SMPS trafo za half-bridge neregulisani push-pull
Za pocetak cemo se pozabaviti "seciranjem" postojeceg ATX trafoa i bivsih uslova njegovog rada u samom ATX;
Najcesce primenjen je EI33 trafo.
Posluzicemo se podacima sa:
http://www.shinhom.com/produc2-2.htm (svojevremeno je ovaj link ulovio cenjeni @emiSar)
Ono sto ce nam ovde biti od znacaja je:
Ae= 118,5mm^2 (povrsina poprecnog preseka srednjeg stuba), materijal
P2 (paralelni materijali drugih proizvodjaca su: N27, 3C8, 3C80, PC30...), i velicina prozora za motanje oko 6mm x 16mm (izmereno na rasklopljenom trafou).
Napon mreze je (sada) 230VAC, sto daje oko max. 324VDC ispravljenog napona na bulk elko.
Polumost "plasira" primaru polovinu tog napona, zbog serijskog kondenzatora, dakle +-162Vpk.
Za proracun magnetne indukcije ce nam trebati samo jedan polaritet tog napona (162V)
Koristicemo maksimalno uproscen obrazac, koji je primenljiv u potpunosti na nas neregulisani half bridge, jer je njegov duty oko 2 x 45% (izlazni signal je priblizno pravougaoni) B=Ue6/(K*f*N*Ae)
Broj navoja primara je bio 40.
K je za pravougaoni oblik 4, (zbog izvesnog death time uzecemo 4,05).
Frekvencija je u ATX bila 40KHz.
Ae jezgra je 118,5mm^2
162e6(puta 10 na 6.)/(4,05*40000Hz*40nav*118,5mm^2)=0,21T (Tesla)
Dakle, u ATX-u je doticni trafo radio sa 0,21T (210mT) u uobicajenim radnim uslovima.
Razmotrimo stanje sa maksimalno dopustenim naponom mreze 260VAC, tj. 366VDC.
366VDC/2=183,3Vpk, 183e6/(4,05*40000*40*118,5)=0,238T.
Dakle, ni u najlosijim uslovima magnetska indukcija nije presla pozeljnih <0,25T (vidi prilozene pdf).
----------------------------------------------------------------------------------------------
Imamo sledecu situaciju na ATX trafou:
40KHz. 40 navoja primara, tipicnih +-162Vpk na primaru, tipicnu magnetsku indukciju od 0,21T.
Ovo ce nam reci nesto o snazi gubitaka u jezgru, tj. o njegovoj temperaturi.
Posluzicemo se literaturom od "Epcos" za N27: (vidi prilozene pdf: N27_1, N27_2, N27_3).
Na svakom od ovih pdf sam postavio komentare, koji se mogu upotrebiti dvoklikom na njih.
U postavljenim komentarima pise potrebno.
----------------------------------------------
Zakljucci:
-jezgro je tesko pregrejati (Kiri tacka je na 220^C), pre toga ce "popustiti" lak na zici i medjuslojna izolacija.
Uz put, to je reverzibilan proces, kada se ohladi, jezgru se vracaju osobine, ali je steta po tranzistore vec ucinjena :-).
-jezgro se moze koristiti i pri vecim temperaturama od uobicajenih (uz znacajan prirast snage), pod uslovom da lak na zici i medjuslojne izolacije mogu podneti to.
-povoljna oblast bez naglog pada permeabiliteta je B<0,25T (250mT).
-dinamicke magnetizacione krive nam ne pomazu previse zato sto se obicajeno postavljaju za 10KHz, a za vece ucestanosti se mora smanjivati magnetska indukcija.
-Sa dijagrama na N27_3 vidimo da su gubici manji na 100^C nego na 20^C, takodje vidimo izlozen spektar krivih za temperaturnu oblast najmanjih gubitaka pri raznim magnetskim indukcijama.
- i nama najkorisniji dijagam FAL0324-5 koji pokazuje snagu gubitaka u zavisnosti od frekvencije za razne B.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
U prethodnim uslovima (ATX) jezgro je pri 40KHz imalo
relativne gubitke od 300KW/m^3 ferita N27 (nas P2), sto se vidi na dijagramu FAL0324-5.
Frekvencija u ATX je 40KHz zbog vremena opravka bipolarnih tranzistora koji su tu primenjeni,
to je osnovni razlog, drugi razlog je njihova niska cena.
Mi cemo koristiti mosfet tranzistore koji mogu znatno brze da preklapaju nego bipolarni tranzistori.
Dakle, mozemo izabrati vecu radnu frekvenciju nego sto je bila u ATX, ali moramo da povedemo racuna o magnetskoj indukciji jezgra.
Obelezio sam tri tacke na dijagramu FAL0324-5, gde
imamo istu snagu gubitaka u feritu N27 pri tri razlicite ucestanosti (frekvencije), ali sa razlicitim magnetskim indukcijama jezgra.
Pri sve tri ucestanosti, jezgro ce odrzati
istu temperaturu ako se ispostuju maksimalni nivoi B.
N27 je upotrebljiv u granicama od 1KHz - 150KHz (Epcos reff.), a bez ikakvih problema do 100KHz sa dobrim iskoriscenjem.
Za vise frekvencije bi trebalo preci na bolji materijal.
Dakle, tih. (vec koriscenih u ATX, znaju oni zasto, merili su :-) 300KW/m^3 cemo imati pri: 40KHz@0,2T, 70KHz@0,15T i 120KHz@0,1T.
Necemo prelaziti 100KHz iz raznih razloga: N27 i nije bas najsavrseniji za to, imacemo vece recoverry gubitke u body diodama i ispravljackim diodama, i moracemo da se pomucimo sa prilicno "sitnom" pletenicom za motanje, zbog skin efekta.
Posluzicemo se zdravim kompromisom od 70-80KHz.
Usvojimo 80KHz pri magnetskoj indukciji od 0,15T
Sa ovakvim udvostrucenjem radne frekvencije, moci cemo da sa istim trafoom dobijemo oko 1,5 puta vecu snagu nego u ATX, pri cemu cemo zadrzati priblizno iste termicke uslove samog jezgra.
Ako raspolazemo boljom klasom laka na zici (za 180^C) i boljom medjuslojnom izolacijom (za >200^C), mozemo povecati magnetsku indukciju B do cak 0,2T, pri cemu mozemo ocekivati temperaturu jezgra od oko 130-140^C, sa dvostrukom snagom od one u ATX.
Uradicemo racun za onaj losiji slucaj (isto ovako moze i za onaj "vruci" samo sa 0,2T):
162Ve6/(4,05*80000Hz*0,15T*118,5mm^2) = 28,1 navoj primara, dakle 28 navoja.
Jezgro ce imati promenu indukcije od 2dB, tj. +0,15T do -0,15T, otuda potice veca prenesena snaga kod push pull u odnosu na single ended pretvarace.
Ostaje nam proracun sekundara:
Primar ce imati 162V/28navoja= 5,78V/navoju, to vazi i za sekundar(e).
Ako nam treba sekundar za npr. 40VDC, odbicemo pad napona na ispravljackim diodama:
-ako je dvostrano punotalasno ispravljanje (srednji izvod na sekundaru) odbicemo 1V
-ako je grec (jedan napon, jedan namotaj bez srednjeg izvoda) onda 2V
izabracemo prvi slucaj zbog onih cesto potrebnih +-40V :-), dakle 1V odbitka.
Potreban napon sekundara se mora uvecati na 41V.
Duty neregulisanog half-bridge pretvaraca je tipicnih 2*45%, tj. sa aspekta storage kalema 90%.
Sledi da nam treba jos veci napon sekundara, tj. 41V/0,9=45,5V.
45,5V/5,78V/nav=7,87navoja za jednu polovinu sekundara sa srednjim izvodom (svakako da ce i druga polovina imati isti broj navoja).
Posto nemamo okrugao broj navoja, ili cemo korigovati primar (ka vecem broju navoja) ako nam treba finija korekcija, ili cemo prihvatiti jednu od dve moguce okrugle vrednosti za sekundar (7 ili 8 navoja).
U ovom slucaju nam je najlakse da zaokruzimo na 8 navoja na sekundaru, iz cega sledi: 5,78V/nav *8=46,24Vpk, sto ce nam u konacnom bilansu dati sledece: 46,24V-1V(diode)*0,9(duty)=40,7VDC, tj. +-40,7VDC kada imamo sekundar od 2*8navoja i ispravljamo sa 4 diode za split napajanje.
Da se razumemo: Taj napon ce biti kod minimalnog opterecenja naprave, pri 230VAC u mrezi.
Ako je sve uredno sastavljeno (posebno storage kalem i deblji vodovi za vece struje, bulk elko sa oko 1000uF/A, kao i maksimalna popuna trafoa bakrom), izlazni napon ce malo zavisiti od opterecenja (oko par volti do punog opterecenja).
Kod manjeg bulk elko (moze), mozemo ocekivati veci pad napona kod promene opterecenja ka vecem, zbog toga sto se na njemu pojavljuje veca talasnost, pa je srednja vrednost DC napona manja, automatski i srednji izlazni napon.
Dalje, filtracija napona za 100Hz, na izlazu ce biti potpuno srazmerna onoj na bulk elko (isti procentualni iznos).
Napon na izlazu za jedno opterecenje ce biti direktno srazmeran naponu mreze (isti procentualni iznos).
Filterski elko na izlazu moraju biti kvalitetni (low ESR), i moze se dopustiti oko 100uF/A opterecenja komotno, i to ce biti dovoljno i za pojacalo ako je veoma blizu njih, a ako je udaljenije onda jos toliko, kao decoupling, na samom pojacalu.
Izlazni elko nam nece previse pomoci za filtraciju 100Hz, tu je glavni "odgovorni" bulk elko, koga cemo dimenzionisati prema zeljenoj talasnosti 100Hz, veci bulk elko manja talasnost, 1000uF/A je priblizno 5% talasnosti.
Posto bolji pojacavaci imaju dobar PSSR, mozemo dopustiti i vecu talasnost 100Hz, zbog brzog punjenja izlaznih elko, situacija je povoljnija nego kod obicnog mreznog trafoa (uporediva je sa pozamasnom gomilom elko na obicnom trafou).
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Pri 80KHz dubina prodiranja struje u bakar je 0,237mm, zato je povoljno za sve namotaje (a nemaju mnogo navoja i kratki su), praviti pletenice od standardne lakirane zice 0,25mm.
Sledi najzamorniji proces: utilizacija namotaja.
To se vec ne izracunava tako lako. Veoma ce zavisiti od urednosti motanja i koriscenih izolacija, pa ce racun biti beskoristan.
Dacu osnovna pravila, a ostalo se dobija metodom vise pokusaja.
-Primar i sekundar bi trebalo da zauzmu podjednake povrsine prozora za motanje.
-Izmedju slojeva primara i slojeva sekundara MORA biti izolacija sposobna za bar 3KV pri >180^C
-I primar i sekundar se NE motaju do kraja prostora za motanje, MORAJU imati (oba) bocne margine od minimalno po 3mm sa obe strane, a bolje po 4mm.
-medjuslojna, a pogotovo ona izmedju sekundara i primara, izolacija MORA biti secena tesno u sirini prozora za motanje (ona nam cuva zivot od proboja primar-sekundar, ili preskoka varnice).
-Izvodi namotaja skracuju marginu (prolaze blize onom drugom namotaju), pa je NEOPHODNO navuci im cevcice, mozda najbolje od tankog termobuzira koji je lako dostupan i dobar izolator, izolacione cevcice se navlace do samog namotaja.
-Vazno je ucesljati primar i sekundar, onda je minimalan pad napona sa opterecenjem, najbolji KKD, najmanja toplota razvijena u SMPS, i najmanja buka od smetnji emitovanih u okolni prostor.
-trafo treba da ima STO KRACE izvode (ili PCB) do polumosta i izlaznih dioda, takodje sto krace veze storage i svih elko.
-Sto krace i sto sire PCB veze daju minimalnu rasipnu induktivnost, koja je odgovorna za znacajnu discipaciju na: mosfetima, izlaznim diodama, samom bulk elko.
-isto pravilo vazi za sto bolje ucesljavanje trafoa.
-trafo treba ucesljati na sledeci nacin: pola (oba) sekundara do jezgra, izolacija za 3KV, pola primara preko, izolacija za 3KV, druga polovina sekundara (oba) preko, izolacija za 3KV, zavrsna druga polovina primara preko svega.
-kada je sekundar poslednji sloj, igra ulogu "skrin" namotaja, pa ce smetnje biti manje.
-kada je primar poslednji sloj, nesto je bolja sprega, ali su vece smetnje.
-Smetnje se mogu redukovati uz bolju spregu tako sto cemo onu polovinu primara koja je spolja (njen slobodan izvod), vezati na serijski(e) kondenzator(e) primara, jer ta tacka ima minimalni naizmenicni HF napon, a slobodan kraj primara u sloju koji je unutra se vezuje za srednji kraj polumosta.
-daleko bolje ucesljavanje se dobija deljenjem i promara i sekundara na po 4 dela, i znacajno bolji ukupni rezultati, doduse malo je komplikovanije za motanje.
- ne treba se "strecati" od izolacije za 3KV, poliester film od 0,25mm, kao od sale podnosi 25KV (raspitati se o performansama izolacija kod proizvodjaca istih, probojni napon/debljina, ne stavljati improvizacije sa nepoznatim osobinama).
-Ucesce izolacija ce nam zauzeti oko trecinu dubine prozora, primar i sekundar takodje po trecinu. Ako uspemo da bakrom popunimo 40% poprecnog preseka prozora, postigli smo uobicajenu normu fabrickog trafoa, ako vise bakra uspemo da smestimo u trafo, mozemo odmah racunati na vecu prenetu snagu.
-Kada se oduzmu bocne margine od po 4mm, za motanje primara a i sekundara nam ostaje po 2mm x 8mm poprecnog preseka. Iz toga mozemo videti koliko debelu pletenicu mozemo ugurati u taj prostor za dati broj navoja. Ponavljam: sto vise bakra to veca snaga (najlakse je proveriti vagom, najtezi trafo je istovremeno i najbolji).
-sto tanja bakarna traka ima skoro zanemarljiv skin efekat, takodje ima najmanje vazdusnog prostora unutar namotaja, tj. ima definitivno najbolju popunu bakrom, pa ako za bilo koje namotaje upotrebimo traku (najlakse za sekundare), mozemo racunati na vecu snagu i bitno bolje hladjenje zbog velike povrsine i konduktivnog odvodjenja toplote preko izvoda. Takodje sa trakom (zbog hladjenja) mozemo koristiti i manji poprecni presek prema struji.
Preostaje jos samo rad...
---------------------------------------------------------------------------------------------------------
Forsirano hladjen trafo moze preneti mnogostruko vecu snagu (mora se hladiti i jezgro i namotaji), gde se jezgro moze upotrebiti pri velikim nivoima indukcije (ispod zasicenja), i velikim frekvencijama, gde je granica maksimalne snage odredjena termickom provodnoscu ferita i krajnje mogucnosti su iscrpljene kada se u najdubljim delovima jezgra pojave "hot spots" koje ce dovesti do parcijalnog prekoracenja Kiri temperature, ili kada je temperaturna razlika unutar strukture jezgra tolika da dodje do loma jezgra.
Filozofija veoma velikih snaga sa malim jezgrima je drugacija. Najveca paznja se posvecuje dobrom odvodjenju toplote.
Kod rezonantnih pretvaraca, u zoni jezgra blisko ispod primara, preti opasnost od "hot spots", pa se trafo utilizuje prema najvisoj temperaturi tog dela trafoa (obicno merenjem pomocu termalne kamere, a u home-made verziji treba ici sa nesto manjom snagom i indukcijom, jer je mala verovatnoca posedovanja termalne kamere :-).
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
Na neregulisani half bridge se uvek mogu vezati vise transformatora, ako tranzistori imaju snage za to (svakom dodeliti poseban serijski kondenzator primara), i takva varijanta je u prednosti nad jednim vecim jezgrom zbog znacajno vece povrsine za odvodjenje toplote.
Mogu se takodje prikljuciti i manji pomocni trafoi za neke dodatne stvari, jer neregulisani half bridge je izvor naizmenicnog napona i sve dok ga ne preteretimo iznad dopustene struje, mozemo mu prikljucivati razne trafoe (kojima je uklonjena DC komponenta serijskim kondenzatorom za pojedinacni primar).
Raste problem sto kracih veza kod upotrebe vise trafoa, ali uz malo razmisljanja se i to da savladati.
Trafoi se (ako su identicni) mogu paralelovati ili serijski povezivati na razne nacine.
Vazno je da podjednako dele opterecenja.
Mozda je najlaksi nacin za paralelovanje takav da se (ako je par trafoa u pitanju) na svakom namota po pola primara, koji se povezu serijski (manji parazitni kapacitet i manji naponski korak od kraja do kraja primara), dok se sekundari (naravno sracunati za novi prenosni odnos posto sada imamo pola napona primara i pola namotaja) povezu paralelno uz postovanje smerova.
A ako se posle ispravljanja DC naponi paraleluju (obe storage na isti izlazni elko), onda tek imamo prednost koriscenja dvostruko vise manjih ispravljackih dioda (manja cena i vece povrsine za hladjenje, sekundari i diode ucestvuju sa polovinom ukupne struje izlaza), takodje i razdeljena toplota na storage kalemovima (to zna biti korisno kod velikih izlaznih struja, gde cena brzih dioda moze biti povelika), kao i nevodjenja racuna o medjusobnom vezivanju sekundara, jer vise nisu medjusobno vezani, vec svaki ima svoje ispravljace.
Pozdrav!
[Ovu poruku je menjao macolakg dana 20.01.2013. u 16:58 GMT+1]