Sprawdzenie schematu przetwornicy DC/DC obniżającej napięcie do paneli słoneczny

Witam
Zwracam się z prośbą o sprawdzenie schematu przetwornicy DC/DC w topologii buck. Przekształtnik będzie pobierał energię z paneli i dostarczał ją do akumulatora. Sterowanie zrealizowane za pomocą Arduino z algorytmem MPPT
Założenia
Napięcie wejściowe paneli Uos=62V
Natężenie prądu paneli 6A
Napięcie wyjściowe 10V-14,4V
Moc wyjścowa max 240W
Maksymalny prąd wyjścia na odbiornik 15A
Topologia przetwornica synchroniczna back
Zabezpieczenie przed przepływem prądu wstecznego
Elementy:
Elementy kluczujące N-Mosfet IRFB4620Pbf 25A 200V
Element załączający obciążenia P-Mosfet IRLR9343pbf
Dioda Dioda P2500B 25A 100V
Pomiar natężenia prądu Po stronie PV ACS712 20A
Pomiar natężenia prądu Po stronie Baterii ACS711EX -31A do +31A
Mosfet driver IR2104PBF
Cewka nawilgnięta licą 4mm2 na rdzeniu Sendust Tangda FeSiAl S157081A AL81 14zwojów
Proszę o sprawdzenie schematu
Wątpliwości mam dotyczące kondensatorów wejściowych liczyłem je na podstawie energii jakie muszą przechować w przypadku gdy tranzystor górny jest wyłączony Czyli ze panele przez dany czas dostarczą określoną ilość ładunków które muszą być zmagazynowane.
Oraz zastanawiam się nad poprawnością układu zabezpieczającego przed przepływem prądu wstecznego (dwa górne tranzystory)
Za uwagi oraz podpowiedzi odnoście schematu i doboru elementów z góry dziękuje.

I tak Arduino będzie kluczami sterować? A jak się program uwiesi albo pójdzie w krzaki to będą fajerwerki?

kankos5 wrote:

Zabezpieczenie przed przepływem prądu wstecznego

O jaki prąd wsteczny chodzi?
Bo jeżeli o prąd pomiędzy panelami połączonymi równolegle to to nie zadziała.

A mnie dziwi zastosowanie R9 który tylko rozładowuje kondensatory bootstrapu, a że obciążenie duże to musiałeś dać duży C11 i ładować go przez 1A diodę, tyle że 1N4002 sie tu nie nadaje bo jest za wolna. Nie marnuj energii w układzie bootstrapu to nie będzie potrzeba dużego kondensatora i mocnej diody, R10 to kolejny zbędny rezystor.

Rozwiązanie z Q1 i Q4 nic nie da, skoro i tak chcesz załączać oba na raz. Buck synchroniczny analizowany od strony akumulatora jest synchronicznym boost-em niezależnie od tego czy dasz jeden, czy dwa tranzystory jako high-side.

Jeśli nie podoba się zabezpieczenie w postaci diody, możesz zrobić "diodę" na tranzystorze MOSFET, ale tranzystor trzeba sterować na podstawie napięcia na nim.

Poza diodą D1, diody D2 i D3 też są do wymiany. Trzeba dam dać diody UF400x albo 1N5819.
Tranzystora Q3 nie da się wysterować wprost z płytki Arduino.
Mi zwykle sterowanie MOSFETów za pomocą IR210x wydawało się za wolne, i dodawałem komplementarne wtórniki emiterowe na wyjściach. Jaka ma być częstotliwość pracy tej przetwornicy?

Dziękuje za odpowiedzi
Diody rzeczywiście pomyliłem się w wstawianiu do schematu i będą to UF4007.
Rezystory 1k (R9 i R10) zabezpieczą układ przed efektem Millera czyli przypadkowym załączeniem tranzystora dolnego gdy załączy się górny. Ale rzeczywiście dam 10k powinno wystarczyć aby odprowadzić ładunki.
Częstotliwość przetwornicy będzie wynosić 31,25 kHz.
Wybrałem takie drivery ponieważ je stosowałem poprzednio i dawały radę.
Ochrona przed przepływem prądu wstecznego zniweluje prąd "nocny" czyli rozładowanie akumulatora przez rezystancje paneli.
Zastosowano 2 tranzystory "górne" aby nie stosować diody. W przypadku gdy warunki nie będą optymalne do ładowania akumulatora kluczowanie zostanie wyłączone poprzez podanie 0 na wejście SD wtedy diody pasożytnicze tranzystorów będą ustawione przeciwnie hamując przepływ prądu.
Co do tranzystora Q3 to myślałem ze jeżeli posiada on sterowanie bramką Logic Level to uda się go wysterować z prosto z kontrolera. Ale rzeczywiście pochyle się nad tematem. najwyżej zastosuję przekaźnik i po problemie ale jeszcze powalczę z tym tranzystorem P-Mosfet.

Jeszcze nie wiem czy rezystor R16 jest wymagany gdyż ten układ z 2 górnymi tranzystorami został zaczerpnięty z innego projektu.

kankos5 wrote:

Rezystory 1k (R9 i R10) zabezpieczą układ przed efektem Millera czyli przypadkowym załączeniem tranzystora dolnego gdy załączy się górny. Ale rzeczywiście dam 10k powinno wystarczyć aby odprowadzić ładunki.

W żadnym wypadku. Żeby zabezpieczyć dolny tranzystor przed załączeniem to trzeba mocno przytrzymać bramkę na potencjale masy. Rezystancją rzędu omów.
Żaden rezystor tego nie zrobi jednocześnie nie utrudniając wysterowywania bramki stanem wysokim.
Ale i nie ma sensu tam robić żadnych zabezpieczeń.
Bo zabezpieczeniem jest sam układ IR2104 który na dolny tranzystor poda stan niski.

kankos5 wrote:

Co do tranzystora Q3 to myślałem ze jeżeli posiada on sterowanie bramką Logic Level to uda się go wysterować z prosto z kontrolera. Ale rzeczywiście pochyle się nad tematem. najwyżej zastosuję przekaźnik i po problemie ale jeszcze powalczę z tym tranzystorem P-Mosfet.

Może i posiada, ale to nie jest jedyny warunek żeby wysterować taki tranzystor. To mówi jedynie że to pełnego otwarcia wystarczy napięcie stanu wysokiego czyli rzędu 3.3...5V (w przypadku tranzystora typu P -3.3...-5V). Ale to jeszcze nie wszystko. To napięcie musi być odpowiednio odnoszone. A dokładniej odnoszone do źródła tranzystora. Czyli pomiędzy źródłem a bramką ma być te (-)3.3...5V.
A Ty źródło podłączyłeś do +12V a więc na bramce zawsze będzie -8.7...-7V w stosunku do tego źródła. Czyli będzie on zawsze otwarty.

Rzeczywiście rozjaśniłeś mi sprawę odnoście sterowania tranzystorem wyjściowy.
Załączam poprawiony schemat zastosowałem tranzystor bipolarny npn jako układ do wysterowania trazystora P-Mosfet.


Edit
Po przeprowadzeniu symulacji obwodu załączania obciążenia zmieniono układ na następujący

Q5 będzie zawsze przewodził bo jest odwrotnie.

Ja bym proponował wywalić tranzystor zabezpieczający przed prądem wstecznym i zastąpić go diodą.
Robię podobną przetwornicę i też nie chciałem diody, ale ilość problemów z tym tranzystorem jest tak duża że w końcu postanowiłem po prostu dać diodę.
U mnie prąd paneli będzie do 8A. Napięcie do 40V. Dioda MBR4060 którą wstawię przy takim prądzie na 2 swoich diodach (po 4A na połówkę duodiody MBR4060) ma spadek rzędu 0.55V. To już naprawdę mało.
Dodatkowo diodę pewnie wstawię na radiator elementów które się najbardziej grzeją (czyli chyba tranzystorów mocy). Bo spadek napięcia na diodzie spada przy wzrośnie temperatury. Więc niech ją inne elementy grzeją, to się jeszcze na niej przy okazji zmniejszy straty.
U Ciebie ze względu na wyższe napięcie trzeba by dać inną diodę, np. MBR20100. Spadek napięcia będzie większy ale i tak będzie poniżej 1V. Przy napięciu paneli do 60V to już chyba niewielka strata (poniżej 2%).

Może rzeczywiście zastosuje diodę bo nie przemyślałem ze tam będzie natężenie prądu tylko 6A wiec straty bedą dopuszczalne. Ale to zobaczę po przetestowaniu układu z tymi 2 tranzystorami. Zmieniłem tranzystor bipolarny na BC547 ponieważ takie mam z poprzedniego projektu myślę ze wytrzyma najwyżej zastosuje większy rezystor. Oczywiście odwróciłem tranzystor Mosfet dziękuje za podpowiedz.
Niedługo pojawią się jakieś wyniki o ile sezon nie wyprzedzi kuriera z elementami.
Dziękuje za podpowiedzi.

"Diodę" można zrobić też tak jak poniżej tylko trzeba Zenera dodać żeby Ugs nie przekroczyło 20V i pewnie lepiej będzie zrobić ten układ na N-MOS i NPN po "odwróceniu".

A no właśnie nie można. Taki układ zadziała jedynie dla napięć poniżej 6V. A to z powodu napięcia przebicia złącz B-E.

atom1477 wrote:

A no właśnie nie można. Taki układ zadziała jedynie dla napięć poniżej 6V. A to z powodu napięcia przebicia złącz B-E.

Faktycznie, ale istnieją specjalizowane układy scalone do sterowania MOSFET-em w funkcji "ideal diode"

Ale to nic nie zmienia w kwestii tego układu z postu #12. On po prostu nie będzie tutaj działał.

Natomiast inna sprawa że tu w ogóle nie trzeba idealnej diody (czy też prawie idealnej).
Wystarczy przełącznik zasilania.
W momencie gdy panel słoneczny będzie chciał zasilać przetwornicę to będzie dawał napięcie co najmniej ze 25...40V (na wejściu klucza, i to napięcie przejdzie na wyjście klucza jeżeli będzie nim tranzystor MOSFET ze względu na pasożytniczą diodę w MOSFECie). Nie ma potrzeby blokowania przepływu prądu wstecz gdy napięcie wynosi 25...40V, bo taka sytuacja (chęć przepływu prądu wstecznego o przy napięciu 25...40V) nigdy nie wystąpi.
Z kolei bez zasilania z panelu słonecznego na wyjściu klucza będzie max 15V.
Wystarczy więc żeby klucz załączał się dla napięcia na wyjściu większego niż np. 20V.
Zaraz spróbuję wymyślić jakiś sprytny układ realizujący taką funkcję (i nie, nie może to być po prostu zwykły komparator).

Zabezpieczeniem mogła by być dioda Zenera która utrzymywała by napięcie w granicach nie pozwalających na przebicie B-E.
Najlepszym rozwiązaniem było by wstawienie "diody idealnej" między wyjściem na obciążenie i układem przetwornicy pozwoliło by to zniwelować możliwość zwarcia na akumulatorze w przypadku błędnej pracy przetwornicy lub błędnego sterownia np załączenia na stałe tranzystora górnego.
Ale to temat do dalszych rozważań.
Edit
Po poszukiwaniach związanych z układami idealnej diody znalazłem układ LTC4357 pozwoli on rozwiązać problem prądu wstecznego i można go zamontować pomiędzy baterią a układem. Trochę kosztuje bo około 15zł i 1 górny N-mosfet zmienił by miejsce i przeszedł pomiędzy wyjście na obciążenia a układ przetwornicy.
Jeżeli Panowie posiadają inne sposoby na rozwiązanie tego problemy to zamieniam się w słuch.

kankos5 wrote:

Najlepszym rozwiązaniem było by wstawienie "diody idealnej" między wyjściem na obciążenie i układem przetwornicy pozwoliło by to zniwelować możliwość zwarcia na akumulatorze w przypadku błędnej pracy przetwornicy lub błędnego sterownia np załączenia na stałe tranzystora górnego.

Niby w jaki sposób ta dioda miała by zabezpieczać przed zwarciem?

kankos5 wrote:

Jeżeli Panowie posiadają inne sposoby na rozwiązanie tego problemy to zamieniam się w słuch.

Długo myślałem nad energooszczędnymi komparatorami. Są tam problemy z dużymi rezystorami i prądami upływności.
A tu chyba wystarczy dość prosty układ z diodą Zenera:

V_PV to szyna wejściowa napięcia zasilania z panela.
+30 to szyna wyjściowa. Czyli zasilanie idące do przetwornicy. Na tej szynie będzie 12V gdy nie będzie zasilania z panela, bo przez przetwornicę będzie wracało napięcie z akumulatora.
Dla napięć poniżej 18V układ prawie nie będzie pobierał prądu. Pewnie będzie płynął jakiś niewielki prąd upływu przez diodę D1, ale będzie on rzędu µA. Przykładowo dla diod BZM55 dla diody 18V przy napięciu 13V podają prąd upływności 0.1µA. Tak mały prąd wynika z faktu że taka dioda w rzeczywistości jest diodą lawinową a nie diodą Zenera. Diody Zenera (a więc te o napięciach od 0 do 5...6V) nie mają tak niskich prądów upływności (o czym będzie mowa dalej, we fragmencie o diodach LED1 i LED2).
Ten prąd przepłynie przez ten wynalazek na dole, ale z racji że to będzie bardzo mały prąd to nie da zauważalnego spadku napięcia na R3. A więc T3 nie zostanie otwarty i bramka tranzystora T1 będzie zwierana z jego źródłem za pomocą rezystora R5.
Z kolei dla napięć większych niż 23...25V układ się uaktywni.
Teraz wyjaśnienie po co ten wynalazek na dole. Zamiast po prostu rezystora.
Po to żeby ustabilizować prąd diody Zenera. Bez niego prąd zmieniał by się w szerokich granicach przy zmianach napięcia z panela. Ciężko było by dobrać rezystor do poprawnej pracy diody Zenera i w ogóle do poprawnej pracy całego układu.
Dzięki temu układowi prąd ustabilizuje się na poziomie około 1.4mA. Można go zmniejszyć do 1mA (taki prąd pracy (a nie 5mA) zwykle maja diody Zenera o wyższym napięciu, więc to w niczym nie przeszkodzi) zmieniając rezystor R2 na 3.0k (2.7...3.3k).
Dodatkowo dzięki stabilizacji prądu napięcie na R2 będzie w miarę stałe, i będzie wynosiło około 3V (zmienna część napięcia odłoży się na złączu CE tranzystora T2).
Napięcie z R2 posłuży do wysterowania kolejnego źródła prądowego na T3. Prąd tego źródła wyniesie około 2.3mA i wyniknie z wartości rezystora R4 (oraz z R3, jeżeli będzie on miał za dużą wartość). W zasadzie ten prąd też można by zmniejszyć do około 1mA. Prąd przepłynie przez D2 i R5 dając na nich spadek napięcia około 18V wysterowujący bramkę tranzystora MOSFET.
Układ nie ma histerezy, oraz przełącza bramkę tranzystora dość wolno. Ale to nie musi być wadą. U mnie nie będzie bo przetwornica i tak wystartuje dopiero od 30V. Przy niższych napięciach aktywny będzie jedynie sterownik przetwornicy pobierający jakieś max 30mA prądu. Brak wysterowania tranzystora MOSFET nie będzie więc problemem (przepływ prądu z panela do przetwornicy i tak będzie: poprzez pasożytniczą diodę w MOSFECie).
Diod LED1 i LED2 nie można zamienić na diodę Zenera 3.6V. Dioda Zenera będzie miała duże prądy pracy. Diody LED natomiast dają w miarę stałe napięcie przewodzenia już od prądów rzędu ułamków µA.
Moc strat na żadnym z elementów nie przekroczy 100 mW, więc mogą to być elementy SMD małej mocy.
Całość będzie pobierała kilka mA, a więc do kilkuset mW.
Po zmianie obu prądów o których mówiłem na 1mA, pobierze równo 2mA a więc przy napięciu 40V będzie to 80mW. Raczej mało.
Żeby dostosować układ do przełączania przy wyższym napięciu trzeba dać inną diodę D1. Dioda D2 musi pozostać taka sama (nie ustala ona napięcia przełączania, a jedynie ustala napięcie przełączania tranzystora MOSFET (czyli chroni bramkę MOSFETa przez zbyt wysoki napięciem)). Oraz oczywiście trzeba wtedy też wymienić tranzystor T1 na inny.
Układ oczywiście można odwrócić tak żeby pracował z tranzystorem MOSFET-N w ujemnej szynie zasilania. Wtedy będzie łatwiej znaleźć dobry tranzystor T1 o wysokim napięciu i małej rezystancji. Ale kosztem uniemożliwienia sobie bezpośredniego pomiaru napięcia ogniwa względem masy.

Dziękuje z przedstawienie układu oraz dokładny opis. Ale jednak skorzystam z gotowego rozwiązania ponieważ brak mi podstaw teoretycznych do zastosowania twojego układu i do dostosowania go do moich parametrów.
Dioda idealna uniemożliwi przepływ prądu "nocnego" i ochroni układ przed przepływem prądu zwarciowego z akumulatora przez dolny N-Mosfet.
Dokonałem zmiany elementów przełączających na N Mosfet IPP180N10N3GXKSA1 ponieważ posiadają one większy prąd i mniejszą rezystancję przewodzenia oraz niższą cenę.
Dodałem elementy odciążające do cewki lecz ich parametry dobrane zostaną na podstawie częstotliwości oscylacji napięcia na cewce.
Proszę jeszcze raz o sprawdzenie schematu myślę ze na papierze wygląda to dobrze i na żywo tez zadziała.

Było od razu napisać że diodę chcesz dać na wyjściu a nie na wejściu przetwornicy.
Wcześniej miałeś ją na wejściu. Więc myślałem że tam pozostanie.
Mój układ nadaje się do umieszczenia tylko na wejściu, bo do pracy wymaga dużej różnicy napięć pomiędzy stanem załączenia z wyłączenia.

W przetwornicy typu buck nie ma powodów do stosowania snubberów.

EDIT. A w zasadzie podsunąłeś mi jedno ciekawe rozwiązanie.
Sterownik klucza po stronie panelu PV, ale sam klucz po stronie akumulatora. Przy okazji rozwiązuje się problem poboru prądu przez dzielnik napięcia sprzężenia zwrotnego w przetwornicy. Problemem będzie tylko dość małe napięcie włączania klucza. Ja chciałem iść w największe możliwe (czyli z 16...19V). A tu musiał by wynosić tyle ile da akumulator. Czyli 10...14.4V. No i prądy będą dużo większe. No chyba że się jeszcze bardziej zmodyfikuje ten układ dając załączanie dodatnim napięciem tranzystora NOSFET-N. Wtedy i napięcie załączające będzie wyższe. I tranzystor MOSFET-N sam z siebie będzie zaletą (będzie miał mniejszą rezystancję i będzie tańszy).

Przepraszam za zamieszanie uznałem ze na wyjściu przetwornicy będzie odpowiedniejszy taki układ. Gdybym nie znalazł układu Diody Idealnej zastosował bym układ zabezpieczający na wejściu przetwornicy ze względu na mniejsze prądy.
Dziękuję za podpowiedzi i sugestie i na pewno na elektrodzie pojawią się jakieś wyniki pracy.