Fu ue n n nt n e Co n n n m n m u ut ad da A A A i A i i i s s llad da d de M Med d i i i i o Pu ue n n nt n e
Fuente Conmutada de Medio Puente
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Hoja: 1
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Introducción: Una fuente conmutada es un dispositivo electrónico que transforma energía eléctrica mediante transistores en conmutación. Mientras que un regulador de tensión utiliza transistores polarizados en su región activa de amplificación, las fuentes conmutadas utilizan los mismos conmuttándolos activamente a altas frecuencias (20-100 Kilociclos típicamente) entre corte (abiertos) y saturación (Cerrados). La forma de onda cuadrada resultante es aplicada a transformadores con núcleo de ferrita (Los núcleos de hierro no son adecuados para estas altas frecuencias) para obtener uno o varios voltajes de salida de corriente alterna (CA) que luego son rectificados (con diodos rápidos)y filtrados (Inductores y capacitores)para obtener los voltajes de salida de corriente continua (CC).
Requerimientos: • • • • • • • •
Medio puente - Off-Line Potencia salida: 50w Línea de alimentación: 200 a 240V RMS, 50 Hz Frecuencia de conmutación: 80Khz Salida: 24V, 2,5A, límite de corriente 3,5A. Salida: Ripple de 400mV p-p , regulación en línea y carga +/- 1%. Eficiencia 75% Aislación de línea 3750V
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Hoja: 2
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Desarrollo: El término Off-Line significa que el regulador (PWM) va en el primario del transformador de potencia y opera en forma independiente de la línea. Aunque, el regulador PWM puede estar conectado en el lado de la carga. Además, no utiliza transformador de alimentación adicional, ya que se rectifica la línea y se convierte a la tensión de salida V 0 sin utilizar transformador adicional. El siguiente diagrama en bloque muestra los componentes de una fuente conmutada:
Circuitos auxiliares de protección
Entrada Vlinea
Filtro RFI + arranque suave
Rectificador y filtro
Elementos de conmutación
Transformador de potencia
V0
Rectificador y Filtro
Realimentación aislada y lógica de control
El circuito de Entrada de línea
El circuito de entrada tiene un supresor de RFI (Interferencia de Radiofrecuencia), para evitar que la fuente conmutada genere ruido en la línea. Además posee una NTC para generar un arranque suave. La NTC es un componente, que varía su resistencia en función de la temperatura. Así, cuando reciben una temperatura mayor que la de ambiente disminuye su valor óhmico y cuando es baja o de ambiente aumenta. La red supresora de RFI tiene los capacitores de alta tensión (> 500V ) y de alta frecuencia. Los capacitores C5 – C6 tienen un valor de 150nF. Los diodos D5 a D8 funcionan como puente rectificador de onda completa para 220 voltios. El cálculo de los capacitores C 8 y C9 es el siguiente: C=
I t ∆VRIPPLE
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donde I = corriente de carga t = tiempo en el que el capacitor suministra corriente ∆VRIPPLE = máxima tensión de ripple permitido 2 / n i r e w o P _ V
n i r e w o P _ V
0 u 8 0 2 C 2
u 9 0 2 C 2
6 k 1 0 0 R 1
7 k 1 0 0 R 1
r e t l i F r e w o P
7 0 0 4 N 1 D
7 0 0 4 N 1 D
7 0 0 4 N 1 D
7 0 0 4 N 1 D
5 D
6 D
7 D
8 D
n 7 0 7 C 4 n 5 0 5 C 1
n 6 0 5 C 1
r e i f i t c e R r e w o P e n i L
e g a r t l t o o i V c h a g p i a H C r e t l i F I F R / I M E
I F R / I M E _ L
C T N
0 1
2 1 B C 1 2
3 0 U 1
a _ n i e n i L
2
4 0 U 1
b _ n i e n i L
h c t i w S
n i t r a E
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Hoja: 3
Fuente Conmutada de Medio Puente
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Hoja: 4
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Trabajando a 115V, 50Hz, una potencia de conmutación de 50W y η=75% en el peor de los casos. Entonces: Pin =
P0 50W = =66,67W η 0,75
V 0 =220V * 2 =311Vpico I CARGA =
Pin V 0
=
66,67W 311V
= 0,21 A
Se asumirá un ripple máximo de 30V PP y que el capacitor deberá mantener la corriente durante el semiperíodo (10ms para línea de 50Hz). C 1−2 =
0,21 A*10* 10 −3 s 30V
= 70 µ F
Se emplearán condensadores de 100uF y 200v de aislación.
Los transistores de potencia Ahora se estimará la corriente pico del transistor en una fuente conmutada semipuente simétrica forward. En el semiperiodo de la frecuencia de conmutación, la corriente de trabajo es el doble. ID =
2P0 ηDMAX Vin
Si η = 80% DMAX = 0,8 (2 * 0,4), entonces Id queda: IDMAX ≥ 3,125
P0 VinMIN
= 3.125
50 =0.6 A 258
ID MAX ≥0,6 A VCEV o VDSS ≥ VinMAX =339,4 V
Se elige el IRF820, con una corriente máxima de 2,5A y una tensión máxima V DSS=500V.
Fuente Conmutada de Medio Puente
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Hoja: 5
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Los rectificadores de salida VRRM ≥ IF( AV ) ≥
( V0 + VF ) Vin
MAX
D MAX VinMIN
I0MAX 2
+ perdidasinductivas =
(20 + 0.8 )339.4 0.8 *258
=34,2V
=2.5 / 2 = 1,25A
El transformador de potencia 1. Seleccionar el tipo de material, tipo de cazoleta. Los materiales Siemens más usados en fuentes conmutadas son: Material
Rango de Frecuencia
N27 y N41 N67
25 a 150 KHz 100 a 300 KHz
Los tipos de cazoletas más utilizados son: Tipo
Usado en
RM ETD Pot PM EC y ER E U Toroides
Transmisión de mediana y baja potencia (preferentemente sin agujero central) Mediana potencia (posibilidades de bobinado automático) Técnicas de filtros de baja perdidas de flujo Potencias en rangos de 250W a 2KW Potencia mediana. Permite gran área de bobinado. Puede ser montado horizontal o verticalmente Idem anterior Gran potencia. Hasta 20 KW Drivers y filtros de salida. Bajas pérdidas. Baja potencia.
2. Determinar la excursión de la densidad de flujo El transformador se deberá diseñar para operar en el mayor valor de ∆B posible, resultando en una cantidad de vueltas menor en el devanado, incrementando el rango de potencia y obteniéndose menores pérdidas de inductancia debidas al devanado. El valor máximo de ∆B está limitado por el valor de saturación. Del manual Siemens SIFERRIT:
Selected curve: material N27T25
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Hoja: 6
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Se utilizará un ∆B de 300mT. A medida que aumenta la frecuencia se debe reducir la excursión máxima de densidad de flujo. 3. Determinar el tamaño de la cazoleta. Este será un procedimiento iterativo que permitirá seleccionar un núcleo específico que sea capaz de soportar los voltios por segundos sin saturar y con pérdidas en el núcleo y en el devanado aceptables. Un método útil es aplicar la ecuación del “área de producto, AP” que es el producto del área de la ventana del núcleo A W multiplicada por el área efectiva del núcleo A e. El valor de AP del núcleo seleccionado deberá ser mayor o igual. Las siguientes ecuaciones se utilizan cuando el valor de ∆B está limitado por el valor de saturación, y cuando está limitada por las pérdidas en el núcleo.
AP = A W
Pout 10 4 Ae = η K t K u K p 420 ∆B 2 f t
AP = A W
Pout 10 4 Ae = η K 120 ∆B 2 f t
1.31
11.1 Pout [cm 4 ] η K ∆B f t
=
1.58
(
. k H f t + k E f t2
)0.66 [cm 4 ]
donde : Potencia de salida
Pout KT = Ku = Kp =
Iin(DC) IP(RMS) A' w Aw Ap A' w
relac. I entrada /I primario, y depende de la topología factor de utilización de la ventana factor de área del primario (el área relativa del primario
respecto al área total de todos los devanados, proporcionados ) K =K t Ku Kp J ft
2
densidad de corriente (420 A/cm ) frecuencia de operación del transformador
Ku es la fracción del área de la ventana del núcleo que está llenada ahora con el bobinado. Ku se reduce por la aislación, por la distancia en el final del recorrido de la bobina en aplicaciones de alta tensión, y por el factor de llenado (forma del área del cableado y capas). Ku es típicamente entre 0.4 y 0.3en fuentes off-line de alta aislación.
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Hoja: 7
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KP es el área relativa del primario respecto al área total de todos los devanados, proporcionados de manera tal que todos los devanados operen a la misma densidad de corriente RMS y la misma densidad de potencia. Para la mayoría de los materiales ferrites, el coeficiente de histéresis es k H = 4.10 −5 y el coeficiente de corriente de Eddy es k E = 4.10 −10 En las ecuaciones se asume que el bobinado ocupa el 40% del área de la ventana, que las áreas del primario y el secundario están proporcionadas por igual densidad de potencia y que las pérdidas del conductor y del núcleo resultan en una subida de 30º con enfriamiento por convección natural. La tabla siguiente muestra los valores típicos de las constantes K: Table I. K factors Forward converter Bridge / Half Bridge Full wave center-tap Note:
SE/SE SE/CT CT/CT
K 0.141 0.165 0.141
Kt 0.71 1.0 1.41
Ku 0.40 0.40 0.40
Kp 0.50 0.41 0.25
Throughout the following calculations: Half-bridge – Vin equals 1/2 the rail-to-rail input voltage C.T. primary – All primary references are to 1/2 the total primary SE/SE: Single-ended primary / secundaries (forward converter, f ly-back, boost) SE/CT: Single-ended primary / center- tap secundaries (Half bridge, Bridge) CT/CT: Center-Tap primary / secundaries (Full Wave Center-Tap)
Push pull feed forward converter at 100khz
Potencia (W)
∆B→150mT
B
100W
t RM8 Material= N27 & N41 3
Volumen (Cm )
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Hoja: 8
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De la anterior se puede ver que con una potencia de 50W/0,8=62.5W se puede utilizar el RM8 con 3 un volumen efectivo con agujero central de V EFECTIVO =1840mm (sin agujero central 2430 mm 3). Por disponibilidad, se buscará en el manual una cazoleta “E” que tenga un volumen efectivo mayor o 3 3 igual que 1840mm . La cazoleta EE25.4/10/7 tiene un volumen efectivo de 1910 mm con material N27. El ∆B del material N27 que se utilizará será de ±200mT 4. Calcular la cantidad de vueltas del devanado primario. Este es el cálculo más crítico. Por lo que deberá ajustarse al valor definitivo por ensayo y error en laboratorio. EE25.4/10/7 con Amin= 2 38,4mm . La fórmula utilizada es la Ley de Faraday modificada, donde V es la tensión pico, si se considera que Dmax=0.45 por cada semiciclo, ˆ 10 9 0,225 V 0,225*160*10 9 NP ≥ = = 39.06 f Sw ∆B max A min f Sw 300 * 38,4
NS =
Vout + VFdiodo NP VinprimMIN *DMAX
=
(40 + 0.8)40 258 * 0.8
=7,9
Se adopta en el primer ensayo NP = 40
Se adoptará NS =8
Adoptando una densidad de corriente de 4.2A / mm 2 , los diámetros de los conductores será: φP =
4I 4 * 0,6 = = 0,42 π.J π * 4.2
El diámetro del primario será de φ P = 0,45 mm
Por el secundario se reparte la mitad en un sector, y la mitad en el otro. Por lo que, si I Out=2,5A: Si Dmax=0.8 IRMS =2,5
φS =
D MAX =1,581A 2
4I 4 * 1,581 = = 0,69 π.J π * 4.2
φ S = 0,7 mm
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Hoja: 9
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Cálculo del choke L2, C3 y C10 de salida T_Power
L2 D2 +Vout
MUR420 C3 100u/63V
HFC
Vout_gnd C10 470n/250V
D3
Polyester
MUR420
Este deberá tener las siguientes características: • • •
Material de alto valor de saturación de densidad de flujo en el material Alta capacidad de almacenamiento de energía Entrehierro inherente y calibrado (si es necesario), ya que éste operará en CC.
El inductor operará con CC superpuesta que no se anulará, y además, trabajará en un sólo cuadrante del ciclo B-H. Típicamente se diseña con una capacidad del 50% más que la que requiere la carga, durante el ciclo de operación. i
I
iL(high)
k
iL(low)
Vi 40V
Imin T
2T
t ton tof
La cantidad de energía que almacena el inductor durante cada ciclo es: 1 2
2
∆E= L (iPK −imin )
La cantidad de energía remanente en el núcleo está dada por: E resid =
1 2
2 Li min
La frecuencia aplicada en L es el doble que la de la fuente conmutada.
t
Fuente Conmutada de Medio Puente
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Hoja: 10
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1− t off (MAX) =
L=
Vout Vin 2f
Vout t off ( MAX)
PL =
0,25 * Iout
1 2
L ∆I 2L f =
20 40 = 3,125µS = 2* 80E3 1−
=
1 2
20 * 3,125 * 10−6 0,25 * 2 ,5
= 100µH
100 *10 −6 2 *160 *10 3 = 32 W
PL ≅ 32 W
Usando el E20/6, con un A L = 900nH
AL =
L
N=
N2
L AL
=
100 *10 −6 900 *10 −9
, vueltas = 1054
N=11 vueltas
Si Dmax=0.8 IRMS =2,5
D MAX =1,581A 2
φ choke =
4I 4 * 1,581 = = 0,69 π.J π * 4.2
φ choke = 0,7 mm
Para calcular C3: I out ( MAX ) T off ( MAX ) 2,5 * 3.125 * 10 −6 C 3(min) = = =19,6 µ F V Ripple( MAX ) 400 * 10 −3 C 3= 100 µ F
Cálculo C10: La topología medio puente es muy usada en convertidores off-line debido a que la tensión de bloqueo de los transistores no es el doble de la alimentación, como en el caso de los convertidores forward de simple switch, y la topología push-pull. Otra ventaja de ésta topología es que permite balancear los Volts/segundo de cada transistor de conmutación automáticamente para prevenir la saturación utilizando un método sencillo de balanceo del intervalo de cada transistor sin emplear núcleos con entrehierro, y sin correctores de simetría. Este capacitor de acoplamiento es normalmente del tipo sin polaridad capaz de manejar la corriente del primario. Un aspecto importante relacionado con el valor del capacitor de acoplamiento es la tensión de carga de éste.
Fuente Conmutada de Medio Puente
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Hoja: 11
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Debido a que el capacitor se carga y descarga todos los semiciclos de “f S”, la componente en continua se adicionará a I ∆t C
VC =
Vin 2
.
es la tensión de carga del capacitor.
I =corr .enel primario C =valor del capacitor
∆t =int ervalodetiempo dec arg a del capac.
∆t = T DMAX = tON
y T=
1 f S
Para un convertidor de 80Khz, el ciclo de trabajo D MAX = 0,8. El intervalo de carga es: -6
∆t = T DMAX = 12,5 * 10 * 0,8 = 10 µs. La tensión de carga deberá tener un valor máximo razonable, del 10 al 20% de Vin 2
Vin 2
. Esto es, si:
= 160VNOMINAL
entonces: 16 ≤ ∆VC ≤ 32V Esto será, para una buena regulación del convertidor.
C=I
C=
dt dVC
I=corr. primario promedio dt = int ervalo de c arg a dVC =valor arbitrario entre10%y20%Vin
IDMAX DMAX ∆T 0,6 * 0,8 * 10 * 10 −6 = =300nF ∆VC 20
Finalmente: C10=330nF/400V
Selección del transistor de potencia Se deberá elegir un transistor con una Ic≥0,6 y una Vds≥320V por lo tanto el IRF820 será el apropiado. De la siguiente figura de la hoja de datos, y para V GS de 10V, la Q = 55nC tenemos:
Fuente Conmutada de Medio Puente
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Hoja: 12
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td(on) =14nS td(off) =33nS tr =54nS tf =35nS
El tiempo de conmutación admitido deberá ser mayor que t d(on) + tr = 68nS, y mayor que td(off) + tf = 68nS Se tomará tc =100nS IG =
QG tc
=
55 nC 100 nS
= 0,55A
Potencia del Driver: Pdrv = Q G VGS f c = 55nC * 10V * 80KHz = 44 mW Impedancia del Driver: Parte plana: 15nC a casi 40nC RG =
VGS( sat ) − VGS(plana ) 55 − 25 = =54,54Ω I G( sat ) 0,55
40-15=25nC
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Mediciones realizadas: Gate-Surtidor IRF 820
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Hoja: 13
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Tensión en el primario del transformador e potencia
Ripple en la carga (8 ohm)
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Hoja: 14
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Circuito Completo:
2 / n i r e w o P _ V
n i r e w o P _ V
0 u 8 0 2 C 2
u 9 0 2 C 2
6 k 1 0 0 R 1
7 k 1 0 0 R 1
r e t l i F r e w o P
7 0 0 4 N 1 D
7 0 0 4 N 1 D
7 0 0 4 N 1 D
7 0 0 4 N 1 D
5 D
6 D
7 D
8 D
n 7 0 7 C 4 n 5 0 5 C 1
n 6 0 5 C 1
r e i f i t c e R r e w o P e n i L
e g a r t l t o o i V c h a g p i a H C r e t l i F I F R / I M E
I F R / I M E _ L
C T N
0 1
2 1 B C 1 2
3 0 U 1
a _ n i e n i L
2
4 0 U 1
b _ n i e n i L
h c t i w S
n i t r a E
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Hoja: 15
Fuente Conmutada de Medio Puente
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Hoja: 16
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+12V
+12V
Ref out_a
R3 100k
6 1 4 U1
R1 10k 15 3 5 6 1 2 7 8
Ref out_b R5 1k From Optocoupler
R6 1k
R8 330
R4 1k
0
R2 10k
0
R7 1k
SYNC CT 11 RT OUTA 14 ERR- OUTB ERR+ DIS P T START
2 1
CT
C1
10k
6.3n
1u
0
13
V1a V2a
D M U N O H G C S
RT
0
F C E S VIN R C O V
0
0 9
SG1525 1
R19 100
0
0
Pulse Width Modulator
G_M1 V1a R10a2 100 S_M1 V2a
G_M2 R10b2 100 S_M2
Driver Transformer
Driver - option 1
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Hoja: 17
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V_Power in
M1 G_M1
Dz1a 15V_0.5W Dz1b 15V_0.5W
IRF820 R11a 1k
T_Power
L2 D2
S_M1
+Vout
MUR420 C3 100u/63V
HFC
Vout_gnd C10 M2 G_M2
Dz1a 15V_0.5W Dz1b 15V_0.5W
V_Power in/2
470n/250V
MUR420
R11b 1k
S_M2
Power Transformer
0 Power Switching
D3
Polyester
IRF820