Projeto de Conversor FlyBack

PCE - Projeto de Conversores Estáticos Características do Conversor:Vin = 48V - 36V ~ 56VPot = 50WVout = + 15V [20W] - 15V [20W] + 5V [10W]Flyback∆Vo = 1%Fs = 50Khzη = 85%

Angelo Fillipi de PaivaSúlivan MedeirosTeoria - Prof. Yales Rômulo de NovaesPrática - Prof. Luis Mariano Nodari2012 / 02

Análise Qualitativa

1 - Análise Qualitativa

Etapas de Operação de um Conversor Flyback

Lprimario

Lsecundario

D 1

Co1 Ro1

Vin

Se

Conversor Flyback

Lterciário

R o2

Ro3

D2 Co2

Co3Lterciário

D3

Np :Ns1

:Ns2

:Ns3

O conversor flyback possui as mesmas características de um conversorbuck-boost. Apresenta topologias e análises semelhantes, como uma chave em sériecom a fonte de entrada, um elemento magnético em paralelo seguido de um diodo emsérie com a carga, com um capacitor em paralelo a ela, sendo estes também em emparalelo com o elemento magnético.

Os dois conversores diferem-se no elemento magnético onde o buck-boost éformado por um indutor enquanto o flyback é formado por indutores acopladosmagnéticamente, assim o conversor é dito isolado, ou seja a saida do conversor éisolada elétricamente da entrada, ampliando assim as aplicaçoes do conversor . Apartir desta característica é possível utilizar o acoplamento magnético para se obtermais de uma saida com níveis de tensão iguais ou diferentes conforme a aplicação.

No conversor Flyback usualmente trabalha-se em condução descontínua. Issonão quer dizer que a corrente na carga chega a zero. A condução descontínua é entãodita porque deve-se garantir que o indutor de entrada não sature danificando o seufuncionamento, desta maneira garante-se a desmagntizaçao do elemento magnético,logo, o conversor opera em 3 etapas.

1ª Etapa

1ª Etapa de

Operação

Lprimario

Lsecundario

D1

Co1 Ro1

Vin

S1

Lterciário

R o2

Ro3

D2 Co2

Co3Lterciário

D3

Np :Ns1

:Ns2

:Ns3

Na primeira etapa a chave Se está fechada, isso faz com que a tensão de

entrada seja aplicada diretamente ao indutor Lp. Assim a corrente no indutor cresce

com uma derivada contínua:

p

eL

L

V

t

ip =

∂

∂

A análise é realizada considerando-se que o capacitor ja está em regimefazendo com que a energia seja fornecida à carga, com corrente continua. A corrente máxima que passa pela chave é dada pela corrente máxima noindutor Lp. Graças ao acoplamento dos indutores, a tensão no indutor Lp é induzida no

indutor Ls, como a tensão de saída Vo é maior que a tensão no indutor Ls então a

tensão direta no diodo é menor que zero, logo o diodo permanece bloqueado.

2ª Etapa

2ª Etapa de

Operação

Lprimario

Lsecundario

D1

Co1 Ro1

Vin

S1

Lterciário

R o2

Ro3

D2 Co2

Co3Lterciário

D3

Np :Ns1

:Ns2

:Ns3

A segunda etapa é caracterizada pela abertura da chave, assim, o indutor Lp,

o qual acumulou energia na primeira etapa, precisa de um meio para liberar essaenergia. Como a corrente em um indutor não pode variar bruscamente, a energiaarmazenada induz uma tenão no indutor Ls suficientemente maior que Vo fazendo com

que a tensão direta no diodo seja maior que zero liberando a passagem de corrente. Aenergia no indutor Ls será fornecida a carga até que o elemento magnético seja

totalmente desmagnetizado, e por consequencia corrente em Ls igual a zero.

A corrente de desmagnetizaçao é dada por uma derivada negativa constante é

dada por:

s

oL

L

V

t

is −=

∂

∂

A derivada de corrente negativa induz uma tensão negativa no indutor Lp

assim a tensão na chave na segunda etapa é dada por:

ns

npVVV ise 0+=

A corrente máxima que passa pelo diodo tanto na primeira etapa quanto nasegunda etapa é dada pela corrente máxima na chave, porém proporcionalmente arelação de espiras do acoplamento. Assim:

ns

npII Lpd .maxmax =

3ª Etapa

3ª Etapa de

Operação

Lsecundario

D1

Co1 Ro1

Lterciário

R o2

Ro3

D2 Co2

Co3Lterciário

D3

Lprimario

Vin

S1

Np :Ns1

:Ns2

:Ns3

A terceira etapa e mais simples inicia-se quando a corrente no indutor Ls chega

a zero. Nesta etapa, a unica corrente no circuito de potencia é a da carga. A tensão nachave S é a própria tensão de entrada e a tensão no diodo é negativa com anplitudeigual a tensão da carga.

Principais Formas de Ondas

Lprimario

Lsecundario

D

Cox

Rox

V in

Se

Conversor Flyback

Ip I

ICox

IRox

VOxNp :Nsx

Sx

Cmd

TtdD.T

1

ILp_pico

Vin

Vin.N /Np

ILp_pico.Np/N

Vin.Np/N

Vox

ILp_pico.Np/N

Vox

Iox

ILp_pico

Vin+Vsx.Np/N

Vin

ILp_pico.Np/N

-Vox-Vin.Np/N-Vox

(t)

(t)

(t) (t)

(t)

(t)TtdD.T

Lp

Ls

C 01

S1

Dx

1ª Etapa 2ª Et. 3ª Et.

Tensão

Corrente

sx

sx

sx

sxsx

sx

sx

Análise Qualitativa

Análise Quantitativa

2 - Análise Quantitativa

- Parâmetros de Projeto do Circuito:

Dmax 0.4:= Vin_min 36V:= Pout 50W:=

fs 50 KHz⋅:= Vin_max 56V:= Ts1

fs

:=

∆Vo 1%:= η 85%:=Ts 2 10

5−× s=

OUTPUT_1 OUTPUT_2 OUTPUT_3 EM MODULO

Vo1 5V:= Vo2 15V:= Vo3 15V:=

Po1 10W:= Po2 20W:= Po3 20W:=

Io1

Po1

Vo1

:= Io2

Po2

Vo2

:= Io3

Po3

Vo3

:=

Io1 2A= Io2 1.333A= Io3 1.333A=

Ro1

Vo1

Io1

:= Ro2

Vo2

Io2

:= Ro3

Vo3

Io3

:=

Ro1 2.5Ω= Ro2 11.25Ω= Ro3 11.25Ω=

-Cálculo dos Esforços de Corrente nos Semicondutores:

Interruptor Primário - Correntes de pico, eficaz e média

Como a corrente no interruptor S1 é a mesma de ILp então:

Is1_peak 2

Pout

Vin_min Dmax⋅ η⋅⋅:=

Is1_rms Is1_peak

Dmax

3⋅:=

Is1_peak 8.17A=Is1_rms 2.983A=

Is1_avg

Pout

Vin_min η⋅1.634A=:=

Corrente de Pico, eficaz e média nos diodos dos Secundários

Id1_peak

2 Io1⋅

1 Dmax−:=

Id1_avg Io1:= Id1_rms Id1_peak

1 Dmax−

3⋅:=

Id1_peak 6.667A= Id1_avg 2A= Id1_rms 2.981A=

Id2_peak

2 Io2⋅

1 Dmax−:= Id2_avg Io2:=

Id2_rms Id2_peak

1 Dmax−

3⋅:=

Id2_avg 1.333A=Id2_peak 4.444A= Id2_rms 1.988A=

Id3_peak

2 Io3⋅

1 Dmax−:= Id3_avg Io3:= Id3_rms Id3_peak

1 Dmax−

3⋅:=

Id3_avg 1.333A= Id3_rms 1.988A=Id3_peak 4.444A=

-Tensão de pico nos diodos e interruptor:

A tensão de pico nos diodos e no interruptor precisa das relações de espiras.Pra deixar organizado, os valores delas estão mostrados neste ponto, e os cálculosestão mostrados abaixo, no cálculo do Transformador.

Nprimario 16:= Nsecundario 4:= Nterciario 11:=

Tensão de pico nos diodos:

Vd1_peak Vo1 Vin_max

Nsecundario

Nprimario

⋅+:=

Vd1_peak 19V=

Como a relação de espiras é diferente da calculada (aproximação para o valorinteiro mais proximo), foi utilizada a relação de espiras que resulta em maior tensão noprimário.

Vd2_peak Vo2 Vin_max

Nterciario

Nprimario

⋅+:=

Vd2_peak 53.5V=

-Tensão de pico no interruptor:

Vs1_peak Vin_max1

1 Dmax−⋅:=

Vs1_peak 93.333V=

Análise Quantitativa

Cálculo de Capacitâncias

-Cálculo dos Capacitores:

μ 106−:=

Co1

Io1 Dmax⋅

fs ∆Vo⋅ Vo1⋅:=

Co1 320 μ F⋅⋅=

Co2

Io2 Dmax⋅

fs ∆Vo⋅ Vo2⋅:=

Co2 71.111 μ F⋅⋅=

Co3

Io3 Dmax⋅

fs ∆Vo⋅ Vo3⋅:=

Co3 71.111 μ F⋅⋅=

Cálculo de Capacitâncias

Projeto do Indutor Acoplado Núcleo EE 42/21/20

Projeto do Indutor Acoplado Núcleo EE 42/21/20

Cálculo do Indutor Acoplado:

Para diminuir as perdas, ao invés de um núcleo EE30/15/14 será utilizado umnúcleo EE42/21/20. As outras variáveis serão mantidas.

Parâmetros Núcleo E42/21/20:

Ae 2.40cm2

:=

Aw 1.57cm2

:=

AeAw Ae Aw⋅:=

AeAw 3.768 cm4

⋅=

Parâmetros de projeto do transformador:

Kp 0.5:= Jcond 150A

cm2

:= μo 4 π⋅ 107−⋅T m⋅

A:=

Kw 0.4:= VD 0.7V:=

1) Cálculo do Fluxo Magnético.

∆B

4 Dmax⋅

3Pout⋅

AeAw fs⋅ Jcond⋅ Kp⋅ Kw⋅ η⋅:=

∆B 0.076T=

2) Cálculo do Entreferro:

δgap

2 Pout⋅ μo⋅

η fs⋅ ∆B2

⋅ Ae⋅:=

δgap 2.133 mm⋅=

lgap

δgap

2:=

lgap 1.066 mm⋅=

3) Número de espiras no primário:

espirasm kg⋅

A2s2

⋅:=

Np_calculado

∆B δgap⋅ 107⋅

4 π⋅ Is1_peak⋅:=

Np_calculado 15.788 espiras⋅=

Np 16:=

Nsec1_calculado

Np 1 Dmax−( )⋅ Vo1 VD+( )⋅ Vin_min Dmax⋅

:=

Nsec1_calculado 3.8A2s2

⋅

m kg⋅espiras⋅=

Nsec1 4:=

Nsec2_calculado

Np 1 Dmax−( )⋅ Vo2 VD+( )⋅ Vin_min Dmax⋅

:=

Nsec2_calculado 10.467A2s2

⋅

m kg⋅espiras⋅=

Nsec2 11:=

Nsec3_calculado

Np 1 Dmax−( )⋅ Vo3 VD+( )⋅ Vin_min Dmax⋅

:=

Nsec3_calculado 10.467A2s2

⋅

m kg⋅espiras⋅=

Nsec3 Nsec2:=

4) Área de Condutor Necessária:

Scu_primario

Is1_rms

Jcond

:=

Scu_primario 0.02 cm2

⋅=

Scu_secundario

Id1_rms

Jcond

:=

Scu_secundario 0.02 cm2

⋅=

Scu_terciario

Id2_rms

Jcond

:=

Scu_terciario 1.325 106−× m

2=

5) Diametro máximo do fio:

δmax

15cm

s⋅

fs

:=

δmax 0.067 cm⋅=

6) Cálculo das Indutâncias magnetizantes:

Lprimario Vin_min

Dmax Ts⋅

Is1_peak

⋅:=

Lprimario 35.251 μH⋅=

Lsecundario Lprimario

Nsec1

Np

2

⋅:=

Lsecundario 2.203 μH⋅=

Lterciario Lprimario

Nsec2

Np

2

⋅:=

Lterciario 16.662 μH⋅=

7) Escolha do Fio:

Segundo os cálculos acima, foi escolhido o seguinte fio: AWG21

Scu_awg21 0.0041cm2

:=

Scu_awg21_isolado 0.0050 cm2

⋅:=

np_calculado

Scu_primario

Scu_awg21

4.851=:= nsec1_calculado

Scu_secundario

Scu_awg21

4.848=:=

nsec2_calculado

Scu_terciario

Scu_awg21

3.232=:=

Espiras em paralelo:

nprimario 3:= nsecundario 3:= nterciario 2:=

8) Capacidade de Execução:

Como a equaçao que segue é muito grande, ela foi composta em três partes,onde:

⋅ ⋅:=

Ku1 Scu_awg21_isolado Np⋅ nprimario⋅:=

Ku2 Scu_awg21_isolado Nsec1⋅ nsecundario⋅:=

Ku3 2 Scu_awg21_isolado⋅ Nsec2⋅ nterciario⋅:=

Ku

Ku1 Ku2+ Ku3+( )Aw

:=

Ku 0.331= Como Ku > .3, é possivel construir o indutor.

Projeto do Indutor Acoplado Núcleo EE 42/21/20

Perdas no Indutor Acoplado Núcleo EE 42/21/20

Cálculo de perdas no Indutor Acoplado

Jcond 150A

cm2

⋅= αcobre 0.003931

K:= Scu_awg21 4.1 10

3−× cm2

⋅=

ρcobre_20 1.708 108−⋅ Ω m⋅:= Vnucleo 23.3cm

3:= Te 80 K⋅:=

Te é a temperatura máxima no ponto central do indutor. Aqui foi consideradoa unidade em Kelvin só para facilitar o cálculo, porém o valor é em Celsius.

-Perdas CC:

Comprimento médio de uma espira, retirado do datasheet do fabricante.

MLT4221 10.5cm:=

Correção da resistividade em relação à temperatura:

ρcobre ρcobre_20 1 αcobre Te 20 K⋅−( )⋅+ ⋅:=

ρcobre 2.111 106−× Ω cm⋅⋅=

Rccp ρcobre

Np MLT4221⋅

nprimario Scu_awg21⋅⋅:= Rccp 0.029Ω=

Rccsec1 ρcobre

Nsec1 MLT4221⋅

nsecundario Scu_awg21⋅⋅:=

Rccsec1 7.207 103−× Ω=

Rccsec2 ρcobre

Nsec2 MLT4221⋅

nterciario Scu_awg21⋅⋅:= Rccsec2 0.03Ω=

Pcobre_p Rccp Is1_rms2

⋅:=

Pcobre_sec1 Rccsec1 Id1_rms2

⋅:=

Pcobre_sec2 Rccsec2 Id2_rms2

⋅:=

Pcobre Pcobre_p Pcobre_sec1+ 2 Pcobre_sec2⋅+:=

Pcobre 0.556W=

-Perdas no Núcleo:

Analisnado o gráfico a seguir:

Do gráfico tem-se que:

Pcm3 17 103−⋅W

cm3

:=

Pnucleo Pcm3 Vnucleo⋅:=

Pnucleo 0.396 W⋅=

As perdas totais no indutor. serão as perdas cc mais as perdas no núcleo:

Ptotal_indutor Pcobre Pnucleo+:=

Ptotal_indutor 0.952W=

Perdas no Indutor Acoplado Núcleo EE 42/21/20

Perdas nos Semicondutores+Snubber

Perdas nos semicondutores e Snubber

-Perdas de condução da chave 6R045:

Rds 0.1Ω:=

Ps1_c Rds Is1_rms( )2⋅:=

Ps1_c 0.89W=

-Perdas de condução no diodo 1 para o diodo U1560:

Vto_d1 0.75V:= Rto_d1 0Ω:=

Pd1_c Vto_d1 Id1_avg⋅ Rto_d1 Id1_rms( )2⋅+:=

Pd1_c 1.5W=

-Perdas de condução nos diodos 2 e 3 para o diodo U1560:

Vto_d2 0.75V:= Rto_d2 0Ω:=

Pd2_c Vto_d2 Id2_avg⋅ Rto_d2 Id2_rms( )2⋅+:=

Pd2_c 1W= Pd3_c Pd2_c:=

-Perdas totais de condução nos semicondutores:

Pt_c Ps1_c Pd1_c+ Pd2_c+ Pd3_c+:=

Pt_c 4.39W=

Projeto Snubber:

A utilização de snubber mostrou-se, através de simulação, necessária apenasna chave. Opotou-se por utilizar o snubber com topologia RCD:

KC_rise 1:= tf 116 109−× s⋅:= vC 50V:=

vCV.s1_peak 160V:=C Is1_peak

KC_rise tf⋅

vC⋅:=

Vs1_peak 93.333V=C 1.895 10

8−× F=

C_smart 12 109−F⋅:=

Psnubber

1 C_smart⋅ vCV.s1_peak( )2⋅ fs⋅

2:=

Psnubber 7.68W=

Rs0.1

C fs⋅105.517Ω=:=

Perdas nos Semicondutores+Snubber

Rendimento Teórico

Cálculo do Rendimento Teórico a partir das perdascalculadas.

-Sendo a dispersão de 2% então:

d% 2%:=

Pdispersão

1 Lprimario⋅ Is1_peak2

⋅ fs⋅ d%⋅

2:=

Ptotais Pt_c Pdispersão+ Ptotal_indutor+:=

Ptotais 6.518W=

η_teóricoPout Ptotais−( )

Pout

:=

η_teórico 0.87=

Rendimento Teórico

Cálculo do Dissipador

Cálculo do Dissipador

Cálculo do Dissipador.

Para a chave 6R045:

Rja_s1 62K

W⋅:=

∆Ts1 Rja_s1 Ps1_c⋅ 55.178K=:=

Para o diodo 1 (U1560):

Rjc_d 1.5K

W⋅:=

∆Td1 Rjc_d Pd1_c⋅ 2.25K=:=

Para os diodos 2 e 3 o cálculo é o mesmo (U1560):

∆Td2 Rjc_d Pd2_c⋅ 1.5K=:=

Como a variaçao de temperatura ficou dentro dos limites não será necessárioo uso de Dissipador:

Cálculo do Dissipador

Parâmetros de controle

Parametros de Controle

Para calculo do controle, foi utilizado ferramenta MatLab. Primeiramente, com oauxilio do material do Ivo Barbi (Projeto de Fontes Chaveadas, pag 241) foi calculadoa função de transferência do conversor. Abaixo a função de transferência com osparâmetros do conversor obtida no MatLab:

0.000984 s + 6.007Gs = ---------------------------- 0.00176 s + 1.805

Com a ferramenta RLTOOL do Matlab foi projetado o compensador. Para tal,considerou-se a função Gs e uma função de realimentação Hs = 0.107. O secundáriono qual será feito o controle é o de 5V. Abaixo o sistema não compensado:

O projeto do compensador foi realizado alocando polos e zeros no diagramade bode conforme necessidade. Foi alocado um polo próximo do zero da função Gs eum zero próximo ao pólo da mesma função. Foi alocado mais um pólo na origem paradar o ganho de -20dB/dec.. Abaixo o diagrama de bode do sistema já compensado e afunção de transferência do compensador:

A frequência de corte do sistema ficou em aproximadamente 5kHz, conformeespecificado. O sistema apresentou uma queda de 20dB e fase de -90, mostrando sermuito estável. Abaixo a função de transferência do compensador:

348088.9373 (s+1033)Cs = -------------------------------- s (s+6363)

O circuito discreto utilizado na simulação para fazer o compensador foi retiradoda dissertação de mestrado do prof. Batschauer. O circuito possui a função detransferência necessária para o compensador.

Como na montagem do Flyback será utilizado um CI SG3525, foram tomadosos devidos cuidados para que a simulação ficasse similar ao funcionamento docompensador do CI (por exemplo a dente de serra vai de 0.7 a 3.7V, e o sinal de

saturação do compensador foi estipulado 4V. O controle será feito na parte isolada, eatravés de um optoacoplador 4N25 o sinal de gate será transmitido. No secundário dooptoacoplador está demonstrado o circuito de driver utilizado.Abaixo a simulação emPsipe do circuito compensado.

Abaixo as figuras da simulação na saída controlada. Aos 40ms ocorre umdegrau de carga nominal para meia-carga. Abaixo está a saída para uma entrada de36V.

A seguir a saída para uma tensão de entrada de 56V:

O controle agiu conforme o esperado, e a resposta foi satisfatória. Abaixooutras formas de onda obtidas da simulação:

A figura acima mostra a tensão e corrente no interruptor Q1 para a condiçãode tensão de entrada de 56V. A figura abaixo mostra o comportamento da saídasimétrica de 15V.

Parâmetros de controle

Projeto Físico do Flyback

Projeto Físico do FlyBack

-Circuito de Controle:

O protótipo foi projetado com o auxílio da ferramenta Altium Protel. A placa decontrole terá uma parte isolada e não isolada. Na parte isolada terão duas entradas,que são a alimentação externa isolada e o sinal de Feedback. A parte não isoladaterá 1 entrada para alimentação do circuito de controle não-isolado, além de umasaída, que será o sinal de gate. O CI de controle utilizado é o SG3525, e ooptoacoplador utilizado foi o 4N25.

O circuito de comando foi projetado de acordo com o datasheet do CIcontrolador. Há partida suave, ajuste fino da tensão de referência e pino deshut-down. Abaixo o esquemático do circutio de controle, seguido do PCB.

-Placa de Potência:

A placa de potência foi feita da seguinte forma: para a conexão da fonte deentrada Vin e o primário do transformador foram utilizados bornes M6 niquelados. Nossecundários do indutor acoplado e nas saídas para as cargas foram utilizadosconectores PCMC3-3. No secundário de 5V há mais uma saída, que é a realimentação.Apesar de nos cálculos teóricos não haver necessidade de snubbers nos diodos dosecundário, eles foram considerados no layout da placa, apenas por precaução. Aseguir o esquemático e o PCB:

Fotos do Protótipo Montado:

Projeto Físico do Flyback

Resultados Experimentais

Segue abaixo os resultados obtidos com o protótipo. A figura abaixo mostra atensão e corrente no transistor Q1, além da tensão no secundário de 5V, para umatensão Vin = 36V

A figura abaixo mostra a tensão e corrente em Q1, além da tensão nosecundário de 5V, para uma tensão Vin = 56V.

A figura abaixo mostra a tensão e corrente no enrolamento secundário de+15V, além da saída respectiva.

Aproximando as formas de onda de corrente e tensão em Q1 e tensão ecorrente no enrolamento primário do indutor, respectivamente. Para ambos os casosVin = 56V:

Na figuar abaixo está mostrado a corrente no primário e tensão na saída detodos os secundários:

Resultados Experimentais - Respostas Transitórias

Step de carga - 10% para 50%:

Step de carga - 50% para 100%:

Step de carga de 100% para 10%. Pelo fato do contato para mudança decarga ser mecânico, por aproximadamente 4ms a carga na saída de 5V foi a zero.

Conclusão e Agradecimentos:

O projeto do conversor foi um importante passo na aprendizagem da matéria deprojeto de conversores estáticos. Todas as etapas do projeto, como snubber, cálculo doindutor e circuito de controle foram realizadas teorica e praticamente, e o conversor operouconforme esperado.

Para uma melhoria no conversor, é necessário uma mudança no circuito de driver, quenão funcionou da melhor maneira possível durante os testes.

Gostariamos de agradecer o prof. Yales e Nodari pelo auxílio tanto em classe comoem extra classe. Gostariamos também de agradecer o auxilio dos mestrandos Lucas Cúnico,Gustado Lambert e Marcos Reinert pelo auxílio no projeto do circuito de comando. Aomestrando Tiago Lemes pelo auxílio no projeto das placas de potência e controle, e aograduandos José Diesel pela disponibilidade de confeccionar as placas de circuito impresso.