¿Cómo construir un convertidor DC-DC de modo conmutado de alta potencia (4kW)?

Me gustaría construir un convertidor de CC a CC de modo conmutado que admita hasta 4000 W de potencia. Debería poder actuar como una fuente de alimentación CCCV, por lo tanto, suministre una corriente constante Imax hasta el punto en que se requiera el voltaje Vmax para tener esa corriente, y luego suministre un voltaje constante Vmax con una corriente decreciente.

Me gustaría que fuera modular, para poder intercambiar algunos componentes para cambiar el Imax y el Vmax. No quiero tener perillas para cambiar el Imax y el Vmax como en una fuente de alimentación de laboratorio de propósito general, ya que estos parámetros se cambiarán muy raramente, cuando cambie las configuraciones de la batería, tal vez cada pocos meses, y no quiero que el riesgo de que yo o alguien más gire accidentalmente las perillas y luego las conecte a las baterías con parámetros incorrectos, lo que podría matar baterías muy costosas; como quiero que esto admita hasta 4kW, puede imaginar que las baterías serán grandes. No, todavía no tengo baterías que admitan esa corriente, pero dentro de unos años podría tenerlas, por lo que quiero que este dispositivo se pueda ampliar fácilmente a medida que crece mi parque de baterías.

EDITAR: modifiqué mis expectativas, lo que espero que facilite la construcción:

La configuración que me gustaría tener:

  • Entrada: red eléctrica rectificada de 230 V CA (¿será alrededor de 325 V CC?)
  • Salida: CCCV con exactamente Imax=15.0A, Vmax=230.4VDC

Parámetros:

  • entrada y salida eléctricamente aisladas
  • ondulación baja (1 % está bien, 2,5 % es demasiado)
  • eficiencia de al menos el 90 %, estoy dispuesto a gastar hasta un 10 % más por cada 1 % adicional de eficiencia que gane por encima del 90 %.

En el futuro, me gustaría poder instalar módulos para poder aceptar una entrada de voltaje diferente, por ejemplo, de paneles solares, por lo que un diseño que acepte un amplio rango de entrada de voltaje (por ejemplo, 100-400 V CC) sería una ventaja.

Estaría agradecido por algunos consejos básicos sobre cómo construir tal bestia, posiblemente usando algunos bloques listos para usar, pero no quiero comprar el dispositivo completo, ya que quiero que sea modular y ampliable (a menos que algún kit de bricolaje está disponible).

Podría tomar cuatro suministros CCCV chinos de 48 V (ajustables a 58,8 V) 15 A por menos de 200 $ cada uno y conectarlos en serie para hacer el trabajo, pero luego tengo "cajas negras" que si un solo componente en el interior frena, no tiene el esquema será difícil de arreglar. Por lo tanto, preferiría gastar incluso el doble en un diseño modular hecho por mí mismo, por lo que si algo se rompe, puedo cambiar fácilmente el elemento defectuoso y, si mis voltajes deseados cambian, puedo reconstruir parte del dispositivo sin comprar uno nuevo. uno.

No estoy seguro de lo que estás haciendo con esto, pero tal vez podría beneficiarse de la paralelización. Presumiblemente tienes varias baterías. ¿Tal vez tiene más sentido tener múltiples convertidores de potencia?
Me interesaría ver cómo extraes 4kw de una sola toma de corriente.
240V * 20A = 4800W, 240V * 30A = 7200W. No es tan difícil, incluso en los EE. UU. Tiene 240 V disponibles en su casa (dos patas de 120 V), simplemente no se usa para tomas de corriente comunes, sino para cosas como su secadora o estufa eléctrica.
230V * 16A = 3680W es una clasificación estándar de enchufe europeo, y escribí 4kW para tener algo de sobrecarga y no explotar el convertidor DC-DC al 100% de su capacidad, sino un poco más bajo.
En el Reino Unido, lo máximo que puede extraer de un solo enchufe es 13A
Eso es solo para tomacorrientes comunes cuando se usan enchufes con fusibles. Los tomacorrientes dúplex, por ejemplo, a menudo tienen una clasificación de 20A. Además, los enchufes CEE se utilizan para necesidades de mayor potencia y pueden suministrar fácilmente cualquier cosa que necesite.
¿Qué? ¿Estás construyendo un soldador o algo así?
@FakeName no, quiero cargar rápidamente una batería LiFePO4 en mi automóvil.
@ConnorWolf, incluso si el OP no está fabricando un equipo de soldadura, vale la pena mirar algunos esquemas de inversores de soldadura.

Respuestas (5)

Diseñar una fuente de alimentación no es una tarea trivial. Llevo más de 10 años al servicio de empresas profesionales que realizan este tipo de trabajos.

Algunos pensamientos:

  1. Lado de entrada: esa es una gran potencia que extraerá de la red eléctrica. Calculo que necesitará al menos un servicio de 20A. También necesitará un filtro EMI fuerte para evitar contaminar la red eléctrica con el ruido de conmutación del convertidor. No se olvide de la limitación de irrupción, la supresión de sobretensiones, el tamaño de los fusibles y los circuitos de descarga del condensador X.

  2. PFC: la mayoría de los diseños necesitan algún tipo de corrección del factor de potencia para garantizar que la corriente sinusoidal se extraiga de la red eléctrica. Lo más probable es que necesite un PFC multifásico para manejar este tipo de corriente de manera efectiva.

  3. Convertidor CC/CC: definitivamente necesitará una topología de conmutación suave para lograr cualquier tipo de eficiencia razonable en el lado primario. Mire el convertidor de puente completo de transición de voltaje cero, también conocido como puente completo de cambio de fase (Intersil, Texas Instruments y otros fabrican controladores para este tipo de topología) y busque MOSFET realmente resistentes (he usado IRFPS40N50L para diseños de 3kW ). Necesitará un material de núcleo de transformador realmente bueno (considere Ferroxcube o Nicera) para mantener bajas las pérdidas. Es posible que desee incluso considerar ejecutar dos convertidores de 2kW y sumar las corrientes en el lado secundario con un circuito de distribución de corriente.

  4. Rectificación: No existe una forma eficiente de rectificar un voltaje tan alto. No podrá aprovechar la rectificación síncrona (en mi opinión), por lo que estará quemando energía en diodos Schottky.

  5. Gestión térmica: debe asegurarse de que sus dispositivos magnéticos y de conmutación estén todos en sus áreas de operación seguras, y diseñe disipadores de calor/instale ventiladores para asegurarse de que todos permanezcan fuera de cualquier posible condición de fuga térmica.

  6. Protecciones: sobretensión, sobrecorriente, sobretemperatura, cortocircuito, sobretensión de línea, ESD, EFT... todas las cosas contra las que necesita diseñar una protección.

  7. Reglamentario / Seguridad: deberá asegurarse de cumplir con las distancias de fuga y holguras adecuadas, que su corriente de toque sea segura, que todos los dispositivos magnéticos y del tren de potencia críticos no hagan que la fuente de alimentación se vuelva insegura durante un solo evento anormal, que su gestión térmica es mantener las piezas dentro de sus áreas de operación seguras, que está utilizando piezas aprobadas por normativas para funciones críticas para la seguridad (tapas X e Y, MOV, optoaisladores, etc.)

¿Estás seguro de que realmente quieres probar y diseñar algo así tú mismo? Hay libros por ahí que explican cómo diseñar, pero llegar a ser competente es el trabajo de una vida en sí mismo.

Estaría más que feliz de comprar el dispositivo en lugar de diseñarlo yo mismo, siempre que 1) sea al menos un poco "hardware abierto" para obtener un esquema de lo que hay dentro y no solo una caja negra que tendría que revertir- ingeniero para repararlo (y no me diga la palabra "garantía" - quiero que la cosa en la que gasto tanto dinero funcione mucho más tiempo que cualquier garantía) y 2) es al menos un poco modular, así que si mi el voltaje de salida deseado cambia un poco, por ejemplo, decido usar 172.8V y no 230.4VI puedo intercambiar algunos componentes en lugar de comprar un dispositivo completamente nuevo. ¿Alguna sugerencia?
No encontrará muchos suministros estándar que ofrezcan esquemas completos en estos días. El negocio de devolución/reparación es demasiado lucrativo para los fabricantes. En los años 80 y 90, podía obtener manuales de servicio completos y esquemas para fuentes de alimentación, cargas, etc. de HP... intente obtener la misma información para cualquier producto nuevo de Agilent en la actualidad. En mi empleador usamos fuentes de la serie Elgar SW de hasta 10kW; pueden suministrar tanto CA como CC. No son baratos, pero son resistentes (abusamos mucho de ellos) y todavía son compatibles. Ficha de datos
La empresa para la que trabajo construye un cargador que parece cumplir con sus especificaciones, excepto el aislamiento, que se puede obtener a través de un transformador de 60 Hz fácilmente disponible (si es grande). Bonitrón M3528AC-L020. bonitron.com/m3528.html Los límites de voltaje y corriente son ajustables mediante potenciómetros. Sin embargo, no obtendrá los esquemas. Si uno muere y desea reparaciones, tendrá que enviárnoslo.

Lamentablemente, lo que está pidiendo no es práctico para un diseño único. Es posible que alguien le ofrezca un diseño completo de bricolaje, pero sus especificaciones generales son tan altas que le resultaría difícil construirlo a menos que ya sea un experto en estos asuntos. Más sobre eso a continuación, pero su probabilidad más probable de éxito es buscar unidades excedentes de alta calidad que se adapten exactamente a sus necesidades o que se puedan adaptar con relativa facilidad.

Si lo hace usted mismo, un error podría provocar la destrucción de componentes electrónicos (por ejemplo, interruptores MOSFET principales) que valen la mayor parte de su presupuesto.

95% de eficiencia a 2 kW significa 100 Watts de pérdidas totales. A una salida de 65 A, para que las pérdidas resistivas sean inferiores a 100 vatios, se requiere que I^2.R <= 100 o que la resistencia sea inferior a 20 miliohmios. Esto incluye la resistencia del devanado, las pistas, la resistencia del conector y más. Esto es factible pero con gran dificultad. Pero eso no deja margen para otras pérdidas.

Con una salida de 28 V, la pérdida de rectificación de 0,5 voltios por sí sola resultará en pérdidas de 0,5/28 ~= 1,8 %. Un diodo Shottky grande PUEDE bajar a 0,5 V en esa aplicación, pero probablemente caerá un voltaje mayor, por lo que perderá incluso más del 1,8%. La rectificación síncrona es la única opción superior, pero incluso para igualar un rendimiento Schottky de 0,5 V se requiere una resistencia de encendido genuina en su interruptor síncrono de R= V/I = 0,5/65 = aproximadamente 7 miliohmios. Nuevamente, eso es factible, pero requiere piezas de alta especificación y una gran cantidad de habilidad y cuidado.

Y las baterías de calidad razonable (presumiblemente de ciclo profundo y presumiblemente clasificadas para algunas horas de funcionamiento a este nivel de potencia) le costarán mucho más que el presupuesto de su inversor.

En general, un enfoque más realista es ganar algo de experiencia comprando el mejor equipo excedente que pueda obtener para su presupuesto y viendo qué tan bien funciona, e investigando dónde están las principales pérdidas y qué se puede hacer para reducirlas. Debería poder comprar equipos excedentes por mucho menos de lo que puede construir algo equivalente usted mismo. Si es capaz de construir algo como esto y comprende adecuadamente lo que debe hacerse, entonces podría comprar equipos sobrantes que se hayan dañado y reconstruirlos o repararlos. Si eso suena demasiado difícil, entonces hacerlo usted mismo desde el principio es probable que sea más difícil.

Las baterías no serán tan grandes y costosas como esperas, porque la energía irá a las celdas A123 LiFePO4 que pueden aceptar carga a 4C, por lo que solo se necesitan 16Ah de ellas para maximizar un suministro de 65A, y ahora se necesitan celdas 18650 de 1Ah. 2 USD cada uno a 3,3 V, por lo que solo se necesitan 128 de ellos (con un costo total de 256 USD) para maximizar el mencionado Vmax = 28,8 V CC, Imax = 65 A. Así que las baterías no costarán más que el presupuesto de mi inversor.
Ese es un costo alentador si esas son celdas A123 a ese precio. Sin embargo, la capacidad de la batería requerida depende de cuánto tiempo desee cargarlos. Como señalé... presumiblemente clasificado para algunas horas de funcionamiento a este nivel de potencia. La matriz A123 que mencionas se cargará en unos 15 minutos. Proporcionar una hora de almacenamiento costaría alrededor de $US1000 :-(>
La caída de rectificación de 0,5 V a 28 V es una estimación muy conservadora. Los rectificadores ultrarrápidos serán más altos que esto. La rectificación síncrona es el enfoque correcto, pero con voltajes > 12 V está fuera del "punto ideal" donde el silicio tiene un Rdson muy bajo.
Modifiqué mis expectativas, vea la edición (usaré un paquete de baterías 64S3P A123: las celdas costarán un total de 400 $, el cargador no debería costar más), ¿hace eso que sea más fácil de construir?

Ataría cuatro fuentes de alimentación de computadora de> 1000 W juntas y agregaría un PIC o (insertar-microcontrolador-favorito-aquí) para controlar las cosas de CC / CV. La fuente de alimentación de una computadora puede funcionar con CC de alto voltaje y puede ajustarse modificando el circuito de retroalimentación . Un microcontrolador podría modificar las resistencias de retroalimentación usando un potenciómetro digital y podría monitorear la corriente a través de un sensor de corriente de efecto Hall. Sin embargo, el 95% de eficiencia va a ser casi imposible de lograr.

¡Esto suena como una receta para el desastre!

Para potencias muy altas, es muy posible lograr una eficiencia del 98-99% con un motor-generador. Puede ser que para niveles de potencia de pocos KW, el 90% también sea posible. Con un buen motor-generador y algo de masa giratoria se puede obtener un diseño muy limpio y seguro.

Solución perfectamente viable para la década de 1950. O para una configuración retro relevante. Ruido, vibración, EMI, respuesta lenta y desgaste de las escobillas y cojinetes. Y no tanto el 90%.

No lo hará por unos pocos cientos de dólares. La entrada de 200 V CC estaría bien para la mayoría de las unidades SMPS de red eléctrica de entrada universal (si no confunde el circuito PFC), por lo que podría tener suerte con una unidad excedente.