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CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA ELÉTRICA
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
Relatório do Projeto de um Conversor CC-CC
do tipo Forward
Vitória – 2010
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CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA ELÉTRICA
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
Relatório do Projeto de um Conversor CC-CC
do tipo Forward
Autores: Luiz Guilherme Riva Tonini
Rafael Baptista Brandão
Trabalho acadêmico apresentado à Coordenadoria de Engenharia elétrica do Instituto Federal do Espírito Santo, como requisito parcial para a obtenção de créditos na disciplina de Eletrônica de Potência. Orientador: Professor Ricardo de Oliveira Brioschi.
Vitória – 2010
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SUMÁRIO
1 - RESUMO ...................................................................................................... 3
2 - INTRODUÇÃO .............................................................................................. 3
3 - RAZÃO CÍCLICA (K) ..................................................................................... 4
4 - ESPECIFICAÇAO DOS COMPONENTES ................................................... 4
4.1 – Mosfet .................................................................................................... 4
4.2 - Diodo ...................................................................................................... 5
5 - FUNCIONAMENTO ....................................................................................... 6
5.1 - 1 Etapa ................................................................................................... 6
5.2 - 2 Etapa ................................................................................................... 6
5.3 - 3 Etapa ................................................................................................... 7
5.4 - Formas de onda ...................................................................................... 8
6 - PROJETO ..................................................................................................... 9
6.1 – Transformador ...................................................................................... 10
6.2 – Mosfet ...................................................................................................11
6.3 – Diodos .................................................................................................. 12
6.4 – Capacitor e indutor de saída ................................................................ 12
6.5 – Etapa de controle ................................................................................. 13
6.6 – Etapa de potência ................................................................................ 15
6.7 – Isolamento............................................................................................ 15
7 - ENSAIOS .................................................................................................... 16
8 - CONCLUSÃO ............................................................................................. 21
9 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................ 22
10 - ANEXOS ................................................................................................... 23
10.1 - Tabela de Fios Esmaltados ................................................................. 23
10.2 – Circuito interno do SG3524 ................................................................ 23
10.3 - Frequência de oscilação versus resistência ........................................ 24
10.4 – Relação corrente de saída por corrente de entrada ........................... 24
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1 - RESUMO
Este relatório descreverá os procedimentos da construção de um
conversor CC-CC do tipo forward proposto pelo professor Ricardo Brioschi à
turma do 7º período de Engenharia Elétrica do IFES.
Serão apresentadas características do projeto, como espessura do
enrolamento, bem como cálculos relevantes, dentre eles ressaltasse as
relações de espiras do transformador e outros.
2 - INTRODUÇÃO
A topologia forward é derivado do conversor buck. Tal configuração origina-
se da incorporação do isolamento galvânico ao conversor buck, ou seja, da
adição de um transformador acoplado com enrolamento de desmagnetização
e outro diodo além do já contido na configuração primitiva. Tal feito tem por
objetivo isolar a alimentação da carga, atributo essa desejável em grande parte
das fontes chaveadas para que haja maior preservação do circuito dentre
outras características.
Diferente da maioria o transformador neste caso funciona como elemento
armazenador de energia, desta forma são chamados de indutores de
acoplamento. O circuito do conversor forward está representado na figura 1.
Figura 1-Circuito forward
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3 - RAZÃO CÍCLICA (K)
O Transistor, semicondutor que funciona como chave, neste caso um
MOSFET, opera com um período de comutação T, sendo que permanece
conduzindo (chave fechada) durante o intervalo de tempo e bloqueada
durante o intervalo .
A relação entre o tempo e o período de comutação é definida como
duty cycle ou razão cíclica (K) do interruptor, assim, temos:
4 - ESPECIFICAÇAO DOS COMPONENTES
4.1 – Mosfet
O transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor é um
interruptor com características de controle por um sinal de tensão aplicado no
terminal de gatilho (gate). A configuração segue abaixo:
Figura 1-Circuito mosfet
Com isso, a corrente necessária durante as comutações, entrada em
estado de condução e bloqueio, é bastante baixa, diminuindo
consideravelmente a complexidade do circuito de comando, além disso o
tempo de comutação é menor que aquele observado nos transistores bipolares,
fazendo com que seja possível a operação em freqüências elevadas, como no
caso dos conversores foward.
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4.2 - Diodo
O diodo de Potência é um dispositivo de junção PN de dois terminais, tal
junção é normalmente formada por fusão, difusão e crescimento epitaxial,
assim diz-se que o diodo está diretamente polarizado quando o anodo esta
positivo o inverso em seu estado reverso.
Na figuras abaixo temos a configuração do diodo sendo o lado negativo
representado pela letra A, ânodo, e o positivo C, cátodo.
Figura 1-Circuito diodo
No estado de polarização citado acima flui uma corrente de fuga
(leakage current) na faixa de micro e miliampéres. A partir do instante em que a
tensão reversa aplica entre os terminais de ânodo e cátodo do diodo ultrapassa
o valor da tensão de ruptura reversa (breakdown voltage). A corrente reversa
aumenta rapidamente para uma pequena variação na tensão reversa superior.
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5 - FUNCIONAMENTO
5.1 - 1 Etapa
Na etapa de o transistor T conduzirá juntamente com o diodo em
contrapartida ao diodo e que se encontram em bloqueio, não havendo
corrente no enrolamento de magnetização, assim o período desta etapa é
e as partes onde há condução seguem na figura abaixo em
destaque.
Figura 2 - 1ª Etapa
5.2 - 2 Etapa
Na etapa 2 o transistor T estará bloqueado, ao passo que o diodo
conduz a corrente de carga. Da mesma forma o diodo de desmagnetização
encontra-se em condução devolvendo energia para a fonte, com isto o período
desta etapa é .
Figura 3 - 2ª Etapa
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5.3 - 3 Etapa
Na etapa 3 a corrente armazenada no indutor chega a zero cessando a
devolução de energia a fonte enquanto o diodo D2 continua a conduzir à carga,
o período desta etapa é .
Figura 4 - 3ª Etapa
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5.4 - Formas de onda
Figura 5 – Formas de onda
Em ton o mosfet esta em condução, logo a tensão dreno-source ( ) e a
corrente no enrolamento de desmagnetização ( ) é zero. Desta forma o
enrolamento primário carrega e transmite por indução magnética para o
secundário, assim neste temos uma maior energia devido a relação de espiras.
No tempo toff temos o transistor em corte e o diodo de desmagnetização
em condução. Assim a tensão reversa em cima da chave antes da total
desmagnetização é dada pela tensão de entrada acrescida da diferença de
potencial (ddp) refletida do enrolamento de desmagnetização para o primário
sendo sua corrente é zero, pois a chave esta em corte. Após a total
desmagnetização temo apenas a tensão de entrada sobre a chave. A corrente
no diodo de desmagnetização é decrescente, pois o sentido dela foi invertido, o
enrolamento de desmagnetização possui polaridade invertida com relação ao
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secundário, fazendo com o que ao induzir corrente para o secundário não haja
condução, pois o diodo (vide figura 1) está polarizado reversamente.
6 - PROJETO
O projeto proposto consiste em uma fonte chaveada do tipo forward, com
uma entrada de tensão variável dentro de uma faixa e saída regulada em uma
tensão fixa. De acordo com especificações o projeto deve ter as seguintes
características:
Tensão de entrada(V) 16 - 20
Tensão de saída(VCC) 5
Corrente máxima de saída(A) 100m
Variação da corrente de saída(%) 40
Razão cíclica 0,45
Frequência de chaveamento(Hz) 30k
Variação da tensão de entrada(%) 5
Tabela 1 - Característica do sistema
Enquanto o transformador apresenta como características:
Fator de ocupação do primário (Kp) 0,5
Fator de ocupação da área de enrolamento (Kw) 0,4
Densidade de corrente(J) [A/cm²] 300
Queda de tensão nos diodos(Vd)[V] 1
Indução magnética (ΔB)[T] 0,18
Frequência de chaveamento(ΔBMAX) 0,2
Material do núcleo E30/14 Thornton
Variação da tensão de entrada(Ae)[cm²] 0,21
Variação da tensão de entrada(Aw )[cm²] 0,7
Variação da tensão de entrada(Ae*Aw)[ cm4] 0,147
Tabela 2 - Característica do transformador
Figura 6 – Núcleo e carretel
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6.1 – Transformador
De posse dos dados acima obteremos os números de espiras do
primário e do enrolamento de desmagnetização pela equação que
assegura a desmagnetização completa.
Em seguida encontramos o número de espiras do secundário
O próximo passo é descobrir a espessura do fio e para isso devemos encontrar
a corrente máxima
Logo consultando a tabela 10.1, presente no Anexo obtém-se o fio a ser
usado no enrolamento primário é o AWG34, levando em conta que a corrente
que passará no enrolamento primário e na bobina de desmagnetização é a
mesma, usaremos o mesmo esmaltado escolhido anteriormente.
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Para o enrolamento secundário seguimos o mesmo passo do primário
E com a tabela 9.1 escolhemos o AWG33.
Tais enrolamentos tiveram suas indutâncias calculadas a partir de uma
ponte RCL modelo MXB-821 da Minipa, como mostrado abaixo.
Características obtidas do transformador
Enrolamento Espiras Indutância(H)
Primário 64 2,5m
Secundário 53 2,4m
Desmagnetização 53 2,4m
Tabela 3 - Característica do transformador
6.2 – Mosfet
Para dimensionar o transistor mosfet devemos saber o valor da tensão e
corrente máxima, obtidas pela equação abaixo.
Desta forma, levando em conta à frequência de chaveamento de
aproximadamente e as grandezas citadas seguimos a especificação
exigida pelo orientador usando assim o mosfet IRFP250.
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6.3 – Diodos
O projeto dos diodos segue o método do transistor, ou seja, se baseia
nos valores máximos de corrente e tensão, seguindo as equações abaixo, para
o primário, secundário e desmagnetização respectivamente.
De posse dos dados acima podemos definir de forma prática um único
modelo de diodo que atenda as especificações acima, para tanto temos que
pegar o pior caso que é o Diodo , sendo assim observamos que o MUR 1505
ou superiores (MUR 1510 e outros) atende as necessidades. Porém no acervo
do laboratório havia apenas o U1610 que também atende as especificações,
adequando-se assim ao projeto.
6.4 – Capacitor e indutor de saída
Usando a equação do livro texto1 obtemos
Para efeito prático escolhemos um capacitor bem maior .
O indutor foi dado pelo orientador por meio da ponte RLC citado acima
descobrisse que era de 2,3 mH.
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6.5 – Etapa de controle
Nesta etapa o componente principal é o controlador PWM SG3524 da
Texas Instruments, a parte interna esta presente no anexo 10.2, cuja pinagem
segue abaixo.
Figura 7 – SG3524
A freqüência de saída do circuito integrado (CI) é definida por RT e CT,
pino 6 e 7 respectivamente, onde o gráfico que os relaciona esta presente no
anexo 10.3, cuja função segue abaixo:
Segundo o datasheet os valores de CT devem estar entre 0.001 e 0.1 µF e RT
entre 1.8 e 100 KΩ, assim para atingir a frequência desejada de 30 KHz, assim
o grupo optou por fixar o valor do capacito em 0.01 µF, obtendo em seguida o
resistor.
Usando a fórmula acima obtivemos uma frequência de 30.2 KHz, valor
aceitável para o projeto.
Em seguida preenchemos as outras saídas do controlador sendo os
pinos 3 e 10 aterrados, segundo sugestão do professor, assim como o pino 8,
referência terra do CI e 15 como tensão de alimentação.
O pino 16 fornece uma tensão de referência de 5 Volts, que será usado
como set point no circuito comparador, montado utilizando os amplificadores
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operacionais internos ao integrado, para se realizar uma realimentação
negativa, assim temos na entrada do operacional um amplificador integrador,
composto por duas uma resistência de 1 M em paralelo com uma de 47 KΩ em
série com um capacitor de 100 nF, tais valores foram retirados de um trabalho
previu, de um conversor flyback, indicado pelo orientador.
O pino 13 é responsável pela polarização do transistor interno do CI
assim para diminuir a corrente de colocar se coloca uma resistência baixa, no
caso 180 Ω.
Abaixo segue a imagem do circuito de potência com os valores citados
acima.
Figura 8 – Circuito de controle
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6.6 – Etapa de potência
Com os componentes obtidos previamente se monta a etapa de
potência, inserindo um resistor de potência de 1KΩ como carga.
Figura 9 – Circuito de potência
Nesta etapa se insere o conversor ao circuito de controle, sendo o pino 5
do controlador indo na saída da carga, feedback para o integrador, enquanto o
pino 14, saída PWM, para o gate do transistor.
6.7 – Isolamento
Para o isolamento elétrico total da carga com relação ao circuito PWM foi
usado um acoplador ótico, o circuito interno 4N25, que regularizando os valores
das resistências de entrada e saída, pino 1 e 5 respectivamente, cuja
configuração interna esta presente na figura 10 e a faixa de resposta linear no
gráfico 10.4 presentes no anexo.
Figura 10 – Circuito do octoacoplador
Por meio de potenciômetros regulamos os valores das resistências e em
seguida os substituímos pelas resistências equivalentes.
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7 - ENSAIOS
Realizado a montagem obtemos o circuito mostrado na figura abaixo,
então para aferir se esta funcionando realizamos testes analisando partes do
circuito.
Figura 11 – circuito foward
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O primeiro ensaio foi analisar a forma de onda presente no pino 7, sendo
que a largura da dente de serra tem deve ser a frequência de chaveamento do
transistor ou seja 30 KHz, fato que pode ser visto na figura abaixo já que são
10 ms por divisão.
Figura 12 – Onda de dente de serra da referência
A segunda análise foi verificar o comportamento da tensão de saída com
o sinal de chaveamento, presente no gate, para menor tensão de entrada e
para a maior, diminuindo a carga durante cada um deles.
Com mínima tensão, 16 Volts, e menor carga, 1 KΩ se obtêm a imagem
abaixo, onde se nota a tensão de saída estabilizada em 5 Volts com baixa
largura de pulso.
Figura 13 – Formas de onda da saída com menor tensão e menor carga
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Com esta mesma tensão só que maior carga, 20Ω, a largura do pulso
aumenta, não variando a tensão de saída, com se nota na figura 11.
Figura 14 – Formas de onda da saída com menor tensão e maior carga
Repetindo o mesmo ensaio com a máxima tensão de entrada obtemos
as figura 12 e 13, em que o comportamento do transistor se repete ao de cima
e a tensão permanece constante
Figura 15 – Formas de onda da saída com menor tensão e maior carga
Figura 16 – Formas de onda da saída com menor tensão e maior carga
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Em seguida analisamos a forma de onda de tensão entre o dreno e a
fonte do transistor, com o intuito de se ver o chaveamento se tornar mais linear
mediante o aumento da carga, de 1K para 20 Ω, enquanto a largura do período
de condução aumenta; como mostrado abaixo.
Figura 17 – Formas de onda do dreno-fonte com maior carga
Figura 18 – Formas de onda do dreno-fonte com menor carga
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Dando continuidade, fazendo uso de um resistor shunt visualizamos a
forma de onda de corrente, assim conforme mostra figura 19.1 constatamos
que a fonte chaveada encontra-se em modo de condução contínuo. Conforme
se observa na figura 19.2, à medida que aumentamos a carga eleva-se o nível
médio de corrente sem alterar a tensão na saída.
Figura 19.1 – Formas de onda da corrente na saída com menor carga
Figura 19.2 – Formas de onda da corrente na saída com maior carga
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8 - CONCLUSÃO
A partir deste projeto foi possível agregar o conhecimento teórico e
prático na construção e implementação do conversor CC-CC isolado. Dessa
forma, ficou claro o funcionamento de cada item do conversor, desde o cálculo
e construção do transformador até a montagem de um acoplador ótico para
isolar o sistema.
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9 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
R. Brioschi “Material de aula de eletrônica de potência”;
I. Barbi, “Conversores CC-CC Básicos Não isolados”;
I. Barbi, “Projetos de fonte chaveadas”;
R. W. Erickson, D. Maksimovic, “Fundamentals of Power Electronics:
Converters, applications and design”, Second edition;
Rech, Cassiano, Eletrônica de pot6encia II”, Udesc;
Porfírio Cabaleiro Cortizo, “Curso de fonte chaveada”, UFMG
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10 - ANEXOS
10.1 - Tabela de Fios Esmaltados
AWG Diâmetro(mm) Seção (mm) Espiras por
cm Kg por Km
Resistencia em ohms/km
Capacidade em Ampéres
30 0.2546 0.051 35.6 0.45 333.3 0.15
31 0.2268 0.040 39.8 0.36 425.0 0.11
32 0.2019 0.032 44.5 0.28 531.2 0.09
33 0.1798 0.0254 50.0 0.23 669.3 0.072
34 0.1601 0.0201 56.4 0.18 845.8 0.057
35 0.1426 0.0159 62.3 0.14 1069.0 0.045
36 0.1270 0.0127 69.0 0.10 1338.0 0.036
37 0.1131 0.0100 78.0 0.089 1700.0 0.028
38 0.1007 0.0079 82.2 0.070 2152.0 0.022
39 0.0897 0.0063 97.5 0.044 2696.0 0.017
40 0.0799 0.0050 111.0 0.044 3400.0 0.014
10.2 – Circuito interno do SG3524
24
10.3 - Frequência de oscilação versus resistência
10.4 – Relação corrente de saída por corrente de entrada
