Projeto Conversor Forward com duas Chaves Circuito Potência

Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia
e

Projeto Conversor Forward com duas Chaves
Projeto do Circuito de Potˆncia
e

Gustavo Lambert e Ricardo Lima dos Santos
Universidade do Estado de Santa Catarina, CCT-Joinville
Departamento de Engenharia El´trica
e
Projeto de Conversores Est´ticos
a

May 10, 2012

e

Sum´rio
a

Defini¸õ das Especifica¸˜es do Projeto
ca co
e
Diagrama do Conversor
Projeto do Retificador de Entrada
Dimensionamento dos Elementos Semicondutores
Projeto do Transformador de Alta Frequˆncia
e
Filtro de Sa´
ıda
Projeto do Indutor
Projeto do Capacitor
Simula¸õ do Circuito de Potˆncia
ca e

e

Defini¸õ das Especifica¸˜es do Projeto
ca co
O projeto do conversor deve atender as seguintes especifica¸˜es:
co

Entrada 90 a 250 VAC
Sa´ıda 27 VCC e 6,5 A
Potˆncia
e 175,5 W
Eficiˆncia
e Maior do que 85 %
Table: Especifica¸oes de Projeto
c˜

Quanto as condi¸˜es de opera¸õ:
co ca
Temperatura ambiente de 60 o C .
Frequˆncia de chaveamento 80 kHz.
e
Ondula¸õ da tensõ de sa´ menor do que 5 % .
ca a ıda
Ondula¸õ da corrente de sa´ menor ou igual a 10 %.
ca ıda

e

e
Diagrama do Conversor

Figure: Diagrama dos Componentes do Conversor

e

e
Projeto do Retiﬁcador de Entrada

Figure: Retiﬁcador Ponte Completa com Filtro Capacitivo

e

e
Projeto do Retificador de Entrada - Filtro Capacitivo

Esfor¸os de Tensõ no capacitor:
c a Esfor¸os de carga (tempo de carga):
c
Limitantes: 90-250V com O tempo de carga de ambos ´ e
varia¸õ de 5%.
ca igual, pois ´ dependente apenas do
e
Vcpk90 = 127, 270V ∆ de tensõ desejado.
a
acos(∆Vinmax )
Vcpk250 = 353, 553V tc90 =
2xπxfrede
Vcmin90 = 114, 551V tc90 = tc250
Vcmin250 = 318, 198V tcc90 = 1, 196x10−3 s

e

e
Projeto do Retificador de Entrada - Filtro Capacitivo

Dimensionamento do capacitor: Corrente eficaz final no capacitor:
2 2
Icef = Ic1ef + I2ef
Correntes no capacitor:
Cin x∆Vc
Ip = = Icp = 33, 039A Icef = 11, 757A
tc
Logo a corrente eficaz que circula pelo
capacitor no processo de carga do Limites de tensõ do capacitor:
a
mesmo ´:e
Vcmax = Vcpk250 x1, 1 = 388, 909V
Ic1ef = Icp 2xtc xfrede − (2xtc xfrede )2
Ic1ef = 11, 585A Logo define-se o capacitor para uma
A corrente que circular´ devido a carga:
a tensõ de 400V.
a

Pin
I2ef = 2
= 2, 003A
Vcmin90 xDmax

e

e
Projeto do Retificador de Entrada - Ponte Retificadora de Onda Completa

Os esfor¸os na ponte retificadora de onda completa sõ:
c a

Esfor¸os de tensõ nos diodos:
c a Esfor¸os de corrente nos diodos:
c
Tensõ M´xima reversa:
a a Pin
IDmed = = 0, 901 A
2xVcmin90
Vcmax = Vcpk250 x1, 1 = 388, 909V
IDef = Ip tc xfrede = 8, 852 A
Vimax = 400V IDpk = A
Logo o diodo deve suportar uma tensõ
a
de 400V.

e

e

Figure: Conversor CC-CC Forward a Duas Chaves

e

e

Prim´rio:
a
Chaves
Ns
Iswef = Iout x xDmax = 3, 156A
Np
Iswpk = Iprimariopk = 4, 111A
Diodos
Esses s˜o os diodos que se encontram em antiparalelo com as chaves,
a
denominados por D1 e D2.
ID2 = Im
ID1 = ID2 = 0, 536A
VD2 = Vimax
VD1 = VD2 = 400V
2
2A2
ID1ef = Dmax ∗ |Im − | = 0, 413A
3

e

e

Secund´rio:
a
Diodos
No secund´rio aparecem dois diodos. O primeiro (D3) est´ em s´rie com
a a e
o enrolamento do secund´rio e o segundo (D4) est´ em anti-paralelo com
a a
D3 e o enrolamento secund´rio conforme a ﬁgura 1.
a

Diodo 3: Diodo 4:
Ns
VD3 = Vimax x = 209, 524V VD4 = VD3 = 209, 524V
Np

ID3ef = Iout x Dmax = 4, 36A ID4ef = Iout x 1 − Dmax = 4, 921A
∆I
ID3pk = Iout x = 6, 825A ID4pk = ID3pk = 6, 825A
2

e

e

Lista dos Semicondutores deﬁnidos:

Chaves: Diodo D3
Chaves do tipo MOSFET de canal Diodo ultra-r´pido de s´
a ılicio.
N. Partname:MUR 840
Partname:IRF 825
Diodos D1 e D2 Diodos D4

Diodos ultra-r´pidos de s´
a ılicio. Diodo ultra-r´pido de s´
a ılicio.
Partname:MUR 240 Partname:MUR 840

e

Projeto do Transformador
Especifica¸˜es do Transformador
co

Al´m das especifica¸˜es j´ informadas, para o projeto do transformador
e co a
do Forward sõ necess´rias mais algumas informa¸˜es. Nesta seçõ elas
a a co ca
sõ definidas:
a
Especifica¸˜es:
co
Jimax = 350A/cm2
Kw = 0.65
Kp = 0.6
Vfdiodos = 1V
ηtrafo = 0.9

e

Caracter´
ısticas El´tricas
e

Corrente Eﬁcaz no Prim´rio
a
´
E necess´rio considerar que o prim´rio tamb´m conduzir´ a corrente de
a a e a
magnetiza¸˜o, por isso:
ca

Ns
IPef = 1.15xIout xDmax = 3.629A
Np

Corrente 1a etapa + magnetizante (15% da corrente do prim´rio).
a

e

Caracter´
ısticas El´tricas - Correntes no prim´rio
e a

5
Ns ∆I Ns
IPdesmag = 0.15xIout xDmax Iprimario = (Iout + )x
Np 2 Np
IPdesmag = 0.473A Im = 0, 15xIprimario = 0, 536A
Iprimario = 2 2
IPef + IPdesmag = 3, 66A Iprimariop k = Iprimario + Im = 4, 111A

Observa¸õ: Como a magnetiza¸õ e a desmagnetiza¸õ para
ca ca ca
esse conversor sõ feitas no mesmo enrolamento, a corrente
a
magnetizante ´ igual a desmagnetizante.
e

e

Caracter´
ısticas El´tricas
e

Corrente Eficaz no Secund´rio
a Seçõ m´
ca ınima de cobre
Isecundarioef = Iout Dmax Sp = 10cm2
Isecundarioef = 4.36A
Iprimarioef
Sp = = 0.01cm2
Jmax

Isecundarioef
Ss = = 0.012cm2
Jmax

e

Caracter´
ısticas El´tricas
e

Penetra¸˜o da corrente (Efeito Peculiar)
ca

15
δmax = √ = 0, 053 cm , diametro
fs
Sabendo que resultar´ em um leve aumento da Densidade de Corrente
a
(J.max), deﬁne-se o condutor AWG 25.

φisolamento = 0, 057cm
φcobre = 0, 051cm
Scobre = 0, 002047cm2 Sisolamento = 0, 002586cm2

e

Caracter´
ısticas El´tricas
e

Condutores em paralelo

Sp
Npparal = = 5.108
Scobre
Sp
Npparal = =6
Scobre
Ss
Nsparal = = 6.086
Scobre
Ss
Nsparal = =7
Scobre

e

Caracter´
ısticas El´tricas
e

Possibilidade de Execu¸˜o
ca

Sisolamento xNp xNpparal + Sisolamento xNs xNsparal
Possibilidade = = 0.593
Aw
Como,
Possibilidade < 0.65
Considera-se esse um fator adequado para a constru¸˜o do transformador.
ca

e

Caracter´
ısticas Magn´ticas
e

Para o projeto do magn´tico utilizou-se as informa¸˜es apresentadas
e co
sobre os n´cleos de ferrites comerciais que utilizam material do tipo “P”.
u
Esses materiais est˜o dispon´
a ıveis no site do fabricante Magnetics.

e

Caracter´
ısticas Magn´ticas
e

Especifica¸oes:
c˜ Pela tabela de nćleos:
u
A
Jmax = 350 cm2
kw = 0.65 e kp = 0.6
Vf = 1 V
ηtrafo = 0.9
∆Bmax = 0.15 T
Obtˆm-se o parˆmetro AeAw:
e a

AeAw = 2, 143 cm4
Escolhe-se o nćleo “Metric E40”,
u
isso resulta em:

AeAw = 2, 25 cm4

e

Perdas no cobre no transformador

Efeito Joule:
ρcobre = 2.246x10−6 cm.Ω
ρcobre xNp xIt
Rccp = = 0.059Ω
Scobre xNpparal
ρcobre xNs xIt
Rccs = = 0.026Ω
Scobre xNsparal
2 2
PJoule = Rccp xIprimario ef + Rccs xIsecundario ef = 1.292W

e

Perdas no elemento magn´tico
e

Perdas no magn´tico, considerando curva de perdas do material tipo
e
P:
mW
Pvd = 30 3
cm
Pmag = Pvd xVferrite = 0.587W
PT = Pmag + PJoule = 1.879W
Eleva¸˜o da Temperatura:
ca
23
RT =
0.94080.37
∆TTrafo = RT xPT = 44.198o C
TTrafo = ∆TTrafo + 60o C = 104.198o C

e

Resumo

Caracter´
ısticas ﬁnais:

N´cleo:
u Enrolamento Secund´rio:
a
Magnetics no espiras prim´rio: 22
a
Metric E40 Condutor AWG 25
Composto por EE e carretel 7 condutores em paralelo de
Enrolamento Prim´rio:
a cobre esmaltado
no espiras prim´rio: 42
a
Condutor AWG 25
6 condutores em paralelo de
cobre esmaltado

e

e
Projeto do Filtro de Sa´
ıda

Indutor

kL = 0, 7
ILpk = Iout + ∆IL = 7, 15A A
JmaxL = 350
ILmin = Iout − ∆IL = 5, 85A cm2
IL = 6, 5A BmaxL = 0, 15T

Vout x(1 − Dmax
Lind = = 285, 577X 10−6 H
fs x∆IL

e

ıda
Projeto do Indutor

Utilizando-se de metodologia semelhante ao transformador, temos:
Lind xIL2
AexAwLcm4 = pk
= 2, 781cm4
BmaxL xJmaxL

Figure: Cat´logo Magnetics
a

e

ıda
Projeto do Indutor

Pelo cat´logo da Magnetics encontramos o n´cleo DIN 55/21
a u

VferriteL = 2, 44cm3 = 0, 088L
ltL = 12, 4cm
AexAw = AeLxAwL = 13, 26cm4

e

ıda
Projeto do Indutor

2
NL xµ0 xAel
Entreferro =
Lind xILpk Lind
NL = = 38, 562
BmaxL xAeL
Entreferro = 2, 31x10−3 m
NL = 39 espiras
NL xNparalL
ILpk Possibilidade = ScobreL x
ScobreL = = 2, 043x10−6 m2 AwL
JmaxL
NparalL = 3 , AWG 15 Possibilidade = 0, 635

e

ıda
Projeto do Indutor

Perdas no Indutor
Perdas no Cobre:
ρcobre xNL xltL
RccL = = 0, 018Ω
ScobreL xNparalL
2
PJouleL = RccL xIout = 0, 74W
Perdas no N´cleo:
u

Pnucleo = Pvd ∗ vferriteL = 2, 64 W

Ptotal = Pnucleo + Pcobre = 3, 389 W

e

Projeto do Indutor
Resumo

Caracter´
ısticas ﬁnais:

N´cleo:
u
Magnetics
DIN 55/21
Composto por EE e carretel
Enrolamento:
no espiras: 39
Condutor AWG 15
3 condutores em paralelo de
cobre esmaltado

e

ıda
Projeto do Capacitor

Capacitor
O projeto do capacitor inicial foi baseado na seguinte equa¸õ:
ca
ILpk xl
Cout = = 33µF
2xπxfs x∆Vmax xV
Itens adicionais:
Baixa RSE.
Temperatura 120 o C
Tensõ 50 V
a
Observa¸õ: Ainda nõ buscou-se um capacitor real, pois o valor da
ca a
capacitˆncia do mesmo poder´ sofrer altera¸˜es de acordo com o projeto
a a co
do controlador.

e

Simula¸õ preliminar
ca
Circuito de Potˆncia
e

Com o objetivo de verificar os resultados te´ricos foi realizada a
o
simula¸õ do circuito de potˆncia. A simula¸õ foi realizada no software
ca e ca
Cadence Pspice v16.3.

Figure: Circuito de potencia

e

ca
Circuito de Controle

Figure: Controlador Proporcional com ganho aproximadamente unit´rio
a

e

ca
Rela¸õ de Potˆncias
ca e

Comprovou-se atrav´s da simula¸õ que em regime permanente o circuito
e ca
obteve-se uma eficiˆncia de 86,7 % .
e

Figure: Potˆncia de Entrada e de Sa´
e ıda

e

ca
Tens˜o e Corrente na Entrada
a

Figure: Tens˜o e Corrente na Entrada
a

e

ca
Tens˜o e Corrente no capacitor da Entrada
a

Figure: Tens˜o e Corrente no capacitor da Entrada
a

e

ca
Tens˜o e Corrente na Chave
a

Figure: Tens˜o e Corrente na Chave
a

e

ca
Tens˜o e Corrente no diodo D1
a

Figure: Tens˜o e Corrente no diodo D1
a

e

ca
Tens˜o e Corrente no prim´rio do transformador
a a

Figure: Tens˜o e Corrente no prim´rio do transformador
a a

e

ca
Tens˜o e Corrente no secund´rio do transformador
a a

Figure: Tens˜o e Corrente no secund´rio do transformador
a a

e

ca
a

a

e

ca
Tens˜o e Corrente no Indutor
a

Figure: Tens˜o e Corrente no Indutor
a

e

ca
Tens˜o e Corrente no capacitor de Sa´
a ıda

Figure: Tens˜o e Corrente no capacitor de Sa´
a ıda

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