convertoare dc-dc de mare putere

[EmyRulz]

ViorelX, calculul transformatoarelor nu presupune o singura formula, sau o solutie universala. Ele se calculeaza folosind tehnici de optimizare in functie de solutia care trebuie implementata. Profesional asa se face, in regim de amator... tot asa ar trebui facut! O sa atasez cateva cursuri despre asta(care personal le consider usor de urmarit fara a pierde din detalii) ca sa va faceti o idee despre ce implica, si sa vedeti ca nu poate fi explicat pe forum(din diverse cauze, una ca e prea mult de scris, nu se pot scrie simboluri, lumea nu agreeaza matematica etc). Dupa ce le citesti integral, poti sa pui intrebari specifice aici si iti voi raspunde cum pot mai bine. Cel mai bine ar fi sa iei o carte serioasa de electromagnetism mai intai si apoi de SMPS.Acum legat de nelamurirea ta cu intrefierul, trebuie sa ne gandim ce face de fapt acel intrefier? Raspunsul e simplu, inmagazineaza energie. Miezul nu are decat rolul de a conecta infasurarea la acumulatorul de energie(adica intrefierul) si astfel obtinem o bobina. La bobinele cu aer, energia se inmagazineaza in tot spatiul. Daca vorbim de transformatoare, acestea NU inmagazineaza energie(decat in mod parazit) deci nu au intrefier. [attachment=2]Ch12slide.pdf[/attachment][attachment=1]Ch13slide.pdf[/attachment][attachment=0]Ch14slide.pdf[/attachment]

[Vizitator ViorelX]

Multumesc pt aceste cursuri.Am inteles de ce convertoarele half-bridge, full bridge pot functiona cu miez de permeabilitate mare, fara intrefier. Pt ca transferul de energie de la primar la secundar se face continuu, astfel incat fluxurile magnetice date de primar si secundar se anuleaza reciproc. Bineinteles, ca trebuie sa fie un cuplaj perfect intre primar si secundar, sa nu existe inductanta de scapari (leakage), fiindca aceasta face ca fluxul rezultant sa devina nenul si chiar sa duca la saturatia miezului. Teoretic, daca primarul si secundarul sunt cuplate perfect (coeficient de cuplaj 1), in orice miez folosit, cat de mic ar fi, se poate converti putere oricat de mare. Practic, puterea e limitata in functie de cat de bine se poate realiza cuplajul.Au reusit sa faca convertor de 500W (sau mai mult) cu miez R80 cei care au bobinat corect torul. Iar cei care l-au bobinat neingrijit, n-au avut succes.Convertoarele simple, cu un singur comutator, intr-adevar nu pot functiona cu miez de ferita fara intrefier. Acolo transferul de energie se face discontinuu. Mai intai are loc o faza de acumulare a energiei in inductor, in care fluxul magnetic creste, apoi are loc transferul in circuitul secundar, prin descresterea fluxului magnetic.Pt astfel de convertoare (Buck, Boost, flyback) eu am dedus urmatoarea formula pt calculul puterii care se poate transforma intr-un miez toroidal:P=(1/2)*n*V*B^2/m, unde:n-frecventaV-volumul torului (cel efectiv, dat de producator)B-densitatea maxima de fluxm-permeabilitatea efectiva (mai mica in cazul intrefierului)Pt proiectarea unui transformator, nu e suficient sa estimezi puterea obtinuta la o frecventa n si o inductie magnetica B date. Mai trebuie sa pui in balanta si puterea pierduta in aceleasi conditii n si B. Dupa o formula empirica gasita pe net, aceasta putere creste rapid dupa niste puteri ale lui n si B: Pd=C*n^a*B^b, unde a>1, b>2. Trebuie consultate tabelele cu densitatea de putere pierduta in miez la diferite frecvente si inductii magnetice, tabele care trebuie sa fie date de producatorul miezului.De exemplu, in cazul materialului K2006, la o frecventa n=100kHz si o inductie magnetica Bmax=200mT puterea utila convertibila este (dupa formula mea) de 0.76W/cm3. Din tabelele date de producator (Kaschke), puterea consumata in miez este de 0.85W/cm3, deci mai mare decat cea utila. Randamentul convertorului ar fi deci sub 50% (daca se foloseste tor fara intrefier).Daca miezul are un intrefier care face ca premeabilitatea efectiva sa fie de 10 ori mai mica decat permeabilitatea materialului, atunci puterea utila creste de 10 ori, in timp ce puterea consumata in miez ramane la fel. Deci se poate face astfel un convertor cu un randament >80% si o putere de 7-8W/cm3.

[EmyRulz]

Teoretic, daca primarul si secundarul sunt cuplate perfect (coeficient de cuplaj 1), in orice miez folosit, cat de mic ar fi, se poate converti putere oricat de mare. Practic, puterea e limitata in functie de cat de bine se poate realiza cuplajul.

Total fals, puterea este limitata de pierderi nu de cuplaj in sine. Citeste cursurile pe care le-am atasat cu atenite, ca d-aia le-am pus, explica acolo tot ce te framanta pe tine, inclusiv partea de calcul a puterii, iti da si exemplu de calcul etc.

[Vizitator ViorelX]

Da, exact asta si fac acum, citesc acele cursuri.Am vrut sa spun ca daca n-ar exista deloc pierderi de nici un fel si cuplajul ar fi perfect, atunci s-ar putea converti orice putere in orice miez oricat de mic. Dar daca nu e perfect cuplajul, chiar daca nu ar exista deloc pierderi, puterea convertita ar fi limitata de saturatia care apare datorita inductantei de scurgere.

[EmyRulz]

Nici asta nu e adevarat. Saturatia miezului nu are treaba cu cuplajul, are treaba cu tensiunea din primar. Singura diferenta intre un cuplaj bun si unul mai putin bun este stocarea energiei magnetice(care este energie reactiva).

[Depanatoru]

Sursele cu transfer indirect cum e flyback inmagazineaza energie in miez , dupa cum se stie functioneaza in 2 timpi , intai energia e transferata in miez cand comutatorul e inchis , apoi pe perioada OFF se transfera energia sarcinii . Pentru asta trebuie miez mare cu intrefier . Celelalte nu inmagazineaza energie in miez , s-ar putea zice ca functioneaza ca un trafo de retea , deci afirmatia ca nu marimea miezului dicteaza puterea e oarecum adevarata .

[Vizitator ViorelX]

Stiu ca energia magnetica e reactiva si nu disipativa, adica se stocheaza si apoi se restituie circuitului (primar sau secundar). Tocmai asta e problema de care ziceam: daca nu exista cuplaj perfect, nu toata energia din primar se transfera in secundar, ci o parte se stocheaza in miez (ca apoi sa fie restituita undeva). Dar ca sa se stocheze in miez, creste fluxul si daca miezul e prea mic, ajunge la saturatie. E corect ce am zis.

[Depanatoru]

Nu asa se pune problema , energia ramasa se consuma in snubber si comutator . Eventual daca nu bobinezi bine chopperul ( inductanta de scapari mare ) , atunci ti se vor incalzii piesele si poate ajungi si la saturatie . Dar degeaba pui miez mare daca nu e bine bobinat , cuplajul trebuie sa fie foarte bun , inductanta de scapari mica , de asta se bobineaza straturi de primar si secundar intercalate .

[Vizitator ViorelX]

OK, am inteles.Am citit si cursurile, dar acum sunt intr-o mare dilema. Am nevoie de un convertor de 12V->360V si 25W. Mi-e f simplu sa-l fac de tip flyback, comandat cu MC34063, cu un transformator cu oala de ferita sau E+E cu intrefier, marime de vreo 25-30mm, 7spire in primar si vreo 30 in secundar. Deja am si facut si experimentat asa ceva si are un randament>80%.Dar ma gandeam ca e mai elegant sa fac un convertor half-bridge sau full bridge, cu un transformator facut pe un tor minuscul, care sa nu dea emisii EMI. Dar nu stiu daca renteaza pt 25W. Chiar daca n-are emisii EMI, tot are zgomot de comutatie, care ar putea afecta alte circuite sensibile din sistemul din care va face parte. Si in plus, va fi nevoie de mai multa sarma decat pt convertorul flyback, ca daca as pune 7 spire in primar, in secundar vor fi necesare cel putin 210. Nu stiu ce sa fac.

[danzup]

OK, am inteles.Am citit si cursurile, dar acum sunt intr-o mare dilema. Am nevoie de un convertor de 12V->360V si 25W. Mi-e f simplu sa-l fac de tip flyback, comandat cu MC34063, cu un transformator cu oala de ferita sau E+E cu intrefier, marime de vreo 25-30mm, 7spire in primar si vreo 30 in secundar. Deja am si facut si experimentat asa ceva si are un randament>80%.Dar ma gandeam ca e mai elegant sa fac un convertor half-bridge sau full bridge, cu un transformator facut pe un tor minuscul, care sa nu dea emisii EMI. Dar nu stiu daca renteaza pt 25W. Chiar daca n-are emisii EMI, tot are zgomot de comutatie, care ar putea afecta alte circuite sensibile din sistemul din care va face parte. Si in plus, va fi nevoie de mai multa sarma decat pt convertorul flyback, ca daca as pune 7 spire in primar, in secundar vor fi necesare cel putin 210. Nu stiu ce sa fac.

Deci : suntem in anul 2009 !Zgomotul de comutatie se inlatura cu filtre simetrice pe un tor de ferita si condensatoare in paralel pe filtru !EMI se inlatura prin proiectarea adecvata a cablajului si prin ecranare !Fiecare problema legata de smps a fost deja rezolvata de armate de ingineri !

[EmyRulz]

Tocmai asta e problema de care ziceam: daca nu exista cuplaj perfect, nu toata energia din primar se transfera in secundar, ci o parte se stocheaza in miez (ca apoi sa fie restituita undeva). Dar ca sa se stocheze in miez, creste fluxul si daca miezul e prea mic, ajunge la saturatie. E corect ce am zis.

Am subliniat partile din rationamentul tau care nu sunt corecte. In primul rand majoritatea covarsitoare a energiei nu se stocheaza in miez ci in dielectric(in cazul nostru aer) si asta pt ca W = (1/2*u) *B^2*V unde V este volumul spatiului in care exista campul magnetic. Se observa usor ca in cazul mat magnetice, permeabilitatea u este mult mai mare decat a aerului, deci energia stocata este mult mai mica!

Acum legat de a doua afimatie, sunt curios, pe ce baza ai dedus ca daca se stocheaza energie, creste campul magetic?

Hai sa vedem de ce nu e asa:

Aplicand legea lui Faraday obtinem ca B = 1/nA * integrala din V unde V este tensiunea la borne. Acum, daca avem energie stocata sau nu, valoarea lui B nu se modifica! Aici am tinut cont de faptul ca B se afla in mare parte in miez si ca B este continuu(divB = 0!) adica chiar daca am un intrefier, cele 2 conditii duc inevitabil la concluzia ca B are aceeasi valoare si in intrefier. Daca nu tot campul leaga cele 2 bobine(adica cuplajul nu este ideal), din cauza ca el este solenoidal, trebuie sa inconjoare sursa care l-a produs(curentul prin bobina primara), deci automat va trece prin miez, deci valoarea maxima a sa prin miez va fi aceeasi!

[Vizitator ViorelX]

1 Stiam si eu ca densitatea de energie magnetica e mai mare in intrefier decat in restul miezului, dar daca permeabilitatea este sa zicem de 1000, energia magnetica stocata in intrefier este mai mare decat in restul miezului daca volumul intrefierului este > decat 1/1000 din intregul miez (stiind ca B e uniform si continuu in miez).Bine, ce relevanta are asta?Eu ma gandesc ca miezul magnetic confineaza campul magnetic (il tine captiv, daca e miez inchis). Daca are un intrefier, pe acolo e loc de scapari, pe acolo se poate radia energie electromagnetica in exterior, iar cuplajul bobinelor devine subunitar. (poate fi subunitar si fara intrefier sau fara scapari de radiatie).2 Nu inteleg ce vrei sa demonstrez si ce rationament folosesti. Remarc doar ca ai luat in considerare doar una din sursele campului magnetic: primarul.Pai atat curentul din primar, cat si cel din secundar produc flux magnetic, dar daca cele doua bobine ar fi perfect cuplate, fluxul total rezultant ar fi 0. Daca nu exista cuplaj perfect, fluxul total rezultant nu e 0 si poate sa duca la saturatie in cazuri critice. Ce, vrei sa spui ca daca bobinele nu-s cuplate bine, tot nu creste magnetizarea in miez? Zau ca nu inteleg.Mai e cazul cand prin primar trece un curent constant. Atunci in secundar nu se induce nimic, dar miezul e magnetizat. Nu inteleg cum in graficele de la pag 10 incepand, din cap 14 al cursului pe care mi l-ai atasat sunt date paliere de intensitate constanta atat in primar, cat si in secundar.In fine, chiar daca nu-s expert in teoria campului electromagnetic, sunt deja in masura sa proiectez un transformator in comutatie folosind mijloace experimentale. Cu osciloscopul imi dau seama daca functioneaza bine sau nu si stiu cum sa-i ajustez infasurarile ca sa-l optimizez.Acum intrebarea mea e daca merita sa fac un convertor full bridge de 25W.Am zis ca mi-e f simplu sa-l fac de tip flyback. Dar va disipa vreo 5W de caldura si va fi intr-un montaj inchis intr-o carcasa de plastic. 5W nu e mult, dar nici chiar putin. Oare pot face un convertor full bridge de 25W care nu se incalzeste aproape deloc? Sau nu e rentabil decat pt puteri mult mai mari?

[EmyRulz]

Vad ca tu chiar n-ai citit cursurile alea! E clar ca nu prea ai inteles cum sta treaba cu inductia electromagnetica, eu credeam ca acele cursuri o sa fie lamuritoare, m-am inselat se pare. Problema este ca pt a fi lamuritoare, este ESENTIAL sa nu se sara peste partea matematica... asa ramanem la stadiul de a aplica formula si a ne forma o intelegere pseudo-stiintifica intuitiva, dar ce surpriza, realitatea este contra-intuitiva in cel mai pervers mod! Deci, ce e greu de priceput ca la un transformator, bobinele sunt astfel cuplate incat orice curent care ar produce un flux duce imediat la aparitia unui curent corespunzator in primar astfel incat sa se opuna fluxului creat(legea lui Lenz) ? Singura diferenta care ramane este fluxul care magnetizeaza miezul si permite efectul de transformator. Si ce e asa greu de priceput ca legea de variatie a acestui flux NU ARE ABSOLUT NICIO TREABA CU LEGEA DE VARIATIE A CURENTULUI DIN INFASUARI si are treaba cu LEGEA DE VARIATIE A TENSIUNII DIN PRIMAR? din cauza asta se poate trage un curent constant dintrun traf! Sa nu-i dai tensiune constanta!(greu cu diferenta asta intre tensiune si curent). Daca intelegi treburile astea care sunt absolut de baza atunci nu o sa te mai miri ca factorul de cuplaj NU are treaba cu saturatie si nici intrefierul NU are treaba cu saturatia, singura care are treaba cu saturatia la un traf e TENSIUNEA PRIMARA. E foarte contra-intuitiv, dar asa e si frumusetea!

[Vizitator ViorelX]

Gata, am inteles ceva.La mersul in gol primarul trebuie sa aiba impedanta mare pt tensiunea aplicata (daca nu-i asa, trebuie marita inductanta sau frecventa). Daca tensiunea aplicata e de forma rectangulara, curentul din primar va fi in forma de dinti de fierastrau simetrici, dar de amplitudine f mica (ideal 0). Curentul din secundar este, fireste 0. Tensiunea la bornele secundarului repeta forma tensiunii aplicate in primar.Daca se pune sarcina rezistiva in secundar, apare curent in secundar de aceeasi forma cu a tensiunii induse (rectangular, fiind proportional cu tensiunea). In primar se induce un curent de aceeasi forma, care se suprapune cu cel de la mersul in gol. Impedanta primarului scade. Daca sarcina e mare, curentul din primar apare aproximativ rectangular, deoarece componenta de mers in gol are amplitudine f mica.

[Depanatoru]

Intrefierul , pe langa faptul ca permite stocarea energiei , face intr-adevar sa se ajunga mai greu la saturatie , schimband inclinarea ciclului histerezis . Se vede ca Bmax e atins la o valoare mult mai mare a intensitatii campului , foarte important cand e o valoare de curent continua suprapusa peste cea alternativa - cum ar fi in convertorul flyback functionand in mod continuu ( in permanenta ramane magnetizat miezul ) sau poate mai apropiat de practica de zi cu zi a unui pasionat de electronica , transformatorul audio single-ended ( clasa A )