Avaliação 5 Fonte Chaveada Flyback...e rápida resposta dinâmica a transitórios de carga,...
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IFSC - INSTITUTO FEDERAL DE SANTA CATARINA Departamento Acadêmico de Eletrônica Pós-Graduação em Desenvolvimento de Produtos Eletrô nicos Conversores Estáticos e Fontes Chaveadas
Avaliação 5 Fonte Chaveada Flyback
Alunos: Renato de Matos Roselane Cristina Martins
Florianópolis, 22 de julho de 2009
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
2
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................................. 4
2 DESENVOVIMENTO ....................................................................................................................................... 7
2.1 ESPECIFICAÇÃO DE PROJETO......................................................................................................................... 7
2.2 DIAGRAMA DE BLOCOS.................................................................................................................................. 8
2.3 PROJETO DO CIRCUITO RETIFICADOR............................................................................................................. 8
2.3.1 Tensões de entrada do Retificador........................................................................................................ 9
2.3.2 Potências............................................................................................................................................... 9
2.3.3 Capacitor do Retificador .................................................................................................................... 10
2.3.4 Tensões médias na saída do retificador.............................................................................................. 10
2.3.5 Corrente de Pico na Saída do Retificador .......................................................................................... 10
2.3.6 Valor Eficaz da Corrente na Saída do Retificador ............................................................................. 11
2.3.7 Corrente Média Fornecida pelo Capacitor ao Conversor.................................................................. 11
2.3.8 Corrente Total no Capacitor de Filtragem......................................................................................... 11
2.3.9 Correntes nos Diodos Retificadores ................................................................................................... 11
2.3.10 Corrente de Pico no Primário .......................................................................................................... 12
2.4 PROJETO DO TRANSFORMADOR.................................................................................................................... 12
2.4.1 Escolha do Núcleo .............................................................................................................................. 12
2.4.2 Determinação do Entreferro............................................................................................................... 13
2.4.3 Número de Espiras do Primário ......................................................................................................... 13
2.4.4 Número de Espiras no Secundário...................................................................................................... 13
2.4.5 Correntes Envolvidas.......................................................................................................................... 14
2.4.6 Profundidade de Penetração .............................................................................................................. 14
2.4.7 Área dos Condutores do Primário ...................................................................................................... 15
2.4.8 Dados do Fio Escolhido para o Primário - 28 AWG.......................................................................... 15
2.4.9 Dados do Fio Escolhido para o Secundário Principal - 23 AWG ...................................................... 16
2.4.10 Dados do Fio Escolhido para o Secundário Auxiliar - 24 AWG ...................................................... 17
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
3
2.4.11 Cálculo das Perdas no Transformador............................................................................................. 17
2.4.12 Indutâncias para Simulação ............................................................................................................. 19
2.5 PROJETO DO ESTÁGIO DE POTENCIA............................................................................................................. 20
2.5.1 Determinação do Capacitor da Saída Principal................................................................................. 20
2.5.2 Determinação da Chave...................................................................................................................... 20
2.5.3 Determinação do Diodo da Saída Principal....................................................................................... 21
2.5.4 Cálculo dos Tempos Envolvidos ......................................................................................................... 21
2.6 PROJETO DO CIRCUITO DE CONTROLE.......................................................................................................... 22
2.6.1 Parâmetros do conversor.................................................................................................................... 22
2.6.2 Função de transferência - G(s)........................................................................................................... 22
2.6.3 Diagrama de Bode - G(s).................................................................................................................... 23
2.6.4 Freqüências de cruzamento ................................................................................................................ 23
2.6.5 Resistores e capacitores do compensador .......................................................................................... 24
2.6.6 Função de transferência do compensador.......................................................................................... 24
2.6.7 Diagrama de Bode - H(s).................................................................................................................... 24
2.6.8 Diagrama de Bode - G(s)H(s)............................................................................................................. 25
2.6.9 Margem de Fase ................................................................................................................................. 26
2.7 PROJETO DO CIRCUITO DE COMANDO E CIRCUITOS AUXILIARES................................................................... 27
2.7.1 Determinação do Capacitor da Saída Auxiliar................................................................................... 27
2.7.2 Determinação do Diodo da Saída Auxiliar......................................................................................... 27
2.8 LISTA DE COMPONENTES............................................................................................................................. 28
2.9 ESQUEMÁTICO............................................................................................................................................. 29
2.10 RESULTADO DE SIMULAÇÃO...................................................................................................................... 30
2.10.1 Etapa do retificador.......................................................................................................................... 30
2.10.2 Etapa do conversor ........................................................................................................................... 35
2.10.3 Etapa do controlador........................................................................................................................ 39
3 CONCLUSÃO .................................................................................................................................................. 43
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................................................................................... 44
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
4
1 INTRODUÇÃO
As fontes de alimentação são imprescindíveis no nosso dia a dia, estando presentes em
praticamente todo eletrodoméstico, desde o carregador do telefone celular até a televisão ou
microcomputador. As fontes passaram por vários processos evolutivos e, apesar das chamadas
fonte lineares ainda serem encontradas freqüentemente, as fontes chaveadas estão
conquistando espaço nos dispositivos modernos graças as suas vantagens.
A tecnologia de fontes chaveadas não é recente. Fontes de alta tensão baseadas no conversor
fly-back, por exemplo, estão presentes nas mais variadas aplicações. As grandes alterações
tecnológicas ocorridas nos últimos 20 ou 30 anos, no entanto, estão relacionadas com o
surgimento de componentes semicondutores de potência capazes de comutar em alta
freqüência (entendido como acima de 20 kHz, de modo a não ser audível pelo ser humano),
com baixas perdas.
Principalmente devido à criação do transistor MOSFET, ao qual se seguiu o IGBT, ambos
com desempenho muito superior ao transistor bipolar em aplicações de chaveamento rápido,
toda uma nova área de desenvolvimento tecnológico pode se estabelecer.
A crescente demanda por fontes de alimentação compacta, de alto rendimento (baixas perdas)
e rápida resposta dinâmica a transitórios de carga, decorrente da ampliação de cargas
eletroeletrônicas a serem alimentadas em tensão CC, exigiu soluções que transcendiam as
fontes convencionais baseadas em retificadores (controlados ou não), seguidos por filtros
passivos e reguladores série.
Em potências mais elevadas (o que pode significar alguns watts), a perda de potência em um
regulador série pode ser proibitiva. O uso de transistores como chave permite minimizar as
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
5
perdas de potência, desde que as transições dos estados ligado e desligado sejam muito
rápidas (minimizando o intervalo no qual o componente atravessa sua região ativa).
Com isso minimiza-se a necessidade de dispositivos de dissipação do calor gerado no
semicondutor.
Mas ao operar como chave, estes circuitos exigem filtros passa-baixas que sejam capazes de
recuperar uma tensão CC adequada aos circuitos de carga. Tais filtros utilizam indutores e
capacitores. A minimização destes elementos requer que a freqüência de comutação seja a
mais elevada possível, de modo que valores aceitáveis de ripple sejam obtidos com baixas
indutâncias e capacitâncias.
A elevação da freqüência, no entanto, fica restrita pelas perdas devidas às comutações. dos
componentes semicondutores.
Além disso, os elevados valores de di/dt e dv/dt (taxas de variação de corrente e de tensão,
respectivamente) são importantes fontes de interferência eletromagnética (IEM), as quais
devem ser devidamente minimizadas para evitar mau-funcionamento do circuito e
interferência em outros dispositivos alimentados pela mesma fonte (interferência conduzida)
ou que esteja nas proximidades (interferência irradiada).
Apesar das muitas soluções tecnológicas já obtidas, continuam a surgir novos desafios, como
a alimentação em tensões cada vez mais baixas dos circuitos digitais, com implicações sobres
os valores mínimos de queda de tensão direta dos componentes, ou ainda os circuitos de
eletrônica embarcada em automóveis, e tantas outras aplicações em telecom e aparelhos de
uso médico.
O objetivo desse trabalho é estudar o comportamento de uma fonte chaveada do tipo Flyback.
A fonte Flyback baseia-se no armazenamento de energia (corrente) no indutor, existido dois
tipos de Flyback: O Flyback de modo contínuo e o de modo descontínuo. No Flyback de
modo contínuo (a corrente que circula no condutor nunca chega a zero) não temos uma boa
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6
resposta a transientes decorrente. A corrente do indutor aumenta de acordo com o aumento de
corrente de magnetização, o que geralmente provoca acréscimos sucessivos dela. O Flyback
de modo descontínuo, apesar de ter o mesmo esquema elétrico do modo contínuo, sua
corrente no indutor deve sempre chegar a zero.
Nesse trabalho, será realizado o projeto de uma fonte chaveada com os estágios de retificação,
projeto do transformador, estágio de potencia, controle, comando e circuitos auxiliares.
Também será realizada a simulação do circuito completo, a fim de constatar o seu
funcionamento em todas as etapas citadas.
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
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2 DESENVOVIMENTO
2.1 Especificação de Projeto
Esse relatório trata de um projeto de uma fonte chaveada do tipo Flyback com as seguintes
especificações:
Tensão de entrada: Universal (85 a 265V eficazes)
Freqüência de rede: 60Hz
Ondulação de tensão na saída do retificador: 5%
Tensão de saída 01: 15V
Corrente de saída 01: 0,5A
Tensão de saída 02: 5V
Corrente de saída 02: 1A
Ondulação de tensão na saída da fonte: 1%
Freqüência de comutação: 50kHz
Com base nas informações anteriores, deverá ser realizado o projeto de um circuito retificador
de entrada com filtro capacitivo, projeto físico do transformador do conversor Flyback,
projeto dos componentes do estágio de potencia do conversor Flyback, fazer a escolha de um
circuito integrado dedicado para o comando e controle do conversor, projeto do circuito de
comando e controle e os circuitos auxiliares. Em seguida deverá ser realizada a simulação do
circuito projetado.
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2.2 Diagrama de blocos
Uma fonte chaveada pode ser representada pelos seguintes blocos:
2.3 Projeto do circuito retificador
Para a determinação dos componentes do circuito retificador com filtro capacitivo serão feitas
as seguintes considerações:
Vac 175V:= ∆Vac 102.86% Vac⋅:=
∆Vac 180.005V= Fr 60Hz:=
ηret 0.9:= ηconv 0.7:=
Vout1 5V:= Iout1 1A:=
Pout1 Iout1 Vout1⋅:= Pout1 5W=
OndVout 1%:= ∆Vout1 OndVout Vout1⋅:=
∆Vout1 0.05V= Vout2 15V:=
Iout2 0.5A:= Pout2 Iout2 Vout2⋅:=
Pout2 7.5W= ∆Vout2 1% Vout2⋅:=
∆Vout2 0.15V= OndVCret 5%:=
Vd 1V:= Dmax 0.4:=
Fs 50kHz:= Jmax 400A
cm2:=
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∆B 0.25T:= µ0 4π 10 7−⋅H
m:=
Kp 0.5:= Kw 0.4:=
2.3.1 Tensões de entrada do Retificador
Vacmin Vac∆Vac
2−:=
Vacmin 84.998V=
Vacmax Vac∆Vac
2+:=
Vacmax 265.002V=
2.3.2 Potências
Potência de entrada do conversor principal
Pout1 5W=
Pinconv1Pout1
ηconv:=
Pinconv1 7.143W=
Potência de entrada do conversor auxiliar
Pout2 7.5W=
Pinconv2Pout2
ηconv:=
Pinconv2 10.714W=
Potência fornecida pelo retificador aos conversores
Poutret Pinconv1 Pinconv2+:= Poutret 17.857W=
Potência total de entrada
PinPoutret
ηret:=
Pin 19.841W=
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Potência total de saída
Pout Pout1 Pout2+:= Pout 12.5W=
2.3.3 Capacitor do Retificador
VCretmax 2 Vacmin⋅ Vd−:= VCretmax 119.205V=
∆VCret OndVCret VCretmax⋅:= ∆VCret 5.96V=
VCretmin VCretmax ∆VCret−:= VCretmin 113.244V=
CretPin
Fr VCretmax2 VCretmin2−( )⋅:=
Cret 238.686µF=
Capacitor escolhido: 270uF x 400V
Cretcom 270µF:=
2.3.4 Tensões médias na saída do retificador
Vretmin 2 Vacmin⋅ Vd−( ) 1OndVCret
2−
⋅:=
Vretmin 116.225V=
Vretmax 2 Vacmax⋅ Vd−( ) 1OndVCret
2−
⋅:=
Vretmax 364.426V=
2.3.5 Corrente de Pico na Saída do Retificador
Tc
acosVCretmin
VCretmax
2π Fr⋅:=
Tc 8.424 104−× s=
IretpicoCretcom ∆VCret⋅
Tc:=
Iretpico 1.91A=
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Devido à simplificações do método utilizado, a corrente de pico real, obtida na simulação, é
duas vezes a corrente aqui calculada.
2.3.6 Valor Eficaz da Corrente na Saída do Retificador
Iretef Iretpico 2 Tc⋅ Fr⋅ 2 Tc⋅ Fr⋅( )2−⋅:= Iretef 0.576A=
2.3.7 Corrente Média Fornecida pelo Capacitor ao Conversor
ICretmdPin
VCretmin:=
ICretmd 0.175A=
2.3.8 Corrente Total no Capacitor de Filtragem
ICretef Iretef2 ICretmd2+:= ICretef 0.602A=
2.3.9 Correntes nos Diodos Retificadores
IDretef Iretpico Tc Fr⋅⋅:= IDretef 0.429A=
IDretmdPin
2 VCretmin⋅:=
IDretmd 0.088A=
IDretpico Iretpico:= IDretpico 1.91A=
VDretmax 2 Vacmax⋅:= VDretmax 374.77V=
Podem ser usados diodos de 2A x 400V
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2.3.10 Corrente de Pico no Primário
Ip2 Pout⋅
ηconv Vretmin⋅ Dmax⋅:=
Ip 0.768A=
2.4 Projeto do transformador
2.4.1 Escolha do Núcleo
AeAw1.1 Pout⋅
Kp Kw⋅ Jmax⋅ ∆B⋅ Fs⋅:=
AeAw 0.138cm4=
Núcleo Escolhido: E-30/7
Dados do núcleo - E-30/7
Área da perna central
Ae 0.60cm2:=
Área da janela do carretel
Aw 0.80cm2:=
Volume do ferrite
Ve 4cm3:=
Comprimento médio de uma espira
lt 5.6cm:=
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Ae Aw⋅ 0.48cm4=
2.4.2 Determinação do Entreferro
∆WPout
ηconv Fs⋅:=
∆W 3.571 104−× J=
Entreferro total
δ2 µ0⋅ ∆W⋅
∆B2
Ae⋅:=
δ 0.239mm=
Entreferro da perna central
lgδ2
:=
lg 0.12mm=
2.4.3 Número de Espiras do Primário
Np ceil∆B δ⋅µ0 Ip⋅
:=
Np 62= Espiras
2.4.4 Número de Espiras no Secundário
Ns1 ceil NpVout1 Vd+( )
Vretmin⋅
1 Dmax−( )
Dmax⋅
:=
Ns1 5= Espiras
Ns2 ceil NpVout2 Vd+( )
Vretmin⋅
1 Dmax−( )
Dmax⋅
:=
Ns2 13= Espiras
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2.4.5 Correntes Envolvidas
Ipef IpDmax
3⋅:=
Ipef 0.281A=
Ip12 Pout1⋅
ηconv Vretmin⋅ Dmax⋅:=
Ip1 0.307A=
Is1 Ip1Np
Ns1⋅:=
Is1 3.81A=
Is1ef Is11 Dmax−
3⋅:=
Is1ef 1.704A=
Ip22 Pout2⋅
ηconv Vretmin⋅ Dmax⋅:=
Ip2 0.461A=
Is2 Ip2Np
Ns2⋅:=
Is2 2.198A=
Is2ef Is21 Dmax−
3⋅:=
Is2ef 0.983A=
2.4.6 Profundidade de Penetração
∆P7.5
Fs
Hz
cm⋅:=
∆P 0.034cm=
Dfiomax 2 ∆P⋅:= Dfiomax 0.067cm=
Para evitar o desperdício de cobre, não deverá ser usado um fio com diâmetro superior à
0.067cm. Sendo assim, o fio mais grosso que poderá ser utilizado será o 22 AWG, que possui
0,064cm de diâmetro.
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2.4.7 Área dos Condutores do Primário
SpIpef
Jmax:=
Sp 7.013 104−× cm2=
Como a área necessária para suportar a corrente do primário é inferior à área máxima
permitida pela profundidade de penetração, não haverá problema em usar um fio mais fino, no
caso o 28 AWG.
2.4.8 Dados do Fio Escolhido para o Primário - 28 AWG
Área Cobre
Afiop 0.000810cm2:=
Área Isolamento
Sfiop 0.001083cm2:=
Resistividade à 20ºC
ρfiop 0.002129Ωcm
⋅:=
Área dos Condutores do Secundário Principal
Ss1Is1ef
Jmax:=
Ss1 4.26 103−× cm2=
Como a área necessária para suportar a corrente do secundário é superior à área máxima
permitida pela profundidade de penetração, será necessário utilizar um fio mais fino, no caso
o 23 AWG.
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
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Para suportar a corrente calculada, será necessário ainda utilizar dois fios em paralelo.
2.4.9 Dados do Fio Escolhido para o Secundário Principal - 23 AWG
Área Cobre
Afios1 0.004105cm2:=
Área Isolamento
Sfios1 0.005004cm2:=
Resistividade à 20ºC
ρfios1 0.000420Ωcm
⋅:=
Número de fios em paralelo
Nfios1 ceilSfios1
Ss1
:=
Nfios1 2=
Área dos Condutores do Secundário Auxiliar
Ss2Is2ef
Jmax:=
Ss2 2.458 103−× cm2=
Como a área necessária para suportar a corrente do secundário auxiliar é inferior à área
máxima permitida pela profundidade de penetração, não haverá problema em usar um fio
mais fino, no caso o 24 AWG.
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
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2.4.10 Dados do Fio Escolhido para o Secundário Auxiliar - 24 AWG
Área Cobre
Afios2 0.002047cm2:=
Área Isolamento
Sfios2 0.002586cm2:=
Resistividade à 20ºC
ρfios2 0.000842Ωcm
⋅:=
2.4.11 Cálculo das Perdas no Transformador
Comprimento dos fios
Lfiop lt Np⋅:= Lfiop 3.472m=
Lfios1 lt Ns1⋅ Nfios1⋅:= Lfios1 0.56m=
Lfios2 lt Ns2⋅:= Lfios2 0.728m=
Volume dos fios
Vfiop Afiop Lfiop⋅:= Vfiop 0.281cm3=
Vfios1 Afios1 Lfios1⋅:= Vfios1 0.23cm3=
Vfios2 Afios2 Lfios2⋅:= Vfios2 0.149cm3=
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Peso dos fios
Pesofio 8.96g
cm3⋅ Vfiop Vfios1+ Vfios2+( )⋅:=
Pesofio 5.915g=
Perdas no Núcleo
KH 4 10 5−⋅:= KE 4 10 10−⋅:=
Pnucleo∆B
T
2.4
KHFs
Hz⋅ KE
Fs
Hz
2
⋅+
Ve
cm3⋅ W⋅:=
Pnucleo 0.431W=
Cálculo da resistência dos fios
Rfiop Np ρfiop⋅ lt⋅:= Rfiop 0.739Ω=
Rfios1Ns1 ρfios1⋅ lt⋅
Nfios1:=
Rfios1 5.88 103−× Ω=
Rfios2 Ns2 ρfios2⋅ lt⋅:= Rfios2 0.061Ω=
Perdas no cobre
Pcobrep Rfiop Ipef2⋅:= Pcobrep 0.058W=
Pcobres1 Rfios1 Is1ef2⋅:= Pcobres1 0.017W=
Pcobres2 Rfios2 Is2ef2⋅:= Pcobres2 0.059W=
Perdas Totais
Ptotais Pnucleo Pcobrep+ Pcobres1+ Pcobres2+:= Ptotais 0.565W=
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Elevação de Temperatura
Rt 23Ae Aw⋅
cm4
0.37−⋅
C
W⋅:=
Rt 30.176C
W=
∆T Rt Ptotais⋅:= ∆T 17.057C=
Uma elevação de temperatura de aprox. 17ºC é aceitável.
Cálculo do Fator de Ocupação
AwnecesNp Sfiop⋅ Ns1 Sfios1⋅ Nfios1⋅+ Ns2 Sfios2⋅+
0.7:=
Awneces 0.215cm2=
KocupAwneces
Aw:=
Kocup 0.269=
Um fator de ocupação de 27% é aceitável.
2.4.12 Indutâncias para Simulação
LmpNp ∆B⋅ Ae⋅
Ip:=
Lmp 1.211mH=
LmmVretmin Dmax⋅
Fs Ip⋅:=
Lmm 1.21mH=
Lms1Ns1 ∆B⋅ Ae⋅
Is1:=
Lms1 19.683µH=
Lms2Ns2 ∆B⋅ Ae⋅
Is2:=
Lms2 88.706µH=
L1 0.5Vretmin2 Dmax2⋅ ηconv⋅
Pout Fs⋅⋅:=
L1 1.21mH=
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
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2.5 Projeto do estágio de potencia
2.5.1 Determinação do Capacitor da Saída Principal
Tout1Lms1 Is1⋅
Vout1 Vd+:=
Tout1 1.25 105−× s=
∆Vout1 0.05V=
Cout1Iout1 Dmax⋅Fs ∆Vout1⋅
:=
Cout1 160µF=
RSE1∆Vout1
Is1:=
RSE1 0.013Ω=
O capacitor de saída pode ser de: 180µF x 10V
Cout1com 180µF:=
2.5.2 Determinação da Chave
Corrente de pico na chave
Ich Ip:= Ich 0.768A=
Corrente eficaz na chave
IchefVretmin
Fs Lmp⋅Dmax3
3⋅:=
Ichef 0.28A=
Corrente média na chave
IchmdVretmin Dmax2⋅
2 Fs⋅ Lmp⋅:=
Ichmd 0.154A=
Tensão máxima sobre a chave
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
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Vchmax Vretmax Vout1 Vd+( )Np
Ns1⋅+:=
Vchmax 438.826V=
2.5.3 Determinação do Diodo da Saída Principal
Corrente de pico no diodo
Ids1 Is1:= Ids1 3.81A=
Corrente eficaz no diodo
Ids1ef Is1Tout1
3Tt⋅:=
Ids1ef 1.739A=
Corrente média no diodo
Ids1mdIs1 Tout1⋅
2Tt:=
Ids1md 1.191A=
Tensão máxima sobre o diodo
Vds1max Vout1 VretmaxNs1
Np⋅+:=
Vds1max 34.389V=
2.5.4 Cálculo dos Tempos Envolvidos
Tt1
Fs:=
Tt 2 10 5−× s=
T1 Dmax Tt⋅:= T1 8 10 6−× s=
T2 Tt T1−:= T2 1.2 10 5−× s=
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
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2.6 Projeto do circuito de controle
2.6.1 Parâmetros do conversor
ω 10 500, 10 107⋅( )..:= j 1−:=
f ω( ) ω2 π⋅
:=
Vin 365V:=
Vout 15V:= DVout
Vin:=
D 0.041= L 1.211mH:=
C 27µF:= RSE 0.068Ω:=
R 30Ω:= Vs 15V:=
Fs 50kHz:=
2.6.2 Função de transferência - G(s)
Ganho em baixas freqüências
GsVin
Vs:=
Gs 24.333=
Gsdb 20 log Gs( )⋅:= Gsdb 27.724=
Freqüências de transição
F01
2 π⋅ L C⋅:=
F0 0.88kHz=
Fz1
2 π⋅ C⋅ RSE⋅:=
Fz 86.686kHz=
G ω( ) Gs
1j ω⋅2πFz
+
2 L⋅ Fs⋅R
1j ω⋅2πF0
+
⋅
⋅:=
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
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2.6.3 Diagrama de Bode - G(s)
Gdb ω( ) 20 log Gω( )( )⋅:=
10 100 1.103
1 .104
1 .105
1 .106
1 .107
20
10
0
10
20
30
Gdb ω( )
f ω( )
Gfaseω( ) 180
πarg Gω( )( )⋅:=
10 100 1.103
1 .104
1 .105
1 .106
1 .107
80
60
40
20
0
Gfaseω( )
f ω( )
2.6.4 Freqüências de cruzamento
FcFs
100:=
Fc 0.5kHz=
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
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Ganho na freqüência de cruzamento
Gdb 2πFc( ) 20.449=
Pólo do compensador
FpF0
5:=
Fp 0.176kHz=
Ganho do Compensador
A1 1:=
2.6.5 Resistores e capacitores do compensador
Ri 47kΩ:=
Rf A1 Ri⋅:= Rf 47kΩ=
Cf1
2 π⋅ Rf⋅ Fp⋅:=
Cf 19.237nF=
RrefRi Rf⋅Ri Rf+
:=
Rref 23.5kΩ=
2.6.6 Função de transferência do compensador
H ω( ) Rf
Ri
1
1 j ω⋅ Cf⋅ Rf⋅+⋅:=
2.6.7 Diagrama de Bode - H(s)
Hdb ω( ) 20 log H ω( )( )⋅:=
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
25
10 100 1.103
1 .104
1 .105
1 .106
1 .107
100
80
60
40
20
0
Hdb ω( )
f ω( )
Hfase ω( ) 180
πarg H ω( )( )⋅:=
10 100 1.103
1 .104
1 .105
1 .106
1 .107
100
80
60
40
20
0
Hfaseω( )
f ω( )
2.6.8 Diagrama de Bode - G(s)H(s)
GHdb ω( ) Gdb ω( ) Hdb ω( )+:=
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
26
10 100 1.103
1 .104
1 .105
1 .106
1 .107
150
100
50
0
50
GHdb ω( )
f ω( )
GHfaseω( ) 180
πarg Gω( )( ) arg H ω( )( )+( )⋅:=
10 100 1.103
1 .104
1 .105
1 .106
1 .107
200
150
100
50
0
GHfaseω( )
f ω( )
2.6.9 Margem de Fase
Gfase 2 π⋅ Fc⋅( ) 29.269−=
Hfase 2 π⋅ Fc⋅( ) 70.604−=
MargemFase 180 Gfase 2π⋅ Fc⋅( ) Hfase 2 π⋅ Fc⋅( )+( )+:=
MargemFase 80.126=
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
27
2.7 Projeto do circuito de comando e circuitos auxiliares
2.7.1 Determinação do Capacitor da Saída Auxiliar
Tout2Lms2 Is2⋅
Vout2 Vd+:=
Tout2 1.219 105−× s=
∆Vout2 Vout2 OndVout⋅:= ∆Vout2 0.15V=
Cout2Iout2 Dmax⋅Fs ∆Vout2⋅
:=
Cout2 26.667µF=
RSE∆Vout2
Is2:=
RSE 0.068Ω=
O capacitor da saída auxiliar pode ser de: 27µF x 25V
Cout2com 27µF:=
2.7.2 Determinação do Diodo da Saída Auxiliar
Corrente de pico no diodo
Ids2 Is2:= Ids2 2.198A=
Corrente eficaz no diodo
Ids2ef Is2Tout2
3Tt⋅:=
Ids2ef 0.991A=
Corrente média no diodo
Ids2mdIs2 Tout2⋅
2Tt:=
Ids2md 0.67A=
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
28
Tensão máxima sobre o diodo
Vds2max Vout2 VretmaxNs2
Np⋅+:=
Vds2max 91.412V=
2.8 Lista de componentes
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
29
2.9 Esquemático
Esquemático Completo do Conversor Flyback Projetado
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
30
2.10 Resultado de simulação
2.10.1 Etapa do retificador
Circuito Simulado – Etapa do Retificador
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
31
Formas de Onda – Tensões da Etapa do Retificador (Vin = 85Vac)
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
32
Formas de Onda – Tensões da Etapa do Retificador (Vin = 265Vac)
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
33
Formas de Onda – Corretes da Etapa do Retificador (Vin = 85Vac)
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
34
Formas de Onda – Corretes da Etapa do Retificador (Vin = 265Vac)
Medida Calculado Simulado
∆VCret 5.96V 3,41V VCretmax 119,205V 118V VCretmin 113,244V 114,79 Vretmin (media) 116,225V 116,44V Vretmax (media) 364,426V 372,053V Iretpico 1,91A 3,43A Iretef 0,576A 0,463A ICretmd 0,175A 0,25A ICretef 0,602A 0,508A IDretef 0,429A 0,378A IDretmd 0,088A 0,068A IDretpico 1,91A 3,43A
Comparação entre Valores Simulados e Calculados da Etapa do Retificador
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
35
2.10.2 Etapa do conversor
Circuito Simulado – Etapa do Retificador
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
36
Formas de Onda – Tensões do Conversor Principal (Vin = 375V)
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
37
Formas de Onda – Tensões do Conversor Auxiliar (Vin = 375V)
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
38
Formas de Onda – Correntes dos Conversores (Vin = 120V)
Medida Calculado Simulado
Ich 0,768A 0,672A(Vin=120V,D=0,34)
Ichef 0,28A 0,229A(Vin=120V,D=0,34) Ichmd 0,154A 0,116A(Vin=120V,D=0,34) Ids1 3,81A 3,96A(Vin=120V,D=0,34) Ids1ef 1,739A 1,535A(Vin=120V,D=0,34) Ids1md 1,191A 0,991A(Vin=120V,D=0,34) Ids2 2,189A 1,766A(Vin=120V,D=0,34) Ids2ef 0,991A 0,768A(Vin=120V,D=0,34) Ids2md 0,67A 0,483A(Vin=120V,D=0,34) ∆Vout1 0,05V 0,076V(Vin=375V,D=0,109) ∆Vout2 0,15V 0,23V(Vin=375V,D=0,112) Vchmax 438,826V 468,2V(Vin=375V,D=0,112) Vds1max 34,389V 35,16V(Vin=375V,D=0,109) Vds2max 91,412V 93,51V(Vin=375V,D=0,112)
Comparação entre Valores Simulados e Calculados da Etapa do Conversor
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
39
2.10.3 Etapa do controlador
Simulação com variação da tensão de entrada.
Circuito Simulado – Etapa do Compensador – Variação da Tensão de Entrada
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
40
Formas de Onda – Tensão de Saída com Variação na Tensão de Entrada.
Simulação com variação da carga.
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
41
Circuito Simulado – Etapa do Compensador – Variação da Carga
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
42
Formas de Onda – Tensão de Saída com Variação de Carga
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
43
3 CONCLUSÃO
Nas etapas de retificação e conversão, os valores simulados são muito próximos dos
valores calculados. Já na etapa de controle, através da simulação pôde-se perceber que a
regulação da tensão de saída não ocorreu como o esperado, de forma que esta ficou bem
acima do valor projetado. Uma possível solução para tal problema, seria o emprego de um
controlador de 2 pólos, pois com sua maior capacidade de controle, este deveria ser capaz de
corrigir os problemas do controlador de 1 pólo empregado.
CONVERSORES ESTÁTICOS E FONTES CHAVEADAS
44
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BARBI, I, Eletrônica de Potência: Projeto de Fontes Chaveadas, Ivo Barbi – 2.ed – Florianópolis – 2007. PETRY, Clóvis Antônio – Projeto de um Conversor Flyback e de um Conversor Forward Isolados com Retificador e Filtro Capacitivo - Publicação Interna – INEP/UFSC – Florianópolis, 2000. POMILIO, José Antenor – Fontes Chaveadas, Publicação FEE 13/95 – UNICAMP – Campinas, 2004. http://www.ifsc.edu.br/~petry/Ensino/Conversores_Estaticos/Conversores_Est%C3%A1ticos.html