Despre functionarea SMPS - sfaturi, pareri, observatii

[smilex]

[...]

 

Aveti idee, poate ati calculat, la o sursa SMPS cu capacitor serie in primarul transformatorului de putere, cam ce putere se poate stoarce ? Si cat sunt pierderile pe capacitor in comparatie cu cele consumate de infasurarea primara a transformatorului de putere a sursei SMPS ?

Sau - cu alte cuvinte - din care topologie SMPS se poate stoarce o putere cat mai mare?

 

Pierderile in condensator sunt date de tangenta de pierderi conform pdf. Uzual, sunt neglijabile. Daca capacitatea e prea mica, variatia tensiunii pe ea e mare si tensiunea minima preconizata nu mai poate fi asigurata. Nu inseamna pierderi de putere disipata, dar poate fi un inconvenient major.

Calcule sunt cateva la teorie.

In pdf se specifica variatia de tensiune admisa in functie de frecventa pentru cresterea cu 10grC peste ambient.

Nu exista limite de topologie, asta-i o prostie pe care am intalnit-o mai mereu. Exista avantaje si dezavantaje.

Datorita avantajelor aferente, cea mai convenabila forma pentru putere mare, este cu punte. Pentru conditii grele de lucru se utilizeaza si forward 2T.

[donpetru]

Exista o pierdere "de putere" pe capacitor, deoarece capacitorul in serie cu inductanta primara a transformatorului formeaza un circuit LC serie, caracterizat printr-o reactanta inductiva si una capacitiva. Raportul dintre valorile acestor reactante e critic in cazul unor asemenea topologii SMPS si din acest motiv, topologia care are capacitor in serie cu primarul trafo este limitata in ceea ce priveste puterea maxima tranzitata sau data pe iesirea sursei.

[smilex]

@elco Vezi? Exact ce spuneam.

 

Tot ce am afirmat este real. Nu exista limite de topologie. Nu valoarea condensatorului intra in discutie la semipunte, ci curentul dublu si pentru aceiasi tensiune maxima a elementelor de comutatie, fata de punte.

Valoarea riplului tensiunii pe condensator poate fi precis calculata. Un 2x4,7u asigura un riplu infim la orice putere uzuala. Puterea disipata este nula daca defazarea curentului prin cond (fata de tensiune) e de 90. La fel si pentru orice inductanta. Reactantele lor nu conteaza decat in aparitia curentului de mers in gol, curent defazat si care produce pierderi numai in rezistentele ohmice implicate.

Editat August 24, 2014 de smilex

[donpetru]

@smilex,

reactantele capacitorului serie si a inductantei primare a transformatorului CONTEAZA foarte mult deoarece influenteaza puterea disipata de tranzistoarele MOSFET sau IGBT din sursa. Sunt cazuri cand se folosesc mai multe capacitoare in paralel in acel circuit LC de care pomeneam mai sus, tocmai pentru a pastra in limite rezonabile raportul reactantelor si pentru a creea o sursa de putere mare.

 

Mare atentie la modul cum folositi termeni, am vazut mai multe scapari facute de dvs. in diverse postari din forum, ca de exemplu, citez de mai sus:

 

"Un 2x4,7u asigura un riplu infim la orice putere uzuala" . Despre ce "riplu" vorbiti ???

 

Dupa aceea spuneti:

"Puterea disipata este nula daca defazarea curentului prin cond (fata de tensiune) e de 90". Cum sa fie puterea disipata nula ? Dvs. sunteti constient de ceea ce spuneti ?

 

Dupa aceea, in tot in postarea de mai sus afirmatii: "Reactantele lor nu conteaza decat in aparitia curentului de mers in gol". Presupun ca va referiti in continuoare la inductanta L (primara) si acel capacitor serie. Daca este asa, si sigur este asa, atunci unde vedeti dvs. curent de mers in gol ??? Prin tranzistoarele IGBT sau MOSFET de putere sau prin primarul trafo ? Nu este niciun curent, nici prin una, nici prin alta. Tocmai capacitorul serie cu primarul trafo are rolul de a bloca componenta continua prin reactanta primara trafo. Iar prin tranzistoarele MOSFET nu se recomanda niciun curent de mers gol, din motive evidente, cel mai evident fiind minimizarea puterii disipate de IGBT in comutatie.

 

Eu nu contest experienta dvs. practica, dar modul cum abordati teoretic problema este, nu dezastruos, ci foarte dezastruos. V-am mai trecut cu vederea asemenea scapari prin alte subiecte ale forumului, dar fiti corect in exprimare, nu "aburiti audienta".

 

Numai bine

[smilex]

Nici nu stiu de unde sa incep...

 

Diferenta intre punte si semipunte este de tensiune in primar. La punte e dublu. Daca sa doreste o anume putere, curentul prin tranzistoarele puntii este pe jumatate fata de semipunte. Daca se foloseste acelasi condensator inseriat cu primarul, riplul de tensiune (de el vorbeam) de pe condensator este deci dublu (datorita curentului) la semipunte. Asta nu opreste pe nimeni sa foloseasca o capacitate mai mare. Am dat exemplul celor 2x4,7u (prefer legarea spre +/- decat spre mediana unor electrolitici) pentru ca e enorm in orice aplicatie.

 

Da, sunt deplin constient de ceea ce afirm. Numai puterea activa produce efecte termice, iar ea depinde de defazare. Curentul in gol din primarul trafo, indiferent daca e de retea sau comutatie, nu produce pierderi decat in rezistentele ohmice implicate si miez. Pierderile sunt neglijabile, mai ales in cazul smps.

 

In cazul smps, acele pierderi se traduc prin existenta unui curent continuu extras din filtrajul retelei (daca e de la retea). Curentul care apare in primar poate fi vizualizat. Nu are componenta continua daca solutia constructiva e corecta. Exceptie flyback. Dar componenta alternativa exista si produce niste pierderi (infime) care costa un curent continuu de care spuneam.

 

Imi pare rau, nu inteleg recomandarea cu acel curent de mers in gol al MOS. El functioneaza ca si comutator, e maxim si nimic.

 

E super daca sunt contestat.

 

Respect activitatea dvs. Sper sa nu existe nici o indoiala fata de asta. Dar poate ca tocmai postura in care va aflati ma va face sa intervin intotdeauna in afirmatiile dvs, consider eu ca gresite. Desigur, acolo unde sunt sigur ca sunt gresite. Abureala nu este a mea. Sau cine stie, poate dezinformez intentionat?...

Daca nu m-am facut inteles, poate e vina mea, dar cel care nu a inteles poate intreba, e forum.

[donpetru]

Eu va recomand sa va recititi postarea nr.8 de mai sus.

Termeni folositi acolo si modul de exprimare/caracterizare a problemei este un fel de pseudo-stiinta. Observ ca eu NU v-am facut sa constientizati ceea ce ati spus mai sus, o sa las pe altcineva sa o faca, dar sa o faca ca lumea.

[smilex]

Am citit si recitit si eu. Dar in afara de precizarea ca e vorba de riplul tensiunii, nu vad nici o greseala. Oricum, daca as vedea, as ignora-o? Doar e postul meu, nu?

Precizarea cu riplul tensiunii nu am facut-o pentru ca, asa cum zice Marian, se subintelege. Doar pierderea de tensiune pe cond poate sa coboare tensiunea aplicata primarului. Este un lucru prea evident, nu necesita precizari.

Am sa incerc sa iau lucrurile punctual.

Exista o pierdere "de putere" pe capacitor, deoarece capacitorul in serie cu inductanta primara a transformatorului formeaza un circuit LC serie, caracterizat printr-o reactanta inductiva si una capacitiva. Raportul dintre valorile acestor reactante e critic in cazul unor asemenea topologii SMPS si din acest motiv, topologia care are capacitor in serie cu primarul trafo este limitata in ceea ce priveste puterea maxima tranzitata sau data pe iesirea sursei.

O inductana uzuala la semipunte are 5-10mH. La 50kHz inseamna 1,5-3k?. O capacitate uzuala inseriata cu primarul are 1-2,2u. La aceiasi frecventa reactanta este de 3,2-1,4?. Cam de 1000 de ori mai mica reactanta condensatorului decat a primarului. Despre ce raport critic vorbim aici? Care e raportul vizat si de ce? Cum influenteaza asta puterea?

Rolul condensatorului este de a suprima o eventuala componenta continua. Daca valoarea lui e mare, inegalitatile in timpii de conductie se suprima in mai multe impulsuri putand conduce la aparitia saturatiei si implicit la existenta unor impulsuri cu varf de curent mari. Daca valoarea lui e mica, in cazul unei sarcini ce necesita curent, se formeaza un riplu de tensiune ?U=I?Ton/C. Ca exemplu, 1uF la 1A si frecventa de 50kHz careia poate sa-i corespunda un timp de conductie a unui singur tranzistor de 10us va avea o variatie de tensiune de ?U=10V. In literatura de specialitate se admite 10-30% din tensiunea de atac a primarului. Mie personal imi pare potrivita o valoare de 10-15%. Deci daca in exemplu e vorba de o semipunte atacata cu o minima de 100V si care necesita datorita sarcinii din secundar, 1A in primar, variatiei de 10V de pe condensator, careia ii corespunde o variatie de +/-5V fata de media tensiunii, va duce la scaderea tensiunii in primar cu 5V la sfarsitul perioadei Ton dar si la atacul primarului cu +5V peste medie pentru inceputul Ton. Astea sunt criteriile prin care se dimensioneaza condensatorul valoric. Iar ca tensiune se cauta acea varianta ce permite variatia de 2,5Vrms la acea frecventa. Nici macar nu vreau sa explic de ce ?U de 10V inseamna 2,5Vrms. Nu exista putere disipata pe acest condensator (nu semnificativa) daca se respecta datasheet-ul.

Eu astept totusi un alt raspuns privind dimensionarea, conform intrebarilor privitoare la ?raportul critic? al reactantelor... Chiar sunt curios. Daca se poate cu un exemplu concret...

reactantele capacitorului serie si a inductantei primare a transformatorului CONTEAZA foarte mult deoarece influenteaza puterea disipata de tranzistoarele MOSFET sau IGBT din sursa. Sunt cazuri cand se folosesc mai multe capacitoare in paralel in acel circuit LC de care pomeneam mai sus, tocmai pentru a pastra in limite rezonabile raportul reactantelor si pentru a creea o sursa de putere mare.

Puterea disipata de tranzistoare este apa de ploaie in gol. Este maxima la sarcina maxima. Reactanta primarului in gol (1,5-3k) este apa de ploaie fata de consumul cerut de sarcina. Inductanta unui trafo smps sau chiar retea intra in discutie numai la functionarea in gol. Regimul la asemenea functionare nu face parte din discutia prezenta pentru ca nu exista limitari de putere privind mersul in gol. Curentul care se formeaza este infim, defazat cu 90 grade, nu determina puteri disipate care sa merite luate in discutie. Nici macar in tranzistoare. Deci daca dicutam de puteri adevarate, acele reactante sunt apa de ploaie. Eventual inductanta de scapari, rezistenta ohmica a infasurarilor, caderi de tensiune pe semiconductoare, etc. Astea fac limitarea puterii prin inrautatire randamentului. Nicidecum reactanta primarului sau raportul reactantelor (din nou afirmat) despre care astept cu nerabdare date concrete.

[donpetru]

[DjLeco]

Cel mai bine este cu driver specializat, in speta in cazul de fata, IR2110-IR2113, asigura current suficient pentru inchiderea si deschiderea completa a tranzistorilor comutatori, pentru puteri de pina la 2,5kW.

 

Folosind IR211x, ai marele avantaj ca se poate controla deadtme-ul din SG3525 deadtime atit de important pentru un SMPS.

 

Ori comanda si mai buna se poate face cu optodrivere spcializate, imunitatea la zgomot, fiind mult ma buna, cit si separarea galvanica de exceptie.

 

Recomnd IGBT-uri WARP, sint superbe pina la 150kHz in hard switching.

 

Aentie driverul IR211x trebuie alimeta in acest caz cu 16Vcc, deoarec IGBT necesita 15Vcc pentru comanda!

 

Foarte mult conteaza si valoara capactorului serie cu bobina primara, atit in halfbridge cit si in fullbridge, nu se allege HAOTIC!

 

Multi pun vaori mari, "sa fie acolo", INCORECT!

Editat August 25, 2014 de DjLeco

[smilex]

Indiferent ca e 1mW sau 100mW, sper ca nu despre limita asta de putere discutam.

Observ altceva la Marian, mult mai interesant. Pentru 5mV/div sunt varfuri de 1A deci 0,7A efectiv prin circuit. Adica la o tensiune de 100V si un curent de 0,7A putere disipata de 1mW (sau 100mW)? Asta nu spune nimic despre importanta defazarii?

Marian, asta e putin exagerat, nu am fost insultat de nimeni. Dar consider discutia sub medie.

 

Inca mai sper ca se va vorbi despre acel raport critic al reactantelor. Care sunt valorile admise si de ce. Si cum influenteaza raportul puterea. Ma refer la valori concrete. Sa zicem pentru exemplul cu cei 10mH, la 50kHz, se preteaza obligatoriu 1uF? De ce? Dar daca e 2uF, ce se va petrece? Scade puterea, creste? Cum?

[DjLeco]

Smilex, ia putin la rasfoit despre o sursa smps half bridge, resonant mode ZCS (zero curent switching), si vei afla multe despre valoarea condensatorului serie cu circuitul primar.

SMPS.pdf

Editat August 25, 2014 de DjLeco

[smilex]

De ce, nu e secret?

Ti-am mai spus, nu dau doi bani pe rezonante.

[DjLeco]

Chiar si la surse clasice HARD SWITCHING, exista o corelatie intre inductanta traf primar+frecventa de lucru si valoarea capacitatii.

 

Pina sa evoulez si eu, ma jucam cu capacitatea aia, pina ajungem la randamentul maxim, dedus din curentul consumat de sursa in sarcina, si tensiunea la iesire pe o sarcina fixa cunoscuta.

 

Rudimentar, insa si atunci am trecut de 1500W pe un miez toroidal R63, pe la 55kHz, cu IRFP460.

Editat August 25, 2014 de DjLeco

[donpetru]

PS: Ca tot pomeniti de afirmatii posibil eronate ( nu vreau sa folosesc expresia Dvs ):

reactantele capacitorului serie si a inductantei primare a transformatorului CONTEAZA foarte mult deoarece influenteaza puterea disipata de tranzistoarele MOSFET sau IGBT din sursa

N-ati vrea sa detaliati mai precis?

Indicatia wattmetrului variaza mult deoarece afiseaza marimii instantanee. Acest lucru se intampla din cauza ca, daca o sa urmariti cum evolueaza tensiunea la bornele inductantei, veti vedea ca semnalul este modulat pe o purtatoare sinusoidala, iar din cauza ca wattmetru nu masoara tensiuni si curentii true-rms, indicatia acestuia nu reprezinta altceva decat un sir de valori instantanee, cu o anumita rata de reimprospatare sau afisare a valorii, impusa de soft.

 

Influenteaza puterea disipata de MOSFET-uri, ambele reactante, doarece ele impun curentul de varf prin MOSFET-uri (sau IGBT, depinde de caz). Adica - putina teorie - curentul de varf prin IGBT (sa incepem cu cel de pe "+") este dat de relatia I =(U-Usat)/Z, unde Z reprezinta impedanta circuitului LC, preponderent inductiva, deoarece reactanta inductiva este mai mare ca cea capacitiva. Deci, putem aproxima Z ca fiind (xL-xC). Asa cum utilizatorul @smilex, afirma, de data asta bine, ca valorilor reactantelor sunt de ordinul kOhm, in cazul celei inductive, si cativa ohm in cazul celei capacitive, inseamna ca impedanta circuitului serie LC este de ordinul kohm. Daca micsoram sau crestem aceasta impedanta (implicit reactantele ei) veti observa ca curentul mentionat anterior va creste sau va scadea, cu repercursiuni asupra puterii disipate de MOSFET sau IGBT.

 

Deci, in primul caz capacitorul se incarca, dupa functia exponentiala binecunoscuta, cu ajutorul MOSFET-ului sau IGBT-ului de pe "+" si se descarca cu ajutorul tranzistorului de pe "-" sau masa. Asa cum spuneam, impedanta circuitul LC influenteaza valoarea curentului care circula in cele doua situatii mentionate anterior, deci puterea disipata de tranzistoare. Tot puterea disipata de tranzistoare, asa cum mentiona utilizator @DjLeco, undeva mai sus, este influentata de "dead-time", suprapunerea conductiei, care desi nu este prea apreciata de tine (Leco), sursele SMPS in semipunte cu convertoare rezonante sunt cele mai tolerante in aceasta privinta, desi au dezavantajul major ca nu prea putem stoarce din ele o putere mare (ceea ce de regula, din interventiile tale, am observat ca urmaresti).

 

Numai bine

[donpetru]

Daca erati atent la expresia impedantei: xL-xC, atunci cu siguranta nu afirmati ceea ce ati spus in primul paragraf de mai sus. Faptul ca am scris formula impedantei sub forma mentionata anterior, e de la sine inteles faptul ca, in calculul impedantei am tinut cont de acel defazaj. Impedanta fiind preponderent inductiva, asta inseamna ca curentul este mai puturos ca tensiunea cand tranziteaza circuitul, deci tensiunea este defazata cu 90 de grade inaintea curentului.

 

Referitor la comentariu din paragraful nr.2 de mai sus, toate teoria facuta de mine intr-o postare precedenta se refera la pierdele globale de putere, care includ atat pierderile de comutatie cat si cele in conductie directa.

Pe de alta parte, atunci cand tranzistorul de pe "+" incepe sa conduca, tensiunea o ia inaintea curentului si se aplica circuitului LC, implicit capacitorului, curentul de incarcare a lui venind usor in urma tensiuni. Dupa aceea, in etapa a doua a functionarii, capacitorul se descarca pe tranzistorul opus, de pe "-". Dupa cum observati, ne intoarcem iar la cele doua reactante a circuitului si observam ca, raportul celor doua reactante are un cuvant greu de spus in ceea ce priveste regimul de functionare a invertorului si implicit asupra factorului de calitate a circuitului LC, factor care ne arata, intr-o traducere libera, cam cat din puterea tranzitata se duce mai departe, de aici si constatarile practice a utilizatorului @DjLeco spuse intr-o postare mai sus, citez:

Pina sa evoulez si eu, ma jucam cu capacitatea aia, pina ajungem la randamentul maxim, dedus din curentul consumat de sursa in sarcina, si tensiunea la iesire pe o sarcina fixa cunoscuta.

 

Apoi, spuneti mai sus:

Puterea disipata de tranzistori este impartita in 2 categorii, pierderi de comutatie si pierderi in conductie directa, si daca comanda este una corect dimensionata pierderile in comutatie pot fi suficient de mici pentru a nu conta, si raman cele in conductie directa si acestea sunt in mod evident dictate de catre sarcina din secundar, in nici un caz reactantele din primar.

Daca reactantele din primar, inclusiv acel circuit LC serie de care tot vorbim aici, nu au o valoare corespunzatoare, atunci nu putem sa obtinem in secundar puterea pe care ne-o dorim. Pentru ca, daca ar fi asa cum ziceti - si nu este asa - atunci ar trebui sa nu mai conteze valoarea acelor reactante (implicit valoarea componentelor L si C) in cazul acestor surse SMPS, ceea ce nu este asa. Aici oarecum v-ati contrazis in afirmatii (facand o comparatie cu alte afirmatii pe care le-ati facut in acest topic).