Transformator do HALF-BRIDGE

Question

Zastanawiam się jak policzyć uzwojenie pierwotne transformatora dla Half-bridge. Nie interesuje mnie na razie wtórne, bo skoro zwykłe trafo można podł...

jarek_lnx · Accepted Answer

Prąd magnesowania ma kształt trójkątny i zależy tylko od napiecia - nie ma związku z obciążeniem, ponieważ na rezystorze jest napiecie prostkokątne to i prąd obciążenia będzie prostokątny, prąd ten przeniesie sie przez przekładnię i razem z prądem magnesowania zsumuje sie na prąd pierwotny, Zwiększanie prądu obciazenia nie zmieni indukcji w rdzeniu wiec wbrew powszechnej opinii rdzeń nie ogranicza mocy przenoszonej przez transformator ograniczeniem jest ilość miejsca na uzwojenia

_jta_ · Accepted Answer

Z tysiącem zwojów to indukcyjność by było 100mH (nie 1H: mamy AL=100, L=N^2*100nH) częstotliwość rezonansowa mogłaby wyjść rzędu 30kHz - a nie należy robić niższej, niż częstotliwość pracy przetwornicy. Czyli nie należy przekraczać około 300 zwojów - to jeszcze zależy od sposobu nawinięcia, grubsze przekładki (zwłaszcza zawierające sporo powietrza) zmniejszają pojemność, nawijanie warstw od tego samego końca (po nawinięciu warstwy wracamy do początku i tam zaczynamy następną) też...Tak, tylko prąd pracy jałowej daje wkład do pola w rdzeniu i powoduje jego grzanie. Poza tym napięcie blisko rdzenia - warto zrobić luźny karkas i coś pod niego wepchać, np. odrobinkę styropianu. Zwłaszcza daleko od rdzenia powinny być "gorące" warstwy uzwojenia (bliskie tego końca, który będzie miał napięcie zmienne względem masy), ale jak będą bliskie innego uzwojenia, to wyjdzie większa pojemność...

_jta_ · Accepted Answer

Parametry szczeliny: S (pole powierzchni) i d (szeroko¶ć - odległo¶ć powierzchni, które zostały od siebie odsunięte); ale je¶li odsuwamy od siebie dwie czę¶ci rdzenia, to powstaj± zwykle dwie szczeliny (chyba, żeby rdzeń był jako¶ sprytnie zrobiony tak, by była tylko jedna) - trzeba będzie policzyć wkład od obu. Szczelina ma swój własny AL=µ0*S/d, gdzie µ0=0.4π nH/mm (0.4π=1.256637).

Je¶li mamy rdzeń, który bez szczeliny ma pewn± warto¶ć AL=AL0, to aby wyliczyć AL ze szczelinami, należy dla każdej szczeliny policzyć jej AL, dodać ich odwrotno¶ci, i wzi±ć odwrotno¶ć z sumy (czyli dla 2 szczelin AL=1/(1/AL0+1/AL1+1/AL2), gdzie AL1 i AL2 s± wyliczone z wzoru AL=µ0*S/d dla obu szczelin).

Chyba łatwiej intuicyjnie zobaczyć, o co chodzi (ale tylko dla rdzenia o stałym przekroju S), je¶li AL przeliczymy na szeroko¶ć szczeliny d=µ0*S/AL (dla AL=100 i S=1cm2, d=~1.26 mm): po złożeniu rdzenia tak, by powstały szczeliny, dodajemy ich szeroko¶ci do szeroko¶ci "szczeliny wewnętrznej" rdzenia, co jest do¶ć naturalne i oczywiste, a potem sumę szczelin przeliczamy na AL, żeby wyliczyć indukcyjno¶ć.

See also:
24.11.2004 Ładowarka akumulatorków z płynn± regulacj± - LM 317
23.02.2003 Prostownik do ładowania akumulatorów (auto)

komatssu · Answer

1. Co to za dziwny rdzeń z tak niskim AL?2. Bmax=1T to stanowczo za dużo, ferryty nasycają się przy 300mT, a przy 100kHz lepiej nie przekraczać 100mT.

szeryf.rm · Answer

Np. Sendust albo High Flux Coresczyli nieco wyższa półka jeśli chodzi o częstotliwości i Bmax. MPP nieco gorsze, ale też mają do 0,8T.https://www.cwsbytemark.com/mfg/sendust.phpJeśli wszystko rozumiem, to powyższe moje założenia są zgodne np. z sendustami. A co dalej z obliczeniami? Oczywiście wiem, że założyć jakiś margines zapasu itd. ale to już przy realnych obliczeniach, a tam są tylko wstępne i bardziej teoretyczne związane z problemem dużego prądu. Zresztą założenie Bmax = 0,7T co byłoby już i tak z zapasem to nadal wyniki są "dziwne" i niczego w moim pytaniu nie zmieniają .

_jta_ · Answer

Nie wiem, skąd taki wzór: jeśli masz pole przekroju rdzenia 1cm2, a indukcja ma się zmieniać między -1T, a +1T z okresem 10us (przez 5us od -1T do +1T), to szybkość zmian strumienia magnetycznego będzie 40Wb/s, co odpowiada 40V/zwój (średnie napięcie w połówce przebiegu) - a więc 8 zwojów dla 320V to minimum ze względu na nasycenie rdzenia. Co do prądu, to do nasycenia rdzenia, który przy polu przekroju 1cm2 ma AL=100 (żeby mieć AL=100 wystarczy szczelina 1.26mm) potrzeba 1000A*zwój (a więc 125A przy 8 zwojach). To oznacza magazynowanie w rdzeniu energii 20kJ i związaną z tym moc bierną 4GW (i jest kwestia, ile z tego będzie zamieniane w ciepło). Pytanie, czy w twoim układzie to magazynowanie energii jest wykorzystywane, czy stanowi stratę?

komatssu · Answer

To są rdzenie do dławików, a nie transformatorów.

szeryf.rm · Answer

Mam zwykły układ halfbridge, tylko uzwojenie pierwotne, bez wtórnego na razie, biegnące luzem po 45% wypełnienia, czyli można przyjąć 50% dla uproszczenia. Układ to zasilanie (przyjmijmy, że mam idealne zasilanie 2x160V bez kond), 2 tranzystory, trafo z uzw. pierwotnym, układ kluczownia tranzystorów i nic więcej. W takim razie co się będzie działo z ciepłem? Takie prądy płynące przez rezystancję uzwojenia + rezystancję złącza tranzystorów dadzą odpowiednie straty rzędu:P=I^2 * (Ruzw + Rds)? Oczywiście trzeba uwzględnić tutaj narastanie prądu itd., że trzeba całkę, żeby policzyć dokładnie, ale chodzi mi tylko czy ten wzór to krok w dobrym kierunku?A więc, jeśli prądy płynące przez taki rdzeń dochodziłyby do 125A to takie też tranzystory byłyby potrzebne i odkładałoby się na nich tyle ile wynika z powyższego wzoru? Jeśli tak, to liczba zwojów musi być taka, aby nie przekraczać prądu tranzystorów, temperatury uzwojenia itd, a więc tylko sam wzór na Npri to zdecydowanie za mało jak są takie rdzenie i trzeba i tak więcej nawijać?

_jta_ · Answer

Przede wszystkim kwestia: czy w twoim układzie energia zmagazynowana w polu magnetycznym jest wykorzystywana i stanowi podstawę działania przetwornicy (tak jest w przetwornicy flyback i innych dwutaktowych), czy tracona (tak jest w przetwornicach jednotaktowych)? Je¶li jest tracona, to należy j± zmniejszyć, stosuj±c rdzeń o dużo większym AL. A poza tym, jaka może być indukcja w tym rdzeniu przy jakiej częstotliwo¶ci, żeby go nie przegrzać? Jest wiele ograniczeń, które trzeba uwzględnić przy projektowaniu, nie tylko maksymaln± indukcję i maksymaln± częstotliwo¶ć, ale i moc strat.

See also:
24.11.2004 Ładowarka akumulatorków z płynn± regulacj± - LM 317
23.02.2003 Prostownik do ładowania akumulatorów (auto)

szeryf.rm · Answer

No właśnie, jedno czy dwutaktowa? Załóżmy, że to halfbridge zasilany 320V, bez dławika w uzwojeniu wtórnym? To jak to wtedy jest z tym taktem? Mi się wydaje, że jedno taktowa.Druga sprawa to chyba moc tracona w rezystancjach np. tranzystorów jest odpowiadająca prawu ohma i można narysować wykres P(t)=I(t)^2/Rds ? I tak samo dla uzwojeń można zrobić? To chyba dobrze rozumiem i to jeden z elementów strat? Bardzo proszę odnieś się do tego, bo na tym akurat mi zależy, bo nie wiem czy ta część jest dobrze przez mnie rozumiana.Znalazłem np. takie wykresy dla sendusta.http://www.kdm-mag.com/td/12.shtmlZ przedostatniego wykresu odczytuję, że dla 100kHz przy 100mT straty wychodzą na poziomie 1W na cm3, a więc jak rdzeń miałby 20cm3, to straty byłyby 20W co dodatkowo trzeba byłoby odprowadzić co nie byłoby łatwe zapewne z małego rdzenia. Dobrze to obliczyłem? A dla 1T byłoby to ze 100W na cm3 do odprowadzenia przy 100kHz, a więc rzecz nierealna zupełnie przy pracy ciągłej.

_jta_ · Answer

W jednotaktowych należy dążyć do uzyskania jak największej indukcyjności, więc rdzeń z AL=100 jest zdecydowanie nieodpowiedni. Co ma się dziać z energią zgromadzoną w cewce, kiedy wyłącza się jeden tranzystor, a włącza drugi? Jeśli będzie się zamieniać w ciepło, to może go być za dużo. Ale może da się ją odzyskać i odprowadzić z powrotem do zasilania?Tak, moc tracona w opornościach (Rds tranzystora, uzwojenie, połączenia) jest istotna - również ze względu nią w jednotaktowych dąży się do tego, żeby w uzwojeniu pierwotnym płynął głównie prąd odpowiadający obciążeniu uzwojeń wtórnych, a prąd magnesowania rdzenia był jak najmniejszy.Wygląda na to, że wybierając rdzeń trzeba zwracać uwagę nie tyle na indukcję nasycenia, co na wielkość strat - istotne jest, przy jakiej indukcji uda się odprowadzić ciepło powstające w rdzeniu i możliwe, że jakiś materiał o mniejszej indukcji nasycenia będzie miał mniejsze straty i będzie działał z większą indukcją. Z tego, co ja widzę na tym wykresie, to przy 100kHz (linia 5) straty wyniosą 1W/cm3 przy indukcji około 33mH - a to oznacza, że trzeba nawinąć 30 razy więcej zwojów.Z tą mocą i obliczeniami to jednak się pomyliłem, i to grubo: 1000A w indukcyjności 100nH to tylko 50mJ (W=1/2 L*I^2), to przy 100kHz odpowiada mocy 10kW. Ale potrzebujemy zmniejszyć indukcję 30 razy, a więc energię magazynowaną 900 razy - wyjdzie 11W. Pewnie dobrze by było, żeby i z tego większość odprowadzić z powrotem do zasilania, zamiast grzać tym tranzystory.

szeryf.rm · Answer

No tak, ale to chyba wróci do zasilania, a więc główne straty to:* rdzeń na podstawie jego parametrów* złącza tranzystora* straty w uzwojeniachTo są straty najwyraźniej w przypadku uzw. pierwotnego. Czy wszystko się zgadza z tego co napisałem wg Ciebie? czyli jak mam prąd zmieniający się np. +/-10A, z czego większość do zasilania wraca, to tranzystory muszą wytrzymywać tak ten prąd "mocy biernej" a nie tylko moc czynną?

_jta_ · Answer

Ops, pomyliłem jednostkę: miały być nie 33mH, tylko 33mT - chodziło o indukcję magnetyczn±.

320V na indukcyjno¶ci 5.76mH da szybko¶ć narastania pr±du 56mA/us, czyli przez 5us (pół okresu) to będzie 280mA. Albo i dwa razy mniej: na pocz±tku półokresu pr±d będzie -140mA, na końcu +140mA; indukcja będzie się zmieniać od -33.6mT do +33.6mT. Tylko, że to będzie dla 240 zwojów - pytanie, jaki może wtedy być przekrój drutu.

See also:
24.11.2004 Ładowarka akumulatorków z płynn± regulacj± - LM 317
23.02.2003 Prostownik do ładowania akumulatorów (auto)

szeryf.rm · Answer

Właściwie w tym przypadku rozwiałeś większość moich wątpliwości, bo skoro nie może być zbyt mało zwojów tak jak sądziłem, to zwieszenie ich liczby oczywiści rozwiewa wątpliwości. Przy okazji tylko swoimi obliczeniami utwierdziłeś mnie w przekonaniu, że znalezione przeze mnie informacje i wzory prawidłowo poukładałem.Mam tylko ostatnie pytanie dotyczące uzw. pierwotnego i tego co napisałem już wcześniej.Skoro nadmiar chyba wróci do zasilania, to główne straty to: * rdzeń na podstawie jego parametrów * złącza tranzystora * straty w uzwojeniacha tranzystory muszę wytrzymywać prąd maksymalny wynikający z mocy biernej pobieranej przez trafo a także mocy czynnej.Czy powyższe dobrze zrozumiałem?

_jta_ · Answer

Myślę, że tak. Rozumiem, że half-bridge to coś takiego: https://obrazki.elektroda.pl/4577855900_1305614035.jpgi to oznacza, że transformator dostanie połowę napięcia zasilania (320V), a więc prostokąt o amplitudzie 160V?

szeryf.rm · Answer

No, mniej więcej o taki schemat chodzi.

Spójrz jeszcze na to:
http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps_e/hgw_smps_e.html

Dobry jeste¶ w te klocki z obliczeniami i teori± to pewnie to też mi podpowiesz.
Zastanawiam się nad tym kalkulatorem. On nie uwzględnia ile zw. N1 i N2 tylko przekładnie. Powiedz mi co byłoby, gdybym na rdzeniu nawin±ł specjalnie bardzo dużo zwojów, tak że pierwotne byłoby np. 1000zw, wtedy mieliby¶my:
Npri = 1000zw.
Ae = 1cm2 = 100mm2
AL=1000nH <- tutaj dałem specjalnie 1000nH, a nie 100 tak jak poprzednio, żeby pokazać o co chodzi
Przekładnia trafa np. 20:1

Je¶li Npri=1000zw to ind. pierwotnego uzwojenia wynosi: L=1000^2*1000=1000mH=1H
Przy takiej indukcyjno¶ci Imax dla rdzenia dla 1T wyniesie 0,1A (liczę dla max 1T, bo w końcu tyle jest dla tego rdzenia), ale podczas pracy bez obci±żenia pr±d jałowy wyniesie +/-400uA.
Przekładnia jest 20:1 więc na wtórnym jest 50 zw. Dławik na razie ze schematu wyj¶ciowy pomińmy, mostek też, mamy trafo 1000:50 zw o podanych parametrach. Na wyj¶ciu powinno być napięcie 160:20=8V.
Podpinam rezystor bezpo¶rednio na wyj¶ciu 2 ohmy, a więc teoretycznie popłynie 8/2=4A przez rezystor a pr±d wej¶ciowy wyniesie tyle co przekładania transformatora czyli około 20 razy mniej, więc 4/20=0,2A.
I teraz moje pytanie. Jak drugie uzwojenie wpływa na pierwsze uzwojenie na maksymalny pr±d Imax, bo normalnie bez obci±zenia wynosi 0,1A, a jak obci±żamy wtórne to nadal wyniesie 0,1A, czy też wzro¶nie jako¶ proporcjonalnie do zmian na wyj¶ciu?

szeryf.rm · Answer

Ograniczeniem mocy są jeszcze straty w rdzeniu do czego udało się dojść w tym wątku .Czyli jeśli dobrze zrozumiałem nie dojdzie do nasycenia rdzenia, bo do niego teoretycznie nigdy nie dojdzie pod wpływem obciążenia i obciążenie może być nawet teoretycznie (pomijając wszystkie inne ograniczenia) 100A to po pierwotnej będzie 100A/20przekładnia=5A i nie ma znaczenia, że z prądu nasycenia wychodzi tylko 0,1A, bo oba prądy się sumują ale tylko ten z pracy jałowej jest prądem, który ważny jest dla nasycenia?I to samo dotyczy wszelkich innych obciążeń na wyjściu czy tylko samej rezystancji? Mostek z diodą i dławikiem wyjściowym to ta sama zasada?

szeryf.rm · Answer

A więc wszystko jasne, wreszcie ktoś to jasno mi wyjaśnił.Pozostaje mi już tylko jedno banalne zapewne dla Ciebie pytanie.Chodzi mi o szczelinę. Jeśli mamy dany rdzeń bez szczeliny, są podane parametry np. Ae, AL, Bmax, wymiary to jak z tego policzyć jaki zmianę AL dla szczeliny? Jak Ty to policzyłeś wcześniej?

szeryf.rm · Answer

Dzięki za informacje.Wszystko jest jasne z tego co tutaj napisano.

szeryf.rm · Answer

Jeszcze mam jedno pytanie teoretyczne zwi±zane poniek±d z tematem.

Zakładaj±c, że rdzeń ma Imax=200A oraz rezystancja uzwojenia R=1ohm i L=10uH, rezystancja tranzystora np. 0,5ohm. Podł±czaj±c ten rdzeń pod napięcie prostok±tne 1kHz 100V o wypełnieniu 50% to ile energii zgromadzi się w rdzeniu?
Widać wyraĽnie i nie ma co tu liczyć, że na pewno popłynie pr±d 100V/1ohm = 100A i więcej nie popłynie.
I teraz podstawiam to do wzoru 0,5*L*I^2=0,05J?
A więc moc będzie równa 0,05 / (1/2000)=100W?
I nie ma tu znaczenia, że przed końcem cyklu właczenia tranzystora napięcie na cewce będzie wynosić 100/1,5ohm*1=67V, na tranzystorze 33V?
Ważne jest tylko to, że w momencie wył±czenia przez cewkę płynie 100A i tylko to jest ważne, napięcie na niej jest bez znaczenia zupełnie?

_jta_ · Answer

Ale prąd cewki będzie nie 100A, a niecałe 2/3 tego... to oznacza moc magazynowaną 44.4444W, przy założeniu, że prąd płynie na zmianę w dwóch kierunkach. A i to tylko przy braku obciążenia. Nie wiem tylko, jak chcesz uzyskać taką oporność przy takiej indukcyjności - mam wrażenie, że cewka 10uH bez rdzenia ma dziesiątki razy mniejszą oporność, a z rdzeniem jeszcze mniejszą.

szeryf.rm · Answer

Tutaj jedynie tylko teoria, nie ma sensu wdawać się w szczegóły, bo to po prostu czyste zadanie teoretyczne, bo to do czego to potrzebuje jeszcze nawet nie jest przeliczone. Bardziej mi to potrzebne, żeby zrozumieć jak to działa.Faktycznie, źle policzyłem ten prąd, bo na początku napisałem bez Rtranzystora, potem Rtr dodałem i tak przez to nie wszystko dobrze napisałem. A więc z tego co napisałeś, to napięcie odłożone na cewce nie ma nic do energii zmagazynowanej w rdzeniu, która zależy tylko od tego ile w danej chwili przepływa prądu? A więc w przypadku sterowania 1kHz 50%/50% raz w jedną raz w drugą to byłoby ok 44W, w przypadku sterowania na zasadzie włącz, wyłącz, to w chwili wyłączenia prądu cewka odda zmagazynowaną energię, która w tym przypadku byłaby 22W (tak jak w przetwornicach typu np. step_up)? Dobrze zrozumiałem?

_jta_ · Answer

Energia zmagazynowana zależy od charakterystyki cewki (w zakresie liniowym wystarczy indukcyjno¶ć) i od pr±du, jaki przez ni± płynie. Dobrze zrozumiałe¶, przy pracy wł±cz/wył±cz podczas wył±czania cewka by oddawała energię, która przy częstotliwo¶ci 1kHz dawała moc 22W. I byłoby to niewiele w porównaniu do mocy strat na oporno¶ci cewki, która byłaby 100 razy większa - czyli miałby¶ sprawno¶ć 1%. Jakkolwiek zwiększenie częstotliwo¶ci spowodowałoby zwiększenie mocy oddawanej bez zwiększenia mocy strat - przy 100kHz miałby¶ już sprawno¶ć 50%. Oczywi¶cie to bardzo teoretycznie - taka moc strat szybko by zniszczyła cewkę...

Sensowne jest zrobienie cewki tak, by stosunek indukcyjno¶ci do oporno¶ci był dużo wyższy - np. około 1000 razy. Oporno¶ć cewki nie powinna być ograniczeniem jej pr±du - pr±d na pocz±tku narasta z szybko¶ci± U/L (U=napięcie, L=indukcyjno¶ć) - dla L=10uH i U=100V to by było 10A/us; tranzystor powinien się wył±czyć, gdy spadek napięcia na oporno¶ci cewki jest jeszcze znacznie mniejszy od napięcia zasilania, czyli w tym wypadku np. po 2us - wtedy pr±d sięgnie 20A, moc strat 400W (ale ¶rednia podczas narastania będzie 133.3W), a przy wył±czaniu cewka będzie miała do oddania energię 0.5*10uH*20A*20A=2mJ; powiedzmy, że oddawanie energii zajmie jej to kolejne 2us, podczas który nadal będzie ¶rednio tracić 133.3W, wtedy straty podczas oddawania będ± 2us*133.3W=267uJ, czyli cewka odda tylko 1733uJ, a przedtem pobrała 2267uJ (2mJ zmagazynowane + straty), więc sprawno¶ć będzie 76%. Krótszy czas magazynowania poprawi sprawno¶ć. To oczywi¶cie w dużym uproszczeniu, bo przy zwiększonej częstotliwo¶ci oporno¶ć jest większa i s± jeszcze inne straty.

See also:
24.11.2004 Ładowarka akumulatorków z płynn± regulacj± - LM 317
23.02.2003 Prostownik do ładowania akumulatorów (auto)

szeryf.rm · Answer

Ok, to wszystko rozumiem już z tej części.I zostało mi tylko ostatnie pytanie.Jakie korzyści są z topologii Half-bridge i Full-bridge? Wiem już, że energia nie jest magazynowana w rdzeniu poza mocą bierną w przeciwieństwie do np. flyback gdzie to rdzeń decydował o tym ile energii było przekazywane na wyjściu. Zastanawiam się jeszcze nad poziomem zakłóceń wprowadzanych do sieci w przypadku tych dwóch topologii half/full oraz flyback w trybie ciągłym i nieciągłym.