Projeto de Transformador Flyback com Núcleo e Bobinador

Neste artigo, vou detalhar o processo de design usado para determinar os parâmetros de design do transformador necessários no meu projeto anterior de conversor flyback personalizado. Neste projeto de design, projetei um conversor flyback que recebe entrada AC, retifica para DC e reduz para uma saída de 3,3 V. O conversor é baseado em um Texas Instruments UCC28881. Como acontece com muitos conversores isolados de comutação, um transformador personalizado foi necessário para o design. A ferramenta WEBench da Texas Instruments fornece orientação de design e uma recomendação de núcleo/bobinador para este design. Neste processo de design, usarei sua recomendação de núcleo e bobinador para completar o design do transformador. Também calcularei os parâmetros físicos para o transformador projetado.

Começando com um Design de Transformador Personalizado

Em um conversor de comutação isolado, acho que a melhor estratégia para determinar os parâmetros do transformador necessários é começar pelo lado secundário (saída) e trabalhar em direção ao lado primário, bem como quaisquer bobinas terciárias. Começaremos com o seguinte processo:

• Verificar a indutância primária com base na frequência PWM e no ciclo de trabalho
• Usar a indutância e as tensões para determinar a relação de voltas
• Determinar o número de voltas necessárias com base nas propriedades do material do núcleo
• Verificar se o tamanho do bobinador é adequado com base no calibre do fio necessário e na área da janela

Um ponto importante a ser observado neste processo é que alguns dos parâmetros são livres para você determinar. Por exemplo, você pode selecionar frequências de comutação e um ciclo de trabalho PWM mínimo/máximo alvo com base nas capacidades do seu comutador. Sua indutância pode precisar ser ajustada para acomodar mudanças necessárias nesses parâmetros.

Em seguida, com base na corrente média e na entrega de potência média, pode haver restrições no tamanho do calibre do fio que pode ser usado no bobinador. Uma corrente média mais alta exigirá um calibre de fio maior para evitar que o transformador aqueça demais. Então, se você deseja que seu transformador entregue mais potência com uma corrente média mais alta, você precisará de um transformador fisicamente maior.

Com isso em mente, vamos mergulhar nas indutâncias.

Bobinas Primária e Secundária (Modo Descontínuo)

Primeiro, podemos calcular as indutâncias das bobinas primária e secundária da seguinte forma:

A equação L(s) denota operação em modo de corrente descontínua; mude a direção da desigualdade e você terá operação em modo contínuo. V(diode) é a tensão direta do diodo retificador no lado secundário.

Nesta equação, queremos determinar o limite na indutância secundária que permitirá ao comutador regular continuamente a tensão de saída. No controle de modo de tensão, o comutador ajustará o ciclo de trabalho, então você precisa usar o ciclo de trabalho máximo e a frequência para dimensionar o limite superior nas indutâncias. A corrente máxima de saída e a tensão secundária são valores nominais.

Relação de Transformação e Ciclo de Trabalho Real

A seguir, precisamos determinar a relação de transformação e o ciclo de trabalho real no qual o conversor é necessário operar. Contanto que o ciclo de trabalho real seja menor que o ciclo de trabalho máximo para o seu comutador, então a indutância no lado secundário não será grande demais para manter a regulação e o design deve ser viável.

Esta equação fornece uma relação entre a relação de transformação e o ciclo de trabalho. Lembre-se, o comutador pode operar em qualquer ciclo de trabalho até o seu máximo, e o loop de controle ajustará o ciclo de trabalho do PWM com base na medição da tensão de saída. Quando você souber o ciclo de trabalho, insira-o nesta equação para obter a relação de transformação necessária.

A seguir, é útil saber a corrente de pico no lado primário, pois esta é a corrente de pico que fluirá através do comutador. Isso é importante porque alguns comutadores podem ter proteção contra sobrecorrente, e isso inclui o UCC28881. Agora precisamos usar a especificação de corrente de pico, ciclo de trabalho alvo e valores de relação de transformação para verificar as correntes de pico. Para o UCC28881, o limite de corrente primária de pico antes do desligamento é mostrado abaixo (440 mA contínuos, 770 mA pulsados).

Na próxima seção, usarei o limite de corrente pulsada máxima com algum desclassificação para verificar se o design pode atender às minhas especificações.

Verificando os Cálculos

Aqui, minha intenção é projetar o conversor e seu transformador de modo que o ciclo de trabalho máximo de 50% corresponda à metade da corrente de pico permitida, o que me dará bastante margem de segurança. Agora que temos essas equações, podemos inserir alguns números e determinar a relação de transformação.

• Valores de entrada:
  • V(In) máximo = 240 V AC RMS
  • f = 62 kHz, D(máx) = 0.5 (baseado no valor médio da ficha técnica)
  • D(alvo) = 0.3 (escolhido pelo design)
  • I(pk, primário) = 0.385 A, I(Méd, primário) = 0.116 A
  • Tensão de avanço do diodo retificador Schottky: V(diodo) = 0.5 V
  • V(saída) = 3.3 V
• Valores de saída
  • Baseado em D(alvo), Np/Ns = 19.17
  • I(pk, secundário) = 8.45 A, I(Méd, secundário) = 2.54 A
  • L(s,máx) = 3.02 uH

Com base nestes números, o design é viável e o conversor não deverá ter problemas em fornecer a corrente de saída alvo, desde que possamos atingir as indutâncias de bobina alvo. É agora que precisamos olhar para o núcleo e o formador de bobina para garantir que as indutâncias alvo possam ser alcançadas.

Núcleo e Formador de Bobina Comerciais

Agora que conhecemos o alvo de indutância e a relação de voltas, podemos começar a selecionar um núcleo e formador de bobina para construir o transformador. Como mencionei acima, uma corrente de saída mais alta limitará a fiação que você pode usar para enrolar a bobina, então isso certamente será uma consideração ao selecionar núcleo e formador de bobina.

Neste ponto, você está livre para procurar online conjuntos de núcleo e formador de bobina que ajudarão você a atingir seu alvo de indutância. O formador de bobina, núcleo e jugos recomendados pela Texas Instruments são:

• Formador de bobina (QTD 1): B66418W1008D001
• Seção de E-core com gap de ar (QTD 2): B66417U0250K187 ou Seção de E-core sem gap (QTD 2): B66417G0000X149 com 2 camadas de enrolamento
• Jugo (QTD 2): B66418B2000X000

Na ficha técnica do núcleo, você verá uma especificação chamada fator de indutância. O fator de indutância basicamente lhe diz a indutância por número de voltas ao redor do núcleo, assumindo que você está usando o formador de bobina recomendado. Baseado na relação de voltas listada acima e nos requisitos de corrente listados acima, poderíamos usar fio AWG 26 com 3 voltas para a bobina secundária, e fio AWG 30 com 57 voltas para a bobina primária (enrolada em 2 camadas de fio). Isso dá:

• L(s) = 2.25 uH
• L(p) = 812.25 uH

Estes são um pouco mais baixos do que os valores recomendados pela TI do WEBench, mas estão dentro dos valores típicos de tolerância de indutância de enrolamento para um transformador, então eu os marco como válidos para um design em modo descontínuo. Se você quisesse mudar o modo de operação para contínuo, você só precisaria de mais 2 voltas no lado secundário. Isso também reduziria a densidade de fluxo no lado secundário.

Verificação Adicional

Um passo de verificação é determinar se o calibre do fio que você selecionou vai preencher demais o formador de bobina. Usando o diâmetro da capa para sua fiação, calcule a distância total abrangida pelas bobinas. Se esse número exceder o comprimento do seu formador de bobina, então você precisará usar um formador de bobina maior ou um diâmetro de fio menor. Este último pode exigir que você reduza a corrente permitida no seu lado secundário para manter a temperatura baixa.

A última verificação será uma comparação da densidade de fluxo com o fluxo de saturação no material do seu núcleo. É aqui que o suporte de um fornecedor de material de núcleo será muito importante, pois esses valores nem sempre são declarados em uma ficha técnica. Na saturação, a eficiência começa a diminuir consideravelmente, então você precisa garantir que sua densidade de fluxo esteja abaixo da densidade de saturação. Esta é uma razão pela qual realmente queremos mais voltas na bobina em vez de menos voltas. Também podemos querer usar um material de núcleo com menor permeabilidade, pois isso também reduz a densidade de fluxo.

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