Forward Ivo Barbi

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    18-Jul-2015

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CAPTULO 7. CONVERSORES CC-CC ISOLADOS

7.1 - CONVERSOR FORWARD

PROF. IVO BARBI

E

REN TORRICO

7.1.1 - IntroduoO conversor forward deriva do conversor buck ao qual adicionado um transformador de alta freqncia. O transformador tm as funes de adaptar a tenso de sada com a relao de transformao, isolar a carga da fonte de entrada e proteger a carga contra eventuais falhas na sada. O conversor pode ser aplicado em fontes de alimentao para computadores, equipamentos de som, perifricos, etc. onde se requer potncias na faixa de 70 a 300W. A transferencia de potncia desde a fonte de tenso de entrada carga controlada por um interruptor de potncia que opera em freqncias acima de 10kHz. Geralmente os interruptores utilizados so transistores

BIPOLARES, MOSFETs ou IGBTs. Ao igual que no conversor buck, o modo de operao do conversor forward (modo de conduo contnua e modo de conduo descontnua) definida normalmente em relao corrente atravs do indutor do filtro de sada. Para o conversor forward, realizado uma descrio do circuito de potncia, so descritos as etapas de operao e mostrados as formas de onda para o modo de operao contnua, so realizados estudos tericos e so resolvidos e propostos exerccios.

7.1.2 - Descrio do CircuitoO conversor forward mostrado na Fig. 7.1.1. Ele composto plos seguintes componentes: fonte de tenso de entrada Ve; interruptor controlado S1; transformador de alta freqncia Tr com trs enrolamentos, NP (primrio), NS (secundrio) e Nd (de desmagnetizao); diodo de desmagnetizao Dd; diodo de transferencia D1; diodo de roda livre D2 ; filtro de sada dado pelo indutor Lo e o capacitor Co, e resistncia de carga Ro.

Captulo 0 Modelo Provisrio

1

A E

iD1C

iLo

Lo + _VLo

Io

Np:Ns

+ Nd + Ve DdiDdF B

+V2

D1 D2iD2

iCo

+ Ro Vo -

Lm

V1

Co

_iLm

_D

+ S1iS1 VS1

Tr

_

Fig. 7.1.1 - Conversor forward.

Um transformador ideal no apresenta indutncias de disperso e a indutncia magnetizante Lm infinita. Porm, desenvolver um transformador com essas caractersticas na prtica impossvel, pois sempre ter indutncia de disperso e indutncia magnetizante que no chega a ser infinita. O modelo real do transformador de dois enrolamentos mostrado na Fig. 7.1.2.b. No conversor forward o enrolamento auxiliar Nd tem uma vital importncia pois ele realiza o trabalho de devolver a energia acumulada na indutncia magnetizante fonte de entrada e deixar a mesma sem energia para o inicio de cada perodo de funcionamento. Caso contrario o transformador corre o perigo de saturao no permitindo a transferencia de energia desde fonte de entrada carga. A saturao provoca uma perda de induo de tenso no lado secundrio do transformador. A anlise do conversor realizado o mais real possvel para que o estudante tenha uma idia exata do comportamento do conversor.Ld1Ideal

ncleoA

A

Ld2C

Np

LmB E

Np

Ns

NdF C B D

NsD

Ld1, Ld2: indutncias de disperso Lm: indutncia magnetizante

a)

b)Fig. 7.1.2 - Transformador de alta freqncia: a) Detalhe fsico; b) Circuito equivalente real.

2

Curso Bsico de Eletrnica de Potncia

7.1.3 - Etapas de Funcionamento e Formas de OndaOs conversores cc-cc do tipo forward geralmente so projetados para sua operao em modo de conduo contnua por apresentar menores esforos de corrente sobre os componentes em relao operao em modo de conduo descontnua. Por este motivo a descrio e a anlise realizada em modo de conduo contnua. Durante um perodo de funcionamento T, ocorrem trs etapas de operao, as quais so descritas a seguir. Tambm so mostradas as etapas por meio de circuitos marcando em negrito os caminhos de circulao de corrente. Para simplificar a descrio, a anlise terica e facilitar a compreenso do princpio de funcionamento, so feitas as seguintes consideraes: O conversor opera em regime permanente (sem transitrios); Todos os semicondutores so ideais (abrem e fecham

instantaneamente); O transformador de alta freqncia no apresenta indutncia de disperso. Estas simplificaes no alteram o princpio de funcionamento do conversor. Para realizar um projeto real e montar em laboratrio devem ser considerados as no idealidades dos componentes, tais como, indutncia de disperso do transformador, efeito de recuperao dos diodos, indutncias parasitas de fiao e do circuito impresso, etc. Mais detalhes sobre os problemas que acarretam estes elementos parasitas so encontrados em livros avanados de eletrnica de potncia. Primeira Etapa: intervalo (to, t1): Durante esta etapa o interruptor S1 est em conduo. A polaridade dos enrolamentos primrio NP e secundrio NS permite que a energia seja transferida da fonte Ve para a carga atravs do diodo D1. A polaridade do enrolamento de desmagnetizao Nd invertida de forma que o diodo Dd encontra-se bloqueado. O diodo de roda livre D2 tambm encontra-se bloqueado. As principais grandezas envolvidas durante esta etapa so dadas a seguir:

v 1 = Ve v S1 = 0

(7.1.1) (7.1.2)

v2 =

Ve n

(7.1.3)

onde n a relao de transformao dada por (7.1.4):

n=

NP NS

(7.1.4)

v Lo =

Ve Vo n

(7.1.5)

i Lo ( t ) = n I m +

(n I M n I m ) tA E C

0tiD1 Np:Ns iLo

(7.1.6)

Lo + _VLo

Io

+ Nd + Ve DdiDdF B

+V2

D1 D2iD2

iCo

+ Ro Vo -

Lm

V1

Co

_iLm

_D

+ S1iS1 VS1

Tr

_

Fig. 7.1.3 - Primeira etapa: transferncia de energia.

Segunda Etapa: intervalo (t1, t2): Em t1 o interruptor S1 aberto. Instantaneamente muda a polaridade dos enrolamentos primrio e secundrio e como conseqncia o diodo de transferencia D1 bloqueado. Neste instante o diodo D2 entra em conduo assumindo a corrente atravs do indutor Lo. O enrolamento de desmagnetizao tambm inverte sua polaridade colocando em conduo o diodo Dd assegurando a continuidade da energia armazenada na indutncia magnetizante Lm do transformador, que a mesma devolvida fonte de alimentao Ve. As principais grandezas envolvidas nesta etapa esto dadas a seguir:

v 1 = Ve v S1 = 2 Ve v2 = Ve n

(7.1.7) (7.1.8)

(7.1.9)

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Curso Bsico de Eletrnica de Potncia

v Lo = VoA E

(7.1.10)iD1C

iLo

Lo + _VLo

Io

Np:Ns

+ Nd + Ve DdiDdF B

+V2

D1 D2iD2

iCo

+ Ro Vo -

Lm

V1

Co

_iLm

_D

+ S1iS1 VS1

Tr

_

Fig. 7.1.4 - Segunda etapa: desmagnetizao do transformador.

Terceira Etapa: intervalo (t2, t3): Em t=t2 a corrente atravs da indutncia magnetizante anula-se e como conseqncia deixa de circular corrente atravs do enrolamento de desmagnetizao Nd e o diodo Dd. Assim garante-se a desmagnetizao do transformador de alta freqncia Tr. A corrente atravs do indutor filtro Lo continua em roda livre pelo diodo D2. As principais grandezas envolvidas durante esta etapa so dadas a seguir:

v1 = 0

(7.1.11) (7.1.12) (7.1.13) (7.1.14)iD1C

v S1 = Vev2 = 0

v Lo = VoA E

iLo

Lo + VLo _

Io

Np:Ns

+ Nd + DdiDd

+V2

D1 D2

iCo

+ Ro Vo -

Lm

V1

CoiD2

_F B

_D

Ve

iLm

+ S1iS1 VS1

Tr

_

Fig. 7.1.5 - Terceira etapa: roda livre.

A etapa seguinte se inicia quando o interruptor S1 colocado novamente em conduo, reiniciando desta maneira a primeira etapa. Em conversores cc-cc com modulao por largura de pulso PWM (Pulse Width Modulation), a relao do tempo de conduo do interruptor e perodo de comutao definida como razo cclica (ou ciclo de trabalho) de controle e designada normalmente com a letra D na literatura.

D=

T

(7.1.15)

Para desmagnetizar o transformador a corrente magnetizante deve se anular antes do final do perodo de comutao. Assim, o valor da razo cclica de controle D que garante essa restrio, dada pela equao (7.1.16).

D max =

1 1 + N d Np

(7.1.16)

Como normalmente Nd=NP, a razo cclica mxima igual a:

D max =

1 2

(7.1.17)

Na prtica quando deseja-se projetar o conversor forward, a razo cclica mxima assumida de 0,45 ou menor, isto para garantir a desmagnetizao do transformador.

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Curso Bsico de Eletrnica de Potncia

Sinal de Controle t Ve

V1

t - Ve VS1 2Ve Ve

V2 Ve/n -Ve/n vCo VCo Vo VLo A1 -Vo iLo Ve/n - Vo A2 Lo nI m Io

t

t

t

t

nI M

iCo

Lo

t

t iD1 nI m

nI M

iD2

t nI M nI m

iLm I mag iS1

t

I M+ I mag Im

t

iDd I mag

corrente magnetizante

t

to t1 t2 t3

T

2T

t

Fig. 7.1.6 - Principais formas de onda do conversor forward.

7.1.4 - Estudo Quantitativo7.1.4.1 - Ganho EstticoO ganho esttico de um conversor definido como sendo a relao das tenses sada-entrada em funo da razo cclica de controle D, tomando qualquer outra varivel como parmetro. A relao de tenses sada-entrada em modo de conduo contnua encontrada a partir da tenso mdia sobre o indutor Lo, que a mesma nula em cada perodo de comutao. Portanto, as reas baixo a curva de tenso sobre o indutor so iguais (ver Fig. 7.1.6).

A1 = A 2

(7.1.18)

V A 1 = e Vo n A 2 = Vo (T )Substituindo (7.1.19) e (7.1.20) em (7.1.18), tem-se:

(7.1.19)

(7.1.20)

Ve Vo = Vo (T ) nSimplificando, obtm-se:

(7.1.21)