Proyecto: Diseño optimizado de una etapa Step Up

[Picuino]

A ver que tal esta configuración:

R15 = 6.8 kOhm
R13 = 4.7 kOhm

D = 0.5
Vo = 24V
Ipico = 13.2 A

D = 0.60 
Vo = 30V
Ipico = 11.8 Amperios

D  = 0.66
Vo = 36V
Ipico = 11 Amperios


La rampa creo que será suficiente para todos los rangos.

La corriente media en realidad será cerca de 1 amperio menor que la corriente de pico debido al rizado de la corriente.

La corriente es quizás un poco alta para la bobina, pero podemos probar a ver que tal va.

Un saludo.

[micro_pepe]

La rampa de compensación tiene esta fórmula para que el oscilador sea casi estable:

   Rc = Ron · (2·D - 1) / (1 - D)

   Rc = rampa de compensación (voltios por microsegundo)
   Ron = rampa de ciclo on (voltios por microsegundo)

Rampas con más pendiente, serán estables. Rampas con menos pendiente serán inestables.

   Ron = Rsense · Ve / L
   Ron = 0.028 · 12 / 70 uH = 0,0048 V/us


Para D = 0.60
   Vo = Ve / (1 - D) = 30 V
   Rc = 0,0024 V/us
   Ipico = -1.28 A

Para D = 0.66
   Vo = Ve / (1 - D) = 36 V
   Rc = 0,0048 V/us
   Ipico = -2.86 A


Ipico es la pérdida de corriente de pico debido a la rampa de compensación.
En realidad será un poco distinta debido al offset.

Lo mejor será probar el circuito y luego ajustamos.

¿Como calculas Ipico?

Pruebo con estos valores y comento:

R15 = 6.8 kOhm
R13 = 4.7 kOhm

Saludos!!!

[Picuino]

Es parecido al cálculo de los operacionales.

Supongo que la patilla 3 (sense) se encuentra a 1 voltio.

El condensador oscilador tiene una tensión Vc = 1 + 1.7 · D
A esa tensión hay que restarle unos 0.65 voltios de caida en el transistor y esa es la tensión de la resistencia R13 de compensación en rampa.

La resistencia R15 de offset está conectada a 5 voltios.

A partir de ahí calculo sus corrientes y las sumo.

Esa corriente pasa por la resistencia R4, con lo que puedo calcular su tensión.

La tensión que falta hasta llegar a un voltio es la que cae en las resistencias de sensado.

Con esa tensión calculo la corriente de pico por las resistencias de sensado.

Un saludo.

[Picuino]

Prueba con poca carga. Para comprobar si las resistencias tan pequeñas dan problemas.

El problema sería que la etapa produzca pulsos grandes seguidos de pulsos pequeños.

La regulación de tensión tampoco está bien afinada.
Mas tarde nos dedicamos a eso.


Un saludo.

[micro_pepe]

Prueba con poca carga. Para comprobar si las resistencias tan pequeñas dan problemas.

Probé con 24v y 40w, todo parece ir bien. Luego he subido a 70w, los resultados son estos:

El rizado:

rizado-24v-70w.gif
(19.66 kB, 800x480 - visto 627 veces)

La Vgs:

Vgs-24v-70w.gif
(18.24 kB, 800x480 - visto 489 veces)

Voltaje en las resistencias del shunt (tenía que haberla invertido, tengo la masa en el sumidero del mosfet):

Vr_shunt-24v-70w.gif
(17.58 kB, 800x480 - visto 446 veces)

Hasta aquí bien, ahora he subido el voltaje a 31v, y he puesto una carga de 46w, aparece el problema mencionado de los pulsos grandes, seguido de pequeños (en el siguiente post está en detalle la Vgs):

Vds-31v-46w.gif
(24.03 kB, 800x480 - visto 493 veces)

Y el rizado:

Rizado-31v-46w.gif
(18.05 kB, 800x480 - visto 482 veces)

Saludos!!!

[micro_pepe]

Aquí un tetalle de los pulsos a 31V y 46W:

Vgs-31v-46w.gif
(17.82 kB, 800x480 - visto 446 veces)

[Picuino]

Eso es por la regulación que todavía no está afinada (el PID).
También falta instalar la red snubber.
¿Por donde seguimos?


El rizado está bastante bien, se ha reducido a una décima parte.
¿Qué corriente de salida tenía?

Un saludo.


   

[Picuino]

Si la corriente de salida es de unos 3A y el ciclo de trabajo de 0.5, la corriente de la bobina será de unos 6 Amperios.
El rizado de media frecuencia en el condensador parece de unos 60mV, eso significa que la ESR del condensador de salida es:
ESR = dVc / dIL = 0,060 / 6 = 10 miliohmios

Es demasiado pequeña. Cada condensador de salida parece tener 20 miliohmios. ¿Son condensadores especiales?

[Picuino]

¿Se calienta alguno de los componentes?
Debería calentarse solo el diodo y la bobina.

Un saludo.

[micro_pepe]

Eso es por la regulación que todavía no está afinada (el PID).
También falta instalar la red snubber.
¿Por donde seguimos?

Pienso que es mejor la red snubber primero, esto cambiará el sistema, y si se hace despues puede afectar a la regulación, ¿o me equivoco?

Si la corriente de salida es de unos 3A y el ciclo de trabajo de 0.5, la corriente de la bobina será de unos 6 Amperios.
El rizado de media frecuencia en el condensador parece de unos 60mV, eso significa que la ESR del condensador de salida es:
ESR = dVc / dIL = 0,060 / 6 = 10 miliohmios

Es demasiado pequeña. Cada condensador de salida parece tener 20 miliohmios. ¿Son condensadores especiales?

Sí, la corriente es de unos 3A, y los condensadores son de baja ESR, segun el fabricante tienen una ESR de 20mOhm, y valen solo 0,4€.

¿Se calienta alguno de los componentes?
Debería calentarse solo el diodo y la bobina.

Un saludo.

Tendría que dejarlo más tiempo funcionando, pero en unos 15 minutos calienta el diodo, la bobina un poco menos, el transistor templa un poco, y el resto están a temperatura  ambiente. No he medido temperaturas, pero al tacto no hay nada alarmante.

PD: Una cosa, la bobina que estoy usando es la de 140uH que puse en una foto (la de la derecha):

http://www.todopic.com.ar/foros/index.php?topic=47512.30

La que se usó en el montaje anterior, era más pequeña de tamaño y valor (100uH).

[Picuino]

El ruido de alta frecuencia no afecta a la regulación de tensión son independientes.

Pero la snubber es más sencilla, así que continuamos por ahí.

Podemos seguir este tutorial: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2016/05/05/calculate-an-r-c-snubber-in-seven-steps

Primero tienes que medir la frecuencia de oscilación  y luego añadir un condensador (sin resistencia) y volver a medir la frecuencia de oscilación. Debe ser con buena resolución en el tiempo:

[micro_pepe]

Bien, vamos con los resultados.

La oscilación libre, sin condensador:

sin condensador.gif
(16.23 kB, 800x480 - visto 451 veces)

fo = 1/(2.9 · 8ns) = 43.1MHz

Con condensador de 1nF, probé hasta 220pF y a penas habia variación:

1nF.gif
(16.49 kB, 800x480 - visto 449 veces)

f1 = 1/(1.8 · 20ns) = 27.8MHz

m = f0/f1 = 1.55

Co = c1/(m^2-1) = 713pF

L = (m^2-1)/((2·pi·fo)^2 · C1) = 19.12nH

Csnubb = 3·Co = 2.14nF -->> 2.2nF

Rsnubb = sqr(L/Co) = 5.2 Ohm  -->> Pondré dos de 10 ohm en paralelo, 5.6 no tengo, o quizás 1nF y 10 ohm para que disipe menos potencia.

Gracias!!! Un saludo.

[Picuino]

Yo pondría incluso menos resistencia 2.2, para intentar reducir el sobrepulso aunque oscile un poco.

Un saludo.

[micro_pepe]

Yo pondría incluso menos resistencia 2.2, para intentar reducir el sobrepulso aunque oscile un poco.

Un saludo.

De 2.2 tampoco tengo, me faltan bastantes valores entre 1 ohm y 82ohm, tendría que completar la colección 

Bueno, con 3.3 ohm y 2.2nF, los resultados son estos:

El transitorio en Vgs, con 24v y 70w de carga:

Vgs-2n2-3R3-snubber.gif
(16.3 kB, 800x480 - visto 457 veces)

Y el rizado en la salida:

Rizado-2n2-3R3-snubber.gif
(18.59 kB, 800x480 - visto 454 veces)

Saludos!!!

[micro_pepe]

Prueba de calentamiento a 24v y 3A, tras 40 minutos funcionando:

- Diodo: 50ºC
- Transistor: 44ºC
- Bobina: 53ºC
- Condensador de salida: 37ºC
- Condensador de entrada: 34ºC
- Resistencias del shunt: 43ºC
- Resistencia de la red snubber: 44ºC
- Ambiente, a unos 3cm de la placa: 26ºC

El transistor está disipando un vatio aproximadamente:
P = (Td-Ta)/(Rth_disipador + Rjc + Rcd)= (44-26)/(17  + 0.9 + 1.3)= 0.94w

Rcd = 1.3ºC/W para contacto con aislante de silicona.

El disipador es el modelo 18.205:

http://www.electrodh.com/catalogo/ver-item.action?id=17921&d=1