Relatório do projeto de um conversor cc cc do tipo forward

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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.

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Relatório do projeto de um conversor cc cc do tipo forward

  1. 1. CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Relatório do Projeto de um Conversor CC-CC do tipo Forward Vitória – 2010
  2. 2. 1 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
  3. 3. 2 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
  4. 4. 3 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
  5. 5. 4 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.
  6. 6. 5 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.
  7. 7. 6 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
  8. 8. 7 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
  9. 9. 8 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
  10. 10. 9 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
  11. 11. 10 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.
  12. 12. 11 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.
  13. 13. 12 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.
  14. 14. 13 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
  15. 15. 14 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
  16. 16. 15 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.
  17. 17. 16 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
  18. 18. 17 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
  19. 19. 18 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
  20. 20. 19 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
  21. 21. 20 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
  22. 22. 21 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.
  23. 23. 22 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
  24. 24. 23 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
  25. 25. 24 10.3 - Frequência de oscilação versus resistência 10.4 – Relação corrente de saída por corrente de entrada

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