projeto de um conversor flyback e de um...

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/2000

Caixa Postal 5119, CEP: 88.040-970 - Florianópolis - SC

Tel. : (048) 331.9204 - Fax: (048) 234.5422 – Internet: www.inep.ufsc.br

http://www.inep.ufsc.br/

2

ÍNDICE

1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................................................................... 3

2 RETIFICADOR COM FILTRO CAPACITIVO ................................................................................................. 4

2.1 ESPECIFICAÇÕES DE PROJETO DO RETIFICADOR COM FILTRO CAPACITIVO ........................................................... 4

2.2 PROJETO DO RETIFICADOR COM FILTRO CAPACITIVO ........................................................................................... 4

2.2.1 Determinação do Capacitor de Filtragem .................................................................................................. 4

2.2.2 Determinação dos Diodos Retificadores .................................................................................................... 5

3 CONVERSOR FLYBACK ..................................................................................................................................... 8

3.1 ESPECIFICAÇÕES DE PROJETO DO CONVERSOR FLYBACK...................................................................................... 8

3.2 PROJETO DO CONVERSOR FLYBACK ...................................................................................................................... 8

3.2.1 Projeto do Transformador .......................................................................................................................... 8

3.2.2 Determinação do Capacitor de Saída ....................................................................................................... 13

3.2.3 Especificação do Interruptor .................................................................................................................... 13

3.2.4 Especificação do Diodo ............................................................................................................................ 14

3.3 SIMULAÇÃO DO CONVERSOR FLYBACK .............................................................................................................. 16

3.4 SIMULAÇÃO COM TENSÃO MÍNIMA NA ENTRADA ............................................................................................... 16

3.5 SIMULAÇÃO PARA TENSÃO MÁXIMA NA ENTRADA ............................................................................................ 21

4 CONVERSOR FORWARD ................................................................................................................................. 25

4.1 ESPECIFICAÇÕES DE PROJETO DO CONVERSOR FORWARD .................................................................................. 25

4.2 PROJETO DO CONVERSOR FORWARD ................................................................................................................... 25

4.2.1 Projeto do Transformador ........................................................................................................................ 25

4.2.2 Cálculo dos Novos Valores de D .............................................................................................................. 31

4.2.3 Projeto do Indutor de Filtragem da Corrente de Saída ............................................................................ 31

4.2.4 Determinação do Capacitor de Saída ....................................................................................................... 34

4.2.5 Especificação do Interruptor .................................................................................................................... 34

4.2.6 Especificação do Diodo de Desmagnetização (Dd) .................................................................................. 35

4.2.7 Especificação do Diodo Retificador da Saída .......................................................................................... 37

4.2.8 Especificação do Diodo de Circulação..................................................................................................... 38

4.3 SIMULAÇÃO DO CONVERSOR FORWARD ............................................................................................................. 40

4.4 SIMULAÇÃO COM TENSÃO MÍNIMA NA ENTRADA ............................................................................................... 40

4.5 SIMULAÇÃO COM TENSÃO MÁXIMA NA ENTRADA .............................................................................................. 46

5 ANÁLISE DOS RESULTADOS OBTIDOS ....................................................................................................... 51

6 PROJETO DO TRANSFORMADOR COM DEMAG ...................................................................................... 56

6.1 TRANSFORMADOR DO CONVERSOR FLYBACK ..................................................................................................... 56

6.1.1 Projeto pela Restrição de Temperatura .................................................................................................... 56

6.1.2 Projeto pelo Produto de Áreas.................................................................................................................. 58

6.2 TRANSFORMADOR DO CONVERSOR FORWARD .................................................................................................... 60

6.2.1 Projeto pela Restrição de Temperatura .................................................................................................... 60

7 CONCLUSÃO ....................................................................................................................................................... 62

8 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................................................... 63

9 ANEXOS ................................................................................................................................................................ 64

9.1 ANEXO I – CARACTERÍSTICAS DO MATERIAL IP 12R .......................................................................................... 64

9.2 ANEXO I – CARACTERÍSTICAS DO MATERIAL IP 12E .......................................................................................... 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 120Hz.

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 120Hz

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.

4

2 RETIFICADOR COM FILTRO CAPACITIVO

2.1 Especificações de Projeto do Retificador com Filtro Capacitivo

Sejam as seguintes especificações para o retificador com filtro capacitivo:

Vinmin = 190V - Tensão mínima de entrada;

Vinmax = 240 V - Tensão máxima de entrada;

V = 5% - Ondulação da tensão na saída do retificador;

ret = 90% - Rendimento do retificador com filtro capacitivo;

Pcon = 100W - Potência de saída dos conversores;

f = 60Hz - Freqüência da rede;

Ta = 500C - 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. 1.

D1 D2

D4

+ -

Vin

C

D3

+

-

Saída

Fig. 1 - Circuito do retificador com filtro capacitivo.

2.2 Projeto do Retificador com Filtro Capacitivo

Para determinação dos componentes do retificador com filtro capacitivo será usada a

metodologia apresentada em [2].

2.2.1 Determinação do Capacitor de Filtragem

A potência de saída do retificador é dada pela (Eq. 1):

7,0

100PconPout

con

(Eq. 1)

W86,142Pout (Eq. 2)

5

Portanto a potência de entrada do retificador será:

9,0

86,142PoutPin

ret

(Eq. 3)

W7,158Pin (Eq. 4)

A tensão de pico sobre o capacitor é dada por:

31902VdVin2Vpk min (Eq. 5)

V7,265Vpk (Eq. 6)

A tensão mínima sobre o capacitor será:

)31902(95,0)VdVin2(95,0minVc min (Eq. 7)

V4,252minVc (Eq. 8)

Portanto o capacitor será:

)4,2527,265(60

7,158

)minVcVpk(f

PinC

2222

(Eq. 9)

F34,384C (Eq. 10)

Usando-se o valor comercial mais próximo:

V400Fx470C (Eq. 11)

Capacitor eletrolítico de alumínio marca Icotron.

2.2.2 Determinação dos Diodos Retificadores

O tempo de condução dos diodos é dado por:

602

7,265

4,252cos

f2

Vpk

minVccos

tc

11

(Eq. 12)

ms824,0tc (Eq. 13)

A corrente de pico na saída do retificador é dada por:

m824,0

3,13470

tc

VCIp

(Eq. 14)

6

A4,7Ip (Eq. 15)

No entanto, conforme é recomendado em [2] a corrente de pico deve ser considerada com o

dobro de amplitude, desta forma:

A8,14Ip (Eq. 16)

O valor eficaz da corrente na saída do retificador é:

2332 )6010824,02(6010824,024,7)tcf2(tcf2IpIef (Eq. 17)

A23,2Ief (Eq. 18)

A corrente média fornecida pelo capacitor ao conversor é dada por:

4,252

7,158

minVc

PindIm (Eq. 19)

A63,0dIm (Eq. 20)

A corrente total no capacitor de filtragem é dada por:

2222 63,023,2dImIefIcef (Eq. 21)

A3,2Icef (Eq. 22)

As correntes nos diodos retificadores serão:

A8,14IpIdp (Eq. 23)

6010824,04,7tcfIpIdef 3 (Eq. 24)

A67,1Idef (Eq. 25)

4,2522

1587

minVc2

PinIdmd

(Eq. 26)

A31,0Idmd (Eq. 27)

2402Vin2maxVd max (Eq. 28)

V4,339maxVd (Eq. 29)

Portanto pode-se usar o diodo 1N 4005 Semikron. Suas características elétricas são:

VRRM = 600V - Máxima tensão reversa;

IF = 2A - Corrente eficaz;

Imd = 1A - Corrente média direta;

7

Ip = 35A - Máxima corrente suportada durante 10ms;

VTO = 0,85V - Queda de tensão direta;

rt = 90m - Resistência série direta;

Tj = 1800C - Temperatura de junção;

Rtja = 800C/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:

232

TO 67,1109031,085,0rtIdefIdmdVPd (Eq. 30)

W51,0Pd (Eq. 31)

Portanto a resistência térmica entre junção e ambiente será:

51,0

50180

Pd

TaTjRja

(Eq. 32)

W/C9,254Rja 0 (Eq. 33)

Como o valor calculado é maior que o especificado para o diodo 1N 4005 não necessita-se o

emprego de dissipador.

8

3 CONVERSOR FLYBACK

3.1 Especificações de Projeto do Conversor Flyback

Sejam as seguintes especificações para o conversor Flyback:



Vc = 100mV - Ondulação da tensão na saída do conversor;

Vout = 13V - Tensão de saída do conversor;

= 70% - Rendimento do conversor Flyback;

Pout = 100W - Potência de saída do conversor;

fs = 28kHz - Frequência de chaveamento;

Dmax = 0,4 - Razão cíclica máxima;

Ta = 500C - 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. 2.

+

-

Vin

T

Np Ns

D

C Ro Vout

+

-

Ic IoIs=IdIp=IT

Fig. 2 - Circuito do conversor Flyback.

3.2 Projeto do Conversor Flyback

Para determinação dos componentes do conversor Flyback será usada a metodologia

apresentada em [1].

3.2.1 Projeto do Transformador

3.2.1.1 Escolha do Núcleo

Para escolha do núcleo é usada a (Eq. 33):

fsBjKwKp

Pout1.1AeAw

(Eq. 34)

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/cm2 - Densidade de corrente;

B = 0,25T - 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:

k2825,04004,05,0

1001,1AeAw

(Eq. 35)

4cm964,1AeAw (Eq. 36)

Da tabela de núcleos do fabricante Thornton escolhe-se o núcleo E-42/15 que possui área da

seção do núcleo de:

2cm81,1Ae (Eq. 37)

3.2.1.2 Determinação do Entreferro

A energia acumulada no enrolamento primário durante a etapa de magnetização do

transformado (interruptor T conduzindo) é dada por:

k287,0

100

fs

PoutW

(Eq. 38)

mJ102,5W (Eq. 39)

42

7

2 1081,125,0

m102,51042

AeB

Wo2

(Eq. 40)

Onde o é a permeabilidade do ar . Assim:

mm134,1 (Eq. 41)

Se na montagem do transformador o entreferro ocupar os dois lados do núcleo do tipo E

tem-se:

2

134,1

2lg

(Eq. 42)

mm567,0lg (Eq. 43)

10

3.2.1.3 Cálculo do Número de Espiras do Enrolamento Primário

O número de espiras do primário é calculado pela (Eq. 44):

Ipo

BNp

(Eq. 44)

Mas a corrente de pico no primário é dada por:

4,02537,0

1002

maxDVin

Pout2Ip

min

(Eq. 45)

A82,2Ip (Eq. 46)

Portanto:

82,2104

10134,125,0Np

7

3

(Eq. 47)

espiras80Np (Eq. 48)

3.2.1.4 Cálculo do Número de Espiras do Enrolamento Secundário

O número de espiras do secundário é calculado pela (Eq. 49):

4,0

)4,01(

253

)5,113(80

maxD

max)D1(

Vin

)VdVout(NpNs

min

(Eq. 49)

espiras7Ns (Eq. 50)

3.2.1.5 Determinação da Seção dos Condutores

Para determinação da seção dos condutores é necessário determinar-se a profundidade de

penetração do campo, dada por:

k28

5,72

fs

5,72

(Eq. 51)

cm09,0 (Eq. 52)

A (Eq. 51) se mostra correta para uma temperatura de 1000C.

Da tabela de fios de cobre verifica-se o que o fio de número 19AWG satisfaz o diâmetro

especificado. Este possui uma seção de:

27 m10527,6S (Eq. 53)

11

A seção do condutor para o enrolamento primário é dada por:

j

IpefSp (Eq. 54)

Mas a corrente eficaz do primário é dada por:

3

4,082,2

3

maxDIpIpef (Eq. 55)

A031,1Ipef (Eq. 56)

Portanto:

400

0131,1Sp (Eq. 57)

27 m10577,2Sp (Eq. 58)

Pela tabela de fios de cobre verifica-se que o fio de número 23AWG 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 23 AWG,

pois assim é melhor utilizado o espaço do núcleo disponível para os enrolamentos.

A seção do condutor para o enrolamento secundário será:

j

IsefSs (Eq. 59)

Mas a corrente eficaz do enrolamento secundário é dada por:

3

fsToIsIsef

(Eq. 60)

Considerando o tempo de condução do diodo igual ao tempo de abertura do interruptor tem-

se:

k28

4,01

fs

maxD1max)D1(T1TT2TTo

(Eq. 61)

s43,21To (Eq. 62)

Assim:

3

k2843,212,32Isef

(Eq. 63)

A4,14Isef (Eq. 64)

12

Portanto:

400

4,14Ss (Eq. 65)

26 m106,3Ss (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:

7

6

10527,6

106,3

S

Ssns

(Eq. 67)

6ns (Eq. 68)

São portanto usados 6 condutores em paralelo de bitola 19AWG para confecção do

enrolamento secundário.

3.2.1.6 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:

82,2

1081,125,080

Ip

AeBNpLmp

4

(Eq. 69)

mH28,1Lmp (Eq. 70)

Para o enrolamento secundário tem-se:

Is

AeBNsLms

(Eq. 71)

Mas a corrente de pico no secundário é dada por:

7

8082,2

Ns

NpIpIs (Eq. 72)

A2,32Is (Eq. 73)

Portanto:

2,32

1081,125,07Lms

4 (Eq. 74)

13

H84,9Lms (Eq. 75)

3.2.2 Determinação do Capacitor de Saída

O capacitor de saída é determinado por:

Vcfs

maxDIoC

(Eq. 76)

A corrente média na carga é dada por:

13

100

Vout

PoutIo (Eq. 77)

A69,7Io (Eq. 78)

Portanto:

1,0k28

4,069,7C

(Eq. 79)

mF099,1C (Eq. 80)

A resistência série equivalente máxima do capacitor é dada por:

2,32

1,0

Is

VcRSE

(Eq. 81)

m1,3RSE (Eq. 82)

Para satisfazer a RSE escolheu-se 6 capacitores eletrolíticos de alumínio não sólido da

Icotron que possuem RSE de 17m e 6.800F x 16V.

3.2.3 Especificação do Interruptor

A corrente de pico no interruptor é a mesma que no enrolamento primário, assim:

A82,2IpIT (Eq. 83)

A corrente eficaz também será a mesma do enrolamento primário:

A031,1IpefefIT (Eq. 84)

14

A corrente média no interruptor será:

m28,1k282

4,0253

Lmpfs2

maxDVinmdI

22min

T

(Eq. 85)

A565,0mdIT (Eq. 86)

A tensão máxima sobre o interruptor é dada por:

7

80)5,013(340

Ns

Np)VdVout(VinmaxV maxT (Eq. 87)

V7,505maxVT (Eq. 88)

O interruptor escolhido é o IRFI BE 20G que possui como principais características:

VDS = 800V - Máxima tensão entre dreno e source;

ID = 1,4A - Corrente eficaz direta;

RDson = 6,5 - Resistência de condução direta;

Rtjc = 4,10C/W - Resistência térmica entre junção e cápsula.

3.2.4 Especificação do Diodo

A corrente de pico no diodo é a mesma do enrolamento secundário:

A2,32IsId (Eq. 89)

A corrente eficaz no diodo também será a mesma que no enrolamento secundário do

transformador:

A4,14IsefIdef (Eq. 90 )

A corrente média no diodo será:

2

k2843,212,32

T2

ToIsIdmd

(Eq. 91)

A66,9Idmd (Eq. 92)

A máxima tensão reversa sobre o diodo será:

80

734013

Np

NsVinVoutmaxVd max (Eq. 93)

V75,42maxVd (Eq. 94)

15

O diodo escolhido e que atende as especificações acima é o SKN 2F 17/04 da Semikron que

possui as características listadas abaixo:


IF = 41A - Corrente eficaz direta;

IDm = 26A - Corrente média direta;

Ip = 450A - Corrente de pico;

Rtjc = 1,20C/W - Resistência térmica entre junção e cápsula;

Rtcd = 0,50C/W - Resistência térmica entre cápsula e dissipador;

rt = 12m - Resistência de condução direta;

Tj = 1500C - Máxima temperatura de junção;

VTO = 1,3V - Queda de tensão direta.

A potência dissipada sobre o diodo é:

232

TO 4,14101266,93,1IdefrtIdmdVPd (Eq. 95)

W04,15Pd (Eq. 96)

A resistência térmica entre junção e ambiente será:

04,15

50150

Pd

TaTjRja

(Eq. 97)

W/C65,6Rja 0 (Eq. 98)

Mas tem-se que:

RdaRcdRjcRja (Eq. 99)

Portanto:

5,02,165,6RcdRjcRjaRda (Eq. 100)

W/C95,4Rda 0 (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.

16

3.3 Simulação do Conversor Flyback

O circuito simulado está mostrado na Fig. 3.

+ -

Vin

470uF C1

+

-

Vg

1M

Rlig

Dbreak

D5D2

D3

d1n4005D1

K

LpLs

COUPLING=0,9999k_linear

K1

1,28mH

Lp Ls

9,84uH C2

2.200u

Ro

1,69

IRFI BE 20G

Td1n4005 D4

Vin+

Vin-

Vin+

Vin-

Diodos não especificacos: MUR 1560

Fig. 3 - Circuito para simulação.

3.4 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. 4 tem-se a tensão da rede e na saída do retificador. Nota-se uma pequena ondulação

de 120Hz. 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.

Time

0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms-50A

0A

50A

Irede

-400V

0V

400V

Vin

Vrede

Fig. 4 - Tensão da rede e na saída do retificador – Corrente na fonte.

17

Na Fig. 5 mostra-se a ondulação de 120Hz 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.

Time

20ms 22ms 24ms 26ms 28ms 30ms-10A

0A

10A

Irede

256V

260V

264V

268V

Vin

Vond = 7,28V

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.

Time

100.04ms 100.05ms 100.06ms 100.07ms 100.08ms 100.09ms 100.10ms 100.11ms-50V

0V

50VVs

-400V

0V

400V

Vp

Fig. 6 - Tensão no primário e no secundário do transformador.

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.

Time

100.04ms 100.05ms 100.06ms 100.07ms 100.08ms 100.09ms 100.10ms 100.11ms-50A

0A

50A

Is

-2.0A

0A

2.0A

4.0A

Ip

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.

Time

100.04ms 100.05ms 100.06ms 100.07ms 100.08ms 100.09ms 100.10ms 100.11ms-100

-50

0

50

Vd

Id

-400

0

400

800

x 20IT

TV

Fig. 8 - Tensão e corrente no interruptor - Tensão e corrente no diodo.

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 120Hz conforme comentado anteriormente. Esta

ondulação pode ser eliminada pela atuação do circuito de controle sobre a razão cíclica do

conversor.

Time

0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120ms 140ms0A

5A

10AIo

0V

5V

10V

15VVout

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-a-

pico 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.

Time

20.0000ms 20.0100ms 20.0200ms 20.0300ms 20.0400ms 20.0500ms 20.0598ms

7.720A

7.760A

7.682A

7.791A

Iond = 38.52mA

Io

13.040V

13.080V

13.001V

13.117V

Vond = 65.4mV

Vout

Fig. 10 - 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

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 desconsiderou-

se 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.

Time

0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120ms 140ms0W

20W

40W

60W

80W

100W

120W

Pout

Fig. 11 - Potência na saída em regime permanente.

21

3.5 Simulação para Tensão Máxima na Entrada



saída do mesmo.

Na Fig. 12 tem-se a tensão da rede e na saída do retificador e a corrente solicitada da rede.

Time


0A

40A

80A

Irede

-400V

0V

400VVin

Vrede


Na Fig. 13 mostra-se a ondulação de 120Hz 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.

Time

20ms 22ms 24ms 26ms 28ms 30ms-10A

0A

10A

Irede

332V

336V

340VVin

5,77V

(20.337m,332.289)

(20.877m,338.059)


22

Na Fig. 14 tem-se a tensão sobre cada enrolamento do transformador (primário e

secundário).

Time

100.01ms 100.02ms 100.03ms 100.04ms 100.05ms 100.06ms 100.07ms 100.08ms-40V

0V

40V

80V

Vs

-400V

0V

400V

Vp

Fig. 14 - 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.

Time

100.01ms 100.02ms 100.03ms 100.04ms 100.05ms 100.06ms 100.07ms 100.08ms

25A

50A

-5A

Is

0A

2.0A

-1.0A

3.0A

Ip

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.

Time

100.01ms 100.02ms 100.03ms 100.04ms 100.05ms 100.06ms 100.07ms 100.08ms-100

0

100

DI

DV

-400

0

400

800

TI

TV

x 20

Fig. 16 - 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.

Time

0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms0A

5A

10A

Io

0V

5V

10V

15V

Vout


24

Na Fig. 18 mostra-se a ondulação presente na tensão de saída. O valor de ondulação pico-a-

pico está de acordo com a especificação de projeto (100mV).

Time

20.1300ms 20.1400ms 20.1500ms 20.1600ms 20.1700ms 20.1800ms 20.1900ms20.1222ms7.74A

7.76A

7.78A

7.80A

Iond = 40mA

Io

13.05V

13.10V

13.15V

13.20V

Vond = 66mV

Vout


Na Fig. 19 tem-se a potência na carga.

Time


20W

40W

60W

80W

100W

120W

Pout


25

4 CONVERSOR FORWARD

4.1 Especificações de Projeto do Conversor Forward

Sejam as seguintes especificações para o conversor Forward:



Vc = 100mV - Ondulação da tensão na saída do conversor;

Vout = 13V - Tensão de saída do conversor;

il = 10% - Ondulação de corrente no indutor;

= 80% - Rendimento do conversor Forward;

Pout = 100W - Potência de saída do conversor;

fs = 28kHz - Frequência de chaveamento;

Dmax = 0,4 - Razão cíclica máxima;

Ta = 500C - 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. 20.

T

+

-

Vin

Np

Dd

Nt

C Ro

D1

D2

L

Ns

Vout

+

-

iLic Io

Fig. 20 - Circuito do conversor Forward.

4.2 Projeto do Conversor Forward

Para determinação dos componentes do conversor Forward será usada a metodologia

apresentada em [1].

4.2.1 Projeto do Transformador


Para escolha do núcleo é usada a (Eq. 102):

fsBjKwKp

Pout2,1AeAw (Eq. 102)

26

Onde:



Kp = 0,3 - Fator de utilização do primário;

Kw = 0,4 - Fator de utilização da área da janela;


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:

8,0k283,04004,03,0

1002,1AeAw

4cm72,3AeAw (Eq. 103)



2cm40,2Ae (Eq. 104)

4.2.1.2 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:

k288,0

100

fs

PoutW

(Eq. 105)

mJ46,4W (Eq. 106)

42

7

2 1040,23,0

m46,41042

AeB

Wo2

(Eq. 107)

Onde o é a permeabilidade do ar . Assim:

mm52,0 (Eq. 108)


tem-se:

2

52,0

2lg

(Eq. 109)

mm26,0lg (Eq. 110)

27

4.2.1.3 Cálculo do Número de Espiras do Enrolamento Primário

O número de espiras do primário é calculado pela (Eq. 111):

k283,01040,2

4,0253

fsBAe

maxDVinNp

4

min

(Eq. 111)

51Np espiras (Eq. 112)

4.2.1.4 Cálculo do Número de Espiras do Enrolamento Secundário

O número de espiras do secundário é calculado pela (Eq. 113):

4,0253

)4,05,113(511,1

maxDVin

max)DVdVout(Np1.1Ns

min

(Eq. 113)

8Ns espiras (Eq. 114)

4.2.1.5 Cálculo do Número de Espiras do Enrolamento Terciário (de desmagnetização)

O número de espiras do terciário é calculado pela (Eq. 115):

51NpNt espiras (Eq. 115)

4.2.1.6 Determinação da Seção dos Condutores

Para determinação da seção dos condutores é necessário determinar-se a profundidade de

penetração, dada por:

k28

5,72

fs

5,72

(Eq. 116)

cm09,0 (Eq. 117)

A (Eq. 116) apresenta-se correta para uma temperatura de 1000C. 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:

27 m10527,6S (Eq. 118)

A seção do condutor para o enrolamento primário é dada por:

j

IpefSp (Eq. 119)

28

Mas a corrente eficaz do primário é dada por:

2

32

min2

min

2

fs3

maxD

Lmp

Vin2

fs

maxD

Lmp

Vin

Np

NsIo2maxD

Np

NsIoIpef

(Eq. 120)

A indutância magnetizante do primário é dada por:

'Ipfs

maxDVinLmp min

(Eq. 121)

Onde Ip’ é a corrente de pico devido a magnetizante, assim:

51

8769,0

Np

Nsil'Ip (Eq. 122)

A121,0'Ip (Eq. 123)

Portanto:

121,0k28

4,0253Lmp

(Eq. 124)

mH96,29Lmp (Eq. 125)

2

3222

283

4,0

m96,29

2532

k28

4,0

m96,29

253

51

869,724,0

51

869,7Ipef

(Eq. 126)

A84,0Ipef (Eq. 127)

Portanto:

400

84,0Sp (Eq. 128)

27 m1009,2Sp (Eq. 129)

Pela tabela de fios de cobre verifica-se que o fio de número 24AWG 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 24 AWG,

pois assim é melhor utilizado o espaço do núcleo disponível para os enrolamentos.

A seção do condutor para o enrolamento secundário será:

j

IsefSs (Eq. 130)

29

Mas a corrente eficaz do enrolamento secundário é dada por:

132

100

Vout2

Pout

2

IoIsef

(Eq. 131)

A44,5Isef (Eq. 132)

Portanto:

400

44,5Ss (Eq. 133)

26 m1036,1Ss (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:

7

6

10527,6

1036,1

S

Ssns

(Eq. 135)

2ns (Eq. 136)

São portanto usados 2 condutores de bitola 19AWG para confecção do enrolamento

secundário.

A corrente eficaz do terciário é dada por:

3

maxD

Lmtfs

VinItef

3min

(Eq. 137)

Mas a indutância magnetizante do terciário é:

It

AeBNtLmt

(Eq. 138)

A corrente de pico no terciário é dada por:

51

51

k28m96,29

4,0253

Nt

Np

fsLmp

maxDVinIt min

(Eq. 139)

A121,0It (Eq. 140)

Portanto:

121,0

1040,23,051Lmt

4 (Eq. 141)

30

mH35,30Lmt (Eq. 142)

Então finalmente:

3

4,0

m35,30k28

253Itef

3

(Eq. 143)

A044,0Itef (Eq. 144)

Portanto:

400

044,0St (Eq. 145)

26 m100111,0St (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.

4.2.1.7 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:

mH96,29Lmp (Eq. 147)

mH35,30Lmt (Eq. 148)

Para o secundário tem-se:

Is

AeBNsLms

(Eq. 149)

Mas a corrente de pico no secundário, devido à corrente de magnetização do primário é

dada por:

8

51

k28m96,292

4,0253

Ns

Np

fsLmp2

maxDVinIs min

(Eq. 150)

A385,0Is (Eq. 151)

31

Portanto:

385,0

1040,23,08Lms

4 (Eq. 152)

mH375,0Lms (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:

2

ilIoIs

(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 2. Se a corrente de saída fosse

isenta de ondulação os valores teóricos seriam confirmados na simulação, sem necessidade de

ajuste.

4.2.2 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:

340

8

5113

Vin

Ns

NpVout

minDmax

(Eq. 155)

244,0minD (Eq. 156)

O valor de Dmax será:

253

8

5113

Vin

Ns

NpVout

maxDmin

(Eq. 157)

328,0maxD (Eq. 158)

4.2.3 Projeto do Indutor de Filtragem da Corrente de Saída

4.2.3.1 Cálculo da Indutância

A indutância do indutor de filtro da corrente de saída, calculada para Vinmin e Dmax, é dada

32

por:

ilfs

maxDmax)D1(Ns/Np

Vin

'L

min

(Eq. 159)

A corrente média na carga é dada por:

13

100

Vout

PoutIo (Eq. 160)

A69,7Io (Eq. 161)

Portanto a ondulação de corrente é dada por:

69,71,0Io1,0il (Eq. 162)

A769,0il (Eq. 163)

E assim:

769,0k28

328,0)328,01(8/51

253

'L

(Eq. 164)

mH406,0'L (Eq. 165)

Calculando-se para Vinmax e Dmin tem-se:

769,0k28

244,0)244,01(8/51

340

ilfs

minDmin)D1(Ns/Np

Vin

''L

max

(Eq. 166)

mH457,0''L (Eq. 167)

Para manter a ondulação de corrente na saída dentro do valor especificado escolhe-se o

maior valor de L, portanto:

mH457,0L (Eq. 168)


4003,07,0

2

769,069,7m457,0

jBk

2

ilIoL

AeAw

22

(Eq. 169)

4cm55,3AeAw (Eq. 170)

33

Onde:



K = 0.7 - Fator de utilização do enrolamento;


B = 0,3 T - Variação da densidade de fluxo;

pI2/ilIo L - Corrente de pico no indutor.

Os valores de Kp, j e B são valores típicos extraídos da literatura [5] para as especificações

de projeto apresentadas anteriormente.



2cm40,2Ae (Eq. 171)

4.2.3.3 Cálculo do Número de Espiras

O número de espiras é calculado por:

41040,23,0

2

769,069,7m457,0

AeB

2

ilIoL

N

(Eq. 172)

espiras52N (Eq. 173)

4.2.3.4 Cálculo do Entreferro

O entreferro é calculado por:

3

4722

10457,0

1040,2104522

L

AeoN2

(Eq. 174)

mm57,3 (Eq. 175)


tem-se:

mm78,12

lg

(Eq. 176)

4.2.3.5 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:

400

69,7

J

IoS (Eq. 177)

34

26 m109,1S (Eq. 178)

Portanto o número de condutores considerando a profundidade de penetração será:

7

6

10527,6

109,1

S

Sn

(Eq. 179)

3n (Eq. 180)

São portanto usados 3 condutores de bitola 19AWG para confecção do indutor de filtragem

da corrente de saída.

4.2.4 Determinação do Capacitor de Saída

O capacitor de saída é determinado por:

1,0k282

769,0

Vcfs2

ilC

(Eq. 181)

F7,43C (Eq. 182)

A resistência série equivalente máxima do capacitor é dada por:

769,0

1,0

il

VcRSE

(Eq. 183)

13,0RSE (Eq. 184)

O capacitor escolhido que satisfaz as características desejadas é:

2 x 1.000F x 16V da marca Icotron de código B41859 que possui RSE de 0,27.

4.2.5 Especificação do Interruptor

A corrente de pico no interruptor é a mesma que no enrolamento primário, assim:

51

8

2

769,0

51

8

2

769,069,7

Np

Ns

2

il

Np

Ns

2

ilIoIpIT

(Eq. 185)

A33,1IpIT (Eq. 186)

A corrente eficaz também será a mesma do enrolamento primário:

A84,0IpefefIT (Eq. 187)

35

A corrente média no interruptor será:

k28

4,0

m46,1

2534,0

51

869,7

fs

maxD

Lmp

VinmaxD

Np

NsIomdI

22min

T (Eq. 188)

A53,0mdIT (Eq. 189)

A tensão máxima sobre o interruptor é dada por:

51

51340340

Nt

NpVinVinmaxV maxmaxT (Eq. 190)

V680maxVT (Eq. 191)

O interruptor escolhido é o IRFI BE 30G que possui como principais características:

VDS = 800V - Máxima tensão entre dreno e source;

ID = 2,1A - Corrente eficaz direta;

RDson = 3 - Resistência de condução direta;

Rtjc = 3,60C/W - Resistência térmica entre junção e cápsula.

4.2.6 Especificação do Diodo de Desmagnetização (Dd)

A corrente de pico no diodo Dd é a mesma do enrolamento terciário:

A121,0ItIdd (Eq. 192)

A corrente eficaz no diodo Dd também será a mesma que no enrolamento terciário do

transformador:

A044,0ItefIddef (Eq. 193)

A corrente média no diodo Dd será:

T2

To

Lmt

VinIddmd

2

min

(Eq. 194)

Mas o tempo para desmagnetização do transformador é:

253

121,0m35,30

Vin

ItLmtTo

min

(Eq. 195)

s51,14To (Eq. 196)

36

Portanto:

k28/12

)51,14(

m35,30

253Iddmd

2

(Eq. 197)

A024,0Iddmd (Eq. 198)

A máxima tensão reversa sobre o diodo será:

51

51340340

Np

NtVinVinmaxVdd maxmax (Eq. 199)

V680maxVdd (Eq. 200)

O diodo escolhido e que atende as especificações acima é o SK3 GL08 da Semikron que









A potência dissipada sobre o diodo é:

232

TO 024,01040044,095,0IdefrtIdmdVPd (Eq. 201)

W04,0Pd (Eq. 202)


04,0

50175

Pd

TaTjRja

(Eq. 203)

W/C125.3Rja 0 (Eq. 204)

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.

37

4.2.7 Especificação do Diodo Retificador da Saída

A corrente de pico no diodo D1 é dada por:

A07,82

769,069,7

2

ilIoIs1Id

(Eq. 205)

A corrente eficaz no diodo D1 também é a mesma do enrolamento secundário:

A44,5Isefef1Id (Eq. 206)

A corrente média no diodo D1 será:

4,069,7maxDIomd1Id (Eq. 207)

A08,3md1Id (Eq. 208)

A máxima tensão reversa sobre o diodo D1 será:

51

8340

Nt

NsVinmax1Vd max (Eq. 209)

V3,53max1Vd (Eq. 210)












A potência dissipada sobre o diodo D1 é:

232

TO 44,5101208,33,1ef1Idrtmd1IdVPd (Eq. 211)

W36,4Pd (Eq. 212)


36,4

50150

Pd

TaTjRja

(Eq. 213)

38

W/C94,22Rja 0 (Eq. 214)

Mas tem-se que:


Portanto:


W/C24,21Rda 0 (Eq. 217)

Da tabela de dissipadores pode-se escolher o dissipador k9 da Semikron.

4.2.8 Especificação do Diodo de Circulação

A corrente de pico no diodo D2 é a mesma do diodo retificador da saída:

A07,8Is2Id (Eq. 218)

A corrente eficaz no diodo D2 é dada por:

T3

Toil

T

Toil

2

ilIo

T

To

2

ilIoef2Id

2

2

(Eq. 219)

k28/13

51,14769,0

k28/1

51,14769,0

2

769,069,7

k28/1

51,14

2

769,069,7ef2Id

2

2

(Eq. 220)

A9,4ef2Id (Eq. 221)

A corrente média no diodo D2 será:

A12,3k28/1

51,1469,7

T

ToIomd2Id (Eq. 222)

A máxima tensão reversa sobre o diodo D2 será:

51

8340

Np

NsVinmax2Vd max (Eq. 223)

V3,53max2Vd (Eq. 224)




39









A potência dissipada sobre o diodo D1 é:

232

TO 9,4101212,33,1ef1Idrtmd1IdVPd (Eq. 225)

W3,4Pd (Eq. 226)


3,4

50150

Pd

TaTjRja

(Eq. 227)

W/C3,23Rja 0 (Eq. 228)

Mas tem-se que:


Portanto:


W/C6,21Rda 0 (Eq. 231)

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.

40

4.3 Simulação do Conversor Forward

O circuito simulado está mostrado na Fig. 21.

1,69

Ro

1M

Rlig

K

Ls

K1

LpLt

COUPLING=1

30,35m

Lt

0,737mLs

D5

D6

D7

0,457m

L

47uF

C2

29,96m

Lp

T

+-

Vg

470uF C1

D2

D3

D1

D4

+ -

Vin

Vin+

Vin-

Vin+

Vin-

Diodos não especificacos: MUR 1560

IRFI BE 20G

Fig. 21 - Circuito para simulação.

4.4 Simulação com Tensão Mínima na Entrada



saída do mesmo.

Na Fig. 22 tem-se a tensão da rede e na saída do retificador. Nota-se uma pequena ondulação

de 120Hz na tensão de saída do retificador, isto devido ao tipo de filtragem utilizada (filtro

capacitivo).

Time


0A

50A

Irede

-400V

0V

400V

Vrede

Vin


41

Na Fig. 23 pode-se verificar que a máxima ondulação de tensão na saída do retificador foi

atendida, conforme especificado em projeto (aproximadamente 13V).

Time

20ms 22ms 24ms 26ms 28ms 30ms-10A

0A

10A

Irede

256V

260V

264V

268V

Vond = 7,15V

Vin


Na Fig. 24 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.

Time

20.00ms 20.02ms 20.04ms 20.06ms 20.08ms 20.10ms-400V

0V

400VVt

-100V

0V

100VVs

-400V

0V

400VVp

Fig. 24 - Tensão no primário, no secundário e no terciário do transformador.

42

A corrente de cada enrolamento é mostrada na Fig. 25. 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 20%, conforme considerado em [1].

Time

20.02ms 20.03ms 20.04ms 20.05ms 20.06ms 20.07ms 20.08ms 20.09ms 20.10ms-4.0A

0A

4.0AIt

-10A

0A

10AIs

-4.0A

0A

4.0AIp

Fig. 25 – Corrente no primário, no secundário e no terciário do transformador.

Na Fig. 26 mostra-se a tensão e corrente no interruptor e no diodo de desmagnetização.

Time

20.02ms 20.03ms 20.04ms 20.05ms 20.06ms 20.07ms 20.08ms 20.09ms 20.10ms-800

-400

0

400

Vd5

d5I x 50

-400

0

400

800

x 50IT

TV

Fig. 26 - Tensão e corrente no interruptor - Tensão e corrente no diodo de desmagnetização.

43

Na Fig. 27 tem-se a tensão e a corrente no diodo retificador da saída e no diodo de

circulação.

Time

20.02ms 20.03ms 20.04ms 20.05ms 20.06ms 20.07ms 20.08ms 20.09ms 20.10ms-80

-40

0

40

d6I

d6V

-80

-40

0

40V

d5

Id5

Fig. 27 - 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. 28. Como especificação de projeto tem-se uma ondulação máxima de

769mA e pela simulação tem-se 725mA.

Time

20.02ms 20.03ms 20.04ms 20.05ms 20.06ms 20.07ms 20.08ms 20.09ms 20.10ms7.2A

7.4A

7.6A

7.8A

8.0A

8.2A

LI

Iond = 725mA

Fig. 28 - Detalhe da ondulação de corrente no indutor de filtragem.

44

A tensão e a corrente na carga são mostradas na Fig. 29. 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 120Hz 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.

Time


5A

10A

Io

0V

5V

10V

15V

Vout


Conforme especificação de projeto a ondulação na tensão de saída está em conformidade.

Tem-se 100mV na especificação contra 70mV obtidos na simulação.

Time

20.0200ms 20.0400ms 20.0600ms 20.0800ms20.0001ms 20.1000ms7.620A

7.640A

7.660A

7.675A

Io

Iond = 41.2mA

12.88V

12.92V

12.96V

Vout

Vond = 70mV


Na Fig. 31 tem-se a potência na saída do conversor Forward operando com tensão mínima

45

na entrada, o que implica em razão cíclica mínima.

Time


20W

40W

60W

80W

100W

Pout


46

4.5 Simulação com Tensão Máxima na Entrada



saída do mesmo.

Na Fig. 32 tem-se a tensão da rede e na saída do retificador.

Time


0A

40A

80A

Irede

-400V

0V

400V

Vrede

Vin


Na Fig. 33 pode-se verificar que a máxima ondulação de tensão na saída do retificador foi

atendida, conforme especificado em projeto (aproximadamente 17V).

Time

20ms 22ms 24ms 26ms 28ms 30ms-10A

0A

10A

Irede

332V

336V

340V

Vin

Vond = 7.77V


47

Na Fig. 34 mostra-se a tensão em cada enrolamento do transformador.

Time

20.00ms 20.02ms 20.04ms 20.06ms 20.08ms 20.10ms-400V

0V

400V

Vt

-100V

0V

100VVs

-500V

0V

500VVp

Fig. 34 - Tensão no primário, no secundário e no terciário do transformador.

A corrente de cada enrolamento é mostrada na Fig. 36.

Time

20.00ms 20.02ms 20.04ms 20.06ms 20.08ms 20.10ms-4.0A

0A

4.0A

It

-10A

0A

10A

Is

-4.0A

0A

4.0A

Ip

Fig. 35 – Corrente no primário, no secundário e no terciário do transformador.

48

Na Fig. 36 mostra-se a tensão e a corrente no interruptor e no diodo de desmagnetização.

Time

20.00ms 20.02ms 20.04ms 20.06ms 20.08ms 20.10ms-800

-400

0

400

Vd5

d5I x 50

-400

0

400

800

x 50IT

TV

Fig. 36 - 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.

Time

20.00ms 20.02ms 20.04ms 20.06ms 20.08ms 20.10ms-80

-40

0

40

Id7

d7V

-80

-40

0

40

Id6

d6V

Fig. 37 - Tensão e corrente no diodo retificador da saída e no diodo de circulação.

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.

Time

20.00ms 20.02ms 20.04ms 20.06ms 20.08ms 20.10ms7.2A

7.4A

7.6A

7.8A

8.0A

8.2A

LI

Iond = 818mA

Fig. 38 - 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.

Time


5A

10A

Iout

0V

5V

10V

15VVout


50

Na Fig. 40 mostra-se a ondulação da tensão e da corrente na carga. A especificação de

projeto foi atendida.

Time

20.00ms 20.02ms 20.04ms 20.06ms 20.08ms 20.10ms7.74A

7.76A

7.78A

7.80A

Io

Iond = 46.45mA

13.08V

13.12V

13.16V

13.20V

Vout

Vond = 78.4mV


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.

Time


20W

40W

60W

80W

100W

120W

Pout


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 2 os

dados comparativos para o conversor Forward.

Tabela 1 – Dados comparativos para o conversor Flyback.

Grandeza Valor Projetado Valor da Simulação Difer. Descrição da Grandeza Observações

Vondret [V] 13,00 7,20 -80,56% Ondulação na tensão de saída do retificador

Vpk [V] 265,70 266,00 0,11% Tensão máxima sobre o capacitor do retificador

Vcmin [V] 252,40 259,50 2,74% 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 1,20 -39,17% Corrente eficaz nos diodos retificadores

Idmd [A] 0,31 0,20 -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] 2,82 2,50 -12,80% Corrente de pico no primário do transformador

Ipef [A] 1,03 0,87 -18,51% Corrente eficaz no primário do transformador

Is [A] 32,20 28,00 -15,00% Corrente de pico no secundário do transformador Picos de 43A

Isef [A] 14,40 12,30 -17,07% Corrente eficaz no secundário do transformador

Itmd [A] 0,57 0,45 -25,56% 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 -21,83% Corrente média no diodo retificador da saída

Vdmax [V] 42,75 42,20 -1,30% Tensão máxima sobre o diodo retificador da saída Picos de 64,6V

Conversor Flyback

Tabela 2 - Dados comparativos para o conversor Forward.

Grandeza Valor Projetado Valor da Simulação Difer. Descrição da Grandeza Observações

Vondret [V] 13,00 7,20 -80,56% Ondulação na tensão de saída do retificador

Vpk [V] 265,70 266,70 0,37% Tensão máxima sobre o capacitor do retificador

Vcmin [V] 252,40 259,60 2,77% 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 1,20 -39,17% Corrente eficaz nos diodos retificadores

Idmd [A] 0,31 0,20 -55,00% Corrente média nos diodos retificadores

Vdmax [A] 340,00 339,00 -0,29% 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 0,72 -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 -12,00% 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] 0,12 0,09 -32,97% 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 -2,10% Tensão máxima sobre o interruptor Picos de 738,6V

Idretmd [A] 3,08 2,82 -9,22% Corrente média no diodo retificador da saída

Vdretmax [V] 53,30 52,20 -2,11% Tensão máxima sobre o diodo retificador da saída Picos de 65,3V

Iddmd [A] 0,02 0,02 -40,68% Corrente média no diodo de desmagnetização

Vddmax [V] 680,00 661,70 -2,77% Tensão máxima sobre o diodo de desmagnetização Picos de 712,2V

Idciref [A] 4,90 4,63 -5,83% Corrente eficaz no diodo de circulação

Idcirmd [A] 3,12 2,79 -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

Conversor Forward

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.

52

Deve-se alertar ao fato de que no cálculo dos valores máximos de tensão sobre os

componentes do lado de alta tensão (primário do transformador) é importante levar-se em conta as

quedas de tensão nos diodos do lado de baixa tensão. Isto porque estas quedas de tensão, por

menores que sejam, aparecem no lado do primário multiplicadas pela relação de transformação,

alterando sobremaneira os valores de tensão máxima calculados.

Para obtenção das correntes médias e eficazes nos diodos retificadores da entrada é

necessário um tempo de simulação relativamente maior (± 7 vezes) do que para obtenção da

potência média de saída. Para obtenção da potência média de saída é suficiente uma simulação até

150ms, enquanto para obtenção dos valores de corrente nos diodos retificadores é necessário um

tempo de simulação de no mínimo 900ms.

Neste trabalho adotou-se uma metodologia diferente para determinação das indutâncias e

correntes no transformador do conversor Forward. A metodologia apresentada em [1] considera

uma corrente magnetizante de aproximadamente 20% da corrente total na entrada do conversor.

Para o conversor Flyback determinou-se a corrente no primário, e através da relação de

transformação pôde-se obter a corrente no secundário e também determinar as indutâncias

magnetizantes para simulação do conversor. A seguir detalha-se a metodologia empregada neste

trabalho para determinação das correntes e indutâncias magnetizantes.

A corrente de pico no secundário do transformador é conhecida e calculada pela expressão

abaixo:

2

ilIoIs

(Eq. 232)

Este valor de pico possui duas componentes. A corrente média da saída e a ondulação da

corrente no indutor de filtragem da corrente de saída.

Durante o intervalo de tempo em que o interruptor estiver fechado a corrente no secundário

crescerá de seu valor mínimo ( 2/ilIo ) até seu valor máximo ( 2/ilIo ). Esta ondulação da

corrente no secundário está sobreposta à componente média, conforme mostrado na Fig. 42.

Time

2.0A

-2.0A

Ip medio

Ip pico193mA

Ip

10A

-1A

518mA

medioIs

picoIsIs

Fig. 42 - Corrente no primário e no secundário do transformador.

53

Pode-se então determinar a corrente de pico no primário como sendo:

A121,051

8769,0

Np

Nsil'Ip (Eq. 233)

Este valor de corrente deve ser o responsável pela transferência de energia do primário para o

secundário a fim de provocar o acréscimo de corrente il no mesmo.

Pode-se então determinar a indutância magnetizante responsável por este acréscimo de

corrente, dada por:

mH96,29121,0k28

4,0253

'Ipfs

maxDVin1T

'Ip

VinLmp minmin

(Eq. 234)

Para um conversor Flyback a indutância Lmp forneceria uma corrente de pico Ip’, e esta

apareceria no secundário, sem influência deste. No entanto, para um conversor Forward, devido a

característica de fonte de corrente na saída tem-se um valor de Ip’ maior do que o esperado. Isto

pode ser verificado eliminando-se o enrolamento secundário, juntamente com todos os elementos

presentes neste lado do transformador. Verificaria-se então que a corrente no primário teria um

valor de pico Ip’. Mas, como no conversor Forward a corrente no secundário tem uma ondulação

il, tem-se esta ondulação induzida no primário, fazendo com que a corrente de pico, na simulação,

e possivelmente na prática, seja dada por:

A202,051

8518,0121,0

Np

Nsil'IpIp (Eq. 235)

Pela simulação obteve-se um valor de 0,19A (Fig. 42).

No pior caso, ou seja, com tensão máxima na entrada e razão cíclica máxima tem-se:

A242,051

8769,0121,0

Np

Nsil'IpIp (Eq. 236)

As tabelas mostradas acima mostram os valores obtidos na simulação com tensão mínima e

máxima, dependendo do valor desejado. No entanto, para a ondulação de corrente no indutor de

filtragem da corrente de saída do conversor Forward verifica-se que para simulação com tensão

máxima a ondulação de corrente foi maior do que o esperado. Isto ocorreu porque no projeto usou-

se a expressão dada abaixo para determinar a indutância do indutor de filtragem da corrente de

saída:

mH457,0769,0k28

244,0)244,01(8/51

340

ilfs

minDmin)D1(Ns/Np

Vin

L

max

(Eq. 237)

Mas nesta expressão não leva-se em conta a queda de tensão nos diodos e a razão cíclica

não está ajustada para o pior caso.

Portanto a indutância deve ser calculada pela expressão:

mH645,0769,0k28

340

5,113

340

5,1131340

ilfs

Vin

VdVout

Vin

VdVout1Vin

Lmaxmax

max

(Eq. 238)

54

Na determinação dos núcleos usados nos transformadores e indutores e da densidade de

corrente não levou-se em consideração a elevação de temperatura. Mostra-se a seguir a metodologia

para determinação do núcleo e da densidade de corrente considerando a elevação de temperatura.

Escolha do núcleo do transformador do conversor Flyback:

1. Atribui-se um valor inicial para a densidade de corrente;

J = 400A/cm2

2. Calcula-se o produto de áreas do núcleo para a densidade especificada;

4cm964,1fsBjKwKp

Pout1,1AeAw

3. Escolhe um núcleo da tabela de núcleos;

AeAw = 2,84cm4

4. Calcula-se então o novo valor da densidade de corrente; 224,0 cm/A327)AeAw(420j

5. Retorna-se ao segundo item, enquanto ocorrer variação nos valores encontrados.

Verifica-se ao final das iterações que o núcleo escolhido é o E-42/15 e a densidade de

corrente é igual a 327A/cm2.

O núcleo escolhido anteriormente, sem levar-se em consideração a elevação de temperatura, é

igual ao escolhido pelo procedimento aqui realizado. No entanto a densidade de corrente é menor

do que a especificada anteriormente.

Escolha do núcleo do transformador do conversor Forward:


J = 400A/cm2


4cm72,3fsBjKwKp

Pout2,1AeAw


AeAw = 3,77cm4

4. Calcula-se então o novo valor da densidade de corrente; 224,0 cm/A44,305)AeAw(420j


Verifica-se ao final das iterações que o núcleo escolhido é o E-55 e a densidade de corrente é

igual a 248,9A/cm2.

O núcleo escolhido anteriormente é menor do que o escolhido pelo procedimento aqui

descrito. A densidade de corrente é bem menor do que a especificada anteriormente.

Escolha do núcleo do indutor de filtragem de corrente do conversor Forward:


J = 400A/cm2


55

4

2

cm55,3jBk

2

ilIoL

AeAw


AeAw = 3,77cm4

4. Calcula-se então o novo valor da densidade de corrente; 224,0 cm/A44,305)AeAw(420j


Verifica-se ao final das iterações que o núcleo escolhido é o E-55 e a densidade de corrente é

igual a 248,9A/cm2.

Novamente o núcleo escolhido anteriormente é menor do que o escolhido pelo procedimento

aqui descrito. A densidade de corrente é bem menor do que a especificada anteriormente.

56

6 PROJETO DO TRANSFORMADOR COM DEMAG

6.1 Transformador do Conversor Flyback

6.1.1 Projeto pela Restrição de Temperatura

UFSC/EEL - INSTITUTO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA (INEP)

DEMag 2.0 - Dimensionamento de Elementos Magnéticos para Operação em Alta

Freqüência

Projeto de Transformador de 285,7205 W - 28 kHz

FERRITE

Núcleo: E55

Fabricante: Thornton

Carretel: Thornton E55

Material Magnético: Thornton IP12

Freqüência de Operação: 20-200

Temperatura Curie: >210 ºC

Indução Mag. de Saturação (23 ºC): 0,51 T

Densidade de Fluxo Max. p/ Projeto: 0,181 T

Densidade de Fluxo Real p/ Projeto: 0,175 T

INFORMAÇÕES GERAIS

Freqüência: 28 kHz

Elevação de Temperatura: 40,01 ºC

Densidade de Corrente Max p/ Projeto: 7,836 A/mm^2

Resistividade do Condutor à Temp. Ambiente: 2,246E-8 Ohm.m

Temperatura Ambiente: 50 ºC

Forma de Onda: Quadrada

Simétrica

Rendimento: 97,56%

Relação de Potência Snucleo/S1: 5,144

PERDAS

Perdas Mag. Totais Max p/ Projeto: 3,219 W

Perdas Mag. Totais Reais p/ Projeto: 2,978 W

Perdas Joule Totais Max p/ Projeto: 3,927 W

Perdas Joule Totais Reais p/ Projeto: 2,739 W

Perdas Totais Max p/ Projeto: 7,145 W

Perdas Totais Reais p/ Projeto: 5,717 W

ENROLAMENTOS

Ocupação Total da Janela pelos Enrolamentos: 12,56%

Ocupação da Janela pelo Cobre: 6,01%

PRIMÁRIO

Tensão: 226,3 V

Corrente: 1,294 A

Número de Espiras: 32

Número de Espiras por Camada: 56

Número de Camadas: 1

Número de Condutores em Paralelo: 1

Densidade de Corrente: 6,332 A/mm^2

Bitola: 24 AWG

Área do Condutor Nu: 0,204 mm^2

Área do Condutor Isolado: 0,251 mm^2

57

Resistência em Corrente Contínua: 0,3802 Ohm

Resistência em Corrente Alternada: 0,3928 Ohm

SECUNDÁRIOS

Secundário 1

Tensão: 19,45 V

Corrente: 14,690 A






Bitola: 19 AWG





58

6.1.2 Projeto pelo Produto de Áreas



Freqüência


FERRITE

Núcleo: E42/15


Carretel: Thornton E42/15














Simétrica

Rendimento: 98,47%


PERDAS







ENROLAMENTOS



PRIMÁRIO

Tensão: 226,3 V

Corrente: 1,282 A






Bitola: 21 AWG





59

SECUNDÁRIOS

Secundário 1

Tensão: 19,45 V

Corrente: 14,690 A






Bitola: 19 AWG





Realizou-se dois projetos para o transformador. Restringindo-se a elevação de temperatura

escolheu-se um núcleo maior do que no projeto sem restrição de temperatura. Para o primeiro caso

o núcleo escolhido foi o E-55, enquanto para o segundo caso o núcleo escolhido foi o E-42/15.

Para o projeto com restrição de temperatura as densidades de corrente escolhidas foram

maiores do que as escolhidas para o projeto sem restrição de temperatura, resultando no uso de

condutores mais finos.

Projetando-se o transformador pelo produto de áreas, ou seja, restringindo-se a escolha do

núcleo, obtém-se uma elevação de temperatura de 700C, o que resultaria numa temperatura no ponto

mais quente de 1200C. Nota-se que esta temperatura poderia ser suportada pelo núcleo, no que se

refere a temperatura Curie. Os condutores, dependendo de sua classe de isolação, podem suportar

uma temperatura de 1200C. Pelos gráficos mostrados em anexo a este documento nota-se que para o

material IP 12R tem-se permeabilidade praticamente constante entre 80 e 1400C, justificando

também a operação com uma elevação de 700C.

Pode-se perceber uma diferença considerável na ocupação total da janela pelos

enrolamentos, em torno de 46% no projeto pelo produto de áreas e 12% pela restrição de

temperatura. Tem-se então um aproveitamento melhor do núcleo no segundo projeto.

60

6.2 Transformador do Conversor Forward

6.2.1 Projeto pela Restrição de Temperatura



Freqüência


FERRITE

Núcleo: E42/20


Carretel: Thornton E42/20














Simétrica

Rendimento: 97,24%


PERDAS







ENROLAMENTOS



PRIMÁRIO

Tensão: 226,3 V

Corrente: 0,827 A






Bitola: 25 AWG





61

DESMAGNETIZAÇÃO

Desmagnetização 1

Tensão: 226,3 V

Corrente: 0,088 A






Bitola: 36 AWG





SECUNDÁRIOS

Secundário 1

Tensão: 33,45 V

Corrente: 5,440 A






Bitola: 19 AWG





Nota-se que o núcleo escolhido é o mesmo para o projeto realizado no Cap. 4 e no software

DEMag. A densidade de corrente escolhida foi maior, para os 3 enrolamentos, o que acarretou no

uso de condutores mais finos, no caso do enrolamento primário e enrolamento de desmagnetização.

A elevação de temperatura ficou dentro do limite estimado. A ocupação total da janela

pelos enrolamentos é de aproximadamente 20%, o que denota uma considerável “sobra” de espaço

útil do núcleo.

62

7 CONCLUSÃO

Neste trabalho realizou-se o projeto de um conversor Flyback e de um conversor Forward,

ambos com retificador e filtro capacitivo na entrada. Não apresentou-se aqui o princípio de

funcionamento dos conversores estudados, pois o objetivo central foi o projeto dos mesmos.

Pôde-se constatar pelas simulações realizadas que a metodologia de projeto apresentada em

[2] permite especificar corretamente os componentes do retificador com filtro capacitivo. As

correntes nos diodos retificadores e a ondulação de tensão sobre o capacitor do filtro condizem

entre projeto e simulação.

No projeto do conversor Flyback adotou-se a metodologia apresentada em [1]. Através das

simulações comprovou-se os valores projetados, o que permitiu especificar-se componentes

comerciais para serem empregados na implementação do conversor. No entanto, a especificação de

componentes teve como objetivo o aprendizado e acúmulo de conhecimento, sem fins de

implementação prática.

No projeto do transformador para o conversor Flyback constata-se diferenças,

principalmente quanto a escolha do núcleo e a elevação de temperatura. No projeto seguindo a

metodogia apresentada em [1], sem restrição de temperatura obtém-se um núcleo pequeno, no

entanto a temperatura no ponto mais quente pode atingir valores grandes, porém sem danificar

algum componente do transformador. Tem-se também maiores perdas, pois os pontos de operação

(fluxo e densidade de corrente) não foram otimizados. Nota-se, pela metodologia de escolha do

núcleo e da densidade de corrente mostrada no Cap. 5 deste trabalho, que para o núcleo

especificado, a densidade de corrente é menor, comparando-se o projeto original (realizado no Cap.

3 deste trabalho) com o realizado no Cap. 5 e Cap. 6. Tem-se portanto perdas menores no cobre,

pois o condutor usado será maior.

Para o projeto do conversor Forward adotou-se também a metodologia apresentada em [1],

com alterações quanto ao cálculo das indutâncias magnetizantes e das correntes nos enrolamentos

do transformador. Comprovou-se a veracidade do projeto pelas simulações realizadas. Nestas

obteve-se valores menores do que os projetados, pois a razão cíclica ajustada em função da tensão

na saída foi menor do que a máxima de projeto.

Quanto ao projeto do transformador nota-se grande semelhança entre o projeto original

(realizado no Cap. 4 deste trabalho) com o realizado usando-se o software DEMag, o que também

comprova a metodologia empregada no Cap. 4.

Não determinou-se o rendimento dos circuito projetados em virtude da implementação

prática dos mesmos, e também devido ao fato de que nos mesmos não projetou-se os circuitos de

comando e proteção.

Deve-se destacar atenção especial à queda de tensão provocada pelos diodos retificadores na

saída dos conversores, pois como a tensão de saída é baixa, a determinação dos limites de razão

cíclica e os esforços nos interruptores podem ser alterados de maneira significante. O próprio

projeto do indutor de filtragem da saída é afetado por estas quedas.

Comparando-se o valor do capacitor utilizado com o filtro de saída no conversor Flyback em

relação ao conversor Forward nota-se uma diferença considerável, devido à grande diferença na

RSE. Assim, no conversor Forward tem-se um indutor de filtragem da corrente de saída que

acarreta aumento de volume, o que é compensado pelo pequeno capacitor usado para filtro de

tensão. No entanto, no conversor Flyback não tem-se o indutor, mas usa-se uma associação de

vários capacitores para atingir-se o valor de RSE desejado, o que acaba comprometendo o volume

final do equipamento.

Outra diferença entre os conversores estudados é quanto a possibilidade de saturação do

núcleo devido aos picos de corrente, propriedade que exige o emprego de entreferro no

transformador do conversor do Flyback, e que pode ser dispensada no conversor Forward.

63

8 BIBLIOGRAFIA

[1] BARBI, Ivo. – Projeto de Fontes Chaveadas – Publicação Interna – Florianópolis, 1997.

[2] BARBI, Ivo. – Eletrônica de Potência – Edição do Autor – Florianópolis, 2000.

[3] FAGUNDES, João Carlos dos Santos. – Modelagem e Projeto de Transformadores e Indutores

para Alta Freqüência – Publicação Interna – Florianópolis, 2000.

[4] MELLO, Luiz Fernando Pereira. – Análise e Projetos de Fontes Chaveadas – Editora Érica –

São Paulo, 1996.

[5] TOMASELLI, Luis Cândido & HAUSMANN, Romeu & OLIVEIRA, Sérgio Vidal Garcia. –

Projeto de Componentes Magnéticos Aplicados em Alta Freqüência Através do Programa DEMAG

– Conversor Forward – Publicação Interna – Florianópolis, 1999.

64

9 ANEXOS

9.1 Anexo I – Características do Material IP 12R

MATERIAL: IP 12R SIMB. CONDIÇÕES VALOR UNIDADE µi 23º C 2300 ± 25% -- B 15 Oe 23º C 5100 Gauss

PP 2000 Gauss

100 Khz, 80º C 110 nW / g

TC -- 210 ºC

-- 4800 KG / M3

65

9.2 Anexo I – Características do Material IP 12E

MATERIAL: IP 12R SIMB. CONDIÇÕES VALOR UNIDADE µi 23º C 2300 ± 25% -- B 15 Oe 23º C 5100 Gauss

PP 2000 Gauss

100 Khz, 80º C 110 nW / g

TC -- 210 ºC

-- 4800 KG / M3

projeto de um conversor flyback e de um...

Documents