Projeto de Conversores. Prof. Cassiano Rech

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1 rojeto de Conversores Aula 02: Conversor Flyback rof. Cassiano Rech rof. Cassiano Rech 1

2 Introdução Embora os conversores CC-CC sem transformador de isolamento sejam bastante simples de serem projetados, em algumas aplicações torna-se necessária a utilização de conversores CC-CC isolados or questões de segurança, muitas vezes normas são impostas para isolar a carga e a rede elétrica. ossibilita que uma fonte possua várias saídas usando 1 interruptor. O uso de transformador amplia a faixa de variação da tensão de saída. Contudo, o uso do transformador de isolamento introduz alguns problemas: Aumento de volume e custo. erdas no núcleo e nos enrolamentos. Sobretensão nos semicondutores devido as indutâncias de dispersão. rof. Cassiano Rech 2

3 Introdução rof. Cassiano Rech 3

4 Conversores CC-CC Isolados Flyback Forward Conversores em ponte isolados Meia-ponte onte completa ush-pull rof. Cassiano Rech 4

5 Conversor flyback O conversor flyback é derivado do conversor buck-boost, pela substituição do indutor de acumulação de energia pelo transformador de isolamento. A corrente não flui pelo primário e pelo secundário ao mesmo tempo, logo o elemento magnético não se comporta como um transformador clássico. O transformador do conversor flyback, além de sua função clássica de isolação e adaptação dos níveis de tensão primária e secundária, apresenta a função de indutor de acúmulo de energia através de sua indutância magnetizante. BUCK-BOOST FLYBACK i S S D i D i o S _ D i o + i i S V in L V o C R V in N C R V o i C N S i L + _ rof. Cassiano Rech 5

6 Conversor flyback O conversor flyback pode operar tanto no modo de condução contínua quanto no modo de condução descontínua, de acordo com a corrente na indutância de magnetização No modo de condução contínua não ocorre a desmagnetização completa do núcleo do indutor acoplado, podendo ocorrer a saturação do núcleo No modo de condução descontínua o fluxo magnético é anulado em cada período de comutação, evitando a saturação do núcleo rof. Cassiano Rech 6

7 Conversor flyback: Condução descontínua i i S S D i o + V in i N N S i S C i C R V o S D i o + _ V in i N N S i S C i C R V o S D i o + _ V in N N S C R V o rof. Cassiano Rech i C _ 7

8 Conversor flyback: Condução descontínua GANHO ESTÁTICO EM CONDUÇÃO DESCONTÍNUA O valor médio da tensão na indutância de magnetização é nulo: VDT in N Vt =0 Vo NS DT = V N t o d N S in d Além disso, em condução descontínua a corrente média na saída é: I o NI max td 2 2 N S N Votd = = 2 T N 2 S L T Usando (*) e (**): t d = N N S Ganho estático em condução descontínua 2LT R (*) (**) rof. Cassiano Rech 8

9 Conversor flyback: Condução descontínua CÁLCULO DA INDUTÂNCIA CRÍTICA No modo de condução crítica tem-se que: NS 2LcritT t = t = ( 1 DT ) d off N R CÁLCULO DO CAACITOR DE SAÍDA Durante a primeira etapa o capacitor está sendo descarregado pela ação da corrente de carga (I o ). Assim: I C ΔV o t on C rof. Cassiano Rech 9

10 Conversor flyback: Condução descontínua ESFORÇOS DE CORRENTE NO INTERRUTOR ESFORÇOS DE CORRENTE NO DIODO rof. Cassiano Rech 10

11 rojeto dos elementos magnéticos O sucesso na construção e no perfeito funcionamento de um conversor estático está intimamente ligado com um projeto adequado dos elementos magnéticos O grande problema reside no fato de que transformadores e indutores operando em alta freqüência inserem no circuito de potência uma série de elementos parasitas (não-idealidades) Tais elementos parasitas se refletem em resultados indesejáveis no funcionamento do conversor: picos de tensão nos semicondutores, altas perdas e emissão de interferência eletromagnética rof. Cassiano Rech 11

12 rojeto dos elementos magnéticos: Núcleo O núcleo fornece um caminho adequado para o fluxo magnético Entre os tipos de material utilizados na construção de núcleos destacam-se as lâminas de ferro-silício e o ferrite Em operações em baixas freqüências, as lâminas de ferro-silício são mais adequadas, porém, com o aumento da freqüência de comutação, as perdas por histerese e, conseqüentemente, a elevação da temperatura tornam impraticáveis o seu uso Os núcleos de ferrite são indicados para operação em freqüências mais elevadas, porém, apresentam algumas desvantagens em relação às lâminas de ferro-silício, tais como baixa densidade de fluxo de saturação e baixa robustez a choques mecânicos rof. Cassiano Rech 12

13 rojeto dos elementos magnéticos: Núcleo de ferrite Ae: área da seção transversal Aw: área da janela rof. Cassiano Rech 13

14 rojeto dos elementos magnéticos: Núcleo de ferrite Considere a Lei de Faraday: ( ) = v t dφ N dt ara a 1ª etapa do conversor flyback tem-se que: Logo: V in Δφ onde: Δφ = Δ BA. e Vin = N t on D ton = DT = f = N. A. ΔBf. e D A e = N DV in ΔBf (1) rof. Cassiano Rech 14

15 rojeto dos elementos magnéticos: Núcleo de ferrite or outro lado, seja: A p área ocupada pelo enrolamento primário K w fator de utilização da área do enrolamento A w área da janela do núcleo K p fator de utilização do primário Ainda: A W NI rms A KK = = W AJ onde: J densidade de corrente I rms valor eficaz da corrente no primário A W NI = rms KK J W (2) rof. Cassiano Rech 15

16 rojeto dos elementos magnéticos: Núcleo de ferrite Multiplicando li (1) e (2) obtém-se o produto A e A w do núcleo: VD NI in rms AA e W = AA e W = N ΔBf K K J W VDI in rms KK JΔBf W ara ajuste de unidades obtém-se: AA e W = VDI in rms KK J Δ Bf W (cm 4 ) onde: V in tensão de entrada (V) D razão cíclica I rms corrente eficaz no enrolamento primário (A) J densidade de corrente (A/cm 2 ) ΔB Variação de fluxo magnético (T) f Freqüência de comutação (Hz) rof. Cassiano Rech 16

17 rojeto dos elementos magnéticos: Núcleo de ferrite ara núcleos de ferrite usuais o valor de ΔB fica em torno de 03T( 0,3 (este valor é devido à curva de magnetização do material magnético). O valor da densidade de corrente (J) depende dos condutores utilizados nos enrolamentos, sendo tipicamente utilizado o valor de 300 A/cm 2 a 450 A/cm 2. Os fabricantes de núcleos disponibilizam alguns tamanhos e formatos padrões de núcleos e, por este motivo, deve-se selecionar o núcleo com o A e A w maior e mais próximo do calculado. rof. Cassiano Rech 17

18 rojeto dos elementos magnéticos: Número de espiras Sabe-se que: dφ v() t = N = N dt di v() t = L = L dt Δφ Δ t Δi Δt N Δφ = L Δi sendo: Δφ=Δ BA. e Considerando que, quando a corrente no indutor é máxima (I max ) tem-se o máximo valor de ΔB: N LI max = Δ BA e A relação entre espiras pode ser obtida a partir do equacionamento do conversor flyback, usando, por exemplo, a especificação de máxima tensão sobre o interruptor. rof. Cassiano Rech 18

19 rojeto dos elementos magnéticos: Dimensionamento dos condutores O cálculo da bitola necessária para conduzir a corrente do enrolamento depende da densidade de corrente admitida no condutor: I S = rms total J A utilização de condutores em altas freqüências deve levar em conta o efeito pelicular ( skin ) ), em que a medida que a freqüência aumenta a corrente no interior de um condutor tende a se distribuir nas bordas do mesmo, causando uma redução na área efetiva do condutor. ara evitar este efeito, devem-se associar fios em paralelo. Nesse caso, o raio de cada fio deve ser menor do que a profundidade de penetração Δ: Δ= 7,5 f (cm) Desta forma, o condutor utilizado não deve possuir um diâmetro superior ao valor 2Δ, e o número de condutores em paralelo é dado por: rof. Cassiano Rech n cond S = total S cond 19

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21 rojeto dos elementos magnéticos: Entreferro Como o transformador do conversor flyback se comporta como um indutor com dois enrolamentos acoplados torna-se necessário a inclusão de entreferro para ajuste da indutância de magnetização e armazenamento de energia. Considerando a relutância do entreferro muito maior que a relutância do núcleo: sendo: R entreferro l L = = entreferro μ μ = 4π 10 o Logo: o 7 A e N R 2 total L (permeabilidade do ar) = R N 2 entreferro l entreferro 2 N μ oa e = 10 L 2 (cm) rof. Cassiano Rech 21

22 rojeto dos elementos magnéticos: assos do projeto 1. Definição das especificações; 2. Cálculo do produto de áreas; 3. Escolha do núcleo; 4. Cálculo do número de espiras; 5. Cálculo do entreferro; 6. Cálculo do diâmetro máximo do condutor; 7. Escolha dos condutores; 8. Cálculo da seção necessária; 9. Definição do número de condutores em paralelo; 10. Cálculo da possibilidade de execução. rof. Cassiano Rech 22

23 Bibliografia I. Barbi, Conversores CC-CC Básicos Não Isolados. I. Barbi, rojetos de fontes chaveadas R. W. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of ower Electronics, Second edition. Mohan et. all., ower Electronics: Converters, applications and design, Second edition. rof. Cassiano Rech 23