Projeto de transformadores Flyback para conversores CC-CC de alta tensão

Resumo

Na engenharia elétrica, o projeto de transformadores é uma competência essencial para os profissionais, dada a ampla gama de aplicações que envolvem esses dispositivos. Transformadores são utilizados em diferentes topologias, dependendo da aplicação, como conversores de tensão CA-CA, CA-CC, CC-CA e CC-CC. Uma aplicação notável é o conversor Switch-Mode (SM) ou conversor CC-CC, onde tanto a tensão de entrada quanto a de saída são contínuas. As principais topologias de conversores CC-CC incluem o conversor Buck (abaixador), Boost (elevador), Buck-Boost (abaixador-elevador), Forward (direto), ressonante e Flyback (SOIKA, 2017). A necessidade de projetar um transformador de alta tensão e frequência para conversores chaveados surgiu de um projeto de P&D+I na Universidade de Pernambuco. O conversor flyback é particularmente útil porque pode gerar uma tensão de saída CC que pode ser superior ou inferior à tensão de entrada, operando tanto em modo contínuo quanto descontínuo, e é isolado (SILVA, 2013). No contexto do Switch-Mode, diversos componentes são utilizados em diferentes etapas, sendo o projeto do transformador o mais complexo. Esta fase requer uma série de cálculos, muitas vezes com valores empíricos fornecidos pelos fabricantes do núcleo magnético, o que pode dificultar o projeto do transformador. Este trabalho tem como objetivo apresentar o dimensionamento de transformadores na topologia Flyback (conversor CC-CC), visando uma relação de transformação de 5 a 9 V para 1000 V. Para transformadores de alta tensão e frequência, são utilizados núcleos de ferrite. A Ferrite é um material ferromagnético composto por óxidos metálicos como ferro, níquel e zinco, que apresenta propriedades magnéticas úteis especialmente em aplicações de alta frequência (DOMCOIL, 2023). Existem diferentes tipos de ferrite, variando em características como permeabilidade, área efetiva e fluxo magnético. Na literatura é apresentada uma solução de software para calcular parâmetros físicos como área efetiva do núcleo, volume efetivo, comprimento e área da janela (GILI, 2012). O dimensionamento do transformador depende de uma série de parâmetros, incluindo especificações iniciais de tensão e corrente de entrada e saída, topologia utilizada, seleção do núcleo, cálculo dos enrolamentos e verificação dos parâmetros de indutância. A Icotron (1983) detalha os cálculos necessários para um transformador de ferrite usado como Switch-Mode na topologia Flyback. Foram projetados três transformadores utilizando as equações e análises da literatura. O Transformador 1 utilizou um núcleo de ferrite tipo EE com dimensões de 25x10x6 mm, apresentando uma relação de 4:700 voltas, com fio de cobre de 24 e 34 AWG, no primário e secundário, respectivamente. O Transformador 2, também com núcleo tipo EE, possui dimensões de 28x10x11 mm e uma relação de 3,5:350 voltas, utilizando fios esmaltados de cobre de 24 e 32 AWG, no primário e secundário, respectivamente. O Transformador 3, com os mesmos parâmetros do Transformador 2, apresenta uma relação de 3,5:600 voltas, com fio de cobre de 24 e 34 AWG, no primário e secundário, respectivamente. Os transformadores foram testados em um circuito Flyback com Duty Cycle de 50%, ou seja, com o mesmo período de tempo ligado e desligado e foram obtidos os seguintes resultados: O Transformador 1 apresentou uma indutância primária de 0,022 mH e frequência de operação de 32 kHz gerando 1040 V no secundário com 7,5 V no primário. O Transformador 2 apresentou uma indutância primária de 0,028 mH e frequência de operação de 44 kHz, mas não atingiu 1000 V no secundário, chegando a 940 V com 9 V no primário. O Transformador 3 apresentou uma indutância primária de 0,028 mH com frequência de operação de 27 kHz gerando 1000 V no secundário com 5 V no primário e 1660 V com 9 V. A montagem dos transformadores foi um processo exaustivo devido à ausência de equipamentos especializados, como bobinadeiras, sendo todas as etapas realizadas de forma manual. Esta limitação impactou a precisão da montagem, resultando em problemas em alguns transformadores quando a tensão era aumentada, ou falhas durante a implementação no circuito. Apesar dos desafios enfrentados, os transformadores alcançaram os parâmetros desejados. No entanto, um ambiente com recursos adequados e equipamentos especializados poderia aprimorar significativamente a qualidade e a eficiência do desenvolvimento destes dispositivos, destacando sua relevância educacional e prática na formação de engenheiros.