conversor flyback – modo condução descontínua circuito com componentes parasitas e formas de...

Conversor Flyback – Modo Condução Descontínua

Circuito com componentes parasitas e Formas de onda

Conversor Flyback – Modo Condução Descontínua


Existem duas ressonâncias:

1. Ressonância entre a indutância de dispersão do transformador e a capacitância dreno-fonte do MosFet;

2. Ressonância entre a indutância de magnetização do transformador e a capacitância dreno-fonte do Mosfet.

Observar o efeito do “snubber” sobre a tensão dreno-fonte do transistor Mosfet

Conversor Flyback – Modo Condução Contínua


Conversor Flyback – Modo Condução Contínua

Diodos de retificação devem ser do tipo “ultra-rápidos”

1. Quando o transistor começa a conduzir, ainda há corrente circulando pelo diodo do secundário. É a entrada em condução do transistor que força o bloqueio do diodo do secundário.

2. Durante todo o intervalo de tempo durante o qual o transistor e o diodo conduzem, há um curto circuito do transformador.

3. Durante a recuperação reversa do diodo, é o indutor de dispersão do transformador que limita a derivada da corrente no diodo. A corrente reversa do diodo pode atingir valores muito elevados e daí a necessidade do uso de diodos ultra-rápidos.

Conversor Flyback: Modo Discontínuo ou Modo Contínuo ?

Modo Descontínuo:a)Não existem perdas de recuperação reversa no diodo do secundário;b)As perdas de “turn-on” do transistor Mosfet são nulas;c)A grande excursão da corrente tanto no primário quanto do secundário aumentam as perdas por condução do Mosfet, e por efeito Joule nos cabos e na resistência série dos capacitores; d)A grande excursão do fluxo no núcleo do transformador aumenta as perdas por histerese.

Modo Contínuo:a)O tempo de recuperação reversa do diodo do secundário deve ser baixo para limitar as perdas de bloqueio do diodo – diodos ultra-rápidos; b)As perdas de “turn-on” do transistor Mosfet não são nulas;c)As perdas por condução no Mosfet e efeito Joule nos componentes do conversor são menores devido à menor excursão da corrente tanto no primário

quanto do secundário;d)As perdas por histerese são menores devido à reduzida excursão do fluxo no

núcleo do transformador;e)Apesar da quantidade de energia armazenada no transformador ser similar à

do modo DCM, a indutância no modo CCM aumenta e consequentemente o tamanho do transformador.

Conversor Flyback – Circuito e Formas de onda

Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador

Inclusão dos componentes parasitas do transformador e do transistor Mosfet

s

dop

oss

dpppeak n

VVnE

C

LIV

)(*

VpF

H*,*V

HL

Nn

n ,VV

A,I ,VE

pFC

:Exemplo

peak

dp

s

po

p

oss

2328470

8064205330

80

205

64330

470





Formas de onda durante o bloqueio do transistor Mosfet Grampeamento por efeito Avalanche do transistor

NVVV dR *)( 0

****

2

1

***

2

1

* V

:t de Cálculo2

**

1*

**

22

Ldp

)(

)(

0

)()(

RDSS

PdpDSST

RDSS

PdpDSST

RDSS

PdpRDSS

PDSST

DSStDS

ptDS

t

tDStDST

VEBV

fILBVP

VEBV

ILBVW

VEBV

ILtVEBV

tIBVW

BVv

t

tIi

dtviW





Formas de onda durante o bloqueio do transistor Mosfet

Grampeamento por diodo Zener



Emax

VR

Vclamp

t

Corrente no diodo zener

Tensão no transistor Vds

Formas de onda durante o bloqueio do transistor Mosfet Grampeamento com Diodo Zener



RZ

PdpZZ

RZ

PdpZZ

RZ

PdpRZ

PZZ

ptZ

t

tZtZZ

VV

fILVP

VV

ILVW

VV

ILtVV

tIVW

t

tIi

dtviW

****

2

1

***

2

1

* V

:t de Cálculo2

**

1*

**

22

Ldp

)(

0

)()(



Formas de onda durante o bloqueio do transistor Mosfet Grampeamento com Snubber RCD



Formas de onda durante o bloqueio do transistor Mosfet

Vclamp

dsdp CLf

*2

11

dsmp CLf

*2

12

BVdss

Emax

VR

V“ripple”

Margem de segurança > 10% BVdss

Tensão no transistor Vds

Vclamp



clampripple

clampclamp

Rclamp

pdpp

Pdp

Rclampclampclamp

Rclamp

Pdpclamp

Rclamp

PdpclampPclampclamp

RfV

VC

VV

ILtIq

fIL

VVVR

VV

fILV

VV

fILVftIVP

**

**

2

1**

2

1

:serácapacitor pelo adquirida cargaA

**

)(**2

****

2

1

R

V

energia estadissipar irá queresistor o será que doConsideran

****

2

1****

2

1

2

2

2

clamp

2clamp

2



Amortecimento das oscilações de alta freqüência no bloqueio do transistor – “Ringing” que causam EMI



damp1damp

dp1damp

damp

dp1

dpdampdamp

R*f*π*2

1 C

resistor. do a igual seja aressonanci de freqüência na impedância

sua que talcapacitor umr acrescenta resistor, do potência alimitar Para

L*f*π*2R

: temos1, Q Para 1. ser deve Q oscilação, aamortecer Para

R

L*f*π*2Q

:é L e C ,R circuito do qualidade defator O

fVE*C)WW*(W P

*V*CW

VE**CW

*E*CW

R *2

:éresistor no dissipada potênciaA 2

1

:écapacitor or descarrega para energia a condução, a cessa secundário no diodo o Quando2

1

:é primário no refletida secundário do tensãoa com lo-carrega

seguida em ecapacitor no tensãoaanular para energia a bloqueio do momento No2

1

:é oalimentaçã de fonte da tensãoa comcapacitor ocarregar para energia a condução,

em entrar transistoo que em momento no nula écapacitor no tensãoa que Assumindo

2R

2dampcba

2Rdampc

2R

2dampb

2dampa







Formas de onda durante o bloqueio do transistor Mosfet Amortecimento das oscilações no momento do bloqueio do transistor



Formas de onda durante o bloqueio do transistor Mosfet Capacitor 10nF e Resistor 14k



Efeito do indutor de dispersão sobre a transferência de energia do primário para o secundário

mpL

E

mp

R

L

V

dp

Rclamp

L

VV

Dimensionamento do Conversor Flyback

Modos Descontínuo e Contínuo

1

1

2

CCM: K

DCM: K

*I

ΔIK

RF

RF

EDCRF

do

os

do

R

VV

FILD

VV

V

Modo

2

N

N

:DCM

'

s

p

max

'

max

maxmin

1

1

:CCM

DD

DVV

DE

N

N

Modo

dos

p

2

2

p

smpms N

NLL

FPK

DEL

DE

PI

inRFp

inEDC

2

2maxmin

maxmin

IIEDC

DmaxT D’maxT

IP

IIEDC

DmaxT (1-Dmax)T

IP

Características do Transformador do Conversor Flyback

1. O projeto do transformador para o conversor Flyback é diferente porque ele consiste de dois indutores acoplados magneticamente.

2. Como no caso dos indutores, o núcleo deve apresentar baixa permeabilidade:

• Ferrite com entreferro;

• “Iron Powder” ou “Molypermalloy”

3. Toda a energia fica armazenada no entreferro do transformador


Onde armazenar a energia ?

1. Para uma densidade de fluxo magnetico uniforme

Onde: = permeabilidade, H = intensidade do campo magnético,

r = material magnético e g = entreferro

2. Para o ferrite, r é da ordem de 1500 enquanto que para o entreferro ele é da ordem de 1. Assim, a intensidade do campo magnético no entreferro é muito maior que a intensidade do campo magnético no ferrite.

3. A energia armazenada é proporcional ao quadrado da intensidade do campo magnético. Deste modo, a energia é virtualmente armazenada no entreferro.

2LI21W

ggrr HHAB


Limitações no projeto:

1. Indutância de dispersão;

2. Escolha adequada da densidade de fluxo máxima e da densidade de corrente nos enrolamentos. Para uma determinada densidade de fluxo máxima e frequência de funcionamento, as perdas no núcleo e a densidade de fluxo de saturação do material magnético reduzem com o aumento da temperatura.


Influência da temperatura sobre a curva de magnetização

Material N27 – SiFERRIT - EPCOS


Influência da temperatura, freqüência e densidade de fluxo sobre as perdas no material magnético

Material N27 – SiFERRIT - EPCOS

Toroide Equivalente

Seção efetiva: Ae

Comprimento do circuito equivalente: le

2

e

2er0

er0

e

22

l

NAμμ

·A·μμlN

RN

L NAL

Onde AL = Indutância específica, indutância de uma única espira

Dimensionamento do Transformador do Conversor Flyback

Problema: o valor de não é constante em todos os pontos da curva BxH

H

B

B = r·H

A introdução do entreferro, permite tornar a indutancia menos dependente do valor de r.

d

g = 2·dNeste caso:

r

e

e

lg

NAL

20 ··

Em geral, le/r<< g e pode ser desprezado


Toroide Equivalente com entreferro

ee lg

μ1

μ1

r

2i·L2

1W

Energía armazenada no indutor

Do ponto de vista elétrico:

Do ponto de vista magnético: ·2

Volume·BdV·H·B

2

1W

2

V

Se o indutor possui entreferro:g

g2

c

c2

·2

V·B

·2

V·BW

Núcleo Entreferro

W = WC + Wg

Wg >> WcA maior parcela da energia é armazenada no entreferro. Pode-se desprezar a energia armazenada no núcleo.


L

2e

2max

e0

2max

2

maxpp

A2

A

2

Volume

2

ILW

emax

maxpp

p A

ILN

r

e

max

maxpp0

μ

lINμg


A energia armazenada no indutor do primário do transformador se encontra armazenada no circuito magnético do transformador

Após manipulações algébricas encontramos que:

p

sps L

LNN

Controle do conversor Flyback – Modo Tensão

1. Modo Tensão: Uma malha controlando a tensão de saída

ConversorvO

Malha de tensão

Controle

d

Controle do conversor Flyback – Modo Corrente

2. Modo Corrente: Duas malhas, uma externa controlando a tensão de saída e outra interna controlando a corrente no indutor

ConversorvO

Malha de corrente

Malha de tensão

Controle

d

Frequência Fixa:

• Corrente de Pico;

• Corrente de Vale e

• Corrente Medianizada.

Frequência Variável

• Tempo de condução constante e tempo de bloqueio variável;

• Tempo de bloqueio constante e tempo de condução variável;

• Histerese constante e

• Histerese variável.

Normalmente os mais utilizados são o “Controle Modo Corrente de

Pico” e o “Controle Modo Corrente Medianizada”



Controle do valor de pico

Ref. de tensão

+-

vO

Malha de corrente

Ma

lha d

e te

ns

ão

Q

R

S Oscilador

viL

viref

vQ

+-

Conversor

viL

viref

Oscilador

vQ

Controle do conversor Flyback –

Comparação entre os Modos Tensão e Corrente

Modo Corrente:

1. As variações da tensão de alimentação não necessitam da atuação da malha de controle. A derivada da corrente no primário do transformador é definida por E/Lmp e se E aumenta a razão cíclica é automaticamente alterada.

2. A corrente no primário do transformador é naturalmente limitada, reduzindo assim os custos do transformador, filtro de linha e retificador. O conversor é automaticamente protegido contra sobrecarga e curto-circuito.

Modo Tensão:

1. A dinâmica do funcionamento muda significativamente entre os modos de operação com desmagnetização completa (CCM) ou incompleta (DCM). Um conversor projetado para operar no modo de desmagnetização completa, opera no modo de desmagnetização incompleta com carga leve, alterando a estabilidade e resposta a transitórios.

2. O modo tensão permite operação com razões cíclicas superiores de 0,5 enquanto que no modo corrente é necessário a compensação da inclinação.

3. O modo tensão tem melhor regulação de carga. No modo corrente, inicialmente pode parecer que o controle está atuando na direção contrário ao necessário.

4. O modo tensão requer um compensador de ordem mais elevada e de projeto mais complexo.


Modo Descontínuo:

a) A localização do RHPZ é em freqüência elevada, permitindo uma freqüência de “crossover” elevada;

b) O conversor pode ser modelado como um sistema de primeira ordem, mesmo no modo tensão, facilitando o projeto do controlador;

c) Não existem perdas de recuperação reversa no diodo do secundário;

d) As perdas de “turn-on” do transistor Mosfet são nulas;

e) No modo corrente não ocorrem oscilações subharmônicas não necessitando de rampas de compensação;

f) A grande excursão da corrente tanto no primário quanto do secundário aumentam as perdas por condução do Mosfet, e por efeito Joule nos cabos e na resistência série dos capacitores;

g) A grande excursão do fluxo no núcleo do transformador aumentam as perdas por histerese.


Modo Contínuo:

a) A localização do RHPZ em baixa freqüência, limita a freqüência de “crossover”;

b) O projeto do controlador é mais complexo e a implementação do compensador do tipo 3 em circuitos integrados do tipo TL431 é muito difícil de implementar;

c) O tempo de recuperação reversa do diodo do secundário deve baixo para limitar as perdas de bloqueio do diodo e do disparo no transistor Mosfet;

d) As perdas de “turn-on” do transistor Mosfet não são nulas;

e) No modo corrente ocorrem oscilações subharmônicas, necessitando de rampas de compensação, quando a razão cíclica for superior a 50%;

f) A reduzida excursão da corrente tanto no primário quanto do secundário reduzem as perdas por condução do Mosfet, e por efeito Joule nos cabos e na resistência série dos capacitores quando comparadas às obtidas no modo DCM;

g) A reduzida excursão do fluxo no núcleo do transformador reduz as perdas por histerese, quando comparadas às obtidas no modo DCM;

h) Apesar da quantidade de energia armazenada no transformador ser similar à do modo DCM, a indutância no modo CCM aumenta e consequentemente o tamanho do transformador.

Controle do conversor Flyback – Regulação Primária

Controle do conversor Flyback – Regulação Secundária


Múltiplas Saídas


Múltiplas Saídas

Quando as saídas tiveram um ponto comum, os enrolamentos podem ser conectados um sobre o outro ou um sobre a saída do outro

Controle do conversor Flyback

Corrente no primário do transformador

Referências:

www.fairchildsemi.com

www.onsemi.com

www.powerint.com

www.national.com

www.ti.com

Atualizado em 19 de novembro de 2012

http://www.fairchildsemi.com/

http://www.onsemi.com/

http://www.powerint.com/

http://www.national.com/

http://www.ti.com/

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