Como construir um inversor DC

[MOR_AL]

Ops! Deu problema. Siga para a postagem seguinte.

MOR_AL

[Sérgio Lembo]

@MOR , o pdf está com senha.

[MOR_AL]

Segue a construção de um indutor para até 3,3A, que fiz para responder a um colega de outro fórum. Com a pressa de fazer, tive que usar o método "meia-boca". Consiste em, baseado em alguma experiência anterior, determinar o tamanho do ferrite. Talvez pudesse ser feito com um ferrite menor, mas aí teria dado muito mais trabalho e cálculos. Usei procedimentos já mostrados pelos meus arquivos neste tópico. 

Basicamente, fiz o seguinte:

1 - Determinei (por experiência) as dimensões e disponibilidade do ferrite.

2 - Enrolei o número de espiras que cabem no carretel. O fio 17 ou 18 AWG foi suficiente para aguentar a corrente escolhida.

3 - Com o auxílio do circuito de teste de transformadores e indutores para fontes chaveadas, apliquei a corrente no indutor, até que ela alcançasse os 3,3A ou que o núcleo começasse a saturar. Tive que usar um osciloscópio para verificar esta forma de onda da corrente e da tensão.

4 - Com uma simples conta e a imagem no osciloscópio, mostrada nos meus arquivos, calculei o valor do indutor montado. Como quase sempre não é o valor esperado, principalmente com o projeto "meia-boca", usei outra continha para determinar o número de espiras corretas para chegar ao valor desejado do indutor.

Segue os arquivos mostrando como foi feito.

Em tempo: A senha para abrir o pdf é MOR_AL

 

Em tempo2: Observe o detalhe da forma de onda da tensão no período do corte, quando há um pulso positivo de alta tensão. Esta alta tensão é a que vai ser retificada e entregue ao seu capacitor. 

Observe que ela não sobe instantaneamente, apesar do circuito de drive ser normal. 

A escala é de 20V/Div e o pulso mostrado vai até 80V, mas essa limitação é devido a saturação do osciloscópio. Na realidade tente acompanhar a subida da tensão e imaginar até que tensão este pulso alcançaria. Acho que chegaria até cerca de 200V. Note que tentar alcançar os seus 350V não é fácil para uma topologia como esta. Os componentes vão esquentar mesmo. É por isso que eu sugeri uma topologia fkyback.

MOR_AL

Construção de Indutor.pdf

[mroberto98]

Pelo que entendi voce quer de 0 a 350V em 2ms em um capacitor de 1uf ? 

 

Tenho a solução pra voce, nao vai precisar de ci nenhum pra isso. 

 

Use este circuito flyback auto oscilante alimentado em 12v, so vai precisar adaptar alguns valores, ele ja faz tudo. Use foto acoplador caso queira isolação. 

 

O MCU habilita este circuito para funcionar e carrega a saida, e depois desabilita quando for descarregar.

 

Sua corrente de carga sera 175mA, esta corrente garante 350V em 2ms. Sera uma flyback com 60W de capacidade.

 

Para 12V e duty-cicle de 80% (é recomendado duty cicle alto), sua corrente de chaveamento sera de: 12.7Ap.

 

A tensão reversa no mosfet: 60V (vai ter que usar um mosfet de 100V com mais de 20A de capacidade. 

 

No secundario: a corrente retificada sera 1.75Ap. 

 

O MCU apenas vai habilitar ou nao o circuito auto oscilante, fica bem simples. 

 

Um detalhe: embora a fonte deve ter capacidade de 60W, os componentes nao precisam ser dimensionados para esta potencia ja que na media a potencia fica bem baixa. Trafo e dissipador (se precisar) sao dimensionados para a potencia media. Que no caso parece que voce disse 17W.

[mlegnari]

Deu erro aqui na resposta, estou lendo vou testar hj o dia todo e passar um resultado! 

adicionado 29 minutos depois

@mroberto98 o grande problema está na dificuldade de fazer os cálculos do núcleo flyback de ferrite, a topologia auto oscilante com flyback é uma ótima alternativa mesmo.

 

@MOR você teria algum site ou blog com mais artigos? Me esclareceu bem esse último PDF, falando de modo simples, no proteus eu simulo o trafo com indutancias no primário e secundário, se eu fizer um trafo flyback com as indutancias que encontrei funcionaria? Claro, haverá variáveis no projeto como a saturação do núcleo, mas pra chutar o mais simples possível com chance de acertar seria viável? 

 

Se o ruido incomodar aínda tem a topologia CUK com indutor na saída, vou testar o dia todo hoje e posto os resultados 

[Sérgio Lembo]

@mlegnari , legal a topologia que irá tentar. Só o fato de não necessitar de transistor operando em 350V, o que te leva ao uso de transistor de 500V a 650V já irá diminuir e muito as perdas de switching. Os transistores de 100V ou menos são muito mais rápidos. Considere a possibilidade de operar em CCM no primário do flyback. Vai diminuir e muito a corrente de pico.

[mroberto98]

@mlegnari e voce decidiu montar qual topologia? Flyback?

[albert_emule]

4 horas atrás, mlegnari disse:

Deu erro aqui na resposta, estou lendo vou testar hj o dia todo e passar um resultado! 

adicionado 29 minutos depois

@mroberto98 o grande problema está na dificuldade de fazer os cálculos do núcleo flyback de ferrite, a topologia auto oscilante com flyback é uma ótima alternativa mesmo.

 

Leia um artigo que escrevi. 

É bem didático: 

http://eletronicaedownloads.blogspot.com.br/2014/06/projeto-e-calculo-dos-indutores-de-uma.html

 

 

 

 

[mroberto98]

@albert_emuleTenho creditos tambem neste seu artigo. Kkkkk

[mlegnari]

@Sérgio Lembo vou tentar a topologia flyback apesar de estar dando certo com a boost, quero ter opções, e alias, essa topologia é a mais usada para minha aplicação.

 

@mroberto98 vou tentar a topologia flyback, estou usando a boost, porém preciso diminuir um pouco de ruídos, talvez eu tente a CUK também, não isola a saida, mas diminui bem o ruido.

 

@albert_emule li seu artigo, vou calcular para ver se é possivel usar algum núcleo meu, tem algum problema em usar um núcleo maior? Iria saturar muito rápido?  Achei bem interessante enrrolar meio primario + secundário +meio primário fazendo um sanduíche, nunca vi essa abordagem aprendi algo novo.

 

A topologia flyback iria me ajudar na questão de ter o secundário separado para evitar curtos no primário, e além disso da tensão menor no primário e transistores mais rápidos como o Sérgio citou, em relação a topologia boost, tem menos ruído na saida ou é a mesma coisa?

[mroberto98]

Boost é melhor que flyback. Toda topologia com apenas indutores sempre sao mais eficientes por natureza. 

 

Mosfet de baixa tensão nao necessariamente sao mais rapidos, não tem nada a ver com a tensão! Um 12n60 chega a ser mais rápido que um 540n... o que acontece é que mesmo que a velocidade de transição seja a mesma, o que tem maior tensão naturalmente vai dissipar mais potencia. Mas sem bem projetado, a eficiencia pode ser muito boa nos dois casos.

 

Flyback tem problemas com acoplamento, por sao fontes limitadas para trabalhar bem a ate 50W, acima disso começa a ficar cada vez mais critico. 

Veja que flyback precisa de snubber, perde se uma parte da energia que nao foi acoplado pelo trafo... 

 

Eu te recomendo flyback se quiser isolacao e protecao de curto, circuito boost nao tem isolacao e sua tensão de saida necessariamente deve se iniciar em 12V e nao em 0V.

 

Ja aviso que se quiser fazer flyback, voce vai penar e muito pra fazer este trafo! Principalmente porque voce ainda nao sabe fazer um trafo, parece que sera o primeiro. Uma coisa é 1 ou 2A em 170V nas flybacks, outra é 12A de chaveamento em 12V. 

adicionado 38 minutos depois

Poderia dizer como esta o circuito final do boost? Para nos atualizar. Como eu disse, flyback tem a vantagem da protecao, mas se isso nao interessar compensa ficar na boost

[Sérgio Lembo]

2 horas atrás, mlegnari disse:

vou tentar a topologia flyback apesar de estar dando certo com a boost, quero ter opções, e alias, essa topologia é a mais usada para minha aplicação.

Estive pensando em desenhar um boost em CCM, controle por histerese. Como dito antes, CCM requer diodo schottky. Diodo com reverse recovery, mesmo que de apenas 30ns derruba a eficiência, frita o mosfet. Olhando nas lojas virtuais a máxima tensão encontrada foi de 200V, precisaria ao menos 400V x 4A. Lá fora se encontra esses diodos por apenas US$  2,00, aqui até vi um na TMG, mas achei R$ 43,00 abusivo. Dá para se pensar em eficiência >> 90%, talvez 97%.

[mlegnari]

@mroberto98 ja esta a pleno vapor o boost! A questão do capacitor descarregado se comportar como curto o capacitor de entrada 4700uf 16v nao supriria isso? Não tive problemas com o microcontrolador apesar que nao usarei ele em breve, estou arrumando minha cnc router para fazer as placas protótipo, mas na bancada com bateria esta perfeito.

 

@Sérgio Lembo estou ainda no uf5400 cono diodo, esse diodo rápido que voce citou ficaria inviável para meu projeto,mas posso importar ele, quanto a aquecimento, em uso máximo o mosfet aquece pouco, fica entre morno e quente, uns 50 graus sem dissipador

[mroberto98]

@mlegnari poste o circuito atualizado

 

[mlegnari]

@mroberto98  amanhã postarei, deixei ele 5ms em carga, aplico faisca na bobina de ignição, deixo 1ms em repouso e repito tudo ja esta a uns 3 dias sem parar nada

[Sérgio Lembo]

Tem uma questão na qual estou curioso: é sobre o uso do SCR como elemento de comutação da bobina. A carga do capacitor (boost), e a ignição (scr) é fácil de entender, mas o SCR tem efeito memória, uma vez disparado assim permanece até que a corrente caia a zero. No final da descarga do capacitor, quando a tensão fica abaixo do valor da bateria, há tendência da linha de saída continuar sendo alimentada pela malha bateria-indutor-diodo, o que manteria o SCR disparado eternamente. Como está cortando esse caminho?

[albert_emule]

 

Tenho uma certa dificuldade para determinar a corrente média máxima que o mosfet suportaria chavear, para cada nível de tensão.

Por exemplo: 

IR8010

EM 12v;

Em 24V

Em 36V

Em 48V

Em 60V

Em 72V

 

 

 

 

adicionado 20 minutos depois

16 minutos atrás, albert_emule disse:

 

Tenho uma certa dificuldade para determinar a corrente média máxima que o mosfet suportaria chavear, para cada nível de tensão.

Por exemplo: 

IR8010

EM 12v;

Em 24V

Em 36V

Em 48V

Em 60V

Em 72V

 

 

 

 

 

Na verdade não sei calcular a potência dissipada na comutação em cada nível de tensão destes. 

Eu até posso fazer um teste prático e determinar os limites na prática. Mas não sei a matemática da coisa. 

 

Sobre a corrente média, tenho ciência que se o mofet tiver a 50% de duty cycle.....Para poder chavear 50 amperes de corrente média, precisará ficar comutando pulsos de 100 amperes. Daí a pastilha do mosfet tem que suportar os pulsos repetitivos para poder da conta da corrente média. 

 

Fica faltando só os cálculos de potência dissipada na comutação.  

 

 

[Sérgio Lembo]

@albert_emule

São 2 as perdas: as de transição e as de comutação (saturação)

Saturação: é a mais simples, não depende da tensão, apenas da corrente eficaz x o duty e da temperatura, já que o Rds varia e muito com a temperatura, é quase um PTC.

As de comutação são mais chatas, são 2 cálculos, um para o rise time e outro para o fall time. Numa experiência prática, utilizando os mosfets da Infineon com correntes até 10Arms, as perdas de chaveamento acrescentam uns 20% sobre as perdas por Rds. Em simulações de grande corrente em PFC de 400V, onde se começa a pensar em IGBT, dependendo da frequência o mosfet de 70mR esquenta menos que o de 40mR por conta da performance de rise time e fall time. Assim que encontrar as fórmulas te passo, creio ter guardado num arquivo de excel.

[albert_emule]

Pois é.

Me perco nos cálculos de transição.  

[Sérgio Lembo]

@albert_emule

Como dito antes, temos as perdas por Rds (cálculo simples) e as de transição, as mais chatas de calcular. Isso varia até mesmo em função da topologia. As de transição tem 2 caracteristicas: o tempo e a energia estocada entre o dreno e o source (Coss).

 

Coss: No data sheet vai encontrar o Coss e o Coss efetivo, não use o efetivo, esse valor só é usado no tunning de circuitos ressonantes, p. ex., LLC. Há também o fato do Coss não ser linear, varia em função da tensão, mas é razoavelmente estável quando essa tensão se afasta do zero volt. Dessa forma, ao buscar o Coss no datasheet, preste atenção na condição de teste, não use o valor dado para Vds = 0, utilize o valor dado para Vds = alto valor.

A energia estocada num capacitor é dada por E = 0,5 x C x V² (joule), substituindo C pelo Coss temos a energia (joules) que se transforma em calor a cada chaveamento. Multiplique pela frequência e terás a perda em watts (P = E x f = 0,5 x Coss x V² x f). Se a tensão no momento do chaveamento for zero, isso leva o cálculo para zero. Note que num chaveamento DCM de um PFC por exemplo, embora a corrente seja zero a tensão do dreno (e consequentemente a carga sobre o Coss) estará entre o Vout e o Vin. Então, mesmo com corrente zero, haverá energia estocada no Coss. Por conta do delay entre o final da descarga do boost e o início de um novo ciclo de carga essa energia acumulada no Coss costuma ser descarregada através do indutor para trás, sendo absorvida pelo capacitor que se encontra entre a ponte retificadora e o indutor (isso gera harmônicos, EMC, fazer o quê?) até que a tensão sobre o dreno se equalize com Vin. Nesse caso, uso o Vin_rms para o cálculo. Se for um CCM, então o Vds será o Vout. Em resumo: é olhar para a dinâmica do circuito e mensurar qual o Vds que estará sobre o transistor no momento da comutação.

 

time rise: Num chaveamento CCM será a tensão de trabalho x corrente x 0,5. Se for um chaveamento DCM , ZVS ou ZCS o cálculo resulta em zero.

E = 0,5 x Vds x I x t_rise; P = E x f; P = 0,5 x Vds x I x t_rise x f

 

time fall: É o mesmo raciocínio do time rise, basta substituir t_rise por t_fall.

 

Nota final: Em todos os cálculos é necessário observar as condições de corrente e tensão no instante do evento. Vale a pena montar uma planilha de Excel. Essa não é a forma mais precisa de cálculo, dá uma aproximação de 80%. Tenho uma anotação mais cheia de requintes mas não encontro agora.

 

 

[mlegnari]

Pessoal boa noite! 

 

Após um tempo longe do projeto eu voltei , abandonei a topologia com indutor por um motivo: o mosfet trabalhava quase em seu limite de tensão, além de haver poucas opções em minha cidade de mosfet de alta tensão, RDS baixo. Mas funcionou bem quando acertei!

 

O que fiz foi o seguinte comprei alguns núcleos EE, 19/22/25, peguei uma tabela bem generica com a potência que poderia ser obtida com cada um, o 22 atenderia meus 25w, mas comecei pelo 25. 

 

Enrrolamento primário usei 2 fios AWG 20 1.5 A de corrente e efeito skin acima de 27khz, fiz 4 voltas com terminação central (4+4+4 =12) e no secundario um fio bem fino (ficarei devendo a medida estou sem micrometro) 120+120+120 = 360, o dutty cycle dos 12v para 350V era pra ser acima de 95%  (estou usando 50KHZ) o trafo já me atende com apenas 50% ciclo, agora irei partir para a parte de filtros EMI, pois gera um ruido no primário que afeta tudo num raio de 2 metros

 

Quanto ao mosfet, estou usando o mais simples que encontrei ifrz44, para 55v e corrente de pico bem acima de 10A, o que me preocupou foi que os "spikes" gerados no primário passam dos 55v mesmo com o diodo flyback, então irei procurar um mosfet para ate 200V, no mais tudo ok! 

[MOR_AL]

@mlegnari

...o que me preocupou foi que os "spikes" gerados no primário passam dos 55v...

 

Os spikes são devido ao desacoplamento de parte do fluxo magnético entre o primário e secundário. 

Há dois modos de resolver o problema, sem acrescentar mais potência no MOSFET:

1 - Melhorar o acoplamento entre o primário e o secundário. Dependendo da qualidade do ferrite, o casamento mecânico não fica muito bom. Outro detalhe é que basta um afastamento da espessura de uma folha de papel comum, para aumentar este desacoplamento. Por outro lado, caso este acoplamento tende a ser perfeito, vai aparecer um pico de corrente no instante em que iniciar a condução do MOSFET. Isso é devido às capacitâncias existentes no circuito de primário. O que leva a necessidade de um micro gap entre o primário e o secundário. É um "cobertor de pobre". Não dá para cobrir os pés e a cabeça ao mesmo tempo. Costuma-se deixar um gap de 25um (se ainda me lembro). Para comparação, a espessura de uma folha de papel tem 100um.

2 - O excesso de pico de tensão no dreno do mosfet, ao término da condução, tem que ser parcialmente absorvido pelo circuito de snubber. 

Conclusão:

1 - Tem que ter um micro gap entre os dois ferrites, nem muito, nem pouco.

2 - Tem que ter um snubber.

MOR_AL

[mlegnari]

@MOR irei trabalhar no gap de acordo com o material que você já postou aqui, e usar um snubber, realmente o ruido de chaveamento 50khz que parasita todo o circuito mas não afeta em nada mesmo assim irei reduzir ao máximo. Quanto a dica no trafo, encontrei um colega na área que irá fazer para min, ele desenvolve trafos para fontes chaveadas profissionais vou passar isso a ele para ver o que pode ser melhorado na construção também!

 

@Sérgio Lembo  você postou um circuito aqui com a topologia flyback em que havia um indutor na linha de alimentação do trafo, para que serve esse indutor? 

 

De qualquer modo, como estou na topologia flyback agora, já tem muito material nessa discussão vou ler tudo de novo, tem o esquema ali do @mroberto98 que tem um filtro snubber e tem mais dicas também, acabou virando uma bíblia de inversor dc para iniciantes

[Sérgio Lembo]

Em 18/07/2018 às 22:32, mlegnari disse:

agora irei partir para a parte de filtros EMI, pois gera um ruido no primário que afeta tudo num raio de 2 metros

O I é de irradiado, os filtros montados controlam somente o ruido conduzido pela fiação. Pense numa antena como sendo um condutor sobre o qual são exercidas bruscas variações de tensão. Quanto maior a tensão que é variada e sua velocidade (dv/dt) maior a potência que irá irradiar essa antena. Quanto maior for o condutor (tamanho da trilha, fiação), maior será o ganho dessa antena.

Sobre as tensões, fazem parte do seu projeto, se suprimi-las suprime o projeto junto, não há o que fazer.

O dv/dt pode ser controlado adicionando uma maior resistência no gate do mosfet, isso o tornará mais lento mas em compensação aumenta o aquecimento do mosfet (perdas de switching). Pessoalmente prefiro eles bem rápidos.

O tamanho da antena (fiação) é definido por você na montagem do circuito. O nó onde estão o indutor, mosfet e outras coisas ali penduradas deve ser o menor possível. Quanto menos milímetros de trilha menor a antena e consequentemente menor seu poder de irradiação. Se possível o uso de 2 placas de metal aterradas fazendo um sanduiche no local te dará uma gaiolinha de faraday.

[mlegnari]

Pessoal boa tarde! Continuo estudando e conseguindo alguns avanços. Após 11 meses pesquisando nossa amiga @Isadora Ferraz conseguiu "clarear" minha mente sobre a tensão do gate e capacitância, algo que o @albert_emule passou logo no inicio desse tópico: necessidade de usar um driver com tensão de saída de 12v a 15v.  Resolvido e digerido essa parte de capacitância do gate, tempo de acionamento e desligamento, COSS (valeu @Sérgio Lembo) montei o seguinte circuito (cópia de um existente que roda ok) :

 

 

Resumindo: o circuito DC-DC usa o UC3845 (50% ciclo maximo) e não o UC3843 mas tenho os dois. A 27khz, com 50% ciclo, atinge meus 350v em um capacitor de 1.5uf  92 milijoules em 2 milissegundos sendo necessário 9,2W.

 

Recapitulando o calculo do prof @MOR :

 

Energia do capacitor(mj) * cargas por segundo = potencia necessária

 

Exemplo: 92mj * 200 = 18,4W  (Porém como o tempo de carga é 2ms a potência divide por 2 correto?) 

 

Resultados: no dreno a tensão é 12V, o mosfet aciona e 160ns após cai a 0v no dreno, tempo excelente segundo datasheet, e o desligamento é tão rápido quanto: 180ns, surgindo uma tensão de 60v após desligamento sendo absorvida pelo snuber.

 

Creio que a parte de driver esteja ok! Porém o mosfet ainda aquece muito passando de 100 graus com o tempo (e dissipador grande 10x10cm) mesmo ajustando o gap não adianta, e sobre o RSENSE (resistor shunt) de 0,33ohms 2W chega a fritar mas creio que seja pelo seguinte:

 

Esse trafo meu foi calculado de 12v para 400v a 40w por um eng que trabalha só com isso, usando a a energia armazenada em um capacitor de 10uf esse trafo batia até 50w com ciclo a 90%. Ai que mora o problema: Eu só preciso de 9,2W, mesmo com ciclo de 50% esse trafo não seria o culpado pelo aquecimento excessivo? Se eu pedir um trafo de 10w não seria o ideal?