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Convertitore a risonanza

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[1] Convertitore a risonanza

Messaggioda Foto UtenteBrunoValente » 11 gen 2012, 14:49

Ciao a tutti,
dovrei realizzare un alimentatore sw da 20W dove è importante che disturbi poco.
Correggetemi se sbaglio: penso che la scelta migliore sia un convertitore a risonanza per il fatto che il campo magnetico generato è sinusoidale e che le commutazioni dei mosfet avvengono in prossimità dello zero della corrente primaria.
Intendo dire qualcosa di questo tipo:



Non ho molta esperienza con questi convertitori: so che la regolazione si effettua portando a lavorare l'oscillatore ad una frequenza opportunamente più bassa di quella di risonanza.
Il mio alimentatore dovrebbe poter lavorare con un ingresso che può variare da 110V a 360V e, di nuovo correggetemi se sbaglio, mi sembra un campo eccessivamente ampio da recuperare con uno spostamento della frequenza e mi preoccupa l’alta tensione sul condensatore che, potenzialmente, potrebbe salire a Q volte quella d’ingresso.
Altro inconveniente pericoloso: se la frequenza dell’oscillatore dovesse superare quella di risonanza il controllo andrebbe in fuga.
Per ovviare a tutto questo mi sembrerebbe più ragionevole far lavorare l’oscillatore sempre alla stessa frequenza di risonanza del circuito LC, così da tenere sempre il circuito nelle migliori condizioni di funzionamento e, per realizzare il controllo, far variare il dead time invece di spostare la frequenza dell'oscillatore, ma non l’ho mai visto fatto in questo modo.
Fatto così il controllo sarebbe lineare e il campo di variazione senz’altro più ampio.
Secondo voi c’è qualche controindicazione?
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[2] Re: Convertitore a risonanza

Messaggioda Foto UtenteIsidoroKZ » 11 gen 2012, 18:56

Intervallo di variazione del carico? Devi anche considerare il cortocircuito e il circuito aperto sul carico?

Prova a dare un'occhiata a Kazimierczuk Czarkowski - Resonant Power Converters. Domani guardo se trovo altro.

Non credo possa usare il dead time, perdi la commutazione zero voltage o zero current (mi pare).
Per usare proficuamente un simulatore, bisogna sapere molta più elettronica di lui
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[3] Re: Convertitore a risonanza

Messaggioda Foto UtenteBrunoValente » 11 gen 2012, 21:38

Il carico è fisso, però sarebbe meglio se riuscisse a stabilizzare anche a vuoto.
Per quanto riguarda il cortocircuito immagino che, con l'oscillatore fisso alla risonanza, non vi sia modo di limitare la corrente senza aggiungere una protezione e che invece con la regolazione della frequenza questo sia possibile: dovrebbe bastare fermarsi prima di arrivare alla risonanza in modo da far rimanere una reattanza serie tale da limitare la corrente al valore massimo desiderato, giusto?...Ecco il primo buon motivo per preferire il controllo della frequenza.
Pensi che con un campo di variazione della Vi così ampio sia possibile riuscire a regolare bene spostando la frequenza?
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[4] Re: Convertitore a risonanza

Messaggioda Foto UtenteSte75 » 12 gen 2012, 12:48

Ciao.
Dal tuo schema sembra che il trafo che metti per l'isolamento sia "ideale" quindi con magnetizzante più alta possibile.
Quindi sarebbe un circuito LC e cercheresti di lavorare af una freq più bassa della risonanza, per avere un comportamento del TANK risonante di tipo induttivo e quindi lavorare in zero voltage switching. Ok, ma questo comporta molte variazioni in frequenza (una volta aggiunto il feedback) al variare del carico.

Io ti consiglio invece di realizzare un LLC ovvero considerare il trafo come NON ideale ma con la sua Mangetizzante di valore finito. A questo punto addiruttura puoi realizzare una dispersa non nulla (insomma fai male il trafo tenendo separati pri e sec) e ti viene gratis la L che hai messo nello schema in serie al Cond risonante.

Trovi MOOOOLTA trattazione sui convertitori LLC che ultimamente stanno andando molto di moda grazie agli alti rendimenti che permettono di ottenere.

Io ne ho realizzati diversi con controllori della Fairchild.

Ciao
Stefano
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[5] Re: Convertitore a risonanza

Messaggioda Foto UtenteSte75 » 12 gen 2012, 12:51

BrunoValente ha scritto:Pensi che con un campo di variazione della Vi così ampio sia possibile riuscire a regolare bene spostando la frequenza?


Riallacciandomi a quanto scritto prima sui LLC, una volta scelta la L serie, la L di magnetizzazione e il C, ottieni la curva di risonanza che ha un Q diverso al variare del carico.
Considerando il carico massimo (max assorbimento) riesci a capire quanto è il guadagno massimo che riesci ad ottenere dal TANK risonante (non considerando rapporto spire) e quindi capisci se riesci a compensare quella variazione di Vin che hai variando la freqeunza.

Ciao
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[6] Re: Convertitore a risonanza

Messaggioda Foto UtenteBrunoValente » 12 gen 2012, 19:23

Ciao Foto UtenteSte75,
anzitutto grazie dei consigli.

Hai ragione, se il trafo fosse ideale non riuscirei a regolare con carichi bassi: anche scendendo molto con la frequenza la tensione in uscita non calerebbe.

Mi piace l'idea degli avvolgimenti accoppiati lascamente per far comparire una induttanza al primario, immagino che a questo scopo si possa evitare di fare il primario metà sotto e metà sopra al secondario come invece si usa negli altri convertitori dove serve che l'accoppiamento sia stretto. Questa cosa va nella giusta direzione anche per quanto riguarda la riduzione della capacità parassita tra primario e secondario, il che non è poco quando serve ridurre al massimo il rumore sul carico come nel mio caso.

Puoi spiegarmi come si fa ad evitare che la frequenza dell'oscillatore possa oltrepassare il picco di guadagno e che quindi la regolazione possa arrivare a lavorare nella zona con pendenza negativa? ci si affida solo alla precisione dei componenti? alla stabilità dell'oscillatore?

Sai consigliarmi la sigla di qualche componente adatto al mio scopo?
Grazie ancora.
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[7] Re: Convertitore a risonanza

Messaggioda Foto UtenteSte75 » 13 gen 2012, 10:43

Ciao.
Provo, con parole semplici e un po "grossolane" a riassumere il comportamento di un circuito LLC, tieni presente che io ci ho ho messo un bel po' a capire come lavora e la teoria che ci sta dietro, ma partivo da basi nulle sulla risonanza.

Partendo dal tuo schema ho aggiunto qualche nota:
Vdc: tensione "continua" data in input al risonante (ad ponte raddrizzato mono o trifase...). Questa è quella che tu dici possa cambiare con un bel range...

Vpri: tensione al primario del trafo. Il trafo, come vedi, l'ho disegnato mettendo in mostra la sua Lmagnetizzazione. A questo punto, quello che resta è un trafo IDEALE e quindi che lavora con il rapporto spire.

Ldispersa: è l'induttanza esterna (o che può essere integrata nel trafo). Poi la chiamerò Lr.

PS: su questa dispersa: si la ottieni avvolgendo primario SEPARATO dal secondario sulla gamba centrale del trafo (quindi non accoppiati uno sopra l'altro). Questo oltre ai vantaggi che hai già scritto tu, sistema anche il problema degli isolamenti faclmente.
SVANGAGGIO: + difficile da realizzare per ottenere valori voluti!!

Eccolo qui:





Studiando tutta la teoria che sta dietro (praticamente si parla di approssimazione alla prima armonica, cioè si considera che dell'onda quadra che viene applicata al TANK LLC, solo la fondamentale è quella che conta ... ripeto, detto in parole povere... questo fa si - ma lo è poi in realtà - che le grandezze che "girano" sono sinusoidali quindi migliore EMI)...

Dicevo, studiando la teoria che ci sta dietro si ottengono due frequenze di risonannza.
Una f0 (risonanza di Lr e Cr) e fp cioè la risonanza tra Cr e la serie Lr+Lm (chiamo Lp).

f_0  = \frac{1}{{2\pi \sqrt {LrCr} }}
f_p  = \frac{1}{{2\pi \sqrt {LpCr} }}


Andando a graficare le curve di risonanza AL VARIARE DEL CARICO IN USCITA (che poi è riportato al lato primario), cioè al variare del Q, si ottengono curve che ... provando ad usare fidocad.... sono "circa" cosi (la parte di curva a destra di f0 non è proprio cosi, ma non riuscivo con FC):



Su asse y ho il guadagno e ho scritto: Vpri/(Vdc/2).
Infatti intendo come guadagno, il rapporto tra la tensione al primario del trafo IDEALE, e la tensione di ingresso/2. Questo perché la tensione Vdc ('continua') è sostanzialmente divisa in due in quanto è l'ampiezza dell'onda quadra a cui viene tolta la continua.
A questo punto poi rimane da moltiplicare per il rapporto spire per avere Vout (ma per ora lascio stare, tanto è solo una moltiplicazione).

Una cosa IMPORTANTE che si vede è che tutte le curve, al variare del carico, passano per f0. E in questa frequenza, il guadagno è circa UNITARIO (il circa è perché non è proprio priprio cosi, ma comunque poco diverso).

Quindi, come dicevamo, questa topologia mi da il vantaggio che (sempre a livello teorico) da minimo carico a max carico, se lavoro a f0, il guadagno è lo stesso. Ora SE avessi la Vin FISSA, SE avessi la certezza dei valori di induttanze e capacità in modo da calcolare f0, una volta imposto il rapporto spire voluto, ottengo una tensione al secondario praticamente costante al variare del carico, QUASI IN ANELLO APERTO.
E' ovvio che non lavorerei mai in anello aperto... quindi poi la retroazione (che lavora sulla freq) sistema il tutto.
Indubbiamente abbiamo capito che più la Vin è costante, meglio lavora il risonante.

Se invece la Vin varia allora devo sfruttare il guadagno che mi regala la risonanza.
A questo punto torniamo alle curve di risonanza...

Una cosa che non ho ancora detto è che dobbiamo lavorare nei tratti di pendenza negativa, cioè dove il tank risonante si comporta come in induttanza. QUESTO PERMETTE IL FUNZIONAMENTO IN ZERO VOLTAGE SWITCHING.
Ora, qui ci sarebbe tutta la trattazione per la spiegazione di questo: in due parole, se il ponte a MOS "vede" sempre una induttanza come carico, GRAZIE AI SUOI DUE DIODI INTERNI (che devono essere "belli"), succede che i MOS si accendono sempre con una Vds già nulla (in quanto i due diodi sono già accesi, iniettati dalla corrente di carico).
Lavorare invece quando il comportamento è capacitivo... è distruttivo.

Quindi, avendo chiaro il concetto che dobbiamo lavorare sempre a destra del punto a derivata nulla, torno alla questione di cosa succede de Vin varia.
Cosidero queste curve:



Considero la curva del carico massimo, tanto poi negli altri casi, le curve si spostano a sinistra quindi non rischio di andare in comportamento capacitivo.
Considero il guadagno massimo che posso ottenere (1.8 nel caso in figura).
CONSIDERO di NON LAVORARE mai li, anzi di starci distante circa un 20% (per le tolleranze varie). Quindi considero il mio guadango massimo di 1.5.
Ecco che allora posso capire quanto è la massima escursione di Vin che posso permettermi.
Oppure faccio il contrario: se ho un delta Vin che voglio compensare con il guadagno del risonante, devo calcolarmi LLC in modo da poter ottenere il guadagno voluto.
Ricordo però che più stiamo vicini a f0, meglio è... per tutto.

Tornando alla tua domanda su come evitare di andare a lavorare in pendenza positiva...:
si, comunque gli integrati nati per lo scopo (ma come si vede quello che serve è semplicemente un oscillatore onda quadra, con un breve tempo morto perché i due diodi dei MOS si possano accendere) hanno tutta una serie di protezioni sulla minima frequenza di lavoro che non devono mai superare.

Io utilizzo FAIRCHILD: serie FSFR con MOS già integrati. Trovi TUTTO (anche teoria su risonante) sul loro sito. Ma oramai, come ti dicevo, il risonante LLC "va di moda"... trovi ST, TI, Power Int, Infineon...

Ci sarebbero moltissime altre cose da dire... nel caso aggiungo qualcosa (o se hai dubbi/domande che spero sappia rispondere...).

Ciao
Stefano
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[8] Re: Convertitore a risonanza

Messaggioda Foto UtenteBrunoValente » 13 gen 2012, 11:43

Perfetto Foto UtenteSte75 =D> sei stato chiarissimo, ero convinto invece si dovesse lavorare nella zona capacitiva ma, dopo la tua spiegazione, invece è ovvio che non sia così: in pratica se i MOS vedono un'induttanza, l'apertura avviene con la corrente che "tira nel verso giusto per aiutarla" e quindi, trascorso il dead time, la successiva chiusura avviene sempre con la tensione già a zero (o meglio con il diodo in conduzione).
Chiarissimo anche tutto il resto, non mi resta che passare all'azione.
Grazie infinite.
Stefano, ovviamente ti disturberò ancora se ne avrò bisogno :-)
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[9] Re: Convertitore a risonanza

Messaggioda Foto UtenteSte75 » 13 gen 2012, 11:50

BrunoValente ha scritto:Stefano, ovviamente ti disturberò ancora se ne avrò bisogno :-)


Per quello che riesco... sono qui!

Ciao
Stefano
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[10] Re: Convertitore a risonanza

Messaggioda Foto UtenteBrunoValente » 15 gen 2012, 15:49

...Piccolo chiarimento: hai detto che la zona di miglior funzionamento è intorno a f0 dove Lr e Cr risuonano e quindi dove la loro serie è un'impedenza nulla, ma in queste condizioni anche il ponte raddrizzatore al secondario vede una impedenza di sorgente nulla che non gradisce. Mi riferisco al fatto che i diodi del ponte così condurrebbero per un breve tempo rispetto al periodo, solo in prossimità della cresta della sinusoide e che quindi la corrente di carica del condensatore in uscita sarebbe alta e molto impulsiva.
Questo è in contraddizione con il fatto che invece si vorrebbe una corrente sinusoidale e inoltre comporterebbe la necessità di dover sovradimensionare il nucleo per non saturare.
Come ci si deve comportare da questo punto di vista? Non sarebbe invece meglio rimanere un po' a sinistra di f0?
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