conversor Flyback

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

V  peak  I  p

 Ldp C oss

 E 

n p * (V o  V d ) n s

Conversor Flyback  – Circuito e Formas de onda Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador 

Exemplo  : 

 470 pF  C  oss  E  330V ,

 5V , V  o 

I p   4 ,6 A n p  n  s 

 N  20

L dp   80 H  V peak   330  5 * 20  4 ,6 * 

80 H  470 pF 

 2328V 

Conversor Flyback  – Circuito e Formas de onda Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador 

V  R  (V 0  V d  ) * N 

Formas de onda durante o bloqueio do transistor Mosfet Grampeamento por efeito Avalanche do transistor 

Conversor Flyback  – Circuito e Formas de onda Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador  t 



W T   i DS ( t ) * v DS ( t ) * dt  0

   

i DS ( t )   I  p * 1 

t   

 t  

v DS ( t )   BV  DSS  W T  

 BV  DSS  * I  P  * t 

2 Cálculo de t : VLdp   BV  DSS   E   V  R  t  

2 1  BV  DSS  * Ldp * I  P  W T   * 2  BV  DSS   E   V  R

 Ldp * I  P   BV  DSS   E   V  R

2 1  BV  DSS  * Ldp * I  P  *  f     P T   * 2  BV  DSS   E   V  R

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 

Corrente no diodo zener 

t

Vclamp

VR Emax

Tensão no transistor V ds

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  t 



W  Z   i Z ( t ) * v Z ( t ) * dt  0

   

i Z ( t )  I  p * 1  W  Z  

t   

 t   V  Z  * I  P  * t  2

Cálculo de t : VLdp  V  Z   V  R  t  2 1 V  Z  * Ldp * I  P  W  Z   * 2 V  Z   V  R

 Ldp * I  P  V  Z   V  R



2 1 V  Z  * Ldp * I  P  *  f   P  *  Z   2 V  Z   V  R

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  Tensão no transistor Vds Margem de segurança > 10% BVdss

Vclamp V“ripple” Vclamp

 f 1 

BVdss

1 2    Ldp * C ds

VR

Emax

 f 2 

1 2    Lmp * C ds

Formas de onda durante o bloqueio do transistor Mosfet

Conversor Flyback  – Circuito e Formas de onda Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador 

 P clamp

2 1 V clamp * Ldp * I  P  *  f   *V clamp * I  P  * t *  f   * 2 2 V clamp  V  R

1

Considerando que será o resistor que irá dissipar esta energia 2 2 *V clamp * (V clamp  V  R ) 1 V clamp * Ldp * I  P  *  f   *  Rclamp  R clamp 2 V clamp  V  R  Ldp * I  P 2 *  f  2 Vclamp

A carga adquirida pelo capacitor será :  Ldp * I  p2

1

1

2

2 V clamp  V  R

q  * I  p * t  *

 C clamp 

V clamp V ripple *  f  * Rclamp

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 

O fator de qualidade do circuito R damp, Cdamp e L dp é : Q

2 * π * f 1 * L dp R damp

Para amortecer a oscilação, Q deve ser  1. Para Q  1, temos : R damp  2 * π * f 1 * L dp Para limitar  a  potência do resistor,acrescentar um capacitor tal que sua impedância na freqüência de ressonancia seja igual a do resistor. Cdamp 

1 2 * π * f 1 * R damp

Conversor Flyback  – Circuito e Formas de onda Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador 

Assumindo que a tensão no capacitor é nula no momento em que o transistor entra em condução, a energia para carregar o capacitor com a tensão da fonte de alimentação é : 1 W a  *C damp*E 2 2  No momento do bloqueio a energia para anular a tensão no capacitor e em seguida carrega - lo com a tensão do secundário refletida no primário é : 1 W  b  *C damp*  E 2  V R 2 2 Quando o diodo no secundário cessaa condução, a energia para descarregar o capacitor é :





1 W c  *C damp*V R 2 2 A potênc ia dissipada no resistor é :





 P  R  2*(W aW  b  W c )  C damp*  E 2  V R 2 * f 

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 W

Conversor Flyback  – Circuito e Formas de onda Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador 

 E 

V  R

 Lmp

 Lmp

V clamp  V  R  Ldp Efeito do indutor de dispersão sobre a transferência de energia do primário para o secundário

Dimensionamento do Conversor Flyback Modos Descontínuo e Contínuo  I  EDC 

I

IEDC

IP

 L p 

IED C

DmaxT  K  RF  

D’maxT  ΔI 

2*I  EDC 

 DCM: K   RF   1 CCM: K   RF   1

IP

 E m in Dm ax

 E m in Dm ax 2

DmaxT (1-Dmax)T

I

 P in

2 K  RF  P in F 

 Modo DCM :

 Modo CCM :

 N p

V  R

 N  p

V o  V d 

 N  s

 N s



 D ' 

2 L s I o F 



 E min Dmax

V o  V d  1  Dmax 

 D '  1  Dmax

V o  V d   Lms  Lmp

 N  s2  N  p2

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

2  W  1  L I  2 

?

1. Para uma densidade de fluxo magnetico uniforme Onde:  = permeabilidade,

B 

A

H r 

r 

H g 

g 

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.

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

Dimensionamento do Transformador do Conversor Flyback

Toroide Equivalente

Seção efetiva: Ae Comprimento do circuito equivalente: l e

L

 N 

2

R 

 N 

2

le



μ 0μ r A e N

le

2 

 A L N 

2

μ 0 ·μ r  ·Ae

Onde AL = Indutância específica, indutância de uma única espira

Dimensionamento do Transformador do Conversor Flyback Toroide Equivalente com entreferro Problema: o valor de

não é constante em todos os pontos da curva BxH

B

B=

A introdução do entreferro, permite tornar a indutancia menos dependente do valor de r .

r ·H

1 H

g = 2·d

μe



1 μ r 

Neste caso:



g le  L



 0 · Ae · N 

 g  

l e  r 

d Em geral, le / r > Wc

2

B2 ·Vg 2·

W = WC + Wg

g

Entreferro

A maior parcela da energia é armazenada no entreferro. Pode-se desprezar a energia armazenada no núcleo.

Dimensionamento do Transformador do Conversor Flyback  A energia armazenada no indutor do primário do transformador se encontra armazenada no circuito magnético do transformador  2 

W 

2  max 

L p I p max 

Volume 

2 

2  0 

e 

2  max 

2 

Ae 

2 AL

 Após manipulações algébricas encontramos que:

N p 

L p I p 

max 

N s 

A

max  e 

g 

 μ0 N p I p 

max 

max 

l e   μr 

N p 

L s  L p 

Controle do conversor Flyback  – Modo Tensão

1. Mo d o Tens ão : U m a m alh a c o n tr o lan d o a ten s ão d e s aíd a 

Conversor 

vO

d Controle Malha de tensão

Controle do conversor Flyback  – Modo Corrente

2. Modo Corrente: Duas m alhas, uma externa co ntrolando a  tens ão d e saída e o ut ra in tern a co nt ro land o a c or rent e no ind ut or 

Conversor 

d

vO

Malha de corrente

Controle Malha de tensão

Controle do conversor Flyback  – Modo Corrente Frequência Fixa: • Corrente de Pico; • Corrente de Vale e • Corrente Medianizada. Fr eq u ên c ia Var iáv el 

• 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 Pico” e o “Controle Modo Corrente Medianizada ” 

de

Controle do conversor Flyback  – Modo Corrente Controle do valor de pico

Conversor 

vO viL Malha de corrente vQ

Q S

Oscilador 

M  a l   h   a  d   e  t    e n  s  ã   o

Oscilador  viref  viL vQ

R

+ -

viref 

    +

Ref. de tensão

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/L mp 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 J oule 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 i mplementar; 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