal de PWM enviado a chave era praticamente senoidal com um nível CC. Além disso, o resistor de gate da chave atingia a temperaturas superiores a 200 ºC, com refrigeração forçada. A Figura 1 apresenta a foto do circuito quando encontrado. Figura 1 Foto do Circuito Encontrado As principais formas de onda verificadas são apresentadas a seguir. A Figura 2 apresenta a tensão no pino de gate da chave.

5 Figura 2 Forma de Onda no Gate da Chave Percebe-se na Figura 2 que a tensão de comando da chave possui formas de onda quase senoidal e com um nível CC significativo. Isso faz com que a chave tenha chance de operar fora da região esperada e seja suscetível a influência a ruídos. A Figura 3 exibe o sinal da saída do optoacoplador. O optoacoplador que estava instalado no circuito era o 4N25 e a frequência de chaveamento era próxima de 55 khz. Figura 3 Sinal de Saída do Optoacoplador

6 Percebe-se na Figura 3 que o sinal está bastante distorcido, em relação ao que é apresentado na Figura 4. Essa apresenta o sinal de saída o SG3525, que deveria ser reproduzido fielmente no comando da chave. Figura 4 Saída do SG3525 O sinal de saída do SG3525 está bem regulado, apenas com oscilações devido a ressonâncias entre capacitâncias e indutâncias parasitas das chaves, conforme a Figura 4. Entretanto, conforme observado na Figura 5, ao realizar-se a medição da diferença de potencial entre determinados pontos de terra da placa, verificou-se fenômenos oscilatórios Isso indica presença forte de componentes parasitas, devidos ao layout da placa de comando. Figura 5 Sinal entre Dois Pontos de Terra

7 3 SOLUÇÕES IMPLEMENTADAS Assim, a partir do que foi visto no capítulo anterior, percebe-se a possibilidade da execução de melhorias em alguns pontos importantes do circuito, para torná-lo mais eficiente e robusto. Primeiramente, optou-se pela troca do optoacoplador, pois o 4N25 não operava em uma região adequada de funcionamento com a frequência de 55 khz. Escolheu-se o optoacoplador XXXXX, devido a disponibilidade do mesmo no laboratório. Outra mudança foi a colocação de resistores em paralelo a um resistor de 68 kω da polarização do transistor bipolar utilizado para o comando. O projeto original do Angelo e do Súlivan previa 10 kω, mas em nossas alterações deixamos o valor da associação de resistores equivalente em 4,8 kω. Outra alteração implementada foi sobre o valor do resistor de gate do MOSFET. O circuito estava projetado com um resistor de 100 Ω e implementado com um resistor de 33 Ω. Esse resistor era próprio para até 5 W e estava dissipando um valor médio de 6 W, no comando da chave. Escolheu-se, devido a resultados de simulação, um resistor de 68 Ω para o circuito. O mesmo dissipou algo em torno 3 W. A alta perda de comando deve-se ao tipo de driver que estava implementado. Entretanto, o mesmo não pode ser alterado durante o tempo disponível para a realiazação do trabalho. Essas alterações permitiram a operação do circuito sem refrigeração forçada, apesar de ainda trabalhar em altas temperaturas. A Figura 6 apresenta o sinal de comando da chave, com a potência desligada, após as mudanças realizadas no circuito. Figura 6 Sinal de Comando na Chave Após as Mudanças

8 A Figura 7a mostra a subida do sinal de comando da chave, enquando a Figura 7b mostra o detalhe da descida desse mesmo sinal. Figura 7 Detalhe do Sinal de Subida (a) e Descida (b) do Comando da Chave (a) (b) A Figura 8 mostra o sinal de saída do optoacoplador, com as alterações propostas. Figura 8 Sinal do Optoacoplador Após as Alterações Após essas mudanças e a verificação dessas formas de onda, decidiu-se ligar a parte de potência do circuito. A Figura 9 mostra a tensão Vds sobre a chave.

9 Figura 8 Tensão Vds Sobre a Chave Percebe-se na Figura 8 que a há uma sobre tensão alta na chave devido às indutâcias parasistas do circuito, em especial a dispersão dos indutores acoplados. A Figura 9 mostra a tensão de comando do circuito, com a potência ligada. Figura 9 Tensão de Comando na Chave com a Potência Ligada

10 A partir da Figura 9 verifica-se a influência forte da temperatura prejudicando a operação do circuito. Observou-se, contudo, variações na razão cíclica conforme a variação da tensão de entrada do barramento. A Figura 10 apresenta a comprovação das medições térmicas realizadas. Figura 10 Medições Térmicas A Figura 11 apresenta a medição de acompanhamento do barramento CC, quando a parte de potência estava ativa. Figura 11 Medição do Barramento CC Em todo o momento, durante os experimentos, a tensão de saída permaneceu em valores próximos do desejado, em cada saída acompanhada.

11 4 SOLUÇÕES PROJETADAS E PROPOSTAS DE SUGESTÕES Além das alterações implementadas, foi projetado um novo driver para acionamento da chave. Foram realizadas simulações com o mesmo e o resultados foram satisafatórios em comparação aos que eram encontrados com o circuito em operação. Foi feito o projeto e a construação da placa de circuito impresso, faltando apenas sua colocação no circuito e a retirada de resultados. O esquemático do driver está mostrado na Figura 12. O circuito é composto por um par casado de transistores BJT em ligação Totem-Pole, um circuito de hold-off que garante uma tensão negativa entre gate e source do FET para evitar entradas espontâneas em condução e um diodo em antiparalelo ao resistor de gate para efetuar uma descarga rápida dos capacitores intrínsecos do FET. Figura 12 Esquemático do Driver Projetado Foi realizada uma simulação do conversor com este driver, incluindo elementos parasitas. Os resultados estão mostrados nas figuras seguintes.

12 Figura 13 Esquemático do Conversor Flyback Simulado Figura 14 Forma de Onda de Tensão entre Gate e Source do FET Na Figura 14, percebe-se que há um pico de tensão a cada período e uma grande oscilação quando a chave é levada a condição de desligamento. Isso pode ser corrigido através de uma melhoria no projeto do snubber que foi utilizado para a chave. Apesar disso, os tempos de

13 subida e descida são satisfatórios e as oscilações ocorrem em um nível de tensão médio negativo, o que ajuda na não-entrada espontânea em condução da chave FET. A Figura 15 mostra a etapa transitória de tensão nas saídas do conversor, atingindo a convergência. A tensão na 3ª saída é idêntica à da 2ª saída, e ficaram em torno de 13V, enquanto a tensão na 1ª saída ficou em torno de 4.2V. Na simulação foi utilizada razão cíclica de 0,45. Figura 15 Tensão nas Saídas do Conversor A Figura 16 mostra o placa do driver projeta no softwares Eagle.

14 Figura 16 Placa projetada no Eagle Como sugestão para futuras melhorias propõe-se também um novo projeto para o circuito de snubber e dos indutores acoplados.