БП для гальваники 2: По следам evsi - нужен совет.

После печки, следующая часть — это наладить металлизацию переходных отверстий. Основы заложил уважаемый evsi в его цикле статей. Но как он сам сказал в итоге:
Тем не менее, есть несколько моментов, из-за которых решение мне не очень нравится. Во-первых, 20-25, максимум 30А — предел для такого типа схем.
Так-же evsi, нашел вариант интересной топологии конвертера. Но как сказал сам evsi, для того, чтобы на выходе получить 8 вольт и 50 ампер, на входе надо иметь 40 вольт и 10-15 ампер. Что не каждый БП способен обеспечить. Поэтому свою задачу хочу начать с БП, мощностью 800-1000 ватт, который обеспечивает питанием всю дальнейшую схему.


Ссылки (на будущее, чтобы были в одном месте):
Теория buck-конвертеров:

Описание топологии с синхронным выпрямителем и синхронным buck-конвертером:

Обзор топологий от evsi:

Описание принципа работы и полная схема с описанием мощного БП:

PWM-контроллер irs2795x и пример реальной схемы и расчетов:

Подбор mosfet:

Намотка тороидального трансформатора: http://www.qrz.ru/schemes/contribute/power/thor.shtml
Отделка тора: http://cxem.net/pitanie/5-272.php

Страница с кучей полезных программ для расчета от Старичка: http://forum.cxem.net/index.php?showtopic=70885&st=0

Low-Side драйвера для mosfet:

Требования:
  • стабилизированный выход 6 вольт, 5 ампер — для питания контроллера и прочей логики (после стабилизации)
  • стабилизированный выход 12 вольт, 5 ампер — для питания высоковольтной логики
  • стабилизированный выход 40 вольт, 15 ампер — собственно для buck-конвертера
  • блок должен работать в таких условиях не ограниченно долго
  • обеспечивать гальваническую развязку от сети

Т.к. своих знаний не хватает, то хочу поделиться своими мыслями. За основу взят блок питания на 2000 ватт (схема).
Схему перерисовал в DipTrace и разрезал на логические куски.

Входящие цепи и вспомогательное питание:
Входные цепи и питание

Вопросы ко всем:
  • Насколько эффективно/безопасно использовать стабилизатор 7815 при входе 310 вольт (через резисторы)?
  • Большая часть схемы, обведенная в красную рамку, необходима для плавного включения схемы:
    Большие конденсаторы на входе, С15-C17 при включении дадут практически КЗ и будет большой бросок тока, который пойдет через диодный мост (и выжгет его). Чтобы его ограничить, стоит мощный токоограничивающий резистор (в оригинале 2 резистора). После запуска схемы (конденсаторы к этому моменту уже заряжены), включается реле, которое коротит этот резистор и дальнейшая работа идет без потерь и ограничений. Я планирую выбросить все отмеченное красным и поставить варистор на входе (как в обычных ПБ от компов). А для перезапуска схемы после перегрузки (см. ниже) поставить кнопку на размыкание вместо всей этой схемы.

Ваше мнение важно для нас. (с)

Схема управления и силовая часть:
Схема управления и силовая часть

Схема управления и силовая часть взята один в один из оригинала. Выкинул только схему управления оборотами вентилятора, т.к. она на схему работы не влияет. Потом или верну ее из оригинала или просто подключу к выходу 12 вольт.

Защита:
Данный импульсный блок питания оснащен защитой от перегрузки, измерительным элементом которой служит трансформатор тока TV1. Как только ток достигнет критической величины открывается тиристор VS1 и зашунитрует питание оконечного каскада контроллера. Импульсы управления исчезают и блок питания переходит в дежурный режим, в котором может находиться довольно долго, поскольку тиристор VS2 продолжает оставаться открытым — тока протекающего через резисторы R16, R18, R20 и R22 хватает для удержание его в открытом состоянии. После срабатывания защиты, необходим перезапуск схемы управления.

Выходные цепи:
Выход с транформатора
Ничего интересного. Обычная схема выходных цепей. С выхода идет питание на силовую часть (т.к. тока через резисторы не достаточно) и обратная связь через оптотрон на контроллер ШИМ. Тут подробно, в картинках, описано — как работает групповая стабилизация.

Важно ваше мнение по поводу работы схемы.

З.Ы. Ищу односторонний текстолит с медью 70-100мкм (2-3oz) в СПБ. размер 15х20см 2-3 листа (или один лист пропорционального размера).

UPDATE (по итогам обсуждения):
1) Нужен нормальный БП для питания контроллера. Мне понравилась схема на 3B0365, минимум обвеса.

2) Схему обратной связи надо сделать на основе tl431. Подробнее почитаю, сделаю.
3) Соединение земель нужно делать через Y и X конденсаторы. Совсем забыл про это. Спасибо.
4) Схему контроля тока (защита от перегрузки) нужно переделать. Есть такое предложение:


UPDATE 2:
  • Добавил ссылки на программы расчета и прочие полезные статьи.
  • Добавил расширенный список типов ядер (eng — core) для трансформаторов — для расчета в программе от Старичка — ExcellentIT(7300) — спасибо evsi!!!
Файлы в топике: BaseCores.txt

Комментарии (63)

RSS свернуть / развернуть
Насколько эффективно/безопасно использовать стабилизатор 7815 при входе 310 вольт (через резисторы)?
Нисколько не эффективно и не безопасно…
Лучше DC/DC подобрать да заменить тот участок схемы (цена вопроса правда в несколько вечно зеленых обойдется)
0
У меня есть мысль просто содрать дежурку из обычного БП. Проблем нет. Хотел убедиться, что именно так и надо сделать.
0
Тоже хороший вариант=))
0
З.Ы. Ищу односторонний текстолит с медью 70-100мкм (2-3oz) в СПБ. размер 15х20см 2-3 листа (или один лист пропорционального размера).
На сплошной лист 35мкм текстолита вполне можно осадить недостающие 35-65мкм в обычном купоросе с электролитом и балластным сопротивлением из отрезка нихромовой спирали от электроплиток с базара. Все эти ухищрения (реверс, импульсные режимы и чуть менее блеск) направлены в первую очередь на равномерную затяжку переходных. А затяжка медью основной площади — побочный, и, на самом деле, паразитный эффект.
0
Вы выбрали для схемы как я понимаю за основу вариант от интерлавки. А это как по мне — очень плохой вариант…
Схема вкл\выкл на тиристоре — не очень хорошее решение, я его пробовал ради интререса на практике и оно работало не стабильно.
Решение с питанием через резисторы не плохое, но не очень хорошее для мощных схем. В идеале — маленький транс для stand-by режима или можно хотя бы так:

Для запуска используется напряжение с ключа Q1 и после старта используется самоподпитка через кренку U1. Минус тут только в нагреве Q1+R4 во время простоя БП, если у него есть управление. (т.е. подано 220В но не разрешён запуск ШИМ контроллера)
Токовый трансформатор (TV1) здесь включен НЕверно! Здесь нет для него нагрузки. Ну если только R27+R10 будут очень малого сопротивления, но в оригинале стояли килоомы…
Обратная связь слишком простая — лучше добавить узел на TL431, будет заметно лучше! К примеру:


ЗЫ Номиналы на приведённых рисунках — неверны, необходим пересчет. Приведены в качестве схемотехнического примера!
0
  • avatar
  • A_D
  • 06 мая 2014, 01:04
Да и заметил что Вы обьеденили силовую землю и выходную — что очень плохо в плане безопасности… лучше развязать их и соеденить через конденсатор Y2 типа. Ну и если есть земляное соединение, то вот пример как лучше было бы это сделать:
0
Да. Совсем забыл про это. Так и сделаю.
0
По поводу контроля перегрузки, есть такое предложение:
0
0
Но как сказал сам evsi, для того, чтобы на выходе получить 8 вольт и 50 ампер, на входе надо иметь 40 вольт и 10-15 ампер.
Насколько я понимаю, эту схему можно запитывать прямо от сети. Первая стадия обеспечит и развязку, и необходимое понижение напряжения. Конечно, придется возиться с высоковольткой и мотать надежный транс… Но коль скоро ты выбрал вариант «делать свой импульсный источник» — тебе это так и так делать придется.
А питания для логики можно обеспечить и более простым питальником, да и я сомневаюсь, что там действительно нужны такие токи. Можно, например, взять потроха бруска от USB-IDE адаптера, если хватит пары ампер по +5 и +12.
Насколько эффективно/безопасно использовать стабилизатор 7815 при входе 310 вольт (через резисторы)?
Вообще нельзя. Он низковольтный, а падение на резисторах зависит от тока через них. Нужно ставить перед 7815 стабилитрон, но проще сделать параллельный стабилизатор из TL431 и транзистора (он же «аналог мощного стабилитрона»). И в любом случае, оно будет греться (хотя, если поставить вместо резистора конденсатор...).
Я планирую выбросить все отмеченное красным и поставить варистор на входе (как в обычных ПБ от компов).
Термистор, а не варистор. И он обычно стоит в не столь могучих питальниках, да и греется неслабо.
0
  • avatar
  • Vga
  • 06 мая 2014, 02:58
Я планирую двигаться малыми шагами. Чтобы отлаживать кодсхему по частям.
1) Сделаю входящие цепи, питание схемы управления (2А, 15 вольт) + выходные слаботочные цепи (0.5-1А, 5 вольт)
2) Сделаю силовую часть, получив мощный БП с защитой от перегрузки
3) В несколько этапов сделать БП для гальваники.
0
Предложу свой вариант защиты. Реализует «честную» потактовую защиту — отслеживается ток на каждом такте, и при превышении допустимого предела, на остаток такта транзисторы выключаются. В основе — обычный ATX, но с токовым трансформатором. Сигнал с Т2 поступает на амплитудный детектор VD1, C4. При превышении порога, установленного R3, срабатывает компаратор DA1 и тянет вывод 4 к питанию, тем самым закрывая выходные транзисторы TL-ки. DA2 нужен для сброса детектора, синхронизируется по генератору пилы. На VT1, VT2 собрана схема софт-старта и индикации перегрузки.

+3
Откуда стянули? Или самостоятельная разработка?
0
Сам дошел, на макетке :) Может быть, кто-то тоже такое делал, но сколько не искал, не попадалось.
+1
Если так, то об этом можно написать статью. Мне так каатса.
+3
А почему никто не рассматривает вариант с ACS71* и им подобными на эффекте Холла?
0
Наверное, можно и датчик Холла применить, если хватит быстродействия и устроит точность. Вообще, если говорить о схемотехнике типичного полумостового ATX с форсирующей обмоткой в управляющем трансформаторе, можно обойтись и без дополнительного ТТ, снимая сигнал тока в первичке со средней точки управляющего трансформатора. Он там со здоровенной амплитудой наводится. Собственно, так обычно и делают в компьютерных БП, но при этом сигнал интегрируют.
0
Под дополнительным, вы имеете в виду TV1? Как пишет автор:
Трансформатор тока выполняет две роли — используется именно как трансформатор тока и как индуктивность, включенная последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора, что позволяет несколько снизить скорость появления тока в первичной обмотке, что ведет к уменьшению выбросов самоиндукции
0
Да, его.
0
я к тому, что просто так его выкинуть не получиться.
0
Так в этой схеме и не надо его выкидывать. У вас же схема отличается от БП ATX, ключи управляются драйвером.
0
Было бы неплохо, если бы ты написал об этом статью, поподробнее. Ну и про вон ту схему чуть выше.
+1
Ок, будет время, напишу. Фрагменты схем — это нечто вроде лабораторного БП с управлением МК. Сейчас я на этапе написания прошивки (уже год как), если доведу до конца, про него напишу тоже.
0
Вобщем, все можно сделать несколько проще:

Вот тут более подробная картинка. Схема далеко не полная, а номиналы часто от балды, но идею схема передает.
Вкратце:
— На схеме нет контроллера на вторичной стороне. Я продумываю несколько вариантов, но у них есть одна общая черта: в качестве источника синхроимпульсов используется само выпрямленное напряжение (без фильтра, естественно). Подробнее можно глянуть, например, в даташите на LM25115A.
— Поскольку на входе обычный, нерегулируемый полумост, то «дежурка» просто не нужна, на всех вторичках всегда есть напряжение. Для питания других цепей (не силовых) на вторичной стороне достаточно снять напряжение с выхода выпрямителя (точка соединения двух полуобмоток вторички идущая на сток Т1) через диод и фильтрующую емкость. Диод обязателен, поскольку на вход регулятора (Т1+Т2) должно поступать пульсирующее напряжение (иначе не будет мягкого переключения, да и синхросигнал тоже берется оттуда).
— Не стоит увлекаться высоким выходным напряжением на вторичной стороне. На самом деле нужно найти оптимальное соотношение между током и напряжением вторички. Причин много, назову некоторые из них: если напряжение на выходе выпрямителя превышает 20В, то нельзя использовать «self-driven» выпрямитель (как в оригинале); транзисторы с напряжениями более 25В и низким сопротивлением канала встречаются реже и они дороже; для запитки схемы контроллера на вторичной стороне понадобится регулятор напряжения, но большинство популярных стабилизаторов имеют максимум входного напряжение около 16-20В, (гораздо) реже до 30В (в частности, 78хх).
— Схему имеет смысл считать на частоты 250-350кГц. На выходе выпрямителя будет 500-700кГц, такая же частота будет у преобразователя. Поскольку переключение мягкое, «переключательная» компонента потерь в транзисторах мала и такие частоты не связаны с большими потерями. В качестве бонуса получаем компактный трансформатор и индуктивность на выходе.
+1
Спасибо за мысли. Тут есть нюансы. У меня нет такого большого опыта как у Вас. ) Поэтому, для начала, я хочу сделать БП на 40 вольт 15-25 ампер. Набить шишекруку. Потом, когда он заработает (вы же понимаете, что это произойдет не скоро?), то тогда я займусь синхронным БП по предложенной схеме. Только для входа у меня уже будет и питание и не такие большие напряжения (сцыкотно мне работать с 310 вольтами...).
0
Про низкие напряжения на вторичке — спасибо за информацию. Я не планировал высоких напряжений (8-10 вольт не больше), но теперь ясна причина не делать по другому ни при каких обстоятельствах.
Про синхросигнал была такая-же мысль. Все равно спасибо.
Про частоты тоже понятно. Т.к. потери на переключении минимальны (ZVS), то имеет смысл понимать частоты. Кроме того, т.к. я планирую низкие напряжения на входе (40 вольт), то и транзисторы можно найти с лучшими характеристиками и частоты задрать до 500кГц и выше. ну там будет видно… Не будем бежать впереди паровоза )
0
Напомню, что частота переключения полумоста (или моста, первичная сторона не принципиальна) после выпрямителя удваивается (по сути на выходе выпрямителя идут импульсы, занимающие почти весь период, кроме пауз вызванных dead time). Кроме того, обычные ферриты типа N87/N97/3C96/P4 (и так далее) работают до 500кГц. Дальше надо искать более высокочастотные материалы типа 3F3, а это куда более редкий зверь, даже в онлайновых магазинах. С учетом всего перечисленного я и написал выше, что оптимальный диапазон частот в первичке находится в диапазоне 250-350кГц, соответственно на выходе выпрямителя будет 500-700кГц.

По поводу експериментального БП: для начала имеет смысл сделать простейший нерегулируемый полумост типа того, что на моей схеме выше. Во-первых, это гораздо ближе к тому, что потом понадобится, во-вторых, опыт работы с TL494 в данном случае все равно будет бесполезен (равно как и опыт возни с «дежуркой»). Делать полумост по той схеме, что я привел, не обязательно, вариантов, на самом деле, вагон и маленькая тележка. Скажем, можно в качестве драйвера взять IRS2110 (которая куда более широко распространена, чем 2186). В качестве задающего генератора можно взять UCC25600 или UCC2808. Или вообще использовать IRS27951/IRS27952 со встроенным высоковольтным драйвером (в которой, в добавок, встроенная защита по току не требующая внешних цепей, она меряет падение напряжение на нижнем транзисторе полумоста).

По поводу синхронного выпрямителя: если делать высоковольтный (30-40В) выход, то имеет смысл использовать специализированные чипы, в частности я рекомендую посмотреть NCP4304. Схема включения для двухполупериодного выпрямителя со средней точкой есть прямо в даташите.
0
Или вообще использовать IRS27951/IRS27952 со встроенным высоковольтным драйвером
А IR2153?
0
А IR2153?
Фтопку. Слабый драйвер, длинные фронты и немерянный dead time.
0
Я сейчас НЕ делаю синхронный выпрямитель. Я делаю БП с выходом 40 вольт, который потом будет входом БП с синхронным выпрямителем и стабилизатором.
Про tl494 и IRS27951/IRS27952 спасибо. Буду изучать.
0
Изучил, пока бегло. Что значит evsi уже собаку селсъел на этом. )
Думаю, что надо делать не регулируемый БП с выходом 10 вольт и 50 ампер + 12 вольт 4 ампера. А потом уже на его базе, делать синхронный выход.
По сути, благодаря evsi, я быстро прошел его путь размышлений (надеюсь) и пришел к тем-же выводам. За основу возьму UCC25600 + IRS2110 + полумостовую схему.
З.Ы. Где почитать теорию расчета трансформатора для полк-моста, с заданными характеристиками?
0
полу-моста*
0
Что-то было у все того же Семенова.
0
Настоятельно рекомендую софт Старичка (ExcellentIt). Могу поделиться так же своим сильно дополненным файлом описания сердечников для этой программы.
0
Да-да, давай его сюда)
0
+2
Приложил к статье.
0
Его я уже нашел и скачал. )
Описания сердечников давай.
З.Ы. Я сейчас в ней прикинул параметры сердечника, ИМХО бред получается.
Вход: 155 +-15 вольт. Полу-мост. 350кГц. ring — 50x30x20 n87.
Выход: 11 вольт 50 ампер.
Первичка 5 витков 0.08*477
Вторичка: 2 витка 0.08*1723
0
Почему вход 155В? Там при расчете нужно просто выбрать топологию правильно, прога сама учтет, что полумост работает с половинным напряжением на обмотке.
0
Ну это не принципиально. Меня удивляет:
1) Для мощности 750 ватт, такой маленький трас.
2) Так мало витков.
0
Размер нормальный вполне. Вот количество витков в первичке действительно удивляет.
0
Такое кольцо это еще большой транс. На PQ3230 получается больше киловатта.
Малое число витков получается из-за высокой частоты. Если на пальцах, то идея такая: ток через обмотку при заданном напряжении на ней обратно пропорционален индуктивности и прямо пропорционален времени. Поскольку у нас импульсный режим и прямоугольное напряжение с одинаковой длительностью обеих половин, то время это половина периода частоты преобразования. С другой стороны, напряженность магнитного поля в сердечнике прямо пропорциональна току через обмотку. Есть верхний предел, который нельзя переходить, иначе сердечник войдет в насыщение. Что бы этого не случилось, нужна определенная индуктивность обмотки, которая, в свою очередь, пропорциональна квадрату количества витков. Отсюда получается, что чем выше частота, тем меньшей индуктивности достаточно, что бы оставаться в пределах допустимых границ напряженности поля в сердечнике и, как следствие, нужно меньшее количество витков в обмотках. Еще один плюс высокой частоты: чем меньше количество витков, тем короче провод и ниже сопротивление, соответственно, меньше потери на нагрев в обмотках.
0
Это все да. Но почему соотношение витков такое странное? Насколько я знаю, частота не снижает требования к соотношению витков. Если на входе у нас 155 вольт, а на выходе 12, то соотношение витков примерно 1/12.
А тут 1/5.
0
Посмотри внимательно, программа пишет сколько на самом деле витков нужно (обычно это не целое число). Там во вторичке, скорее всего, нужно меньше 1 витка, программа его округляет. Ну и уменьшая индукцию (слева вверху) ты можешь получить близкое к ожидаемому число витков. Замечу, что расчет соотношения витков по напряжениям не учитывает dead time, которое, в свою очередь, тоже влияет на количество витков (не весь период используется для переноса энергии). На высоких частотах эти потери времени становятся существенными (типичный dead time в районе 200-400нс это около 10% периода на частоте 350кГц, а поскольку у нас dead time появляется дважды за период, то и все 20%).
0
Лучше использовать другие сердечники. Например, серии PQ. Только вторичку (там тоже пару витков всего будет) паять не на каркас, а прямо в плату. Ну и литц нужен обязательно — частоты большие.
0
Лиц — это понятно. А что за серия PQ?
0
Нашел. Почему лучше? PQ сложнее достать, чем кольцо…
0
Нашел — приложи картинку)
0
Только цена не радует… Я сильно подумаю — стоит-ли замена кольца на эту штуку или нет…
0
При прочих равных они технологичнее и компактнее. Просто сравни размер того кольца, которое ты выбрал и того же PQ3220, например.
0
evsi, еще вопрос. у меня есть литц только 0.04*(250, 330, 660). Как его пересчитать и загнать в программу, чтобы она поняла? Просто перевод не прокатит: есть изоляция общая на жгут… А покрытие каждого провода очень тонкое — по-моему просто окисел…
0
Не имеет большого смысла возиться с тем, что бы точно указать программе, какой есть провод. Она выдает некие параметры (диаметр и количество), по которым можно прикинуть необходимую площать сечения. Из имеющихся проводов собираем жгут на такое же сечение и все. Можно сделать и иначе: программа считает средний ток в первичке, следовательно задавшись плотностью тока можно получить необходимое сечение.
0
Ребята, есть такое дело: Имеем маломощный изолированный БП, напряжение изоляции 3 кВ переменного тока. то бишь 4.5кВ по постоянке. По схеме он реально включен с разностью земель где-то в 2кВ. Присутствуют так же микросекундные импульсы до 8кВ, которые спаливают этот БП на раз-два-три. Требуется спилить эти вылеты, и одновременно не запустить процесс уничтожения всего живого вокруг, как это реально сделать с помощью разрядника. Есть мысли ставить варисторы, но: Все-таки варистор не является устройством гальваноразвязки. Может быть есть какие-то более правильные варианты решения?
0
позисторы последовательно — хорошая идея, но только до напряжения 1000В
0
Как насчет того, что бы поставить LC фильтр?
0
да вот думал об этом, только RC
0
осталось только понять каких номиналов брать
0
насколько я понимаю, то надо, что бы постоянная времени RC была больше длительности импульса
0
нет. наверное я неправильно объяснил суть. Между землями источника может быть приложено до 8кВ. Требуется задавить этот импульс силовым методом. Важно понимать, что разрядник здесь не катит, так как он закорачивает свои выводы при пробое, а поскольку имеется разность потенциалов, то он останется открытым, пока не умрет, а вместе с ним и половина платы. Как вариант думаю имеет смысл ставить последовательно варистор + разрядник. Правда варисторов на 3000В очень дорогие и огромные (нет малого размера). Придется городить батарею.
0
Да уж, 8кВ импульсы не фунт изюму. Может проще будет сделать самодельный изолированный БП с нужной изоляцией?
0
да там еще пара десятков оптопар. Тоже таким перенапряжениям не радуются.
0
вся фишка в том, что выбросы эти не шибко большой энергии и варистор на пару десятков джоулей с ним справится. Но сухой варистор ставить — не очень то хорошо. Емкость большая. Поэтому цепочка варистор + разрядник идеальный вариант. А вот коротить земли — опасно для жизни как самого прибора, так и рядом стоящих тоже. там и 200А получить можно легко.
0
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.