Comment calculer une alimentation à découpage résonante. Alimentation résonante. Bobine résonante d'Andreev sur un noyau en forme de W provenant d'un transformateur. Comment transformer un starter en générateur d'électricité

Cette source haute tension a été fabriquée il y a longtemps, mais je l'ai trouvée sur une étagère et j'ai décidé de la décrire. Il s'agit pratiquement d'un demi-pont ordinaire (dans leur réseau énorme tas) sur IR2153 à l'exception de quelques points.

Premièrement, le transformateur de ligne fonctionne ici à une fréquence de résonance, ce qui signifie qu'il produit une très haute tension. Pour éviter que le liner ne se brise, il ne faut pas l'allumer sans charge ! Je pense que nous devons fabriquer un parafoudre de protection.

Deuxièmement, des transistors «lourds» (stw29nk50, il y en avait), assez inhabituels pour de tels circuits, sont utilisés à une fréquence assez élevée - environ 120 kHz. Afin de permettre à l'IR2153 de les contrôler, des tampons sont introduits. Et en général, l'IR2153 est déchargé autant que possible. La stabilisation de tension est externe, les tampons sont également externes. La vie de Mikruha est devenue un conte de fées)

Troisièmement, l'IR2153 s'alimente automatiquement après le démarrage. L'échauffement de la résistance R4 est considérablement réduit et elle peut fournir plus de courant aux portes. Un autre avantage de cette approche est que si les sorties de la source sont court-circuitées pendant une longue période, l'alimentation de l'ir2153 tombe en dessous du seuil de réponse UVLO, elle s'éteint et est périodiquement activée par la résistance du réseau. Ainsi, la probabilité de sortie du court-circuit est approximativement nulle.

Schéma (cliquable)

Le nombre de tours dans le primaire est de 45, dans l'enroulement d'alimentation IR – 4.

Les transistors sont placés au dessus du radiateur.

Circuit assemblé

Le liner lui-même ne voulait pas rentrer dans le corps, j'ai donc dû limer un peu le corps, et pour qu'il soit joli, j'ai fait un bonnet rouge avec un gros point d'exclamation, je n'avais pas assez de talent pour dessiner ; un éclair))

Consommation électrique – 120 W, court-circuit. Il peut supporter des charges sans problème.

Vidéo

Mon frère semble s'être habitué au fait que je lui enlève son appareil photo pour prendre des photos de mes bricolages. Le voici donc :

Pourquoi l'arc est-il si mort ? Lorsqu'il apparaît, le demi-pont sort de résonance et, de ce fait, la puissance de sortie diminue. La puissance peut toujours être augmentée en abaissant la fréquence de fonctionnement et en réduisant le nombre de tours. Heureusement, les transistors permettent de le faire.

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L’alimentation secteur est l’un des composants les plus critiques dans la structure des équipements électroniques. Les paramètres les plus importants d'un convertisseur de réseau sont : la plage de fonctionnement de la tension d'entrée, la consommation électrique en mode veille, les dimensions hors tout, la fiabilité, la compatibilité électromagnétique et le coût. La grande majorité des équipements modernes alimentés sur secteur utilisent des alimentations à découpage.

Introduction

Les problèmes d’économie d’énergie et d’efficacité énergétique sont parmi les plus urgents dans le secteur énergétique mondial. L'un des moyens les plus importants d'augmenter l'efficacité d'un appareil consiste à augmenter l'efficacité des convertisseurs d'alimentation à découpage. L'augmentation du rendement et de la densité de puissance sont les facteurs dominants dans la conception des convertisseurs AC/DC.

Une caractéristique des alimentations pour ordinateurs, ainsi que d'autres alimentations pour équipements électroniques grand public, est que la consommation varie dans une large plage en fonction du mode de fonctionnement et de l'activité des différents modules du système. Un ordinateur personnel met en œuvre un mode de gestion de l'énergie en abaissant la fréquence d'horloge, en coupant l'alimentation de l'écran, du disque dur ou en mettant le PC en mode veille ou veille. La plage de consommation va de quelques watts (mode veille) à plusieurs centaines de watts. Dans les téléviseurs LCD dotés d'un rétroéclairage LED dynamique ou d'écrans plasma, la consommation de courant est déterminée par la luminosité de l'image actuelle sur l'écran. Garantir une efficacité de conversion élevée pour tous les modes n’est pas une tâche facile.

Electronique économe en énergie

Au cours des dix dernières années, un certain nombre d'organisations gouvernementales et d'associations d'initiative ont développé des critères pour évaluer l'efficacité des alimentations électriques des équipements électroniques. L'objectif principal de ces exigences est de contrôler et de réduire considérablement le niveau de consommation des équipements électroniques grand public modernes. Les fabricants d'équipements doivent certifier leurs produits conformément à ces exigences.

Programme Energy Star

Energy Star est un programme conjoint de l'Agence américaine de protection de l'environnement (EPA) et du ministère de l'Énergie. L'objectif du programme est d'assurer l'utilisation efficace de l'énergie électrique produite et de réduire l'impact nocif sur l'environnement. L'un des domaines du programme Energy Star est l'élaboration d'exigences de base pour la certification de la consommation d'équipements électroniques grand public, en particulier les ordinateurs, les moniteurs, les télécopieurs, les photocopieurs, les téléviseurs, les systèmes audio, les systèmes de climatisation, les réfrigérateurs et autres appareils électroménagers. . Le développement de nouveaux seuils de consommation d'appareils électroniques grand public a contraint les fabricants à recourir à de nouvelles solutions d'économie d'énergie, ce qui a conduit à l'émergence d'une nouvelle classe d'appareils électroniques à consommation d'énergie réduite. Par exemple, déjà en 2002, grâce à la mise en œuvre active des normes Energy Star, plus de 100 milliards de kWh d'électricité ont été économisés rien qu'aux États-Unis.

Documents Energy Star réglementant les exigences d'efficacité énergétique pour les équipements électroniques :

• Ordinateurs de bureau et postes de travail Energy Star v5.0 (avec alimentations certifiées 80 PLUS) ;
• Serveurs de centre de données Energy Star v1.0 (avec alimentations certifiées 80 PLUS) ;
• Moniteurs LCD Energy Star v5.0.

80 PLUS - nouvelles normes pour l'efficacité de l'alimentation électrique

Auparavant, l'efficacité de la plupart des alimentations des unités centrales était d'environ 80 %. Grâce au travail du groupe d'initiative du Comité 80 PLUS, un nouveau système unifié de normes d'efficacité pour les fabricants d'alimentations électriques a été adopté. Ces entreprises ont été contraintes d'améliorer leurs indicateurs de performance afin d'obtenir la certification pour entrer sur les marchés des pays leaders.

Les documents définissent les niveaux souhaités d'efficacité de conversion pour trois conditions de charge différentes du convertisseur (20, 50 et 100 %) (tableau). Conformément à ces niveaux, quatre classes d'efficacité des appareils sont définies : bronze, argent, or et platine :

• 80 PLUS E-Star 4.0 - 80 % d'efficacité à tous les niveaux de charge d'alimentation.
• 80 PLUS Bronze - 82 % d'efficacité pour une charge d'alimentation légère (20 %) et lourde (100 %) et 85 % d'efficacité pour une charge d'alimentation moyenne (50 %).
• 80 PLUS Silver - 85 % d'efficacité à charge légère et lourde sur l'alimentation et 88 % d'efficacité à charge moyenne sur l'alimentation.
• 80 PLUS Gold - 87 % d'efficacité à charge légère et lourde sur l'alimentation et 90 % d'efficacité à charge moyenne sur l'alimentation.

Tableau. 80 niveaux de certification de performance PLUS

En 2006, Energy Star a inclus les exigences 80 PLUS dans ses spécifications informatiques Energy Star 4.0. Déjà en novembre 2006 et février 2007, HP et Dell ont certifié leurs alimentations pour ordinateurs comme répondant aux exigences 80 PLUS.

Architecture d'alimentation à découpage

Une alimentation à découpage ATX (SMPS) typique pour ordinateur réseau doit fournir une tension de sortie de 12 V et un courant de 20 A.

Le principal domaine d'application est l'alimentation électrique des équipements informatiques (unité système PC), d'autres appareils informatiques, des équipements de télécommunications, des téléviseurs LCD, des panneaux plasma, des lampes LED et des chargeurs. L'objectif principal est une conversion efficace, une réduction de la taille, du niveau EMI, ainsi que de la perte de puissance et de la génération de chaleur.

Donnée initiale

La plage de tension d'entrée universelle va de 90 à 265 V AC à une fréquence de 47 à 63 Hz. Cela signifie que la source pourra fonctionner dans n'importe quel pays avec n'importe quelle tension nominale du secteur, ainsi qu'avec des écarts par rapport à la tension et à la fréquence nominales. Tension et courant de sortie - 12 V/20 A. Consommation secteur - 50 mA en mode arrêt ; 100 mA en mode veille ; 5 A en mode actif.

L'architecture proposée présentée à la Fig. 1, a une structure en trois étapes :

1. Correcteur de facteur de puissance.
2. Contrôleur de convertisseur de tension d'impulsion.
3. Redresseur synchrone de la source du circuit secondaire.

Riz. 1. Schéma fonctionnel d'une alimentation à découpage de 240 W

L'architecture choisie repose sur l'utilisation de trois étages de conversion énergétique efficaces. Le premier étage est un correcteur de facteur de puissance actif d'entrée universel avec une tension de sortie de 385 V sur le contrôleur NCP1397B. Le deuxième étage est un convertisseur LLC résonant en demi-pont. Le circuit secondaire +12 V de cette source utilise un circuit de redressement synchrone construit sur la puce de contrôleur NCP4303 ON Semiconductor.

L'architecture choisie pour ce projet optimise les ressources du système pour garantir une efficacité de conversion de puissance maximale et répondre aux exigences d'alimentation d'origine. L'architecture permet également de réduire le prix, de réduire la complexité du dispositif et d'augmenter sa fiabilité.

Première étape. Correcteur de facteur de puissance

L'utilisation de la technologie de correction du facteur de puissance (PFC) est l'un des aspects clés du développement d'alimentations réseau efficaces et puissantes. La très grande majorité des consommateurs d'électricité domestiques et industriels utilisent actuellement des convertisseurs de réseau pulsés et des convertisseurs AC/DC. La structure typique d'un convertisseur de réseau contient un pont de diodes, un filtre capacitif et des convertisseurs de tension stabilisés en sortie. Si nécessaire, les convertisseurs AC/DC peuvent également contenir une isolation galvanique du réseau.

L'efficacité de la conversion est déterminée par l'efficacité des unités de base - un redresseur avec filtre et des convertisseurs DC/DC. La liaison « pont de diodes - condensateur » est faible en termes d'efficacité de transmission énergétique. La capacité est chargée et, par conséquent, la consommation d'énergie du réseau ne se produit que par phases courtes pendant les « pics » des sinusoïdes de la tension du réseau. Et le transfert d’énergie du réservoir de stockage vers la charge peut se produire de manière inégale au fil du temps.

Pour fournir la charge de courant requise, la capacité du condensateur doit être assez grande. À mesure que la puissance du convertisseur augmente, le problème devient critique. Lors du chargement d’une grande capacité de stockage, des surtensions se produisent dans le réseau en peu de temps. Et au moment initial de la connexion de la source au réseau, les surtensions peuvent atteindre des centaines d'ampères. Cela conduit à une distorsion de la forme d’onde de la tension secteur. L'inclusion de charges non linéaires dans le réseau, par exemple des lampes avec lampes à décharge, des moteurs électriques contrôlés, des alimentations avec filtre capacitif, etc., conduit au fait que le courant consommé par ces appareils est de nature pulsée avec un pourcentage élevé d'harmoniques élevées, à cause desquelles des problèmes de compatibilité électromagnétique peuvent survenir lors du fonctionnement de divers équipements.

Correcteur de facteur de puissance et normes

La tâche principale du PFC est de réduire à zéro le décalage du courant consommé par rapport à la tension du réseau tout en conservant la forme sinusoïdale du courant. Pour ce faire, il est nécessaire de prélever du courant sur le réseau non pas à de courts intervalles, mais pendant toute la durée de fonctionnement. La puissance prélevée sur la source doit rester constante même si la tension du réseau change. Cela signifie que lorsque la tension du réseau diminue, le courant de charge doit être augmenté, et vice versa. Du côté du réseau, l’alimentation ressemblera à une résistance purement active. Le correcteur de facteur de puissance est un convertisseur de tension à stockage inductif et transfert d'énergie en inverse. L'étage PFC dans la structure d'un puissant convertisseur AC/DC est une source intermédiaire de tension stabilisée, à partir de laquelle d'autres convertisseurs de tension sont alimentés.

La correction active du facteur de puissance est largement utilisée dans toutes les alimentations modernes haute puissance. L'utilisation d'un étage de correction du facteur de puissance peut augmenter l'efficacité de la conversion et réduire le niveau d'interférence du réseau. La nécessité d'un correcteur de facteur de puissance (PFC) dans les sources réseau puissantes d'alimentation secondaire est réglementée par les exigences de compatibilité électromagnétique de GOST R 51317-2000. Les normes relatives aux composantes harmoniques de consommation de courant et de facteur de puissance pour les systèmes d'alimentation d'une puissance supérieure à 50 W et tous les types d'équipements d'éclairage sont déterminées par la norme CEI CEI 1000-3-2. Pour les dispositifs d'alimentation des équipements de communication, depuis mars 2001, le ministère des Communications de la Fédération de Russie a introduit l'OST 45.188-20-01, qui stipule que le facteur de puissance des équipements d'alimentation doit être d'au moins 0,95 pour les appareils avec correction de puissance.

Structure du module correcteur de puissance

Le module correcteur de facteur de puissance (Fig. 2) contient une puce de contrôleur PFC, une inductance, un puissant commutateur MOSFET, une diode de redressement, des circuits de capteur de rétroaction et une capacité de sortie.

Riz. 2. Structure du correcteur de facteur de puissance

La régulation et la stabilisation de la tension de sortie sont effectuées par un signal PWM. Le schéma ne montre pas les circuits d'alimentation, les modes de contrôle et les seuils de protection. Le circuit n'est pratiquement pas différent des circuits classiques des convertisseurs de tension pulsée. Seules quelques fonctionnalités méritent d’être notées. Pour répondre aux exigences des normes de compatibilité électromagnétique, la conversion dans les correcteurs s'effectue toujours à fréquence constante. Généralement supérieurs à 200 W, la plupart des PFC sont conçus comme des convertisseurs élévateurs fonctionnant en mode de conduction continue (CCM) ou en mode courant continu (CCM).

NCP1605 - contrôleur de correction du facteur de puissance

NCP1605 est une puce de contrôleur de correction du facteur de puissance. Il fonctionne à une fréquence de conversion fixe et en mode de contrôle du mode de conduction critique. Pour une puissance de sortie de 240 W, le mode de conduction critique à serrage de fréquence (FCCrM) le plus efficace est sélectionné car il offre non seulement un rendement de conversion élevé, mais également de faibles EMI. Le contrôleur NCP1605 fonctionne dans ce mode. Le circuit dispose également d'une protection intégrée, à la fois contre les surcharges de courant et contre le mode hors charge.

Deuxième étape. Convertisseur LLC résonant en demi-pont

L'étage d'alimentation à découpage SMPS utilise une topologie résonante LLC en demi-pont, qui améliore considérablement l'efficacité de conversion et permet de réduire les niveaux EMI et d'améliorer l'utilisation du transformateur d'isolement par rapport aux topologies traditionnelles (Figure 3). LLC utilise deux inductances (LL) connectées en série - inductance + enroulement primaire du transformateur et une capacité (C).

Riz. 3. Structure d'un convertisseur LLC résonant en demi-pont

Le convertisseur résonant en demi-pont a une topologie LLC et appartient au sous-type des convertisseurs résonants en série (SRC). Il est largement utilisé dans les applications où une densité de puissance élevée est requise.

Le circuit convertisseur LLC résonant en demi-pont est une excellente alternative à la topologie traditionnelle en demi-pont (HB) pour plusieurs raisons :

• La commutation se produit lorsque la tension dépasse zéro (commutation à tension nulle, ZVS) sur une large plage de charge. Étant donné que la commutation s'effectue à une faible tension de drain, les pertes de commutation sont minimisées. Cela permet également une réduction significative des niveaux EMI par rapport à la topologie HB (demi-pont), qui nécessite une commutation dans des conditions plus sévères.
• Faible courant pendant la commutation. Le commutateur se ferme à un faible courant de débit, ce qui entraîne une faible perte d'énergie par rapport à celle d'une topologie HB.
• Faible courant de coupure sur les diodes du circuit secondaire : lorsque le convertisseur fonctionne en mode courant de sortie élevé, le redresseur de sortie passe à l'état désactivé dans des conditions de faible flux de courant, ce qui réduit le niveau EMI.
• La topologie du circuit n'augmente pas le nombre de composants. Le nombre total de composants reste le même que dans la topologie classique en demi-pont.

En figue. La figure 4 montre un schéma fonctionnel d'un convertisseur résonant en demi-pont. Les commutateurs en demi-pont fonctionnent avec un rapport cyclique de 50 % et assurent la formation d'impulsions rectangulaires haute tension avec une amplitude de 0 à la tension d'entrée VIN, qui entre dans le circuit résonant. En ajustant la fréquence via un oscillateur contrôlé en tension (VCO), un retour de suivi est fourni. La fréquence varie en fonction de la taille de la charge.

Riz. 4. Schéma fonctionnel d'un convertisseur de tension résonnant en demi-pont

NCP1397 - Contrôleur de convertisseur LLC

Le cœur du convertisseur LLC résonant en demi-pont est la puce de contrôleur NCP1397. Doté d'une technologie haute tension exclusive, ce contrôleur contient un pilote MOSFET pour un circuit de sortie en demi-pont. La tension d'alimentation du circuit en demi-pont peut atteindre 600 V.

Le contrôleur dispose d'une protection intégrée à plusieurs niveaux, notamment le blocage de la sortie en cas de perte de tension d'entrée, de perte d'un signal de retour d'un optocoupleur, etc. Cela vous permet d'améliorer la fiabilité de l'étage sans compliquer la conception et des composants supplémentaires.

Circuit secondaire de l'alimentation. Redresseur synchrone

Pourquoi un redressement synchrone est-il nécessaire ? L'utilisation d'un circuit de redressement synchrone permet de réduire les pertes de redressement à des valeurs de courant et de charge élevées. Lors de l'utilisation d'un circuit à diodes conventionnel, même avec des diodes Schottky, à des courants élevés, la chute de tension augmente considérablement et, par conséquent, les pertes augmentent.

En figue. La figure 5 montre les avantages de l'utilisation d'un redresseur synchrone à courant de sortie élevé par rapport à un circuit redresseur à diode conventionnel.

Riz. 5. Comparaison des pertes sur un redresseur synchrone et un redresseur à diodes conventionnel (les pertes sur les diodes Schottky seront plus importantes à des courants plus élevés que sur le canal ouvert d'un transistor MOSFET)

Cependant, on peut constater que le mode de redressement synchrone devient inefficace dans la zone de faibles courants dans la charge. Pour maintenir l'efficacité sur une large plage de charge, le module redresseur synchrone s'éteint automatiquement à faible courant. En figue. La figure 6 montre le circuit de commande des redresseurs synchrones NCP4303 avec un circuit d'arrêt pour les faibles courants de charge.

J'adhère généralement au principe selon lequel moins il y a de pièces dans un circuit, plus il est simple, plus il est fiable. Mais ce cas est une exception. Ceux qui ont conçu et assemblé des circuits pour de puissants convertisseurs élévateurs de tension de 12/24 volts à 300 (par exemple), savent que les approches classiques ne fonctionnent pas bien ici. Les courants dans les circuits basse tension sont trop élevés. L'utilisation de circuits PWM entraîne des pertes de commutation qui surchauffent instantanément et endommagent les transistors de puissance. La résistance interne des interrupteurs de puissance constitue un obstacle sérieux à l'utilisation de circuits dont la conception limite les pertes de commutation, tels que les circuits en pont et en demi-pont.

Le circuit ci-dessus est basé sur la séparation de la fonction d'augmentation de la tension et de sa stabilisation en différentes étapes. Avec cette approche, nous avons la possibilité de forcer l'unité la plus problématique - l'onduleur - à fonctionner en mode résonnant avec des pertes minimales sur les interrupteurs de puissance et le pont redresseur dans la partie haute tension du circuit. Et la tension de sortie est stabilisée dans le bloc ST, qui est assemblé à l'aide d'une topologie de boosting simple. Son schéma n'est plus donné ; il y aura un article séparé à ce sujet. Une tension requise stable est supprimée de sa sortie.

Schéma schématique d'un convertisseur de tension résonnant

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