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Projeto de Conversores u a : onversor y ac
Prof. Cassiano [email protected]
1Prof. Cassiano Rech
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n ro uç o
• Embora os conversores CC-CC sem transformador de isolamento
sejam bastante simples de serem projetados, em algumas aplicaçõesorna-se necess r a a u zaç o e conversores - so a os
Por questões de segurança, muitas vezes normas são impostas para isolar
a car a e a rede elétrica.
Possibilita que uma fonte possua várias saídas usando 1 interruptor.
O uso de transformador amplia a faixa de variação da tensão de saída.
• Contudo, o uso do transformador de isolamento introduz alguns
problemas: Aumento de volume e custo.
Perdas no núcleo e nos enrolamentos.
2Prof. Cassiano Rech
Sobretensão nos semicondutores devido as indutâncias de dispersão.
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n ro uç o
3Prof. Cassiano Rech
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onversores - so a os
• Flyback
• Conversores em ponte isolados
Meia-ponte
• Push-pull
4Prof. Cassiano Rech
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onversor y ac
• O conversor flyback é derivado do conversor buck-boost, pela substituição do indutor de
acumulação de energia pelo “transformador de isolamento”.
• A corrente não flui pelo primário e pelo secundário ao mesmo tempo, logo o elementomagn co n o se compor a como um rans orma or c ss co.
• O “transformador” do conversor flyback, além de sua função clássica de isolação e
adaptação dos níveis de tensão primária e secundária, apresenta a função de indutor
.
BUCK-BOOST FLYBACK
S D io _ iDiS S D io +
iSiP
Vin RL
iL
Vo
+
C Vin RNP
iC
VoCNS
5Prof. Cassiano Rech
_
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onversor y ac
• O conversor flyback pode operar tanto no modo de condução
contínua quanto no modo de condução descontínua, de acordo com
• No modo de condução contínua não ocorre a desmagnetização
,
saturação do núcleo
•
cada período de comutação, evitando a saturação do núcleo
6Prof. Cassiano Rech
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Conversor fl back:
Condução descontínua
V
o +
Vo
P
iC _
S
V
o
+
Vo
P
iC _
S
V
o +
Vo
SP
7Prof. Cassiano Rech
P
iC _
S
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Conversor fl back:
Condução descontínua
GANHO EST TICO EMCONDUÇÃO DESCONTÍNUA
=o SV N DT (*)
− = 0Pin o d
NV DT V t
in P dS
Além disso, em condução descontínua a corrente média na saída é:
⎛ ⎞
= = ⎜ ⎟
max2
2
P P
d
S o dP
o
tN V tN
I
=2S P
d
P
N L Tt
N R
(**)
S P
Ganho estático
Usando (*) e (**):
8Prof. Cassiano Rech
em condução
descontínua
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Conversor fl back:
Condução descontínua
C LCULO DAINDUTÂNCIA CRÍTICA
-
=d off t t = −2
1S critN L TD T
P
CÁLCULO DOCAPACITOR DE SA DA
Durante a primeira etapa o capacitor está sendo descarregado pela ação dao .
CVI C
Δ≈
9Prof. Cassiano Rech
on
t
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Conversor fl back:
Condução descontínua
ESFORÇOS DE CORRENTENO INTERRUPTOR
ESFORÇOS DE CORRENTENO DIODO
10Prof. Cassiano Rech
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ro e o os e emen os magn cos
• O sucesso na construção e no perfeito funcionamento de um
conversor estático está intimamente ligado com um projeto
• O grande problema reside no fato de que transformadores e
potência uma série de elementos parasitas (não-idealidades)
•
funcionamento do conversor: picos de tensão nos semicondutores,
altas perdas e emissão de interferência eletromagnética
11Prof. Cassiano Rech
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Pro eto dos elementos ma néticos:
Núcleo
• O núcleo fornece um caminho adequado para o fluxo magnético
• Entre os ti os de material utilizados na constru ão de núcleos
destacam-se as lâminas de ferro-silício e o ferrite
• Em o era ões em baixas fre üências as lâminas de ferro-silício são
mais adequadas, porém, com o aumento da freqüência decomutação, as perdas por histerese e, conseqüentemente, a
• Os núcleos de ferrite são indicados para operação em freqüências
, ,relação às lâminas de ferro-silício, tais como baixa densidade de
fluxo de saturação e baixa robustez a choques mecânicos
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Pro eto dos elementos ma néticos:
Núcleo de ferrite
Ae: área da seção transversal
13Prof. Cassiano Rech
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Pro eto dos elementos ma néticos:
Núcleo de ferrite
Considere a Lei de Faraday:
φd=dt
Para a 1ª eta a do conversor fl back tem-se ue:
Δφ=in PV N
onde: Δφ = Δ . eB A
on = =ont DT
f
Lo o:
Δ=
. . .P ein
N A B f V
D=
Δin
e
P
DV A
N Bf (1)
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Pro eto dos elementos ma néticos:
Núcleo de ferrite
,
Ap – área ocupada pelo enrolamento primário
Kw – fator de utilização da área do enrolamento
A – área da janela do núcleo
Kp – fator de utilização do primário
= P A A
P W Ainda:
=N I A J
onde: J – densidade de corrente
IP rms – valor eficaz da corrente no primário
= P P rms
W
N I A (2)
15Prof. Cassiano Rech
P W
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Pro eto dos elementos ma néticos:
Núcleo de ferrite
u p can o e o m-se o pro u o e w o n c eo:
= P P rmsin N IV D = in P rmsV DIΔe W
P P WN Bf K K J Δe W
P WK K J B f
-
= in P rms
e W
V DI A A (cm4)
P W
onde:
V – tensão de entrada (V)D – razão cíclica
IP rms – corrente eficaz no enrolamento primário (A)
J – densidade de corrente (A/cm2)
16Prof. Cassiano Rech
–
f – Freqüência de comutação (Hz)
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Pro eto dos elementos ma néticos:
Núcleo de ferrite
ara n c eos e err e usua s o va or e ca em orno e , es e va or
devido à curva de magnetização do material magnético). O valor da densidade de
corrente (J) depende dos condutores utilizados nos enrolamentos, sendoti icamente utilizado o valor de 300 A/cm2 a 450 A/cm2.
Os fabricantes de núcleos disponibilizam alguns tamanhos e formatos padrões
de núcleos e, por este motivo, deve-se selecionar o núcleo com o Ae Aw maior e mais
próximo do calculado.
17Prof. Cassiano Rech
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Pro eto dos elementos ma néticos:
Número de espiras
a e-se que:
( ) φ Δφ
= =P P
dv t N N
sendo:
( ) Δ
= =ΔP P
di iv t L L
dt t
Δφ = ΔP P
N L i
Δφ = Δ . eB A
Considerando que, quando a corrente no indutor é máxima (IPmax) tem-se o
máximo valor de B:
=Δ
maxP PP
e
L IN
B A
A relação entre espiras pode ser obtida a partir do equacionamento do conversor
flyback, usando, por exemplo, a especificação de máxima tensão sobre o
18Prof. Cassiano Rech
.
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Pro eto dos elementos ma néticos:
Dimensionamento dos condutores
da densidade de corrente admitida no condutor:
rmsItotal
J
A utilização de condutores em altas freqüências deve levar em conta o efeito
“ ” ,
de um condutor tende a se distribuir nas bordas do mesmo, causando uma reduçãona área efetiva do condutor.
Para evitar este efeito, devem-se associar f ios em paralelo. Nesse caso, o raio de
cada fio deve ser menor do que a profundidade de penetração :
Δ =7,5
(cm)
Desta forma, o condutor utilizado não deve possuir um diâmetro superior ao
valor 2 , e o número de condutores em paralelo é dado por:
19Prof. Cassiano Rech
= totalcond
cond
Sn S
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Pro eto dos elementos ma néticos:
Entreferro
Como o transformador do conversor flyback se comporta como um indutor com
dois enrolamentos acoplados torna-se necessário a inclusão de entreferro para
ajuste da indutância de magnetização e armazenamento de energia.
=2
PP
NL =
2
PP
NL
total entreferro
sendo:
= entreferrolR
μo e
−μ = π × 74 10o
(permeabil idade do ar)
Logo:
−μ22N A
21Prof. Cassiano Rech
=entreferro
PL
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Pro eto dos elementos ma néticos:
Passos do projeto
1. Definição das especificações;
2. Cálculo do produto de áreas;3. Escolha do núcleo;
4. Cálculo do número de espiras;
5. Cálculo do entreferro;6. Cálculo do diâmetro máximo do condutor;
7. Escolha dos condutores;
8. Cálculo da se ão necessária;9. Definição do número de condutores em paralelo;
10. Cálculo da ossibilidade de execu ão.
Prof. Cassiano Rech 22
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ogra a
• I. Barbi, “Conversores CC-CC Básicos Não Isolados”.
“ ”. ,
• R. W. Erickson, D. Maksimovic, “Fundamentals of Power
Electronics”, Second edition.• Mohan et. all., “Power Electronics: Converters,
applications and design”, Second edition.
23Prof. Cassiano Rech