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
Coss
E
n p * (Vo  Vd )
ns
Conversor Flyback – Circuito e Formas de onda
Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador
Exemplo:
C oss  470pF
E  330V ,
Vo  5V ,
I p  4 ,6 A
np
ns
 N  20
Ldp  80H
V peak
80H
 330 5 * 20  4 ,6 *
 2328V
470pF
Conversor Flyback – Circuito e Formas de onda
Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador
VR  (V0  Vd ) * 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
WT   iDS (t ) * vDS (t ) * dt
0
t 

iDS ( t )  I p * 1  
 t 
vDS (t )  BVDSS
BVDSS * I P * t
2
Cálculo de t :
WT 
VLdp  BVDSS  E  VR  t 
2
1 BVDSS * Ldp * I P
WT  *
2 BVDSS  E  VR
Ldp * I P
BVDSS  E  VR
2
1 BVDSS * Ldp * I P * f
 PT  *
2
BVDSS  E  VR
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
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
WZ   iZ (t ) * vZ (t ) * dt
0
t 

iZ ( t )  I p * 1  
 t 
VZ * I P * t
WZ 
2
Cálculo de t :
VLdp  VZ  VR  t 
2
V
*
L
*
I
1 Z dp P
WZ  *
2
VZ  VR
Ldp * I P
VZ  VR

2
V
*
L
*
I
1 Z dp P * f
PZ  *
2
VZ  VR
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
V“ripple”
V“clamp”
f1 
BVdss
1
2 Ldp * Cds
Vclamp V
R
Emax
f2 
1
2 Lmp * Cds
Formas de onda durante o bloqueio do transistor Mosfet
Conversor Flyback – Circuito e Formas de onda
Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador
Pclamp
2
1
1 Vclamp * Ldp * I P * f
 *Vclamp * I P * t * f  *
2
2
Vclamp  VR
Considerando que será o resist orque irá dissipar esta energia
2
Vclamp
R clamp
2
2 *Vclamp * (Vclamp  VR )
1 Vclamp * Ldp * I P * f
 *
 Rclamp 
2
Vclamp  VR
Ldp * I P2 * f
A carga adquirida pelo capacitorserá :
2
Vclamp
1
1 Ldp * I p
q  * I p * t  *
 Cclamp 
2
2 Vclamp  VR
Vripple * 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 fatorde qualidade do circuitoR damp , C damp e L dp é :
Q
2 * π * f1 * L dp
R damp
P ara amortecera oscilação,Q deve ser  1. P ara Q  1, temos:
R damp  2 * π * f1 * L dp
P ara limitara potênciado resistor,acrescentar um capacitortal que sua
impedânciana freqüênciade ressonancia seja igual a do resistor.
1
C damp 
2 * π * f1 * R damp
Conversor Flyback – Circuito e Formas de onda
Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador
Assumindo que a tensãono capacitoré nula no momentoem que o transistor entraem
condução,a energia para carregaro capacitorcom a tensãoda fontede alimentação é :
1
Wa  *Cdamp*E2
2
No momentodo bloqueio a energia para anular a tensãono capacitore em seguida
carrega- lo com a tensãodo secundário refletidano primárioé :
1
Wb  *Cdamp* E 2  VR2
2
Quando o diodo no secundário cessa a condução,a energia para descarregar o capacitoré :

1
Wc  *Cdamp*VR2
2
A potênciadissipada no resistoré :



P R  2*(W aWb  Wc )  Cdamp* E 2  VR2 * 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 14kW
Conversor Flyback – Circuito e Formas de onda
Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador
E
Lmp
VR
Lmp
Vclamp  VR
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
Lp
Pin
Emin Dmax
2

Emin Dmax 

2 K RF Pin F
DmaxT (1-Dmax)T
Modo DCM :
I
IED
C
DmaxT
K RF 
D’maxT
ΔI
2*IEDC
DCM: KRF  1
CCM: KRF  1
IP
Np
Ns

VR
Vo  Vd
2 Ls I o F
D 
Vo  Vd
'
Lms  Lmp
Modo CCM :
Np
Emin Dmax

N s Vo  Vd 1  Dmax 
D '  1  Dmax
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 W  1 2 LI 2 ?
1. Para uma densidade de fluxo magnetico uniforme
Onde:  = permeabilidade,
B 
A
 r H r   g H 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: le
N2
L

R
μ 0μ r A e N 2
N2

 AL N 2
le
le
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
A introdução do entreferro, permite
tornar a indutancia menos dependente
do valor de r.
B = r·H
H
1 1 g
 
μ e μ r le
Neste caso:
g = 2·d
L 
 0 ·Ae ·N 2
g
d
Em geral, le/r<< g e pode ser desprezado
le
r
Dimensionamento do Transformador do Conversor Flyback
Energía armazenada no indutor
Do ponto de vista elétrico:
Do ponto de vista magnético:
Se o indutor possui entreferro:
W 
1
L·i2
2
1
B 2 ·Volume
W   B· H ·dV 
2V
2· 
2
B 2 ·Vc B ·Vg
W

2· c
2· g
W = WC + Wg
Núcleo Entreferro
Wg >> Wc
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 
Lp I p max
2
2
2
 max
Volume  max
Ae2


2 0  e
2 AL
Após manipulações algébricas encontramos que:
Np 
g
Lp I p max
Ns  N p
 max Ae
μ0 N p I p max
 max

le
μr
Ls
Lp
Controle do conversor Flyback – Modo Tensão
1. Modo Tensão: Uma malha controlando a tensão de saída
Conversor
vO
d
Controle
Malha de tensão
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
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.
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 valor de pico
Oscilador
vO
viL
Malha de corrente
Q S
viref
viL
vQ
Oscilador
R
+
-
viref
+
-
vQ
Malha de tensão
Conversor
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/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