Diseño de una Fuente Conmutada

FFFFFFFFuuuuuuuueeeeeeeennnnnnnntttttttteeeeeeee CCCCCCCCoooooooonnnnnnnnmmmmmmmmuuuuuuuuttttttttaaaaaaaaddddddddaaaaaaaa AAAAAAAAiiiiiiiissssssssllllllllaaaaaaaaddddddddaaaaaaaa

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FFuueennttee CCoonnmmuuttaaddaa ddee MMeeddiioo PPuueennttee - Hoja: 1 www.ayudaelectronica.com

Introduccin:

Una fuente conmutada es un dispositivo electrnico que transforma energa elctrica mediante transistores en conmutacin. Mientras que un regulador de tensin utiliza transistores polariza-dos en su regin activa de amplificacin, las fuentes conmutadas utilizan los mismos conmut-tndolos activamente a altas frecuencias (20-100 Kilociclos tpicamente) entre corte (abiertos) y saturacin (Cerrados). La forma de onda cuadrada resultante es aplicada a transformadores con ncleo de ferrita (Los ncleos 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 rpidos)y filtrados (Inductores y capacitores)para obtener los voltajes de salida de co-rriente continua (CC).

Requerimientos:

Medio puente - Off-Line

Potencia salida: 50w

Lnea de alimentacin: 200 a 240V RMS, 50 Hz Frecuencia de conmutacin: 80Khz Salida: 24V, 2,5A, lmite de corriente 3,5A. Salida: Ripple de 400mVp-p , regulacin en lnea y carga +/- 1%. Eficiencia 75% Aislacin de lnea 3750V


Desarrollo:

El trmino Off-Line significa que el regulador (PWM) va en el primario del transformador de po-tencia y opera en forma independiente de la lnea. Aunque, el regulador PWM puede estar conec-tado en el lado de la carga. Adems, no utiliza transformador de alimentacin adicional, ya que se rectifica la lnea y se convierte a la tensin de salida V0 sin utilizar transformador adicional.

El siguiente diagrama en bloque muestra los componentes de una fuente conmutada:

El circuito de Entrada de lnea

El circuito de entrada tiene un supresor de RFI (Interferencia de Radiofrecuencia), para evitar que la fuente conmutada genere ruido en la lnea. Adems posee una NTC para generar un arranque suave. La NTC es un componente, que vara su resistencia en funcin de la temperatura. As, cuando reciben una temperatura mayor que la de am-biente disminuye su valor hmico y cuando es baja o de ambiente aumenta. La red supresora de RFI tiene los capacitores de alta tensin (> 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 clculo de los capacitores C8 y C9 es el siguiente:

RIPPLEVtI

C

=

Circuitos auxiliares de

proteccin

Transformador de potencia

Rectificador y Filtro

Elementos de

conmutacin

Filtro RFI + arranque suave

Rectificador y

filtro

Realimentacin aislada y lgica

de control

V0 Entrada Vlinea


donde I = corriente de carga t = tiempo en el que el capacitor suministra corriente

VRIPPLE = mxima tensin de ripple permitido

Line

in_a

Line

in_b

Eart

in

V_Po

wer

in

V_Po

wer

in

/2

0

U3

0 12

U4

0 12

CB1

12

L_EM

I/RFI

C5

150n

C6

150n

C7

470n

D5

D1N

4007

D6

D1N

4007

D7

D1N

4007

D8

D1N

4007

R16

100k

R17

100k

C8

220u

C9

220u

NTC 10

High

Vo

ltage

Cap

acito

rSwit

ch

Line

Po

wer

R

ectif

ier

EMI/R

FI Fi

lter

Pow

er Fi

lter


Trabajando a 115V, 50Hz, una potencia de conmutacin de 50W y =75% en el peor de los casos. Entonces:

WWPPin 67,6675,0500

===

VpicoVV 3112*2200 ==

AVW

VP

I inCARGA 21,031167,66

0

===

Se asumir un ripple mximo de 30VPP y que el capacitor deber mantener la corriente durante el semiperodo (10ms para lnea de 50Hz).

FV

sAC 7030

10*10*21,0 321 ==

Se emplearn condensadores de 100uF y 200v de aislacin.

Los transistores de potencia

Ahora se estimar la corriente pico del transistor en una fuente conmutada semipuente simtrica forward. En el semiperiodo de la frecuencia de conmutacin, la corriente de trabajo es el doble.

inMAX

0D VD

P2I

=

Si = 80% DMAX = 0,8 (2 * 0,4), entonces Id queda:

A6.025850125.3

VP125,3I

MINin

0MAXD ==

A6,0I MAXD

V4,339VVoV MAXinDSSCEV =

Se elige el IRF820, con una corriente mxima de 2,5A y una tensin mxima VDSS=500V.


Los rectificadores de salida

( ) V2,34258*8.0

4.3398.020inductivasperdidasVDV)VV(

VMINinMAX

MAXinF0RRM =

+=+

+

A25,12/5.22

II MAX0)AV(F ==

El transformador de potencia

1. Seleccionar el tipo de material, tipo de cazoleta. Los materiales Siemens ms usados en fuentes conmutadas son:

Material Rango de Frecuencia

N27 y N41 25 a 150 KHz N67 100 a 300 KHz

Los tipos de cazoletas ms utilizados son:

Tipo Usado en

RM Transmisin de mediana y baja potencia (preferentemente sin agujero central) ETD Mediana potencia (posibilidades de bobinado automtico) Pot Tcnicas de filtros de baja perdidas de flujo PM Potencias en rangos de 250W a 2KW EC y ER Potencia mediana. Permite gran rea de bobinado. Puede ser montado horizontal o verticalmente E Idem anterior U Gran potencia. Hasta 20 KW Toroides Drivers y filtros de salida. Bajas prdidas. Baja potencia.

2. Determinar la excursin de la densidad de flujo

El transformador se deber disear 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 obtenindose menores prdidas de inductancia debidas al devanado. El valor mximo de B est limitado por el valor de saturacin.

Del manual Siemens SIFERRIT:

Selected curve: material N27T25


Se utilizar un B de 300mT. A medida que aumenta la frecuencia se debe reducir la excursin mxima de densidad de flujo.

3. Determinar el tamao de la cazoleta.

Este ser un procedimiento iterativo que permitir seleccionar un ncleo especfico que sea capaz de soportar los voltios por segundos sin saturar y con prdidas en el ncleo y en el devanado acep-tables. Un mtodo til es aplicar la ecuacin del rea de producto, AP que es el producto del rea de la ventana del ncleo AW multiplicada por el rea efectiva del ncleo Ae. El valor de AP del ncleo seleccionado deber ser mayor o igual. Las siguientes ecuaciones se utilizan cuando el valor de B est limitado por el valor de satura-cin, y cuando est limitada por las prdidas en el ncleo.

[ ]4t

out31.1

tput

4out

eW cmfBKP1.11

f2B420KKK10PAAAP

=

==

( ) [ ]466.02tEtH58.1

t

4out

eW cmfkfk.f2B120K10PAAAP +

==

donde :

Ku es la fraccin del rea de la ventana del ncleo que est llenada ahora con el bobinado. Ku se reduce por la aislacin, por la distancia en el final del recorrido de la bobina en aplicaciones de alta tensin, y por el factor de llenado (forma del rea del cableado y capas). Ku es tpicamente entre 0.4 y 0.3en fuentes off-line de alta aislacin.

outP Potencia de salida

)RMS(P)DC(in

T II

K = relac. I entrada /I primario, y depende de la topologa

w

wu A

'AK = factor de utilizacin de la ventana

w

pp

'AA

K = factor de rea del primario (el rea relativa del primario respecto al rea

total de todos los devanados, proporcionados ) put KKKK =

J densidad de corriente (420 A/cm2) tf frecuencia de operacin del transformador


KP es el rea relativa del primario respecto al rea 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 mayora de los materiales ferrites, el coeficiente de histresis es 5H 10.4k = y el coeficiente de corriente de Eddy es 10E 10.4k =

En las ecuaciones se asume que el bobinado ocupa el 40% del rea de la ventana, que las reas del primario y el secundario estn proporcionadas por igual densidad de potencia y que las prdidas del conductor y del ncleo resultan en una subida de 30 con enfriamiento por conveccin natural. La tabla siguiente muestra los valores tpicos de las constantes K:

Table I. K factors K Kt Ku Kp Forward converter SE/SE 0.141 0.71 0.40 0.50 Bridge / Half Bridge SE/CT 0.165 1.0 0.40 0.41 Full wave center-tap CT/CT 0.141 1.41 0.40 0.25

Note: 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, fly-back, boost) SE/CT: Single-ended primary / center- tap secundaries (Half bridge, Bridge) CT/CT: Center-Tap primary / secundaries (Full Wave Center-Tap)

Material= N27 & N41

Volumen (Cm3)

Potencia (W)

RM8

100W

Push pull feed forward converter at 100khz

B

t

B150mT


De la anterior se puede ver que con una potencia de 50W/0,8=62.5W se puede utilizar el RM8 con un volumen efectivo con agujero central de VEFECTIVO =1840mm3 (sin agujero central 2430 mm3). Por dis-ponibilidad, se buscar en el manual una cazoleta E que tenga un volumen efectivo mayor o igual que 1840mm3. La cazoleta EE25.4/10/7 tiene un volumen efectivo de 1910 mm3 con mate-rial N27. El B del material N27 que se utilizar ser de 200mT

4. Calcular la cantidad de vueltas del devanado primario. Este es el clculo ms crtico. Por lo que deber ajustarse al valor definitivo por ensayo y error en laboratorio. EE25.4/10/7 con Amin= 38,4mm2. La frmula utilizada es la Ley de Faraday modificada, donde V es la tensin pico, si se considera que Dmax=0.45 por cada semiciclo,

06.394,38*300f

10*160*225,0ABf

10V225,0NSw

9

minmaxSw

9

P == Se adopta en el primer ensayo 40NP =

( ) ( ) 9,78.0*258408.040

D*VNVV

NMAXMINprimin

PdiodoFoutS =

+=

+= Se adoptar 8NS =

Adoptando una densidad de corriente de 2mm/A2.4 , los dimetros de los conductores ser:

42,02.4*6,0*4

J.I4

P =pi

=

pi=

El dimetro del primario ser de

mm45,0P =

Por el secundario se reparte la mitad en un sector, y la mitad en el otro. Por lo que, si IOut=2,5A: Si Dmax=0.8

A581,12

D5,2I MAXRMS ==

69,02.4*

581,1*4J.I4

S =pi

=

pi=

mm7,0S =


Clculo del choke L2, C3 y C10 de salida

Vout_gnd

+Vout

C10

470n/250V

T_PowerD2

MUR420

D3

MUR420

L2

C3100u/63V HFC

Polyester

Este deber tener las siguientes caractersticas:

Material de alto valor de saturacin de densidad de flujo en el material Alta capacidad de almacenamiento de energa Entrehierro inherente y calibrado (si es necesario), ya que ste operar en CC.

El inductor operar con CC superpuesta que no se anular, y adems, trabajar en un slo cuadran-te del ciclo B-H. Tpicamente se disea con una capacidad del 50% ms que la que requiere la car-ga, durante el ciclo de operacin.

La cantidad de energa que almacena el inductor durante cada ciclo es: ( )2minPK iiL2

1E =

La cantidad de energa remanente en el ncleo est dada por: E Liresid min=

12

2

La frecuencia aplicada en L es el doble que la de la fuente conmutada.

iL(low) iL(high) Ipk Vi

ton tof

40V

i

Imin

2T T t t


S125,33E80*2

40201

f2VV1

t inout

)MAX(off =

=

=

LV t

IHout off MAX

out

= = =

( ), *

* , *

, * ,0 2520 3125 10

0 25 2 5100

6

P L I f WL L= = =

12

12

100 10 2 160 10 322 6 3 * * * P WL 32

Usando el E20/6, con un AL = 900nH

A LNL

= 2 NL

Avueltas

L= = =

100 10900 10

10 546

9*

*,

Si Dmax=0.8

A581,12

D5,2I MAXRMS ==

69,02.4*

581,1*4J.I4

choke =pi

=

pi= mm7,0choke =

Para calcular C3:

FV

TIC

MAXRipple

MAXoffMAXout 6,1910*400

10*125.3*5,23

6

)(

)()((min)3 ===

FC 1003=

Clculo C10:

La topologa medio puente es muy usada en convertidores off-line debido a que la tensin de bloqueo de los transistores no es el doble de la alimentacin, como en el caso de los convertidores forward de simple switch, y la topologa push-pull. Otra ventaja de sta topologa es que permite balancear los Volts/segundo de cada transistor de conmutacin automticamente para prevenir la saturacin utilizando un mtodo sencillo de balanceo del intervalo de cada transistor sin emplear ncleos con entrehierro, y sin correctores de simetra. 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 tensin de carga de ste.

N=11 vueltas


Debido a que el capacitor se carga y descarga todos los semiciclos de fS, la componente en continua se adicionar a Vin

2.

tCIVC = es la tensin de carga del capacitor.

.argint

.

capacdelacdetiempodeervalotcapacitordelvalorCprimarioelencorrI

==

=

t = T DMAX = tON y T fS=

1

Para un convertidor de 80Khz, el ciclo de trabajo DMAX = 0,8. El intervalo de carga es:

t = T DMAX = 12,5 * 10-6 * 0,8 = 10 s.

La tensin de carga deber tener un valor mximo razonable, del 10 al 20% de Vin2

. Esto es, si:

Vin2

= 160VNOMINAL

entonces: 16 VC 32V

Esto ser, para una buena regulacin del convertidor.

C I dtdVC

=

inC V%20y%10entrearbitrariovalordVaargcdeervalointdt

promedioprimario.corrI

=

=

=

nF30020

10*10*8,0*6,0V

TDIC

6

C

MAXMAXD==

=

Finalmente:

C10=330nF/400V

Seleccin del transistor de potencia

Se deber elegir un transistor con una Ic0,6 y una Vds320V por lo tanto el IRF820 ser el apropiado. De la siguiente figura de la hoja de datos, y para VGS de 10V, la Q = 55nC tenemos:


td(on) =14nS td(off) =33nS tr =54nS tf =35nS

El tiempo de conmutacin admitido deber ser mayor que td(on) + tr = 68nS, y mayor que td(off) + tf = 68nS

Se tomar tc =100nS

IQt

nCnS

AGG

c

= = =

55100

0 55,

Potencia del Driver: P Q V f nC V KHz mWdrv G GS c= = =55 10 80 44* *

Impedancia del Driver: Parte plana: 15nC a casi 40nC 40-15=25nC

==

= 54,5455,0

2555I

VVR

)sat(G)plana(GS)sat(GS

G


Mediciones realizadas:

Gate-Surtidor IRF 820


Tensin en el primario del transformador e potencia

Ripple en la carga (8 ohm)


Circuito Completo:

Line in

_a

Line in

_b

Eart

in

V_Po

wer

in

V_Po

wer

in/2

0

U3

0 12

U4

0 12

CB1

12

L_EM

I/RFI

C5

150n

C6

150n

C7

470n

D5

D1N

4007

D6

D1N

4007

D7

D1N

4007

D8

D1N

4007

R16

100k

R17

100k

C8

220u

C9

220u

NTC 10

High

Vo

ltage

Capa

cito

rSw

itch

Line

Po

wer

R

ectif

ier

EMI/R

FI Fi

lter

Pow

er Fi

lter


+12V+12V

0 00 00 0

V1aV2a

0

Ref out_a

Ref out_b

CT

6.3n

R8330

R110k

R210k

R71k

R19100C1

1u

RT

10k

U1

SG1525

15

12

16

12 9 10

1114

13

4

8

53

6

7

VIN

ERR-ERR+

VREF

GN

D

COM

P

SHUT

OUTAOUTB

COSC

START

CTSYNC

RT

DIS

R41k

R3100k

R6 1k

R5 1k

Pulse Width Modulator

From Optocoupler

V2a

V1a

S_M1

G_M1

G_M2

S_M2

R10a2100

R10b2100

Driver Transformer

Driver - option 1


Vout_gnd

V_Power in/2

S_M2

G_M2

+Vout

0

V_Power in

G_M1

S_M1

C10

470n/250V

M2

IRF820

M1

IRF820

T_Power

R11b1k

R11a1k D2

MUR420

D3

MUR420

L2Dz1b15V_0.5W

Dz1a15V_0.5W

Dz1b15V_0.5W

Dz1a15V_0.5W

C3100u/63V

Power Switching

HFC

PowerTransformer

Polyester

Diseño de una Fuente Conmutada

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