Conversor Flyback – Modo Condução Descontínua

Conversor Flyback – Modo Condução Descontínua
Circuito com componentes parasitas e Formas de onda

Existem duas ressonâncias:
Conversor Flyback – Modo Condução Descontínua Circuito com componentes parasitas e Formas de onda Existem duas ressonâncias: Ressonância entre a indutância de dispersão do transformador e a capacitância dreno-fonte do MosFet; 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” 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. Durante todo o intervalo de tempo durante o qual o transistor e o diodo conduzem, há um curto circuito do transformador. 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: Não existem perdas de recuperação reversa no diodo do secundário; As perdas de “turn-on” do transistor Mosfet são nulas; 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; A grande excursão do fluxo no núcleo do transformador aumenta as perdas por histerese. Modo Contínuo: O tempo de recuperação reversa do diodo do secundário deve ser baixo para limitar as perdas de bloqueio do diodo – diodos ultra-rápidos; As perdas de “turn-on” do transistor Mosfet não são nulas; 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; As perdas por histerese são menores devido à reduzida excursão do fluxo no núcleo do transformador; 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

Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador

Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador Formas de onda durante o bloqueio do transistor Mosfet Grampeamento por efeito Avalanche do transistor

Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador Formas de onda durante o bloqueio do transistor Mosfet Grampeamento por diodo Zener

Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador Emax VR Vclamp Dt Corrente no diodo zener Tensão no transistor Vds Formas de onda durante o bloqueio do transistor Mosfet Grampeamento com Diodo Zener

Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador Formas de onda durante o bloqueio do transistor Mosfet Grampeamento com Snubber RCD

Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador Vclamp BVdss Emax VR V“ripple” Margem de segurança > 10% BVdss Tensão no transistor Vds Formas de onda durante o bloqueio do transistor Mosfet

Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador Amortecimento das oscilações de alta freqüência no bloqueio do transistor – “Ringing” que causam EMI

Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador 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

Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador Formas de onda durante o bloqueio do transistor Mosfet Capacitor 10nF e Resistor 14kW

Efeito da Indutancia de Dispersão do Transformador Efeito do indutor de dispersão sobre a transferência de energia do primário para o secundário

Dimensionamento do Conversor Flyback Modos Descontínuo e Contínuo
IEDC DmaxT D’maxT IP (1-Dmax)T

Características do Transformador do Conversor Flyback
O projeto do transformador para o conversor Flyback é diferente porque ele consiste de dois indutores acoplados magneticamente. Como no caso dos indutores, o núcleo deve apresentar baixa permeabilidade: Ferrite com entreferro; “Iron Powder” ou “Molypermalloy” Toda a energia fica armazenada no entreferro do transformador

Onde armazenar a energia ? Para uma densidade de fluxo magnetico uniforme Onde: m = permeabilidade, H = intensidade do campo magnético, r = material magnético e g = entreferro Para o ferrite, mr 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. A energia armazenada é proporcional ao quadrado da intensidade do campo magnético. Deste modo, a energia é virtualmente armazenada no entreferro.

Limitações no projeto: Indutância de dispersão; 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.

Influência da temperatura sobre a curva de magnetização Material N27 – SiFERRIT - EPCOS

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 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 H B B = r·H A introdução do entreferro, permite tornar a indutancia menos dependente do valor de r. d g = 2·d Neste caso: Em geral, le/r<< g e pode ser desprezado Dimensionamento do Transformador do Conversor Flyback Toroide Equivalente com entreferro

Energía armazenada no indutor Do ponto de vista elétrico: Do ponto de vista magnético: Se o indutor possui entreferro: Núcleo Entreferro W = WC + Wg 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 Após manipulações algébricas encontramos que:

Controle do conversor Flyback – Modo Tensão
1. Modo Tensão: Uma malha controlando a tensão de saída Conversor vO Malha de tensão Controle d

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 vO Malha de corrente Malha de tensão Controle d

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

- + vO Ref. de tensão Malha de corrente Malha de tensão Q R S
Controle do conversor Flyback – Modo Corrente Controle do valor de pico Ref. de tensão + - vO Malha de corrente Malha de tensão Q R S Oscilador viL viref vQ Conversor

Controle do conversor Flyback –
Comparação entre os Modos Tensão e Corrente Modo Corrente: 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. 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: 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. O modo tensão permite operação com razões cíclicas superiores de 0,5 enquanto que no modo corrente é necessário a compensação da inclinação. O modo tensão tem melhor regulação de carga. No modo corrente, inicialmente pode parecer que o controle está atuando na direção contrário ao necessário. O modo tensão requer um compensador de ordem mais elevada e de projeto mais complexo.

Modo Descontínuo: A localização do RHPZ é em freqüência elevada, permitindo uma freqüência de “crossover” elevada; O conversor pode ser modelado como um sistema de primeira ordem, mesmo no modo tensão, facilitando o projeto do controlador; Não existem perdas de recuperação reversa no diodo do secundário; As perdas de “turn-on” do transistor Mosfet são nulas; No modo corrente não ocorrem oscilações subharmônicas não necessitando de rampas de compensação; 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; A grande excursão do fluxo no núcleo do transformador aumentam as perdas por histerese.

A localização do RHPZ em baixa freqüência, limita a freqüência de “crossover”; 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; 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; As perdas de “turn-on” do transistor Mosfet não são nulas; No modo corrente ocorrem oscilações subharmônicas, necessitando de rampas de compensação, quando a razão cíclica for superior a 50%; 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; A reduzida excursão do fluxo no núcleo do transformador reduz as perdas por histerese, quando comparadas às obtidas no modo DCM; 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

Múltiplas Saídas

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: Atualizado em 19 de novembro de 2012

Conversor Flyback – Modo Condução Descontínua

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