Trabalho ATX12V_2

INSTITUTO DE

111Equation Chapter 1 Section 1 ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Programa de Pós-Graduação em Engenar!a E"#$r!%a Cen$ro Te%no"óg!%o %no"óg!% o Universidade Federal de Santa Catarina

TRABALHO

PROJETO DE UM CONVERSOR MEIA-PONTE (HALF-BRIDGE) COMO FONTE REGULADA (ATX12V) (ATX12V) Autores (alunos do mestrado): Victor Luiz Flor or!es "a#ael Felipe Van $an %ro#essores da &isciplina de 'odela!em de Conversores Estticos: %ro# 'rcio *rtmann %ro# 'arcelo Lo+o ,eld-ein

.ovem+ro/012 Ca!&a Pos$a" '(()* CEP+ ,,./.-)0. - 1"or!anó2o"!s - SC Te" Te" + 3./,4 506(0/7/ - In$erne$+ In $erne$+ 888!ne2u9s%:r

3 4nstituto de Eletr5nica de %ot6ncia

313

SUMÁRIO %"*7E8* &* C*.VE"S*" 'E4A3%*.8E (,ALF "4&9E) "4&9E) 1 0

4ntrod 4ntrodu;< u;
 1

'odela 'odela!em !em no espa espa;o ;o de de estad estados os                       Valida;
> >1

Especi Especi#ic #ica;? a;?es es de %ro@et %ro@eto o                            8ens
>0

Clculo Clculo dos capacito capacitores res de entrada entrada          B B

2 21

%ro@et %ro@etoo do conv convers ersor or ,al#3 ,al#3ri rid!e d!e                       8ens
20 &eterm &etermina ina;

Clcu Clculo lo do capacit capacitor or sGrie de desac desacopl oplame amento nto                10 10

 1

%ro@et %ro@etoo do sist sistem emaa de cont controle role                      1 1 Especi#ic Especi#ica;?e a;?ess do controle controle              1 1

0

%ro@eto %ro@eto do compensa compensador dor               12 12

B B1

"esult "esultad ados os                                1B 1B Filtro E'4 E'4                   0 011



"e#er6 "e#er6nc ncias ias                                 0> 0>


303

PROJETO DO CONVERSOR MEIA-PONTE (HALF BRIDGE)

1. INTRODUÇÃO * presente tra+alho apresenta um pro@eto de um re!ulador de tens
2. CONVERSOR MEIA-PONTE (HALF BRIDGE) – TOPOLOGIA A topolo!ia de conversor escolhida para o pro@eto G o conversor CC3CC 'eia3ponte (,al#3rid!e) apresentado na Fi!ura 1 *ptou3se pelo uso do conversor ,al#3rid!e por proporcionar IJ: 3 4solamento entre #onte de alimenta;
Figu! 1 " C#$%&'# M&i!-P#$& (H!*-Bi+g&)

3. MODELAGEM

POR BALANÇO VOLT-SEGUNDO DO INDUTOR E BALANÇO DE CARGA DO CAPACITOR

A modela!em do conversor #oi #eita com anlise do #uncionamento de suas quatro etapas As duas primeiras etapas s
VSEC =

E 0

n




33

1O Etapa de opera;
8ens
v Lo 

= E

N S

0 N P

− v → LO

di LO

=E

dt

NS

0 NP

− vO →

diLO dt

di  N  1 =  E S − vO÷  1 → L =  E n − vO  ÷ dt 0  LO  0 N P  LO O

Corrente no capacitor: iCo

= iLo −

vo R

→ Co

dvo dt

= i Lo −

vo R

(0)

0O Etapa de opera;
8ens
v Lo 

= −v → LO

di LO dt

= −vO →

diLO dt

= ( − vO ) 

1

diLO

→

LO

dt

= ( − vO ) 

1 LO

Corrente no capacitor: iCo

= iLo −

vo R

→ Co

dvo

= iLo −

dt

vo R

* resultado da anlise das equa;?es resulta em um trans#ormador CA de pequenos vP (t ) = vP

(t )

V

= V

SEC SEC sinais demonstrado na Fi!ura 0 onde g e g  onde  E apartir da anlise de circuito do trans#ormador encontra3se a #un;
1 GV (ω ) =

vPo P d

= VSEC1

LO C O

 0 ( jω ) + ( 

jω )

1 ROCO

+

  LO C O 1


3>3

Figu! 2 " M#+&# +& ,&u&$#' 'i$!i'.

3.1

VALIDAÇÃO DO MODELO

%ara valida;
;o

,

0

7

' ../

..7 T!me 3s4

..,

.(

Figu! / " P&u0!# +& 133 H4 & 3.31 +& ,i5#

Adicionando um se!unda pertur+a;
;o

,

0

7

' ..57

../

..// T!me 3s4

../,

Figu! 6 " P&u0!# +& 1 7H4 & 3.31 +& ,i5#


4. ESPECIFICAÇES

323

DE PRO!ETO

As especi#ica;?es solicitadas em catlo!o para o pro@eto de uma #onte re!uladora A8H10V s
4.1

TENSÃO DE ENTRADA

&e acordo com o item 1 da #olha de especi#ica;?es do A8H10V a #onte deve ser capaz de #ornecer ener!ia para a car!a em dois nDveis de tens
8ens?es de entrada

8ens
8ens
Vin (112 VAC)

E MIN 112

= SV

E MIN112 pico

= 0

Vin (0 VAC)

E MIN 0:

= 1CV

E MIN 0: pico

=

0E MIN 112 0E MIN 0:

= 02>22CV

= 02>22CV

Como a #onte de re!uladora deve #uncionar com as duas tens?es de entrada especi#icadas G necessrio a utiliza;
Figu! : " R&i*i5!+# ;#$#*9'i5# 5#;# +#0!+# +& &$'#

AtravGs da chave S e de um circuito que seleciona a tens
4.2

C"LCULO DOS CAPACITORES DE ENTRADA


33

*s capacitores que ir
Utilizando o do+rador de tens


= EMIN  pico112 = 0>222V

Calculando a tens
VC min

= EMIN  pico − 2EMIN  pico = 0>1:1V

VC1 pk

=

0 EMIN 112

=

0S = 10B0BSV

Lo!o: VC 1min

=

0VC min − V C1 pk :

= 11CBS>V

Com o rendimento especi#icado de η = B para potencia de saDda de PO = :W e #requ6ncia mDnima i!ual a >B,z calcula3se a potencia de entrada e a ener!ia que cada capacitor deve #ornecer a cada meio ciclo Utilizou3se a menor #requ6ncia pois G o caso onde se tem a maior ondula;
Sendo C1  C0 

C DOB

P O η

= >0C2B1W

W IN

=

P IN f MIN

= S11S J

: C DOB

=

W IN

(V

C1 pk

0

0 − V C1min )

= >:B × 1−: F

%ortanto este G o valor dos capacitores que ir

3B3

Figu! < " E'9gi#' +# ,#=&#.

#. PRO!ETO DO CONVERSOR HALF-BRIDGE #.1

TENSÃO E CORRENTE DE SA$DA

A #onte re!uladora #oi pro@etada para todas as tens?es de saDda especi#icadas na ta+ela 0 do item 01 do catlo!o &entre as potencias de saDda #oi especi#icada a de M tendo as corrente mimas e mDnimas para as tens?es de saDda mostradas na ta+ela > do item 01 A partir das especi#ica;?es de tens?es e correntes mimas e mDnimas calculam3se a rela;
#.2

DETERMINAÇÃO

DAS INDUT%NCIAS DE FILTRAGEM& CAPACITORES DE SA$DA E RESISTENCIAS DE CARGA

%ara a determina;
"ela;


N S N P

Especi#icando o numero de espiras do primrio i!ual a 1 ( N P = 1 ) e sa+endo os valores da tens
V O E MIN  pico D

N S

= nN P


33

Com o uso das equa;?es acima encontram os valores para as tens?es de saDda con#orme ta+ela > T!0&! 6 " R&!# +& &',i!'

8ens?es de saDda W10V&C W2V&C WV&C W10V0&C 310V&C W2VS

N 1

n

N 0

1 1 1 1 1 1

1 B 20 1 1 B

1 B 20 1 1 B

Sendo a #requ6ncia de comuta;
∆V O = 2T  o+tem3se os valores dos capacitores de saDda



Equa;
=

n

E MIN  pico

 f S ∆I Lo

Esta equa;
Equa;
=n

E MIN  pico :0 f S LO ∆V O

* valor do capacitor da saDda principal n
3 4nstituto de Eletr5nica de %ot6ncia ;o%om2ensado

33

I3Lo(4

6. (' (. ' . ..7

..7/ T! me 3s4

..7,

Figu! > " T&$'# & 5#&$& +& '!?+!

Como n
"esist6ncia e potencia mDnimas: ROMIN



=

V CoM!

P OM!

I OMIN

ROM!

=

V O 0 ROMIN

'Gdia das potencias: P O



P OMIN =

I OM!

V O 0

"esist6ncia e potencia mimas: ROM!



=

V CoMIN

=

POM!

+ P OMIN 0

&etermina;
=

V O 0 P O

*s valores s
3 4nstituto de Eletr5nica de %ot6ncia 8ens?es de saDda W10V&C W2V&C WV&C W10V0&C 310V&C 32VS

#.3

3 1 3

LO

C O

10 µ H 1"H

1 µ F

RO

2 µ F 2 µ F

"H 0>"H 0>"H

2 µ F 2 µ F

1"H

2 µ F

02AΩ BA:Ω :>Ω >:S>Ω BAΩ :CΩ

RESIST'NCIAS DE TESTE PARA DEGRAU DE CARGA

&e acordo com a ta+ela 1 do item 0B do catlo!o deve ser dado um #t$p de car!a que resulte em um consumo de corrente acima da corrente nominal %ara o clculo das resist6ncias de teste se!ue eemplo para saDda de 10V: 

Clculo da corrente nominal: I NOMINL



V O RO

Corrente de teste para o caso de >T acima da nominal: I&ES&E



=

= 1>I NOMINL

Calculo da resist6ncia de teste: R E'

=

V O I &ES&E

.a ta+ela  s
8ens?es de saDda R E' 

W10V&C 1C0S

W2V&C

0A1

Ω

Clculo da corrente nominal:

=

V O RO

Corrente de teste para o caso de >T a+aio da nominal: I&ES&E



Unidade

2CB

I NOMINL



WV&C

Calculo da resist6ncia de teste:

= CI NOMINL


3 11 3

R E'

=

V O I &ES&E

.a ta+ela B s " R&'i'&$5i!' +& &'& ,!! '&, $&g!i%# +& 5!g!

8ens?es de saDda

R E'

#.4

W10V&C :01

W2V&C

S2>

WV&C

Unidade

>02

Ω

C"LCULO DO CAPACITOR SRIE DE DESACOPLAMENTO

A estrutura do conversor ,al#3rid!e ei!e a adi;
1 Cii# " F&u&$5i! +& &''#$$5i! : * capacitor de acoplamento @untamente com a indutncia de #iltra!em #ormam um circuito ressonante que consequentemente possuD uma #requ6ncia de ressonncia *+edencendo a recomenda;
#requ6ncia de ressonncia se@a i!ual a desacoplamento: >

C DES = π



0

 N P  ÷  N S 

0

≤

f S >

 Calculando o capacitor de

= :01nF

 f S 0 LO  

2 Cii# " u&+! +& &$'# : Este critGrio G +aseado na queda de tens
∆VC

DESC

= 2E = 2 × S = >2V (Visando a menor queda de tens
N S



I O

N P 0 f S ∆V C DESC

= 0B>A µ F

Como o se!undo critGrio encontrou um valor maior de capacitncia que atende os dois critGrios este #oi utilizado no pro@eto

. PRO!ETO DO SISTEMA DE CONTROLE


3 10 3

%ara o pro@eto de controle da #onte re!uladora de tens
Figu!  " Ci5ui# +& 5#;!$+# 5#; 5#;,&$'!+#

.1

ESPECIFICAÇES DO CONTROLE



9anho do sensor de tens
k VO



8ens
V&RIP = 2V



'odulador:

= 1

=

k PWM

1 V &RIP



4ndutancia de #iltra!em:

LO



Capacitor de saDda

CO



Frequ6ncia de ress5nancia

8ens
do V = E MIN  pico n SEC 1



secundrio

= 10 µ H

= 1 µ F f R = 1>2:kHz 0

Sendo a #un;
 0 ( jω ) + ( 

LOC O jω )

1 RO CO

+

  LO C O 1

%rimeiramente encontra3se a #un;
3 4nstituto de Eletr5nica de %ot6ncia 

3 1 3

Fun;


'Xdulo da #un;
Figu!  " M+u# +! FTLA $# 5#;,&$'!+!. 

Fase da #un;
F&L NC Y#ase (ω ) =

1 π

ar! ( F&LNC ( ω ) )

Figu! 13 " F!'& +! FTLA $# 5#;,&$'!+!.

.2

PRO!ETO DO COMPENSADOR

As especi#ica;?es dese@adas para a #un;
3 4nstituto de Eletr5nica de %ot6ncia  

3 1> 3

*+ter mar!em de #ase de no mDnimo >2ZK *+ter mar!em de !anho em torno de 1dK

*s parmetros para o pro@eto do compensador s






'ar!em de #ase Frequencia de comuta;
M F = C2 ωS

de

= 0π  f S = :1>0 ×12

ω C

=

ω S

12

= 0S>k

1 #

()d #

Encontrando os parmetros do compensador: 

Frequencia do zero: ω *

=

ω C

 

tan  M F



π − − ar! ( F&LNC ( ω C ) ) ÷ 0 

ω C

F&L NC ( ωC )

#

ωC

0

+ ω * 0

= :0

Constante de tempo do controlador: τ



1

9anho esttico: + C =



= 1:11×12

=

1 ω *

= B0S ×1− #

Compensador %4: C ( ω )

=

+ C ( jω + ω * ) jω

Com estes parmetros G #eita a anlise da #un;
Fun;

3 12 3

F&LC (ω ) = F&LNC ( ω ) GV 

( ω )

'Xdulo da F8LA compensada com seu respectivo !r#ico (Fi!ura ): F&LC Ymod (ω ) = 0lo! ( F&LC (ω ) )

Figu! 11 " M+u# +! FTLA 5#;,&$'!+!.



Fase da F8LA compensada com seu respectivo !r#ico (Fi!ura ): F&LCY#ase (ω ) =

1 π

ar! ( F&LC ( ω ) )

Figu! 12 " F!'& +! FTLA 5#;,&$'!+!.

Vere#ica3se nos !r#icos os se!uintes resultados de #requ6ncia de cruzamento e mar!em de #ase do sistema com a adi;
Frequencia de cruzamento da F8LA compensada: ω C YF8LA

C



'ar!em de #ase da F8LA compensada:

≈ 0BSB

()d #


M f Y co"p$n#)d)

3 1 3

= 1C + F&LC Y#ase ( ω C Y F&L ) = C2:S C

*. RESULTADOS "esultados o+tidos da tensB ,z G apresentada na Fi!ura 1 ;o%om2ensado 6. (' (. ' . .

..6

../

..7

..,

.(

T! me 3s4

Figu! 1/ " T&$'# $! 5!g! ,!! &$!+! +& 3V;' 6> H4.

Com os testes atrves de steps de car!a #oram o+tidos os resultados com step positivo (Fi!ura 11) e step ne!atico (Fi!ura 10) ;o%om2ensado (5 (6' (6 ((' (( ../

../6

..//

../7

T!me 3s4

u! 16 " S&, +& 5!g! ,#'ii%# (3V;' 6> H4)

%ara o step positivo a tensV

Fig


3 1B 3

;o%om2ensado (/ (5 (6 (( (. ..7

..76

..7/ T! me 3s4

..77

..7,

Figu! 1: " S&, +& 5!g! $&g!i%# (3V;' 6> H4)

%ara o #t$p ne!ativo a tens>V *s resultados o+tidos na Fi!ura 1 apresentam as tens?es na car!a para todos os valores de tens

;(6nega$

.

..6

;';S=

;o55

;o'

(' (. ' . -' -(. -(' ../

..7

..,

.(

T! me 3s4

Figu! 1< " T&$'8&' $! 5!g! ,!! #+!' !' *!i!' +& &$'8&' +& '!?+! (3V;' 6> H4)

[uando aplicado na entrada um valor de tensB ,z a tens


3 1 3

;o%om2ensado

(5

(6

((

../

../6

..//

../7

T!me 3s4

Figu! 1> " S&, +& 5!g! ,#'ii%# (2<3V;' & 6> H4)

Con#orme G apresentado o tens
(/

(6

(.

, ..7

..7/

..7, T! me 3s4

..06

..07

Figu! 1 " S&, +& 5!g! $&g!i%# (2<3V;' & 6> H4)

*s resultados o+tidos na Fi!ura 1 apresentam as tens?es na car!a para todos os valores de tensB ,z

3 4nstituto de Eletr5nica de %ot6ncia ;(6;6DC

;(6nega$

.

..6

3 1 3 ;';S=

;o55

;o'

(' (. ' . -' -(. -(' ../

..7

..,

.(

T!me 3s4

Figu! 1 - T&$'8&' $! 5!g! ,!! #+!' !' *!i!' +& &$'8&' +& '!?+! (2<3V;' 6> H4)

%ara o caso onde se aplica o Ho,d-.p ti"$ a tens
../

.., T!me 3s4

.(6

.(7

Figu! 23 " T&$'# $! 5!g! & $! &+& 5#; Hold-up time

*.1

FILTRO EMI

Foi simulado e medido os valores com da corrente na entrada do conversor corrente da rede e #renquencia da corrente na entrado do conversor sem e com a adi;

3 0 3

entrada denominado de LISN/ As Fi!uras 1 1 e 0 apresentam o !r#icos sem a adi;
..6

../

..7

..,

.(

T!m e 3s4

Figu! 21 " C#&$& !,' ,#$& &i*i5!+#! '&; LISN Irede 5.. 6.. (.. . -(.. -6.. -5.. .

..6

../

..7

..,

T!me 3s4

Figu! 22 " C#&$& +! &+& '&; LISN. I!n ..(/ ..(6 ..( ..., ...7 .../ ...6 . (/.

('. 1re>uen%? 3@B4

(7.

Figu! 2/ " E',&5# +! 5#&$& +! Figu! 1.

.(


3 01 3

Con#orme #i!uras a corrente apresenta valor de B>2 " em #renquencia de 12 N,z Ao adicionar a L4S. #oi #eita novamente a valida;

;a"!da<2"an$a

, 7 / 6 . .

..6

../

..7

..,

T!me 3s4 Figu! 26 " V&;&K# &',#'! 5#; LISN &; !4u &',#'! ;#+&#.

.(


3 00 3

I!n , 7 / 6 . -6 ..6

../

..7

..,

.(

T!me 3s4

I!n ...7m .../m ...6m .m -...6m (/),

('. 1re>uen%? 3@B4

('.6

('./

Figu! 2: " C#&$& !,' &i*i5!#.

ApXs os testes com a L4S. #oi adicionar o #iltro Fi!ura 0 representa a valida;

;a"!da<2"an$a

, 7 / 6 . .

..6

../

..7

..,

.(

T! me 3s4

Figu! 2< " R&',#'! ,!! %!i+!# +# 5#$%&'# 5#; *i# +& EMI.


3 0 3

+. REFER'NCIAS I1J A"4 4vo P#=&# +& *#$&' 5K!%&!+!'  0ed FlorianXpolis: Ed do Autor 0B I0J A"4 4vo E&#$i5! +& P#@$5i!. B Ed FlorianXpolis: Ed do Autor 010 IJ E"4C$S*. "M\ 'A$S4'*V4C & Fu$+!;&$!' #* P#& E&5#$i5'  0O Edi;J 'A"84.S C &enizar S&;i5#$+u#&' +& P#&$5i! 5#$#!+#' C#$%&'#&' CC-CC

I'#!+#' & C#$%&'#&' CC-CC ! Tii'# (C#;u!# F#!+!). FlorianXpolis A!osto/01>

Trabalho ATX12V_2

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