Seminario 2008 Roberto

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Presentazione sui trasformatori risonanti di Roberto Volpini durante il semirario.

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Seminario 2008 Roberto

  1. 1. 18/09/2008 Volpini Roberto
  2. 2. 18/09/2008 Volpini Roberto
  3. 3. 18/09/2008 Volpini Roberto
  4. 4. 18/09/2008 Volpini Roberto
  5. 5. 18/09/2008 Volpini Roberto
  6. 6. 18/09/2008 Volpini Roberto
  7. 7. 18/09/2008 Volpini Roberto
  8. 8. 18/09/2008 Volpini Roberto
  9. 9. 18/09/2008 Volpini Roberto
  10. 10. CIRCUITO DI POTENZA Il circuito di potenza, genera un’onda quadra simmetrica al 50%, a frequenza variabile, con un valore di tensione compreso tra 0 e +Vb. In realtà il PWM deve garantire un dead-time > 0, tipicamente 200/300ns, allo scopo non soltanto di evitare la cross-conduction nei mosfet M1 ed M2, ma anche per garantire la corretta sequenza operativa tipica di un convertitore LLC. (Fig. Vin 230V Vo 29V 9A) Gate driver dead-time 18/09/2008 Volpini Roberto
  11. 11. CIRCUITO DI POTENZA La frequenza di lavoro deve essere fissata tra un valore minimo (@P.out.max) ed un valore massimo (@P.out.min) . In modo particolare la Fmax deve essere definita tenendo in considerazione la fase di start-up, dove il controllore, tramite l’aumento della frequenza di lavoro, permette di controllare la rampa di corrente al carico (soft-start) . 18/09/2008 Volpini Roberto
  12. 12. <ul><li>CELLA RISONANTE </li></ul><ul><li>La cella risonante è composta dai seguenti tre elementi: </li></ul><ul><li>la capacità Cr , oltre alla funzione di realizzare una cella risonante con Lr, nel range della frequenza operativa, permette anche di avere un mid-point al valore di tensione pari a VB/2, sostenendo così la tensione durante la conduzione di M2. Nelle normali condizioni operative la tensione ai capi di Cr vale VB/2, a questa tensione si somma un ripple con andamento sinusoidale ed ampiezza in funzione del valore di corrente richiesta dal carico </li></ul><ul><li>l’induttanza risonante Lr , ha funzione di realizzare insieme a Cr la cella risonante. Questo componente può essere integrato all’interno del trasformatore. La forma della corrente che attraversa Lr non è sinusoidale a causa della presenza di Lm. </li></ul>18/09/2008 Volpini Roberto
  13. 13. <ul><li>CELLA RISONANTE </li></ul><ul><li>l’induttanza magnetizzante Lm , sostiene il flusso magnetico nel trasformatore, diversamente da altre tipologie simili, nel trasformatore risonante il valore dell’induttanza magnetizzante non è massimizzato ma fissato ad un valore determinato da λ ( λ = Lr/Lm). </li></ul><ul><li>A causa della corrente magnetizzante, di ordine non trascurabile, la forma d’onda della corrente su Lr risulta deformata in modo particolare a basso carico, quando la I Lr ha un valore paragonabile alla I Lm. </li></ul><ul><li>La corrente in Lr è funzione del carico e della frequenza di lavoro, mentre quella in Lm è funzione della sola frequenza di lavoro. </li></ul>18/09/2008 Volpini Roberto I Lr I Lr I Lm I Lm
  14. 14. TRASFORMATORE Il trasformatore in questo circuito è rappresentato come ideale e cioè privo degli elementi parassiti. Nella configurazione classica questo trasformatore ha un avvolgimento primario e due avvolgimenti secondari, configurati con presa centrale. Esiste anche la possibilità di realizzare un solo secondario, rettificando con un ponte di diodi, questa soluzione è poco usata a causa delle maggiori perdite di conduzione dei diodi al secondario. Gli elementi parassiti principali del trasformatore sono : l’induttanza dispersa, utilizzata appunto per realizzare Lr, la capacità parassita, che si somma alla Coss dei mosfet M1/M2, e la resistenza degli avvolgimenti. MAGNETICA – Castelfidardo AN Autore : Roberto Volpini 18/09/2008 Volpini Roberto
  15. 15. RADDRIZZATORE - CARICO Il circuito raddrizzatore è composto da due diodi, ed un condensatore di filtro. Non sono necessari ulteriori elementi di filtro (EMC escluse), come ad esempio l’induttore di blocco presente nei circuiti convertitori Forward, Push-pull, Half-Bridge o Full-Bridge. I diodi lavorano con una corrente praticamente sinusoidale ed una tensione di picco massima pari a 2*Vs. (Fig. es 29V 9A), il funzionamento ZCS assicura l’assenza di reverse-current nei diodi di uscita. Il carico può essere scollegato. 18/09/2008 Volpini Roberto I D1 I D2 Vrr D1 Vrr D2 I D1 I D2 Vrr D1 Vrr D2
  16. 16. PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UN CIRCUITO RISONANTE LLC (SRC) 18/09/2008 Volpini Roberto
  17. 17. 18/09/2008 Volpini Roberto Figura 1
  18. 18. 11/09/2008 Autore ........... Ingresso Uscita Note VB=320V Fr1=69kHz (frequenza di risonanza Lr) Lm=500uH Fr2=30kHz (frequenza di risonanza Lm) Lr=120uH  =0,24 (rapporto Lr/Lm) Vo=29V Fn=1,20 (frequenza normalizzata Fsw/Fr) Io=9A n=5,33 (rapporto trasformazione) Fsw=83kHz n_real=5,93 (reale rapporto trasformazione) M=0,999 (guadagno di tensione)
  19. 19. 18/09/2008 Volpini Roberto <ul><li>FASE 1 di 6 </li></ul><ul><li>M1 = D1 = off </li></ul><ul><li>M2 = D2 = on </li></ul><ul><li>V RR D1 = 2*Vo (tensione inversa D1) </li></ul><ul><li>VL m = -n*Vo (Lm in. C.C. dinamico) </li></ul><ul><li>Cr & Lr = risonanza @ Fr1 </li></ul><ul><li>Questa fase inizia quando la corrente in M2 diventa positiva e termina quando M2 è spento. </li></ul>I M1 I M2 ID1 I D2 I Lm I Lr V M2 V Cr Vg M2 Vg M1
  20. 20. 18/09/2008 Volpini Roberto <ul><li>FASE 2 di 6 </li></ul><ul><li>M1 = D1 = off </li></ul><ul><li>M2 = D2 = off </li></ul><ul><li>V RR D1 = V RR D2 = 0 </li></ul><ul><li>M2Coss = caricato dalla cella risonante fino a VB. </li></ul><ul><li>M1Coss = scaricato dalla cella risonante fino a 0 </li></ul><ul><li>M1BodyDiode = inizia la conduzione, l’energia fluisce verso VB. </li></ul><ul><li>La corrente al carico è fornita dal condensatore Co. </li></ul><ul><li>Questa fase inizia quando M2 è spento e termina quando il gate M1 è acceso. </li></ul>dead-time I M1 I M2 ID1 I D2 I Lm I Lr V M2 V Cr Vg M2 Vg M1
  21. 21. 18/09/2008 Volpini Roberto <ul><li>FASE 3 di 6 </li></ul><ul><li>M1 = D1 = on </li></ul><ul><li>M2 = D2 = off </li></ul><ul><li>V RR D2 = 2*Vo (tensione inversa D2) </li></ul><ul><li>VL m = n*Vo (in. C.C. dinamico) </li></ul><ul><li>Cr & Lr = risonanza @ Fr1 </li></ul><ul><li>La corrente ILr fluisce attraverso la R DS on di M1 verso VB (M1 lavora nel 3° quadrante) </li></ul><ul><li>Questa fase inizia quando M1 è acceso e termina quando la corrente di Lr va a zero. </li></ul>I M1 I M2 ID1 I D2 I Lm I Lr V M2 V Cr Vg M2 Vg M1
  22. 22. 18/09/2008 Volpini Roberto <ul><li>FASE 4 di 6 </li></ul><ul><li>M1 = D1 = on </li></ul><ul><li>M2 = D2 = off </li></ul><ul><li>V RR D2 = 2*Vo (tensione inversa D2) </li></ul><ul><li>VL m = n*Vo (in. C.C. dinamico) </li></ul><ul><li>Cr & Lr = risonanza @ Fr1 </li></ul><ul><li>La corrente su Lr fluisce da VB verso massa, attraverso la R DS on di M1. </li></ul><ul><li>L’energia è fornita al carico attraverso VB. </li></ul><ul><li>Questa fase inizia quando la corrente in M1 diventa positiva e termina quando M1 è spento. </li></ul>I M1 I M2 ID1 I D2 I Lm I Lr V M2 V Cr Vg M2 Vg M1
  23. 23. 18/09/2008 Volpini Roberto <ul><li>FASE 5 di 6 </li></ul><ul><li>M1 = D1 = off </li></ul><ul><li>M2 = D2 = off </li></ul><ul><li>V RR D1 = V RR D1 = 0 </li></ul><ul><li>M1Coss = caricato dalla cella risonante. </li></ul><ul><li>M2Coss = scaricato dalla cella risonante fino a 0 </li></ul><ul><li>M2BodyDiode = inizia la conduzione. </li></ul><ul><li>La corrente al carico è fornita dal condensatore Co. </li></ul><ul><li>Questa fase inizia quando M1 è spento e termina quando il gate M2 è acceso. </li></ul>dead-time I M1 I M2 ID1 I D2 I Lm I Lr V M2 V Cr Vg M2 Vg M1
  24. 24. 18/09/2008 Volpini Roberto <ul><li>FASE 6 di 6 </li></ul><ul><li>M1 = D1 = off </li></ul><ul><li>M2 = D2 = on </li></ul><ul><li>V RR D1 = 2*Vo (tensione inversa D1) </li></ul><ul><li>VL m = -n*Vo (Lm in. C.C. dinamico) </li></ul><ul><li>Cr & Lr = risonanza @ Fr1 </li></ul><ul><li>La corrente ILr fluisce attraverso la R DS on di M2, (M2 lavora nel 3° quadrante) </li></ul><ul><li>L’energia in uscita è fornita attraverso la cella risonante. </li></ul><ul><li>Questa fase inizia quando M2 è acceso, termina quando la corrente nella cella risonate =0. </li></ul>I M1 I M2 ID1 I D2 I Lm I Lr V M2 V Cr Vg M2 Vg M1
  25. 25. ANALISI CRITICIA’ DI UN CIRCUITO RISONANTE LLC (SRC) 18/09/2008 Volpini Roberto
  26. 26. <ul><li>ANALISI DEI PRINCIPALI PUNTI DI CRITICITÀ </li></ul><ul><li>Definire con cura il valore della Fmax, al fine di garantire che, alla fase di start-up, durante la quale viene controllata la corrente di soft-start, tramite la frequenza Fstart, ci sia il margine opportuno </li></ul><ul><li>Determinare con cura il valore della capacità parassita complessiva, data da Cp + Cstray, questo per garantire che il sistema soddisfi la condizione di ZVS. Infatti, il valore della corrente nella cella risonante, al turn-off di M1 deve essere > 0, questo per garantire il reset dell’energia residua nella capacità parassita complessiva. (questo vale anche per M2). </li></ul>18/09/2008 Volpini Roberto
  27. 27. <ul><li>ANALISI DEI PRINCIPALI PUNTI DI CRITICITÀ </li></ul><ul><li>Evitare che il sistema operi con frequenza di commutazione vicino alla frequenza Fr2 (risonanza Lm+Lr) perché in questa condizione pur mantenendo la condizione di ZCS si perde la condizione di ZVS, questo causa diversi fenomeni negativi: </li></ul><ul><ul><li>Hard switching di M1 ed M2, con perdite capacitive molto elevate. </li></ul></ul><ul><ul><li>Body diode M1 ed M2 reverse recovered, il dv/dt potrebbe eccedere oltre le specifiche dei mosfet. </li></ul></ul><ul><ul><li>Spikes molto elevati nel mid-point che potrebbero causare la rottura del controllore </li></ul></ul><ul><ul><li>La polarità del loop di feedback potrebbe cambiare da negativo a positivo, con la perdita del controllo e la conseguente distruzione dei mosfet. </li></ul></ul>18/09/2008 Volpini Roberto
  28. 28. 18/09/2008 Volpini Roberto DESCRIZIONE DELLE PRINCIPALI CARATTERISTICHE DELLA NUOVA SERIE ETDxxR
  29. 29. 18/09/2008 Volpini Roberto
  30. 30. 18/09/2008 Volpini Roberto <ul><li>Disposizione orizzontale : questa soluzione è stata appositamente scelta, in alternativa a quella verticale, perché permette di avere migliori caratteristiche tecniche quali: </li></ul><ul><li>eliminazione delle flange distanziali (Fig. 1), tipiche della soluzione verticale e necessarie per garantire l’isolamento tra Primario e Secondario, dove avviene l’attraversamento dei fili verso i terminali. </li></ul>Fig. 1
  31. 31. 18/09/2008 Volpini Roberto <ul><li>Disposizione orizzontale : </li></ul><ul><li>migliore capacità di smaltimento del calore, grazie al canale che si realizza tra i gusci isolanti e gli avvolgimenti, eliminando nel contempo anche “l’effetto camino”, che in alcune condizioni produce un maggiore riscaldamento dell’avvolgimento posto nella parte superiore del rocchetto. </li></ul>MAGNETICA COMPETITOR
  32. 32. 18/09/2008 Volpini Roberto
  33. 33. 18/09/2008 Volpini Roberto
  34. 34. 18/09/2008 Volpini Roberto
  35. 35. 18/09/2008 Volpini Roberto <ul><li>disposizione dei terminali su due file, per un numero elevato di terminali, praticamente all’interno della superficie occupata dal nucleo. </li></ul><ul><li>otto terminali per ogni singolo semi-avvolgimento, quattro terminali per l’ancoraggio dei fili di inizio e quattro per quelli di fine. Questo permette di ottenere saldature più sicure perché si può evitare l’ancoraggio multiplo su un singolo terminale. </li></ul><ul><li>una maggiore distanza tra singole coppie di terminali, questo permette il passaggio di fili di sezione elevata o il parallelo di più fili. </li></ul>
  36. 36. 18/09/2008 Volpini Roberto FINE, GRAZIE PER L’ATTENZIONE!

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