Conversor Flyback – Modo Condução Descontínua
Circuito com componentes parasitas e Formas de onda
Conversor Flyback – Modo Condução Descontínua
Circuito com componentes parasitas e Formas de onda
Existem duas ressonâncias:
1. Ressonância entre a indutância de dispersão do transformador e a capacitância dreno-fonte do MosFet;
2. Ressonância entre a indutância de magnetização do transformador e a capacitância dreno-fonte do Mosfet.
Observar o efeito do “snubber” sobre a tensão dreno-fonte do transistor Mosfet
Conversor Flyback – Modo Condução Contínua
Circuito com componentes parasitas e Formas de onda
Conversor Flyback – Modo Condução Contínua
Diodos de retificação devem ser do tipo “ultra-rápidos”
1. Quando o transistor começa a conduzir, ainda há corrente circulando pelo diodo do secundário. É a entrada em condução do transistor que força o bloqueio do diodo do secundário.
2. Durante todo o intervalo de tempo durante o qual o transistor e o diodo conduzem, há um curto circuito do transformador.
3. Durante a recuperação reversa do diodo, é o indutor de dispersão do transformador que limita a derivada da corrente no diodo. A corrente reversa do diodo pode atingir valores muito elevados e daí a necessidade do uso de diodos ultra-rápidos.
Conversor Flyback: Modo Discontínuo ou Modo Contínuo ?
Modo Descontínuo:a)Não existem perdas de recuperação reversa no diodo do secundário;b)As perdas de “turn-on” do transistor Mosfet são nulas;c)A grande excursão da corrente tanto no primário quanto do secundário aumentam as perdas por condução do Mosfet, e por efeito Joule nos cabos e na resistência série dos capacitores; d)A grande excursão do fluxo no núcleo do transformador aumenta as perdas por histerese.
Modo Contínuo:a)O tempo de recuperação reversa do diodo do secundário deve ser baixo para limitar as perdas de bloqueio do diodo – diodos ultra-rápidos; b)As perdas de “turn-on” do transistor Mosfet não são nulas;c)As perdas por condução no Mosfet e efeito Joule nos componentes do conversor são menores devido à menor excursão da corrente tanto no primário
quanto do secundário;d)As perdas por histerese são menores devido à reduzida excursão do fluxo no
núcleo do transformador;e)Apesar da quantidade de energia armazenada no transformador ser similar à
do modo DCM, a indutância no modo CCM aumenta e consequentemente o tamanho do transformador.
Conversor Flyback – Circuito e Formas de onda
Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador
Inclusão dos componentes parasitas do transformador e do transistor Mosfet
s
dop
oss
dpppeak n
VVnE
C
LIV
)(*
VpF
H*,*V
HL
Nn
n ,VV
A,I ,VE
pFC
:Exemplo
peak
dp
s
po
p
oss
2328470
8064205330
80
205
64330
470
Conversor Flyback – Circuito e Formas de onda
Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador
Conversor Flyback – Circuito e Formas de onda
Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador
Formas de onda durante o bloqueio do transistor Mosfet Grampeamento por efeito Avalanche do transistor
NVVV dR *)( 0
****
2
1
***
2
1
* V
:t de Cálculo2
**
1*
**
22
Ldp
)(
)(
0
)()(
RDSS
PdpDSST
RDSS
PdpDSST
RDSS
PdpRDSS
PDSST
DSStDS
ptDS
t
tDStDST
VEBV
fILBVP
VEBV
ILBVW
VEBV
ILtVEBV
tIBVW
BVv
t
tIi
dtviW
Conversor Flyback – Circuito e Formas de onda
Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador
Conversor Flyback – Circuito e Formas de onda
Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador
Formas de onda durante o bloqueio do transistor Mosfet
Grampeamento por diodo Zener
Conversor Flyback – Circuito e Formas de onda
Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador
Emax
VR
Vclamp
t
Corrente no diodo zener
Tensão no transistor Vds
Formas de onda durante o bloqueio do transistor Mosfet Grampeamento com Diodo Zener
Conversor Flyback – Circuito e Formas de onda
Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador
RZ
PdpZZ
RZ
PdpZZ
RZ
PdpRZ
PZZ
ptZ
t
tZtZZ
VV
fILVP
VV
ILVW
VV
ILtVV
tIVW
t
tIi
dtviW
****
2
1
***
2
1
* V
:t de Cálculo2
**
1*
**
22
Ldp
)(
0
)()(
Conversor Flyback – Circuito e Formas de onda
Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador
Formas de onda durante o bloqueio do transistor Mosfet Grampeamento com Snubber RCD
Conversor Flyback – Circuito e Formas de onda
Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador
Formas de onda durante o bloqueio do transistor Mosfet
Vclamp
dsdp CLf
*2
11
dsmp CLf
*2
12
BVdss
Emax
VR
V“ripple”
Margem de segurança > 10% BVdss
Tensão no transistor Vds
Vclamp
Conversor Flyback – Circuito e Formas de onda
Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador
clampripple
clampclamp
Rclamp
pdpp
Pdp
Rclampclampclamp
Rclamp
Pdpclamp
Rclamp
PdpclampPclampclamp
RfV
VC
VV
ILtIq
fIL
VVVR
VV
fILV
VV
fILVftIVP
**
**
2
1**
2
1
:serácapacitor pelo adquirida cargaA
**
)(**2
****
2
1
R
V
energia estadissipar irá queresistor o será que doConsideran
****
2
1****
2
1
2
2
2
clamp
2clamp
2
Conversor Flyback – Circuito e Formas de onda
Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador
Amortecimento das oscilações de alta freqüência no bloqueio do transistor – “Ringing” que causam EMI
Conversor Flyback – Circuito e Formas de onda
Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador
damp1damp
dp1damp
damp
dp1
dpdampdamp
R*f*π*2
1 C
resistor. do a igual seja aressonanci de freqüência na impedância
sua que talcapacitor umr acrescenta resistor, do potência alimitar Para
L*f*π*2R
: temos1, Q Para 1. ser deve Q oscilação, aamortecer Para
R
L*f*π*2Q
:é L e C ,R circuito do qualidade defator O
fVE*C)WW*(W P
*V*CW
VE**CW
*E*CW
R *2
:éresistor no dissipada potênciaA 2
1
:écapacitor or descarrega para energia a condução, a cessa secundário no diodo o Quando2
1
:é primário no refletida secundário do tensãoa com lo-carrega
seguida em ecapacitor no tensãoaanular para energia a bloqueio do momento No2
1
:é oalimentaçã de fonte da tensãoa comcapacitor ocarregar para energia a condução,
em entrar transistoo que em momento no nula écapacitor no tensãoa que Assumindo
2R
2dampcba
2Rdampc
2R
2dampb
2dampa
Conversor Flyback – Circuito e Formas de onda
Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador
Conversor Flyback – Circuito e Formas de onda
Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador
Conversor Flyback – Circuito e Formas de onda
Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador
Formas de onda durante o bloqueio do transistor Mosfet Amortecimento das oscilações no momento do bloqueio do transistor
Conversor Flyback – Circuito e Formas de onda
Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador
Formas de onda durante o bloqueio do transistor Mosfet Capacitor 10nF e Resistor 14k
Conversor Flyback – Circuito e Formas de onda
Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador
Efeito do indutor de dispersão sobre a transferência de energia do primário para o secundário
mpL
E
mp
R
L
V
dp
Rclamp
L
VV
Dimensionamento do Conversor Flyback
Modos Descontínuo e Contínuo
1
1
2
CCM: K
DCM: K
*I
ΔIK
RF
RF
EDCRF
do
os
do
R
VV
FILD
VV
V
Modo
2
N
N
:DCM
'
s
p
max
'
max
maxmin
1
1
:CCM
DD
DVV
DE
N
N
Modo
dos
p
2
2
p
smpms N
NLL
FPK
DEL
DE
PI
inRFp
inEDC
2
2maxmin
maxmin
IIEDC
DmaxT D’maxT
IP
IIEDC
DmaxT (1-Dmax)T
IP
Características do Transformador do Conversor Flyback
1. O projeto do transformador para o conversor Flyback é diferente porque ele consiste de dois indutores acoplados magneticamente.
2. Como no caso dos indutores, o núcleo deve apresentar baixa permeabilidade:
• Ferrite com entreferro;
• “Iron Powder” ou “Molypermalloy”
3. Toda a energia fica armazenada no entreferro do transformador
Características do Transformador do Conversor Flyback
Onde armazenar a energia ?
1. Para uma densidade de fluxo magnetico uniforme
Onde: = permeabilidade, H = intensidade do campo magnético,
r = material magnético e g = entreferro
2. Para o ferrite, r é da ordem de 1500 enquanto que para o entreferro ele é da ordem de 1. Assim, a intensidade do campo magnético no entreferro é muito maior que a intensidade do campo magnético no ferrite.
3. A energia armazenada é proporcional ao quadrado da intensidade do campo magnético. Deste modo, a energia é virtualmente armazenada no entreferro.
2LI21W
ggrr HHAB
Características do Transformador do Conversor Flyback
Características do Transformador do Conversor Flyback
Limitações no projeto:
1. Indutância de dispersão;
2. Escolha adequada da densidade de fluxo máxima e da densidade de corrente nos enrolamentos. Para uma determinada densidade de fluxo máxima e frequência de funcionamento, as perdas no núcleo e a densidade de fluxo de saturação do material magnético reduzem com o aumento da temperatura.
Características do Transformador do Conversor Flyback
Influência da temperatura sobre a curva de magnetização
Material N27 – SiFERRIT - EPCOS
Características do Transformador do Conversor Flyback
Influência da temperatura, freqüência e densidade de fluxo sobre as perdas no material magnético
Material N27 – SiFERRIT - EPCOS
Toroide Equivalente
Seção efetiva: Ae
Comprimento do circuito equivalente: le
2
e
2er0
er0
e
22
l
NAμμ
·A·μμlN
RN
L NAL
Onde AL = Indutância específica, indutância de uma única espira
Dimensionamento do Transformador do Conversor Flyback
Problema: o valor de não é constante em todos os pontos da curva BxH
H
B
B = r·H
A introdução do entreferro, permite tornar a indutancia menos dependente do valor de r.
d
g = 2·dNeste caso:
r
e
e
lg
NAL
20 ··
Em geral, le/r<< g e pode ser desprezado
Dimensionamento do Transformador do Conversor Flyback
Toroide Equivalente com entreferro
ee lg
μ1
μ1
r
2i·L2
1W
Energía armazenada no indutor
Do ponto de vista elétrico:
Do ponto de vista magnético: ·2
Volume·BdV·H·B
2
1W
2
V
Se o indutor possui entreferro:g
g2
c
c2
·2
V·B
·2
V·BW
Núcleo Entreferro
W = WC + Wg
Wg >> WcA maior parcela da energia é armazenada no entreferro. Pode-se desprezar a energia armazenada no núcleo.
Dimensionamento do Transformador do Conversor Flyback
L
2e
2max
e0
2max
2
maxpp
A2
A
2
Volume
2
ILW
emax
maxpp
p A
ILN
r
e
max
maxpp0
μ
lINμg
Dimensionamento do Transformador do Conversor Flyback
A energia armazenada no indutor do primário do transformador se encontra armazenada no circuito magnético do transformador
Após manipulações algébricas encontramos que:
p
sps L
LNN
Controle do conversor Flyback – Modo Tensão
1. Modo Tensão: Uma malha controlando a tensão de saída
ConversorvO
Malha de tensão
Controle
d
Controle do conversor Flyback – Modo Corrente
2. Modo Corrente: Duas malhas, uma externa controlando a tensão de saída e outra interna controlando a corrente no indutor
ConversorvO
Malha de corrente
Malha de tensão
Controle
d
Frequência Fixa:
• Corrente de Pico;
• Corrente de Vale e
• Corrente Medianizada.
Frequência Variável
• Tempo de condução constante e tempo de bloqueio variável;
• Tempo de bloqueio constante e tempo de condução variável;
• Histerese constante e
• Histerese variável.
Normalmente os mais utilizados são o “Controle Modo Corrente de
Pico” e o “Controle Modo Corrente Medianizada”
Controle do conversor Flyback – Modo Corrente
Controle do conversor Flyback – Modo Corrente
Controle do valor de pico
Ref. de tensão
+-
vO
Malha de corrente
Ma
lha d
e te
ns
ão
Q
R
S Oscilador
viL
viref
vQ
+-
Conversor
viL
viref
Oscilador
vQ
Controle do conversor Flyback –
Comparação entre os Modos Tensão e Corrente
Modo Corrente:
1. As variações da tensão de alimentação não necessitam da atuação da malha de controle. A derivada da corrente no primário do transformador é definida por E/Lmp e se E aumenta a razão cíclica é automaticamente alterada.
2. A corrente no primário do transformador é naturalmente limitada, reduzindo assim os custos do transformador, filtro de linha e retificador. O conversor é automaticamente protegido contra sobrecarga e curto-circuito.
Modo Tensão:
1. A dinâmica do funcionamento muda significativamente entre os modos de operação com desmagnetização completa (CCM) ou incompleta (DCM). Um conversor projetado para operar no modo de desmagnetização completa, opera no modo de desmagnetização incompleta com carga leve, alterando a estabilidade e resposta a transitórios.
2. O modo tensão permite operação com razões cíclicas superiores de 0,5 enquanto que no modo corrente é necessário a compensação da inclinação.
3. O modo tensão tem melhor regulação de carga. No modo corrente, inicialmente pode parecer que o controle está atuando na direção contrário ao necessário.
4. O modo tensão requer um compensador de ordem mais elevada e de projeto mais complexo.
Conversor Flyback: Modo Discontínuo ou Modo Contínuo ?
Modo Descontínuo:
a) A localização do RHPZ é em freqüência elevada, permitindo uma freqüência de “crossover” elevada;
b) O conversor pode ser modelado como um sistema de primeira ordem, mesmo no modo tensão, facilitando o projeto do controlador;
c) Não existem perdas de recuperação reversa no diodo do secundário;
d) As perdas de “turn-on” do transistor Mosfet são nulas;
e) No modo corrente não ocorrem oscilações subharmônicas não necessitando de rampas de compensação;
f) A grande excursão da corrente tanto no primário quanto do secundário aumentam as perdas por condução do Mosfet, e por efeito Joule nos cabos e na resistência série dos capacitores;
g) A grande excursão do fluxo no núcleo do transformador aumentam as perdas por histerese.
Conversor Flyback: Modo Discontínuo ou Modo Contínuo ?
Modo Contínuo:
a) A localização do RHPZ em baixa freqüência, limita a freqüência de “crossover”;
b) O projeto do controlador é mais complexo e a implementação do compensador do tipo 3 em circuitos integrados do tipo TL431 é muito difícil de implementar;
c) O tempo de recuperação reversa do diodo do secundário deve baixo para limitar as perdas de bloqueio do diodo e do disparo no transistor Mosfet;
d) As perdas de “turn-on” do transistor Mosfet não são nulas;
e) No modo corrente ocorrem oscilações subharmônicas, necessitando de rampas de compensação, quando a razão cíclica for superior a 50%;
f) A reduzida excursão da corrente tanto no primário quanto do secundário reduzem as perdas por condução do Mosfet, e por efeito Joule nos cabos e na resistência série dos capacitores quando comparadas às obtidas no modo DCM;
g) A reduzida excursão do fluxo no núcleo do transformador reduz as perdas por histerese, quando comparadas às obtidas no modo DCM;
h) Apesar da quantidade de energia armazenada no transformador ser similar à do modo DCM, a indutância no modo CCM aumenta e consequentemente o tamanho do transformador.
Controle do conversor Flyback – Regulação Primária
Controle do conversor Flyback – Regulação Secundária
Controle do conversor Flyback – Regulação Secundária
Múltiplas Saídas
Controle do conversor Flyback – Regulação Secundária
Múltiplas Saídas
Quando as saídas tiveram um ponto comum, os enrolamentos podem ser conectados um sobre o outro ou um sobre a saída do outro
Controle do conversor Flyback
Corrente no primário do transformador
Referências:
www.fairchildsemi.com
www.onsemi.com
www.powerint.com
www.national.com
www.ti.com
Atualizado em 19 de novembro de 2012
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