Alegere miez ferita pentru SMPS in functie de topologie si putere (+ viceversa in alegerea topologiei)

[wally_gatter]

Cautand o seama de pagini rscolind internetul , nu gasesc undeva un tabel veridic sau indrumari concrete catre alegerea miezurilor de ferita in functie de putere si topologia folosita. Incepusem un proiect personal de SMPS de vreo 300-500W si nu gasesc un model concret de alegere a "miejilor" .  Stiu ca miezurile au caracteristicile lor , ma refer la frecventa de saturatie , dar la partea cu limita de putere sunt in pom. 

  Pentru proiectul meu , care este cu o putere de iesire cuprinsa intre 300 si 500W , nu sunt inca hotarat ce topologie sa aleg. Initial am exclus folosirea tensiunii duble (floating) .. Aici am gasit ceva referinte. Pana la urma eu as merge pe half bridge care initial o exclusesem. Intr-un definitiv vreau sa creez schema aici cu ajutor din partea celor cu experienta. Ca sa fiu mai explicit, smps-ul va trebui sa debiteze o tensiune dubla de putere mare (2x20V la 10A asta insemnand 400W-configurata 0-20-40V ) , una de 2x12V (+/-12V) la 1A , una de 2x5V (+/-5V )  la1A. 

 Daca tot vorbeam de half bridge , ma gandeam sa folosesc un SG3525 si doi mosfeti ceva mai bunicei cu Rds On mic pentru un randament cat mai bun. Miezul e problema..  de fapt cam multe probleme in a alege variata corecta...

[Vizitator]

http://www.microsemi.com/document-portal/doc_view/125438-lx7309-flyback-and-forward-core-selection

[UDAR]

Deși nu ai specificat , bănuiesc din ce ai scris că vrei o sursă alimentată de la rețea. Dacă puterea aia e de regim permanent sau măcar de durată mare atunci ai nevoie de un miez mai mare decât cele uzual aflate prin surse PC . De asemenea mai depinde de ce condiții îi asiguri sursei - racire în particular . După manual, la 50kHz,  ar trebui probabil un miez ETD54 sau cel puțin ETD49 . În practică  și , cum spuneam , dacă nu avem condiții severe , merge probabil și un ETD44. S-au obținut puteri similare - sunt câteva discuții în forum - chiar și pe miezuri mai mici dar nu regim permanent .

EDIT . Am văzut între timp materialul indicat de colegul dar nu l-am parcurs încă . Acolo sunt frecvențe mai mari care , desigur, conduc la dimensiuni mai mici . 

 

O altă problemă importantă este complexitatea pe care o ridică tensiunile multiple . Datorită puterii mult mai mari a unei ieșiri , e clar că aia trebuie controlată . Celelalte s-ar putea să fie mai prost stabilizate și să necesite , eventual, niște postregulatoare. Și aici lipsesc niște informații . Ai zis curenții maximi dar nu ai zis plaja în care pot să varieze fiecare . Că e una să stabilizezi o sursă care furnizează 10A ±1A ( de exemplu ) și alta o sursă care furnizează 0 .... 10A. 

Editat Martie 3, 2016 de UDAR

[wally_gatter]

Deci, sursa alimentata din retea 220V~ , trebuie sa sustina cei 10A nu mai mult de 10 minute. iesirile adiacente , mai mici , nu e necesar sa fie la milivolt , oricum vor fi urmate de stabilizatoare. Si eu ma gandesc la o frecventa ridicata pentru ca miezul sa fie mai mic. Eu m-am mai documentat si as merce pe un ETD29 la o frecventa mare. 

[UDAR]

ETD29 mi se pare totuși mult prea optimist . În domeniul frecvențelor la care - eventual - ETD29 ar putea fi satisfăcător ( sute de kHz ) apar alte probleme greu de anticipat - doar o testare practică temeinică ajută . Mai întâi miezul - cel puțin 3F3 dar poate chiar ceva mai sus. Apoi toate problemele legate de efectul pelicular , eventual efectul de proximitate . Asta ca să vorbim doar de magnetice . Dar ce faci cu tranzistorii ? MOSFET-urile la tensiunile alea nu sunt excesiv de rapide iar la 200kHz ( să zicem ) contează câteva zeci de ns timpi de comutație . Părerea mea este că nu e fezabil în regim de amator și cu o șansă de supraviețuire decentă mai jos de ETD39-ETD34.

Nu ai dat însă răspuns la principala întrebare - regimul termic . Cât de mult are voie să se încălzească transformatorul ? Ce condiții de răcire sunt ? Dacă citești atent materialul propus de @miticamy o să vezi că de fapt - direct sau indirect - de aici pleacă totul , de la căldură . 

[wally_gatter]

Hmmm ..  Referitor la caldura: asta e o adevarata problema, eu doresc sa o fac in asa fel incat sa nu se incalzeasca excesiv. un ventilator de 80x80 mm va raci toata tarasenia.. 

[UDAR]

Oh, un 80x80 poate fi mai mult decât suficient . Pentru că dacă-ți permiți un asemenea ventilator înseamnă că și placa de circuit are dimensiuni comparabile , se poate deci lăsa spațiul necesar circulației aerului . Alege-ți deci tema : miez ( mărime, material ) , frecvență , creștere de temperatură admisă , altele ce mai crezi utile și să ne apucăm de lucru . Eu ( și alți colegi, dacă vor dori ) pot să te ajut teoretic , la calcule . Experimentarea îți revine .

[Mircea Crisan]

Sugestia mea este un driver-ul NCP1392 sau 1393 half bridge rezonant.

Daca optezi pentru aceste drivere m-as baga si eu la o colaborare.

Sunt ceva note de aplicatie pentru ei.

 

Mircea.

[wally_gatter]

Pai:  -miez ETD44-3F3 

        -frecventa habar nu am inca dar banuiesc ca undeva la 100kHz

        -temperatura sa nu depaseasca 60-70 grade

 

     Ptr. Mircea:  daca e sa fie colaboram. Sa vedem odata ce soi de schema va fi cea finala. 

[Marian]

Mie mi se pare optimist si ETD39 pentru configuratia ceruta a iesirilor, si nu ma refer numai la puterea in sine ci la insasi complexitatea iesirilor, chiar daca la calcule teoretice miezul ala s-ar putea gasi suficient de mare, mi se pare destul de probabil ca la bobinarea propriu zisa sa descoperi ca nu ai suficient spatiu de bobinare, si asta o spun din propria experienta cu acest traf. Sunt multe prize/iesiri ce trebuiesc scoase la pini, la 10A sectiunea conductorului trebuie sa fie destul de mare, iar avand in vedere frecventa mare dorita, nu scapi fara mai multe sarme in paralel, si toate astea ocupa spatiu suplimentar care ar putea sa nu fie acoperit de ETD39, as zice ca mai degraba sa se mearga cu ETD44 sau 49.

 

Cat despre configuratie si mie tot semipuntea mi se pare mai potrivita, cred ca este cel mai bun compromis. Acuma ca e rezonanta sau hard-switching probabil ca depinde de preferinte, pe mine unul nu ma conving sursele rezonante cu toate presupusele lor avantaje, insa asta nu inseamna ca trebuie sa fie toti ca mine, daca pot contribui o voi face cu placere.

 

LE: 100khz mi se pare o frecventa abordabila, ar mai ramane de ales modul de control, adica in tensiune sau in curent, si la capitolul asta cred ca s-au spus destul de multe aici pe sectiune incat sa se poata face o alegere.

[UDAR]

OK , un pas mare a fost făcut . Topologia recomandabilă , la această putere , este cred cea semipunte - rezonantă sau nu . Realizarea unui convertor rezonant implică multă cantitate de experimentare pentru că o serie întreagă de parametri cum ar fi inductanța de scăpări sau capacitatea parazită ( ca să vorbim doar de transformator ) sunt practic imposibil de anticipat în condițiile unui proces de fabricație necontrolat . Părerea mea - strict personală - pentru un singur exemplar ( un proiect personal înțeleg ) și care furnizează puterea maximă pentru timp scurt , nu se justifică rezonant . 

 

EDIT Am citit  între timp postarea lui Marian . Subscriu în totalitate . Acu , dacă fix ETD44 e cel mai bun sau plus/minus o treaptă ... vom vedea din calcule . 

Eu voi începe să calculez de la ETD44, 3F3, 100kHz  în transformator , delta Θ = 40-50°C.

 

 

Datele de plecare : Tamb = 35°C , delta Θ = 45°C , Rth = 11°C/W . De aici rezultă o putere pierdută maximă ( fier + cupru ) de circa 4W .

Vom impune ca pierderile în fier sa fie sub jumătate . La un volum de 17,8cm³ al miezului alegem linia clasică de 100mW/cm³  care va conduce la circa 1,8W pierderi în fier . Din curbele miezului 3F3 avem , la 100kHz și 100mW/cm³ o inducție de 100mT la 65°C . Această valoare este acoperitoare întrucât pierderile în fier scad la cresterea temperaturii spre cele 80° alese ca limită.  

 

Menționez că proiectarea pe care o propun este ușor riscantă și merge pe opțiunea miezului cald chiar și în gol ( circa 25 °C mai cald decât ambiantul ) .

 

Calculăm numărul de spire în primar : Np = ( Umin*Tonmax)/( Ae*deltaB) = ( 125V*4.5µs) / ( 172 mm² * 0.2T)  = 16 spire . Am presupus un DC de 2*45% la tensiunea minimă . Numărul de spire în secundar pentru ieșirea principală ( 2x20V) este de 2x2.84 . Vom rotunji desigur la 2x3 spire în secundar ceea ce conduce la 17 spire în primar . 

Editat Martie 3, 2016 de UDAR

[Mircea Crisan]

Pai:  -miez ETD44-3F3 

        -frecventa habar nu am inca dar banuiesc ca undeva la 100kHz

        -temperatura sa nu depaseasca 60-70 grade

 

     Ptr. Mircea:  daca e sa fie colaboram. Sa vedem odata ce soi de schema va fi cea finala. 

In regim de amator este foarte greu sa realizezi o comanda corecta la 100kHz

Basca ca mai cresc si switching losse iar alegerea mosilor va fi dificila.

Calea batatorita ar fi un avantaj cu miez 3C90 in plaja de 40-60kHz

S-a punctat bine ETD44, ETD49.

Eu ti-am facut oferta si nu sunt suparacios daca ma refuzi mai ales ca sunt doar un amator.

Spor sa ai,

 

Mircea.

[Marian]

Nu vad de ce ar fi dificila alegerea mosfetilor capabili sa functioneze la 100khz, vorbim totusi de mosfeti, o tehnologie destul de matura, as da un singur exemplu STP11NK40Z, uitati-va in pdf la capacitati si timpi si spuneti-mi ca nu merge ala la 100khz...

[Mircea Crisan]

Fiindca de la vorba la fapta este o cale atat de lunga incat ... stiti voi... mii de ani...

Pt. moderator:Te rog pe viitor sa eviti adresarile directe.

[UDAR]

Să continuăm. Fereastra de bobinaj , după ce excludem marginea de creepage , este de circa 23x7 mm2. Factorul maxim de umplere dacă bobinăm cu sârmă plină este (geometric) de 0.78 ignorând izolația . Fără să fac prea multe analize voi merge pe 0.5 ( am exclus deja marginea ) . O împățire optimă este jumate primar - jumate secundar (presupunând secundarele încărcate toate proporțional ) . Avem deci circa 40mm² pentru primar și tot atâția pentru secundar ( suprafață cupru ) . La 18 spire secțiunea medie a sârmei rezultă de 2.2 mm² , lungimea medie a spirei este de 7,8 cm, lungimea sârmei de 1,4 m  iar rezistența de CC a primarului este de circa 12mΩ. 

Pentru puterea de ieșire dată ( circa 440W ) estimăm o putere de intrare de 550W ( randament 80%) și un curent mediu nominal la 310Vcc de 1.78A. La un DC de 72% avem un curent RMS de peste 2A . Estimăm o creștere de 2.5 ori a rezistenței în AC față de CC deci 30mΩ. Avem deci o pierdere de 0,12W pe primar și - fără să mai calculăm - cam tot atâta pe secundar , poate ceva mai mult din cauza prizelor. Oricum rezultă o pierdere mult mai mică decât cea anticipată deci - în teorie - putem alege un miez mai mic. 

În practică însă :

- umplerea calculată este greu de atins la bobinarea manuală, de amator . 

- creșterea rezistenței AC/DC poate fi chiar mai mare ( este oarecum invers dependentă de cea de mai sus ) 

- alegerea unei valori de lucru de 100mT poate permite saturația în cazul unor regimuri tranzitorii . 

 

Deci , dacă se decide menținerea acestui miez se poate merge pe creșterea numărului de spire ( combinat eventual cu scăderea frecvenței ) . Asta va duce la scăderea pierderilor în fier  ( va lucra mai rece în gol )  cu creșterea pierderilor în cupru , ceea ce poate fi avantajos dacă puterea maximă este absorbită timp scurt. 

O altă concluzie posibilă ar fi micșorarea miezului la ETD39 dar nu mai jos ( zic eu ) . 

Editat Martie 3, 2016 de UDAR