Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia                                                 ...
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  1. 1. 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
  2. 2. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eSum´rio a Defini¸˜o das Especifica¸˜es do Projeto ca co Projeto do Circuito de Potˆncia 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¸˜o do Circuito de Potˆncia ca e
  3. 3. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eDefini¸˜o 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¸˜o: co ca Temperatura ambiente de 60 o C . Frequˆncia de chaveamento 80 kHz. e Ondula¸˜o da tens˜o de sa´ menor do que 5 % . ca a ıda Ondula¸˜o da corrente de sa´ menor ou igual a 10 %. ca ıda
  4. 4. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do Circuito de Potˆncia eDiagrama do Conversor Figure: Diagrama dos Componentes do Conversor
  5. 5. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do Retificador de Entrada Figure: Retificador Ponte Completa com Filtro Capacitivo
  6. 6. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do Retificador de Entrada - Filtro Capacitivo Esfor¸os de Tens˜o no capacitor: c a Esfor¸os de carga (tempo de carga): c Limitantes: 90-250V com O tempo de carga de ambos ´ e varia¸˜o de 5%. ca igual, pois ´ dependente apenas do e Vcpk90 = 127, 270V ∆ de tens˜o desejado. a acos(∆Vinmax ) Vcpk250 = 353, 553V tc90 = 2xπxfrede Vcmin90 = 114, 551V tc90 = tc250 Vcmin250 = 318, 198V tcc90 = 1, 196x10−3 s
  7. 7. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do Retificador de Entrada - Filtro CapacitivoDimensionamento 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 tcLogo a corrente eficaz que circula pelocapacitor no processo de carga do Limites de tens˜o do capacitor: amesmo ´:e Vcmax = Vcpk250 x1, 1 = 388, 909VIc1ef = Icp 2xtc xfrede − (2xtc xfrede )2Ic1ef = 11, 585A Logo define-se o capacitor para umaA corrente que circular´ devido a carga: a tens˜o de 400V. a Pin I2ef = 2 = 2, 003A Vcmin90 xDmax
  8. 8. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do Retificador de Entrada - Ponte Retificadora de Onda Completa Os esfor¸os na ponte retificadora de onda completa s˜o: c a Esfor¸os de tens˜o nos diodos: c a Esfor¸os de corrente nos diodos: cTens˜o 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 = ALogo o diodo deve suportar uma tens˜o ade 400V.
  9. 9. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do Circuito de Potˆncia eDimensionamento dos Elementos Semicondutores Figure: Conversor CC-CC Forward a Duas Chaves
  10. 10. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do Circuito de Potˆncia eDimensionamento dos Elementos Semicondutores 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
  11. 11. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do Circuito de Potˆncia eDimensionamento dos Elementos Semicondutores 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
  12. 12. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do Circuito de Potˆncia eDimensionamento dos Elementos Semicondutores 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
  13. 13. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do TransformadorEspecifica¸˜es do Transformador co Al´m das especifica¸˜es j´ informadas, para o projeto do transformador e co a do Forward s˜o necess´rias mais algumas informa¸˜es. Nesta sec¸˜o elas a a co ca s˜o definidas: a Especifica¸˜es: co Jimax = 350A/cm2 Kw = 0.65 Kp = 0.6 Vfdiodos = 1V ηtrafo = 0.9
  14. 14. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do TransformadorCaracter´ 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
  15. 15. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do TransformadorCaracter´ 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¸˜o: Como a magnetiza¸˜o e a desmagnetiza¸˜o para ca ca ca esse conversor s˜o feitas no mesmo enrolamento, a corrente a magnetizante ´ igual a desmagnetizante. e
  16. 16. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do TransformadorCaracter´ ısticas El´tricas e Corrente Eficaz no Secund´rio a Sec¸˜o m´ ca ınima de cobre Isecundarioef = Iout Dmax Sp = 10cm2 Isecundarioef = 4.36A Iprimarioef Sp = = 0.01cm2 Jmax Isecundarioef Ss = = 0.012cm2 Jmax
  17. 17. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do TransformadorCaracter´ 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
  18. 18. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do TransformadorCaracter´ 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
  19. 19. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do TransformadorCaracter´ 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
  20. 20. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do TransformadorCaracter´ 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.
  21. 21. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do TransformadorCaracter´ ısticas Magn´ticas e Especifica¸oes: c˜ Pela tabela de n´cleos: 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 n´cleo “Metric E40”, u isso resulta em: AeAw = 2, 25 cm4
  22. 22. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do TransformadorPerdas 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
  23. 23. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do TransformadorPerdas 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
  24. 24. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do TransformadorResumo 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
  25. 25. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do Circuito de Potˆncia eProjeto 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
  26. 26. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do Filtro de Sa´ ıdaProjeto do Indutor Utilizando-se de metodologia semelhante ao transformador, temos: Lind xIL2 AexAwLcm4 = pk = 2, 781cm4 BmaxL xJmaxL Figure: Cat´logo Magnetics a
  27. 27. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do Filtro de Sa´ ıdaProjeto 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
  28. 28. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do Filtro de Sa´ ıdaProjeto 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
  29. 29. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do Filtro de Sa´ ıdaProjeto 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
  30. 30. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do IndutorResumo 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
  31. 31. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eProjeto do Filtro de Sa´ ıdaProjeto do Capacitor Capacitor O projeto do capacitor inicial foi baseado na seguinte equa¸˜o: ca ILpk xl Cout = = 33µF 2xπxfs x∆Vmax xV Itens adicionais: Baixa RSE. Temperatura 120 o C Tens˜o 50 V a Observa¸˜o: Ainda n˜o 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.
  32. 32. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eSimula¸˜o preliminar caCircuito de Potˆncia e Com o objetivo de verificar os resultados te´ricos foi realizada a o simula¸˜o do circuito de potˆncia. A simula¸˜o foi realizada no software ca e ca Cadence Pspice v16.3. Figure: Circuito de potencia
  33. 33. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eSimula¸˜o preliminar caCircuito de Controle Figure: Controlador Proporcional com ganho aproximadamente unit´rio a
  34. 34. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eSimula¸˜o preliminar caRela¸˜o de Potˆncias ca e Comprovou-se atrav´s da simula¸˜o 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
  35. 35. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eSimula¸˜o preliminar caTens˜o e Corrente na Entrada a Figure: Tens˜o e Corrente na Entrada a
  36. 36. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eSimula¸˜o preliminar caTens˜o e Corrente no capacitor da Entrada a Figure: Tens˜o e Corrente no capacitor da Entrada a
  37. 37. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eSimula¸˜o preliminar caTens˜o e Corrente na Chave a Figure: Tens˜o e Corrente na Chave a
  38. 38. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eSimula¸˜o preliminar caTens˜o e Corrente no diodo D1 a Figure: Tens˜o e Corrente no diodo D1 a
  39. 39. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eSimula¸˜o preliminar caTens˜o e Corrente no prim´rio do transformador a a Figure: Tens˜o e Corrente no prim´rio do transformador a a
  40. 40. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eSimula¸˜o preliminar caTens˜o e Corrente no secund´rio do transformador a a Figure: Tens˜o e Corrente no secund´rio do transformador a a
  41. 41. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eSimula¸˜o preliminar caTens˜o e Corrente no diodo D3 a Figure: Tens˜o e Corrente no diodo D3 a
  42. 42. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eSimula¸˜o preliminar caTens˜o e Corrente no diodo D4 a Figure: Tens˜o e Corrente no diodo D4 a
  43. 43. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eSimula¸˜o preliminar caTens˜o e Corrente no Indutor a Figure: Tens˜o e Corrente no Indutor a
  44. 44. Projeto Conversor Forward com duas Chaves Projeto do Circuito de Potˆncia eSimula¸˜o preliminar caTens˜o e Corrente no capacitor de Sa´ a ıda Figure: Tens˜o e Corrente no capacitor de Sa´ a ıda
  45. 45. 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

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