Cómo generar de forma segura 200 V a partir de un suministro de bajo voltaje

Question

Cómo generar de forma segura 200 V a partir de un suministro de bajo voltaje

deltamac

Desafortunadamente, esta publicación requiere un poco de información si va a ser útil para alguien (incluyéndome a mí).

He estado tratando de construir un convertidor de potencia de voltaje relativamente alto para parte de mi proyecto de graduación, y parece que no puedo hacer que la realidad coincida con la teoría. Tengo un suministro de 12 V y necesito aumentarlo a 200 V para poder manejar algunos dispositivos MEMS accionados electrostáticamente. He intentado, en la medida de lo posible, hacer que la topología cumpla con el estándar de seguridad eléctrica relevante (IEC60601-1 es el estándar específico, pero los conceptos son esencialmente los mismos que en IEC60950).

A partir del estándar de seguridad, determiné que necesito aislar el circuito de alto voltaje del circuito de bajo voltaje (alimentar una computadora y otros dispositivos electrónicos simples de BT). La aplicación requiere un riel de alto voltaje (que ejecuta algunos amplificadores operacionales HV) y rieles bipolares de bajo voltaje (para amplificadores operacionales de bajo voltaje).

Requisitos de energía conservadora:

Carril aislado 200V, 4W
Riel aislado de ~10 V, 2 W (no se requiere regulación estricta de voltaje)
Carril aislado de ~-10 V, 2 W (no se requiere regulación estricta de voltaje)

Entonces, un máximo conservador de 8W de consumo total, lo que creo que no es demasiado difícil de lograr.

He diseñado el circuito alrededor del controlador de conmutación LT3748, que está diseñado para funcionar en un convertidor flyback. Utiliza la detección del lado primario durante el período de retorno para muestrear el voltaje de salida del lado primario y regula ese voltaje, sin necesidad de puentear el aislamiento magnético del transformador. Esto es útil para la seguridad porque cuantos menos componentes superen la barrera de aislamiento, mejor. Este es el circuito flyback básico.

Y he modificado este circuito para que tenga 3 devanados de salida separados. Uno para alta tensión y dos para baja tensión. Debido a que no pude encontrar un transformador adecuado listo para usar, terminé enrollando mi propio transformador en un núcleo toroidal. He leído que, por lo general, los núcleos del transformador del convertidor flyback están separados, pero toda mi investigación teórica me ha llevado a creer que solo mejora la estabilidad de la temperatura y la linealidad (guarde ese argumento para otro momento :)).

Diseño de transformadores

Inductancia primaria = 10uH (2 vueltas en el núcleo que estoy usando)
Relación de vueltas al devanado de alto voltaje = 20:1
Relación de vueltas a devanados de bajo voltaje = 1:1

He medido las inductancias de los devanados individuales en un analizador de impedancia y son lo que deberían ser. Espero que este circuito funcione a 100 kHz cuando esté completamente cargado con un ciclo de trabajo de alrededor del 50%. He diseñado apropiadamente componentes de alto voltaje de ruptura para el FET y el diodo de salida.

El problema Al menos el problema aparente: este circuito se comporta como se esperaba cuando solo se instalan los devanados de bajo voltaje. Cuando se agrega el devanado de alto voltaje, las cosas se ponen divertidas. El comportamiento esperado para un flyback es tal que, cuando el FET primario se enciende, se supone que el voltaje en el lado alto del diodo se disparará rápidamente a un voltaje negativo grande (-Vin*relación de vueltas). Luego, cuando el FET se apaga, se supone que el voltaje en el lado bajo del primario se disparará hasta el voltaje de retorno muy rápidamente (Vin+Vout/relación de vueltas).

En realidad, recibo retrasos de ~250 ns entre la acción del interruptor y los cambios de voltaje esperados. El circuito produce un gran voltaje positivo, pero sobrerregula en gran medida, y básicamente cada ciclo está limitado por el voltaje de disparo actual en el lado bajo del FET. Entonces, está cambiando y generando voltaje, así que creo que todo está cableado correctamente, simplemente no se está comportando debido a los parásitos. Tengo la sospecha de que hay una capacitancia excesiva en el secundario de alto voltaje que se refleja en el primario de manera diferente durante las diferentes fases del ciclo. Además, se supone que este circuito detecta el final del ciclo de corriente secundario al esperar que el voltaje de retorno caiga por debajo de Vin, lo que indica que es hora de volver a encender el primario,

Podría comenzar a publicar las trazas del osciloscopio, pero tal vez las guarde para las preguntas que, con suerte, surjan.

La primera pregunta Sospecho que mi problema aquí es demasiada capacitancia y posiblemente alguna exacerbación por la alta relación de vueltas del transformador. Ni siquiera puedo probar los terminales secundarios sin alterar el comportamiento del circuito, por lo que creo que es muy sensible a la capacitancia en el secundario. ¿Qué parásitos pueden causar cambios lentos de voltaje y retrasos en el comportamiento en este tipo de circuito? Espero que el circuito funcione a 100 kHz con un 50 % de servicio, pero el núcleo de ferrita solo es permeable hasta 2 MHz. Y una vez que enrolla los devanados, la capacitancia parásita hace que el transformador sea autorresonante a alguna frecuencia por debajo de 2MHz. Para que este circuito funcione, ¿cuánta capacitancia supone que puede tolerar entre los devanados?

La segunda pregunta Si tuviera que encontrar una solución provisional para esto que fuera demostrablemente segura, ¿cómo podría hacerlo? Personalmente, me siento impulsado a comprender el problema, pero prácticamente también necesito una solución alternativa lo antes posible.

¡Apreciaría enormemente cualquier consejo que la comunidad pueda ofrecer!

mike65535

¿Has probado los distintos devanados de salida, por separado?

Neil_ES

No, un núcleo con huecos es esencial para los flybacks, al menos para potencias en el nivel de vatios, de lo contrario, terminas con un núcleo demasiado grande y, por lo tanto, los parásitos son demasiado altos, lo que parece ser uno de tus problemas. Si no sabe por qué necesita un núcleo con huecos, no está listo para diseñar un flyback.

Tim Wescott

Estoy sospechando capacitancia entre devanados. Publicar una foto de su transformador de salida? ¿Quizás hacer algunas mediciones con un generador de señales?

Tim Wescott

@Neil_UK: Es estudiante. No está listo para diseñar nada. Para eso es este proyecto: para proporcionarle bloques con los que tropezar, para que pueda aprender.

deltamac

Puedo creer que he pasado por alto algo crucial sobre el núcleo. Mi lógica en el transformador flyback era esta... las ecuaciones de diseño para flybacks terminan requiriendo una inductancia primaria particular y una corriente primaria máxima. Juntos definen un flujo máximo. Por lo tanto, necesito un núcleo con suficiente área para no saturar a la máxima densidad de flujo. Así es como elegí mi núcleo.

deltamac

Para continuar, si no hay huecos, solo necesito unas pocas vueltas para obtener la inductancia necesaria. Si lo abro, necesito más vueltas para obtener la misma inductancia. De cualquier manera, necesito la misma inductancia y la misma corriente máxima, por lo tanto, el mismo flujo máximo, la misma densidad de flujo, independientemente de si hay una brecha o no.

deltamac

@TimWescott Mi transformador tiene 20 vueltas espaciadas uniformemente alrededor de la circunferencia en una sola capa. Luego envolví esa capa en un poco de cinta de teflón e hice mis devanados de bajo voltaje sobre ellos. Usé este enlace central

Tim Wescott

No puedo recordar el detalle de la ciencia de los materiales de por qué necesita la brecha. Pero sí recuerdo que una vez analicé los números y descubrí que la mayor parte de la energía almacenada por la bobina justo antes de cortar la corriente está en el espacio. El diseño básico del circuito flyback es que la fuente carga el inductor, luego el inductor se descarga en la carga, por lo que, a diferencia de otras topologías, el inductor debe poder almacenar una parte de la energía.

deltamac

@TimWescott, me encontré con este problema exacto. La energía almacenada es .5*L*I^2. Si tengo la misma L y la misma I... la energía almacenada debería ser la misma.

deltamac

@Neil_UK, probablemente puedas hacer agujeros en mis argumentos. En mi opinión, si abro una brecha, luego enrollo más vueltas, eso solo puede conducir a más inductancia de fuga y más capacitancia.

Andy alias

@deltamac, su argumento de flujo es un pantalón total. Si el espacio reduce la permeabilidad a (digamos) un cuarto, entonces para recuperar la inductancia se duplican las vueltas. El efecto neto es que con el núcleo abierto y el doble de vueltas, la densidad de flujo se reduce a la mitad. Motivo: la permeabilidad se ha reducido a un cuarto, las vueltas se han duplicado, por lo tanto, el flujo es la mitad. La inductancia es proporcional a las vueltas al cuadrado en caso de que no lo supieras.

Andy alias

Si ha enrollado 20 vueltas en un núcleo de 3000 nH por vuelta al cuadrado, la inductancia que ha enrollado es de 1,2 mH y no es lo que piensa.

deltamac

@Andyaka, el secundario en 40 vueltas en un núcleo de 2.88uH/T^2. Esperaba 4,6 mH en el devanado de alto voltaje. Así mismo el primario es de 2 vueltas y da, 11.5uH que es lo que yo mido. ¿Esto está mal por alguna razón que no estoy viendo?

Andy alias

Más arriba dijiste que tu transformador tenía 20 vueltas. Pero necesitarás un hueco.

deltamac

@Andyaka, creo que acabas de aclarar una cosa importante que me faltaba. Creo que he estado usando las fórmulas para enlace de flujo , no flujo . El enlace de flujo (N * flujo) es el mismo en ambos casos, pero el flujo se reduce con giros aumentados y la misma inductancia.

deltamac

@Andyaka, la relación de vueltas es 20:1, la primaria tiene 2 vueltas y la secundaria tiene 40. Perdón por la confusión.

Neil_ES

@deltamac Para un rendimiento de potencia W dado a una frecuencia f dada, necesita x = W/f julios almacenados en el campo magnético. Su núcleo tendrá un flujo máximo dado antes de la saturación Bmax. Calcule qué peso de núcleo necesita para almacenar x julios con un espacio y sin espacio, y compare (sugerencia, la energía va como H * B, Bmax es fijo, puede aumentar H con espacios). Solo entonces comience a pensar en giros y corriente.

Andy alias

Apunte a no más de 0,3 Tesla para Bmax es mi consejo. ¿Qué corriente máxima calculó para la transferencia de energía máxima? ¿Qué frecuencia de conmutación también? ¿Cuál es la circunferencia media del toroide y qué permeabilidad tiene? Eso te dice todo más lo que dijo Neil.

Respuestas (1)

Cómo generar de forma segura 200 V a partir de un suministro de bajo voltaje

¿Has probado los distintos devanados de salida, por separado?
No, un núcleo con huecos es esencial para los flybacks, al menos para potencias en el nivel de vatios, de lo contrario, terminas con un núcleo demasiado grande y, por lo tanto, los parásitos son demasiado altos, lo que parece ser uno de tus problemas. Si no sabe por qué necesita un núcleo con huecos, no está listo para diseñar un flyback.
Estoy sospechando capacitancia entre devanados. Publicar una foto de su transformador de salida? ¿Quizás hacer algunas mediciones con un generador de señales?
@Neil_UK: Es estudiante. No está listo para diseñar nada. Para eso es este proyecto: para proporcionarle bloques con los que tropezar, para que pueda aprender.
Puedo creer que he pasado por alto algo crucial sobre el núcleo. Mi lógica en el transformador flyback era esta... las ecuaciones de diseño para flybacks terminan requiriendo una inductancia primaria particular y una corriente primaria máxima. Juntos definen un flujo máximo. Por lo tanto, necesito un núcleo con suficiente área para no saturar a la máxima densidad de flujo. Así es como elegí mi núcleo.
Para continuar, si no hay huecos, solo necesito unas pocas vueltas para obtener la inductancia necesaria. Si lo abro, necesito más vueltas para obtener la misma inductancia. De cualquier manera, necesito la misma inductancia y la misma corriente máxima, por lo tanto, el mismo flujo máximo, la misma densidad de flujo, independientemente de si hay una brecha o no.
@TimWescott Mi transformador tiene 20 vueltas espaciadas uniformemente alrededor de la circunferencia en una sola capa. Luego envolví esa capa en un poco de cinta de teflón e hice mis devanados de bajo voltaje sobre ellos. Usé este enlace central
No puedo recordar el detalle de la ciencia de los materiales de por qué necesita la brecha. Pero sí recuerdo que una vez analicé los números y descubrí que la mayor parte de la energía almacenada por la bobina justo antes de cortar la corriente está en el espacio. El diseño básico del circuito flyback es que la fuente carga el inductor, luego el inductor se descarga en la carga, por lo que, a diferencia de otras topologías, el inductor debe poder almacenar una parte de la energía.
@TimWescott, me encontré con este problema exacto. La energía almacenada es .5*L*I^2. Si tengo la misma L y la misma I... la energía almacenada debería ser la misma.
@Neil_UK, probablemente puedas hacer agujeros en mis argumentos. En mi opinión, si abro una brecha, luego enrollo más vueltas, eso solo puede conducir a más inductancia de fuga y más capacitancia.
@deltamac, su argumento de flujo es un pantalón total. Si el espacio reduce la permeabilidad a (digamos) un cuarto, entonces para recuperar la inductancia se duplican las vueltas. El efecto neto es que con el núcleo abierto y el doble de vueltas, la densidad de flujo se reduce a la mitad. Motivo: la permeabilidad se ha reducido a un cuarto, las vueltas se han duplicado, por lo tanto, el flujo es la mitad. La inductancia es proporcional a las vueltas al cuadrado en caso de que no lo supieras.
Si ha enrollado 20 vueltas en un núcleo de 3000 nH por vuelta al cuadrado, la inductancia que ha enrollado es de 1,2 mH y no es lo que piensa.
@Andyaka, el secundario en 40 vueltas en un núcleo de 2.88uH/T^2. Esperaba 4,6 mH en el devanado de alto voltaje. Así mismo el primario es de 2 vueltas y da, 11.5uH que es lo que yo mido. ¿Esto está mal por alguna razón que no estoy viendo?
Más arriba dijiste que tu transformador tenía 20 vueltas. Pero necesitarás un hueco.
@Andyaka, creo que acabas de aclarar una cosa importante que me faltaba. Creo que he estado usando las fórmulas para enlace de flujo , no flujo . El enlace de flujo (N * flujo) es el mismo en ambos casos, pero el flujo se reduce con giros aumentados y la misma inductancia.
@Andyaka, la relación de vueltas es 20:1, la primaria tiene 2 vueltas y la secundaria tiene 40. Perdón por la confusión.
@deltamac Para un rendimiento de potencia W dado a una frecuencia f dada, necesita x = W/f julios almacenados en el campo magnético. Su núcleo tendrá un flujo máximo dado antes de la saturación Bmax. Calcule qué peso de núcleo necesita para almacenar x julios con un espacio y sin espacio, y compare (sugerencia, la energía va como H * B, Bmax es fijo, puede aumentar H con espacios). Solo entonces comience a pensar en giros y corriente.
Apunte a no más de 0,3 Tesla para Bmax es mi consejo. ¿Qué corriente máxima calculó para la transferencia de energía máxima? ¿Qué frecuencia de conmutación también? ¿Cuál es la circunferencia media del toroide y qué permeabilidad tiene? Eso te dice todo más lo que dijo Neil.

Andy alias · Answer 1

OK, aquí está mi opinión solo para verificar dos veces las cosas: -

Su inductancia primaria es de 11,76 uH formada a partir de dos vueltas en un núcleo de $A_L$ = 2940 nH/vuelta $^2$ .
Con 12 voltios aplicados (ciclo de carga), la corriente aumenta a V/L = 1,02 amperios por microsegundo
Su frecuencia de funcionamiento y su servicio apuntan a ser de 100 kHz al 50 %, por lo que el tiempo de carga es de 5 microsegundos.
En ese tiempo, la corriente alcanza un pico de unos 5,1 amperios.
La energía almacenada es $\frac{LI^2}{2}$ = 153 microjulios
A 100 kHz, este es un rendimiento de potencia de 15 vatios.

Todo parece estar bien porque el deber puede reducirse un poco para adaptarse a los poderes inferiores. Si 8 vatios es la potencia máxima, entonces solo necesita transferir 8 uJ por ciclo y esto significa una corriente máxima de 3,7 amperios y, por lo tanto, un deber de alrededor del 36%.

Pero, con un núcleo sin intersticio, ¿qué es el campo H? El campo H es amperios vueltas por metro donde la parte "por metro" es la circunferencia media del núcleo (90 mm o más o menos en la hoja de datos). El nivel de campo H que libera 8 vatios es 3,7 amperios x 2 vueltas dividido por 0,09 metros = 82 At/m.

La permeabilidad relativa del núcleo (N87) es 2200, así que multiplique esto por 82 y la permeabilidad del espacio libre ( $4\pi\times 10^{-7}$ ) significa una densidad de flujo de 0.227 teslas y esto está bien en mi libro, pero no hay mucho espacio libre antes de la saturación. Estará fuertemente saturado en un ciclo de trabajo del 50%.

Pero, su carga debe consumir esos 8 vatios o el núcleo, lo que se conoce como, caminará hacia la saturación. En otras palabras, si está utilizando un ciclo de trabajo fijo, debe disipar esa energía en su carga.

Si su carga no disipa la energía, el voltaje de salida continuará aumentando hasta que se consuma esa energía, pero lo más probable es que alcance la saturación del núcleo antes de ese punto: -

El circuito produce un gran voltaje positivo, pero sobrerregula en gran medida, y básicamente cada ciclo está limitado por el voltaje de disparo actual en el lado bajo del FET.

Me parece que necesitas controlar mejor el ciclo de trabajo. Tal vez el chip que propusiste no está funcionando como pensabas. Intente agregar una carga por si acaso.

También observo que no está implementando un circuito de captura de retorno según la figura 18 en la hoja de datos: -

Dada la aplicación y la cantidad de flujo de fuga en un transformador elevador alto, debe usar uno. El diseño anterior es de 5 vatios y no un millón de millas diferente de su aplicación. Justifique no usar un circuito de captura de retorno para evitar daños al MOSFET.

También cabe destacar que la inductancia primaria en el diseño anterior (también para un suministro de 12 voltios) es de 100 uH y aquí podría haber otro problema; el LT3748 se basa en la regulación del voltaje de salida mediante el uso de back-enf durante el retorno y parece depender de una cierta cantidad de inductancia de fuga para un funcionamiento correcto. No soy un experto en esta familia de chips, por lo que recomendaría seguir leyendo para ver si su inductancia principal es adecuada a 100 kHz. Podría ser necesario enrollar más inductancia primaria y operar en un ciclo de trabajo más alto.

Aquí hay un enlace a un sitio web que lo lleva a través de un ejemplo de diseño de un núcleo de ferrita y consideraciones para la separación. Y aquí hay otra parte de ese sitio que analiza la operación flyback y más adelante analiza el uso del núcleo de ferrita mencionado anteriormente.

Estos son exactamente mis cálculos, y el razonamiento detrás de pensar que está bien no usar un transformador con huecos.
De hecho, tengo circuitos amortiguadores diseñados e instalados, y parecen estar haciendo un buen trabajo al amortiguar el timbre debido a las fugas.
Lo que sobresale es que mi relación de giros es probablemente más alta de lo que tiene que ser. Tal vez pueda revertir eso y tal vez reducir el parásito. ¿Hay algún patrón de bobinado en particular que deba usar para minimizarlos?
La otra cosa extraña es que se relaciona con tu comentario. Limita por debajo del ciclo de trabajo nominal en un límite de corriente y, de alguna manera, genera DEMASIADO voltaje.
Debe tener una carga conectada que esté cerca de lo que es el máximo. ¿Tenías carga? Tenías razón sobre los cálculos para no abrirlo. Estoy tan acostumbrado a los flybacks abiertos que realmente pensé que la habías jodido en esta área, especialmente porque no entendiste la razón principal detrás de esto. ¿Está operando a 100 kHz ya qué servicio en qué carga con qué voltaje de salida (y voltaje de entrada)?
¡Buenas noticias! ¡Creo que esto casi funciona! Rebobiné el transformador con una inductancia primaria ligeramente más alta (3 vueltas) y una relación de vueltas más baja (1:10). Se regula correctamente a 200V con cargas ligeras y desaparece la sensibilidad loca a la capacitancia. Ahora tiene bajo voltaje en un viaje actual a 2A. Creo que puedo ajustar y hacer que esto funcione. Ahora también impulsa los tres secundarios simultáneamente.
Si esto funciona... No estoy realmente seguro de cuál habría sido el problema. ¿Una gran relación de vueltas exacerba la capacitancia parásita de alguna manera? Aún me quedan 30 vueltas en el secundario...
Siempre hay una capacitancia parásita del mosfet que impulsa al primario y este suele ser el dominador, generalmente varias veces mayor que la capacitancia reflejada del secundario. Estoy luchando para ver que es capacitancia.
Tengo esto básicamente funcionando, ahora. 25uH primario (3 vueltas). 30 vueltas al devanado HV, 2 vueltas a los devanados LV. Mi amortiguador lateral primario es un 1n +20R y funciona un poco caliente. El amortiguador secundario que en realidad no puedo hacer funcionar. Cualquier valor razonable que intento hacer que oscile y puedes escuchar las tapas de cerámica pulsando como locas. Acabo de dejarlos porque parece funcionar razonablemente bien a pesar de la mala amortiguación en el anillo secundario.
No debería necesitar un amortiguador secundario, ¿tal vez pueda revelar lo que intentó? Cualquier cosa que intente sujetar el voltaje negativo en el lado secundario será problemático. Sin embargo, hay buenas noticias sobre cómo hacer que funcione.