Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Sklep HeluKabel
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Przetwornica DC/DC zasilana z obwodu DC falownika napięcia

tasiek30 08 Lut 2015 22:44 10272 36
  • Witam wszystkich.

    Chciałbym zaprezentować zaprojektowane i zbudowane izolowane przetwornice DC/DC, zasilane z obwodu DC falownika napięcia, wykonane w ramach mojej pracy inżynierskiej.

    Przetwornica DC/DC zasilana z obwodu DC falownika napięcia Przetwornica DC/DC zasilana z obwodu DC falownika napięcia

    Jako topologia została wybrana przetwornica jednotranzystorowa typu Flyback pracująca w dwóch różnych trybach. Po lewej układ pracujący z ciągłym prądem (CCM) sterowany przez układ UCC2809-1, a po prawej układ pracujący w trybie QR sterowany przez układ UCC28600.

    Zakres napięcia wejściowego przetwornic jest określony w granicach od 150 do 800V. Napięcie wyjściowe układu wynosi 15V przy mocy 40W.

    Przykładowe przebiegi dla trybu CCM przy Uwe=630V i mocy wyjściowej Pwy=40W (CH1-napięcie tranzystora, CH2-prąd strony pierwotnej, CH3-napięcie diody, CH4-prąd strony wtórnej).

    Przetwornica DC/DC zasilana z obwodu DC falownika napięcia Przetwornica DC/DC zasilana z obwodu DC falownika napięcia

    Przykładowe przebiegi dla trybu QR przy Uwe=630V i mocy wyjściowej Pwy=40W (CH1-napięcie tranzystora, CH2-prąd strony pierwotnej, CH3-napięcie diody, CH4-prąd strony wtórnej).

    Przetwornica DC/DC zasilana z obwodu DC falownika napięcia Przetwornica DC/DC zasilana z obwodu DC falownika napięcia





    Skoki obciążenia 10W <-> 30W od lewej CCM oraz QR:
    CH1-napięcie wyjściowe (tryb AC)
    CH4-prąd wyjściowy

    Przetwornica DC/DC zasilana z obwodu DC falownika napięcia Przetwornica DC/DC zasilana z obwodu DC falownika napięcia Przetwornica DC/DC zasilana z obwodu DC falownika napięcia Przetwornica DC/DC zasilana z obwodu DC falownika napięcia

    Obraz z kamery termowizyjnej od lewej CCM i QR Dla Uwe=575V i Pwy=40W po jednej godzinie pracy.

    Przetwornica DC/DC zasilana z obwodu DC falownika napięcia Przetwornica DC/DC zasilana z obwodu DC falownika napięcia

    Porównanie sprawności po lewej w funkcji napięcia dla dwóch m=wartości mocy wyjściowej, a po prawej w funkcji mocy wyjściowej dla 3 różnych napięć wejściowych:

    Przetwornica DC/DC zasilana z obwodu DC falownika napięcia Przetwornica DC/DC zasilana z obwodu DC falownika napięcia

    Zbudowane układy pracują stabilnie w całym zakresie. Sprawność układu pracującego w trybie CCM jest nieco większa, gdyż pracuje on z mniejszą częstotliwością i jego transformator ma mniejszą przekładnię, dzięki czemu są mniejsze straty zwłaszcza w diodzie wyjściowej.

    Układ CCM przy Pwy=10W startuje od 134V A rzy Pwy=40W od 150V
    Układ QR przy Pwy=10W startuje od 45V!! A rzy Pwy=40W od 135V

    Pomimo nieco mniejszej sprawności układu QR wydaje się on lepszym rozwiązaniem ze względu na mniejszy transformator, miękkie załączanie tranzystora, przez co emitowane jest mniej zakłóceń EMI i szerszy zakres napięć wejściowych. Sprawność można poprawić stosując mniej "agresywny" układ snubber network strony pierwotnej oraz stosując układ synchroniczny.


    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz pendrive 32GB.
  • Sklep HeluKabel
  • #2 09 Lut 2015 01:15
    zdzisiek09
    Poziom 12  

    Czy będzie to możliwe aby ujrzeć schemat tego czegoś?
    Pozdrawiam!

  • #3 09 Lut 2015 09:34
    mkpl
    Poziom 37  

    Ładnie wyszło :) Zdjęcia kamerą robiłeś chyba pod światło, bo powierzchnia "świecących" elementów jest błyszcząca i prawdopodobnie zmierzyłeś odbicie czegoś gorącego.

    Trafo nie ma prawa aż tak się grzać...

    Popracuj jeszcze nad dynamiką... 200mV wg mnie jest niedopuszczalne i spokojnie to zredukujesz do ~20, 50mV.

    Zaszumiony szpilkami przebieg napięcia wyjściowego trochę źle zmierzyłeś. Przypuszczam, że sondą.
    Powinno się to robić zwykłym kablem 50R, który do gorącej żyły ma dolutowany opornik z zakresu 100R - 1k i zblokowany pojemnością 10 - 100n do oplotu. Taki obwód wlutowujesz na wyjście zasilacza (ważne krótkie przewody). Natomiast na oscyloskopie BW limit obowiązkowo.

    Dzięki temu będziesz miał w miarę prawdziwy przebieg wyjściowy bez ingerencji w pomiar.

    Jak nie wierzysz. Zamknij klamerkę masy na styku sondy i zbliż do układu :).

    Jeśli chodzi o sprawność i przekładnię trafa, zawsze można zrobić coś ala forward. Tj. Robisz typowy flyback, który na wyjściu ma niewielką pojemność zblokowaną diodą, dalej jest dławik i docelowa pojemność. Dynamikę bierzesz z przed dławika a pomiar napięcia z za dławika. Dzięki temu masz dodatkowy element gromadzący energię i wygładzający napięcie wyjściowe.

    Jaki masz prąd tętnień kondensatorów wyjściowych? i jakie zastosowałeś (jak dobrałeś) pod ten prąd?

  • #4 09 Lut 2015 11:12
    sstasinek
    Poziom 12  

    Czy przetwornica jest fragmentem pracy inżynierskiej czy to w całości ta konkretna praca?
    "falownika napiecia DC" - że co prosze?
    Popraw bo nie jest dla mnie jasne, czy ramach pracy inżynierskiej zaprojektowałeś falownik a przetwornice DC przedstawiasz jako wycinek zasilania cześci sterujacej?

  • #6 09 Lut 2015 15:04
    tasiek30
    Poziom 9  

    Jeżeli chodzi o schemat to nie zamierzam go udostępniać jak narazie

    W przypadku dynamiki to raczej mało prawdopodobne żebym poprawił znacząco odpowiedź układu. Mniejsze przeregulowanie można uzyskać dodając większą pojemność na wyjściu. To że napięcie spadło lub wzrosło o taką wartość głównie wynika z zasady działania samej przetwornicy - energia jest gromadzona w jednym cyklu a oddawana w drugim przez co podczas skoku obciążenia kontroler zwiększa wypełnienie jednocześnie skracając czas oddawania energii do odbiornika w drugim cyklu. Potrzeba kilka okresów aby przekazywana energia rzeczywiście wzrosła podnosząc napięcie wyjściowe.

    Napięcie wyjściowe jest mierzone sondą i zdaje sobie sprawę że jest dosyć mocno zakłócane

    Owszem można dodać dodatkowy dławik filtrujący polepszający jakość napięcia wyjściowego, jednakże jest to dodatkowy element...

    Prąd tętnień masz na oscylogramach. Można wyznaczać go analitycznie. Wujek google pomoże zawsze obliczyć wartość prądu RMS :)

    Jeżeli chodzi o nazewnictwo to trochę nie zrozumiałeś. Po pierwsze ja u siebie nie widze takiego zdania : "falownika napiecia DC". Wycięte z kontekstu. Tematem pracy jest przetwornica DC/DC taka jak na zdjęciach. Dalej mamy źródło zasilania - obwód pośredniczący DC falownika napięcia - napięcie jest brane z wyprostowanego napięcia 3 fazowego poprzez prostownik diodowy i kondensator co definiuje przede wszystkim zakres napięć wejściowych. Generalnie układ ma służyć do zasilania części sterowania falownika

    Jeżeli chodzi o ramkę to fakt jest dosyć blisko - ogólnie najlepiej żeby w ogóle jej tam nie było. Tak czasami to już jest z płytkami wytrawianymi we własnym zakresie

  • #7 09 Lut 2015 19:53
    olinek2
    Poziom 23  

    Jedyna metoda na napięcie wyjściowe i tętnienia to kabel prosto w wyjście przetwornicy, każda sonda będzie zbierała. Co ważne w takich układach tętnienia wynikające z cykli są praktycznie najmniejszym problem, największym jest to co przecieka przez ESL i ESR plus pojemności pasożytnicze dławika w PI filtrze.

    Czemu taka rozwleczona płytka?! Argument napięć nie jest wystarczający, bo od tego są frezy. A taki układ PCB sieje aż miło.

    Co to snubber network? Chyba chodziło Ci o snubber topology, gdzie mamy gasiki RC, RDC etc. do jeszcze sporo innych bardziej rozbudowanych. Jak już piszemy po polsku to piszmy gasik ;)

    Niemniej jednak dobrze, że ktoś próbuje coś na polu przetwornic, bo dzisiaj ludzie uważają że jakoś to będzie, wystarczy układ aplikacyjny od producenta i już. Schody zaczynają się jak trzeba coś mniej standardowego, albo o wyśrubowanych parametrach.

    Patrzyłeś jak przetwornica sieje w sieć albo w eter?

  • Sklep HeluKabel
  • #8 10 Lut 2015 17:53
    tasiek30
    Poziom 9  

    Jeżeli chodzi o wielkość to nic tu strasznego nie wyczaruje. Elementy mają swoje wymiary i tyle. Docelowo można pozbyć się tego dużego kondensatora na wejściu zastępując go elektrolitami ale i tak potrzeba co najmniej dwóch połączonych szeregowo na wejściu.

    Pisze snubber network bo z tą nazwą spotykałem się najczęściej. W literaturze nie miałem żadnej polskiej pozycji...

    Jeżeli chodzi o zakłócenia, to nie, nie miałem jak ich sprawdzić w jakiś w miarę profesjonalny sposób....

  • #9 10 Lut 2015 17:55
    olinek2
    Poziom 23  

    Oj wyczarować byś mógł, klucz bliżej trafa, gasik inaczej, blokadę DC tak samo. Wtórną też by się dało poskracać.

  • #10 10 Lut 2015 18:04
    tasiek30
    Poziom 9  

    Między kluczem a trafem aż tak strasznie dużo miejsca nie ma. Jeżeli chodzi o gasik to nie mogłem za blisko bo chciałem zostawić miejsce na pomiar prądu transformatora. W tym układzie wykorzystałem rezystory SMD ale lepiej żeby były one na górze niż na dole a nawet lepiej żeby były przewlekane więc sporo by się zmieniło....

    Układ projektowałem też pod względem jak najmniejszej ilości przelotek żeby za mocno się nie na męczyć :P

  • #11 10 Lut 2015 18:06
    olinek2
    Poziom 23  

    Czemu przewlekane? SMD mają dużo mniejszą indukcyjność pasożytniczą i mniej dzwonią.
    Pętla pierwotnego powinna być jak najmniejsza. Gasik spokojnie można było by dać w połowie SMD.

  • #12 10 Lut 2015 19:43
    pawlik118
    Poziom 25  

    Praca w QR nie wymaga mniejszego transformatora. Mała przekładnia transformatora nie zawsze przekłada się na mniejsze straty w diodzie wyjściowej. Zmniejszanie przekładni zwiększa napięcie zaporowe na diodzie wyjściowej. Jeśli jest tam dioda Schottky, to jej prąd wsteczny zwiększa się wraz z napięciem. Dla napięć kilkuset V, prąd upływu tej diody x napięcie na diodzie generuje moc na tyle dużą, że ma ona udział w ogólnych stratach na tyle, że warto ją wyznaczyć.

    W kwestii "dynamiki" czyli czasu odpowiedzi / przeregulowania to jest tak, że ten
    parametr zależy w gównej mierze od wartości elementów w kompensacji sprzężenia zwrotnego. Zwiększenie pojemności wyjściowej zwiększa czas ładowania tej pojemności.

    W kwestii uściślenia, Flyback to w zasadzie jedyna topologia która pozwala
    realizować zasilacze na bardzo szerokie zakresy napięć zasilających. Jednym z
    ograniczeń jest maksymalny prąd wyjściowy, który ładuje pojemności wyjściowe w
    fazie transformowania energii z rdzenia transformatora na wyjście. Pik prądu
    należy określić, i do niego właściwie dobrać kondensatory wyjściowe (elektrolity)
    pod kątem ich dopuszczalnego prądu pracy. Często ta kwestia jest pomijana co

    przekłada się na szybkie uszkadzanie przetwornic tego typu (problem znany choćby ze starych TV).

    Kto projektował trafo? :)

  • #13 10 Lut 2015 20:17
    olinek2
    Poziom 23  

    Patrząc na trafa celuje w ferystera ;)

    Co do elektrolitów to podstawowy parametr przy doborze. Warto przeszperać rynek bo co miesiąc niemal się nowe pojawiają coraz lepsze :). Do niskich napięć polecam polimerowe, mają niesamowicie przyjemne parametry, szczególnie ESR i niskie ESL.

  • #14 10 Lut 2015 21:10
    pawlik118
    Poziom 25  

    Ja stosuję dużo panasonica, można kupić w farnelu http://www.farnell.com/datasheets/1855691.pdf
    Polimerowe mają niskie ESR co we flyback'ach może powodować problemy z opanowaniem stabilności. Też stawiam na Feryster, ciekawe czy kolega sam projektował trafo, czy zlecił to Ferysterowi?>

  • #15 10 Lut 2015 21:16
    olinek2
    Poziom 23  

    Ja Nichicony z reguły i United Chemi (Nippon), mają fajne nowe serie w dobrych cenach w Mouserze i Digi. Chociaż też nowe MLCC są już czasem wystarczające by obyć się bez elektrolitów :), a i są też wersje HV.

  • #16 10 Lut 2015 22:06
    tasiek30
    Poziom 9  

    Kondensatory na wyjściu to Panasonic seria FR

    Jeżeli chodzi o trafo to wszystkie parametry były wyliczone przeze mnie takie jak przekładnia, indukcyjność, wartości prądów. Na tej podstawie feryster dobrał rdzeń i ilośc zwojów wykonał sam transformator

    Na taki zakres napięć wejściowych jeszcze można by się pokusić o half bridge. Wiem że są kontrolery ale nie wiem czy do górnego klucza potrzeba driver dodatkowy czy może układ ma wbudowany układ bootstrapu

    Być może w przyszłości będzie wykonana przetwornica już na "profesjonalnej" płytce może nawet 4 warstwowej dzięki czemu bedzię można zmniejszyć wszystkie pętle prądowe bo to rzeczywiście oprócz odległości między ścieżkami jest najbardziej istotne

  • #17 10 Lut 2015 22:20
    pawlik118
    Poziom 25  

    No to gratulacje zrobienia projektu. W projekcie PCB warto wziąć pod uwagę unikanie pętli masy, i dobre jej poprowadzenie. Ja zwykle stosuję wspólny punkt masy blisko mosfet'a i kondensatora foliowego którego też daję w tej okolicy.

  • #18 10 Lut 2015 22:55
    olinek2
    Poziom 23  

    Jak nie ma miejsca na foliowy polecam SMD HV MLCC :) dają radę, sprawdzałem na LISN :)

  • #19 10 Lut 2015 23:26
    tasiek30
    Poziom 9  

    Foliowy jest tyle ze aż tak nie blisko Mosfeta. Bliżej strony pierwotnej. Punkt wspólny masy części silnoprądowej i sterowania mam właśnie przy kondensatorze foliowym. Jeżeli chodzi o projekt PCB to najbardziej się sugerowałem tym dokumentem od firmy Fairchild: https://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-6094.pdf

    Tak się zastanawiam czy nie lepiej byłoby żeby odwrotnie były skojarzone cewki.... albo żeby odwrotnie połączyć strone wtórną. Wtedy miałbym mosfet u góry PCB. Może wtedy bym uzyskał mniejszą pętlę.

    olinek2 mógłbyś podesłac jakis link do tych kondensatorów. I co oznacza LISN?

  • #20 11 Lut 2015 11:30
    tasiek30
    Poziom 9  

    W przyszłości ma być także budowana przetwornica z 3 wyjściami. Czy może ktoś z was ma jakieś uwagi. m.in. dotyczące łączenia mas poprzez kondensatory CY? Z tego co się orientuje najlepiej byłoby te właśnie kondensatory łączyć do przewodu PE z każdą masą 3 wyjść i wejścia.

  • #21 11 Lut 2015 18:20
    mkpl
    Poziom 37  

    Na pewno przydał by się CY między masą "gorącą" i "zimną" obok transoptora by połączyć "radiowe" potencjały, które obecnie niekontrolowanie przenoszą się przez pojemności trafa.

    Każdy z kanałów wyjściowych czy to + czy - łączysz przez CY do PE (+ czy - obojętne bo dla zakłóceń jest to połączenie "zwarte"), oczywiście w przypadku gdy każdy z kanałów jest całkowicie odseparowany. Stronę pierwotną też musisz podpiąć wtedy na PE.

    W zależności co będziesz zasilał warto się zainteresować filtrami wejściowymi, wyjściowymi na dławikach sprzężonych. Dla niskich napięć wystarczą MKT. Dobór to już głownie charakterystyki, dławików w funkcji prądu magnesującego itp a później testy z analizatorem widma.

    Warto też wrzucić koraliki ferrytowe na nogi diody wyjściowej. Diody z swej natury są źródłem wszelakich śmieci szerokopasmowych w zasilaniu (ostre zbocza przy przełączaniu).

  • #22 11 Lut 2015 22:13
    pawlik118
    Poziom 25  

    LISN to sprzęt - rodzaj filtru złożonego z dobrych dużych cewek powietrznych. Zaczyna się wtyczką a kończy gniazdkiem zwykle 230V. Schemat urządzenia zamyka się w kilku-nastu elementach a kosztuje nie mało. Używa się tego do "odseparowania" badanego zasilacza od sieci zasilającej aby można było wykonać pomiar zaburzeń przewodzonych od zasilacza do sieci zasilającej. Line Impedance Stabilization Network. Z tego też sprzętu jest wyjście na analizator widma. W ostatnim flybacku zrobione mam tak, że patrząc na trafo od góry jest V+, potem Dren, następnie GND i BIAS. Pomiędzy GND a Dren wchodzi mosfet, a pomiędzy V+ a GND kondensator foliowy. Ze snubberem też nie ma problemu bo jest wpięty pomiędzy V+ a Dren. Wszystko w miarę blisko siebie, a wspólny punkt masy to miejsce gdzie źródło mosfeta łączy się z kondensatorem foliowym i transformatorem. Takie rozwiązanie kiedyś polecił mi Pan Roman z Ferystera i się ono u mnie przyjęło.

  • #24 12 Lut 2015 11:53
    nsvinc
    Poziom 35  

    W QR nie ma sensu gasić diody, bo jej komutacja jest (w miarę) naturalna; znacznie lepiej gasić klucz...

  • #25 12 Lut 2015 12:13
    olinek2
    Poziom 23  

    w QR tak :). Klucz i tak warto gasić zawsze tym bardziej że często napięcie odbicia jest bardzo wysokie :)

  • #26 12 Lut 2015 23:10
    tasiek30
    Poziom 9  

    a czy ktoś z was ma jakieś materiały dotyczące doboru kondensatorów przeciwzakłóceniowych. Sam polegam na wiedzy innych ale widzę potrzebę dokładnego zgłębienia tematu. Niestety tak jest, że wszyscy znają zasadę działania urządzeń (tutaj zasilaczy) ale wykonanie układu i to takiego, który nie będzie emitował i będzie odporny na zakłócenia to już nie lada sztuka.

  • #27 12 Lut 2015 23:12
    olinek2
    Poziom 23  

    Książek masz masę, ale w gruncie rzeczy i tak potem sprowadza się to do doświadczenia...

  • #28 13 Lut 2015 22:47
    pawlik118
    Poziom 25  

    Co do dławików wejściowych, to kiedyś robiłem testy. Najlepsze tłumienie uzyskałem na dławiku 2,2mH o średnicy 20mm z Ferystera. Zwoje nawijane tak, aby końce uzwojeń były po przeciwnych bokach rdzenia. Zwiększanie indukcyjności pogarszało tłumienie. Podejrzewam że przez to że zwoje nachodziły jeden na drugi. Do tego oczywiście 2x150n

  • #29 13 Lut 2015 22:49
    emil
    Poziom 15  

    Kolego "tasiek30" projektowanie przetwornic typu Flyback to obecnie sprawa dla Technika Elektronika, a dla inżyniera wyzwaniem jest zaprojektowanie przetwornicy rezonansowej o kluczowaniu powyżej 200KHz.

  • #30 13 Lut 2015 23:52
    mkpl
    Poziom 37  

    Jeśli chodzi o filtry przeciw-zakłóceniowe to tego nie da się wyliczyć.... jedynie próby i testy na żywym układzie z gotowym drukiem (chodzi o ścieżki mocy) i mozolne dobieranie dławików i kondensatorów klasy X do zmieszczenia się w normie. Możesz też zastosować rozmywanie widma przez przestrajanie generatora z jakąś tam częstotliwością. Powoduje to rozmycie energii widma promieniowanego przez zasilacz dzięki czemu rozkłada się ono w postaci prążków znacznie niższej amplitudy i pozwala zmieścić się w normie.