Fuente de alimentación lineal vs SMPS (pérdidas en el transformador)

Sabemos que, en una fuente de alimentación, siempre se producen pérdidas.

Si tenemos una fuente de alimentación lineal, la principal fuente de pérdida es la pérdida en el núcleo del transformador.

Pero en un SMPS, donde tenemos un voltaje de muy alta frecuencia que pasa a través del transformador, hay dos fuentes principales de pérdida

  1. el elemento de conmutación, generalmente un Mosfet de un transistor de potencia y
  2. las pérdidas en el transformador.

Para reducir las pérdidas en el elemento de conmutación, en este caso el Mosfet, existen dos tipos de mosfet: tipo Trench y tipo Lateral.

Ahora, volviendo a las pérdidas en el transformador, ¿cómo calculamos las diferentes pérdidas en el transformador, para una fuente de alimentación en particular (fuente de alimentación lineal y SMPS).

Además, ¿cuáles son las diferentes pérdidas que se producen en el transformador, cuando se conecta a una fuente de alimentación lineal y cuando se conecta a un SMPS?

Además, ¿cómo superamos estas pérdidas?

Leí en algunos lugares diferentes que indican dos cosas diferentes, siendo:

  1. Las pérdidas en el núcleo y las pérdidas por corrientes de Foucault en un transformador son proporcionales a la frecuencia de la onda entrante, es decir, las pérdidas en el núcleo son directamente proporcionales a la frecuencia y las pérdidas por corrientes de Foucault son directamente proporcionales al cuadrado de la frecuencia de la onda entrante. frecuencia.
  2. Otro sitio afirma que, aunque podemos ver que, a partir de la ecuación de las pérdidas por corrientes de Foucault, es directamente proporcional al cuadrado de la frecuencia de la onda entrante, pero en realidad depende de la tensión de alimentación.

Entonces, ¿cuáles son los factores reales que afectan las pérdidas en un transformador cuando lo conectamos a una fuente de alimentación lineal en comparación con cuando está conectado a un SMPS?

Además, ¿cómo decidimos acerca de la compensación entre las pérdidas de los dos sistemas, a fin de seleccionar un suministro particular para una aplicación particular, considerando los factores principales, como la rentabilidad y la eficiencia del sistema, dado que el el tamaño no es un problema.

(NOTA: el SMPS en la pregunta anterior es una topología aislada, por lo tanto, el transformador).

Además, ¿cuáles son los diferentes métodos que se pueden usar para aislar el suministro, además de un transformador, si hay alguna opción mejor?

Además, además de los mosfet y los transistores de potencia, (si los hay), ¿hay algún otro dispositivo de conmutación que pueda usarse para proporcionar conmutación al SMPS? (que puede tener más o menos pérdidas de conmutación).

Creo que la principal pérdida de potencia en una fuente de alimentación lineal está en el elemento de paso en serie del regulador. Las pérdidas del transformador deberían ser bastante pequeñas en comparación.
Otros dispositivos de conmutación: IGBT, por ejemplo, otras formas de aislamiento: el aislamiento se logra cambiando entre dominios de energía, por ejemplo, de dominio eléctrico a dominio magnético, nuevamente a eléctrico (transformador), eléctrico a magnético a dominio mecánico y al revés (motor eléctrico conectado al generador) , eléctrico al dominio óptico y al revés (optoacoplador). Todas las formas de aislamiento introducen pérdida de potencia; afaik el transformador es la forma más eficiente de aislar.
¿Cómo decidir qué usar? Calcular las pérdidas de potencia.
@PeterBennett La mayor pérdida de potencia en una fuente de alimentación lineal puede o no estar en el regulador en serie. depende de la diferencia entre el voltaje de entrada y el voltaje de salida. la pérdida en un regulador en serie se da como [Disipación de potencia = (voltaje de entrada - voltaje de salida) × corriente de carga]. si la diferencia en el voltaje de entrada y salida es muy baja, entonces el regulador en serie puede ser muy eficiente, y si la diferencia es alta, entonces las pérdidas serían muy altas. Todo depende del diseñador y del diseño del circuito. con un diseño de circuito adecuado, no debería ser un problema
Si tenemos una fuente de alimentación lineal, la principal fuente de pérdida es la pérdida en el núcleo del transformador. Eso solo sería cierto en ciertas circunstancias (como señala en su comentario). En circunstancias típicas , el elemento de paso en serie es donde se pierde la mayor parte de la potencia. hay dos tipos de mosfet: tipo trinchera y tipo lateral. Creo que eso es irrelevante para la pregunta, lo que importa es Rdson y tal vez la capacitancia de entrada. ¿Qué tipo encajaría mejor (trinchera/lateral/???) depende de lo que se necesite, como los voltajes máximos.
sí, pero si, por ejemplo, estoy convirtiendo la entrada de 230 V CA a 12 V CC, usaré un transformador. ahora, si selecciono un transformador, con el devanado secundario dándome 24vca, entonces la pérdida en el regulador sería alta, mientras que, si mi devanado secundario me da 12vca, entonces mi regulador en serie sería muy eficiente. Pero, la frecuencia de la entrada 230vac sería muy importante, porque, si la frecuencia es muy baja, entonces para la que está diseñado el transformador, entonces el transformador se saturará y no dará el voltaje de salida requerido, lo que nuevamente se reduce a Consideraciones de diseño
Me parece que está tratando de encontrar "verdades" genéricas sobre las eficiencias / razones de las pérdidas de eficiencia de SMPS. Claro que puede enumerarlos, pero generalmente no se aplicarán, ya que depende de la especificación y el diseño de su SMPS. Para un SMPS de bajo voltaje pero alta corriente, las cosas serán diferentes que para un SMPS de alto voltaje y baja corriente. Para cada caso/diseño diferentes aspectos se vuelven más o menos importantes. Para altas corrientes Rdson y las resistencias en serie son muy importantes por ejemplo.
Estoy tratando de entender esos conceptos en detalle, pero no obtengo ningún buen material para eso. Si pudiera elaborar sobre ese tema para diferentes escenarios, sería muy útil. La saturación del transformador es un problema, y ​​lo experimenté cuando estaba haciendo una fuente de alimentación para un pequeño proyecto universitario. Además, ¿cómo decidimos acerca de las pérdidas en ambas fuentes de alimentación, para seleccionar la mejor posible?
el devanado secundario me da 24vac, entonces la pérdida en el regulador sería alta No si la corriente de carga es de solo 10 mA. De hecho, con un suministro lineal, debe elegir sabiamente el voltaje de salida del transformador, considere cuánta caída de voltaje se necesita con la corriente más alta y con una caída de voltaje suficiente en el regulador para obtener una regulación suficiente.
No decidimos antes de calcular . Pero antes de que podamos afirmar nada, debe tener claro lo que se necesita: voltaje y corriente de salida. Tenga en cuenta que la eficiencia no es una corriente de sobrecarga constante, los suministros lineales son más eficientes para corrientes bajas, mientras que los suministros conmutados son más eficientes para corrientes altas. Si su carga usa una corriente pequeña durante el 99,9 % del tiempo y una corriente alta durante el 0,1 % del tiempo, ¡un suministro lineal podría ser más eficiente! Pero algunos suministros conmutados avanzados entran en una especie de modo de suspensión cuando la carga es baja. Hay pocas verdades generales, depende.

Respuestas (1)

Si desea un convertidor verdaderamente optimizado y/o comparar diferentes topologías directamente, esta es una forma de hacerlo:

En una optimización general del sistema, se tienen en cuenta las pérdidas de todos los componentes relevantes, especialmente los semiconductores de potencia, los inductores y los transformadores. Comienza con una topología, luego calcula las pérdidas, el tamaño y la estimación de costos (BOM) de todo el convertidor para un conjunto de parámetros dado (por ejemplo, frecuencia de conmutación, material del núcleo del transformador, semiconductor de potencia...). Recorre una gran cantidad de conjuntos de parámetros, clasifica los diseños que no se ajustan a las especificaciones y busca el mejor compromiso, por ejemplo, entre costo y eficiencia ("optimización de Pareto").

Es complejo y requiere mucho tiempo. Obtener los modelos correctos no es trivial, y uno tiene que encontrar un compromiso entre la precisión y la complejidad del modelo. Tendría que emplear un simulador de circuito y una herramienta de diseño de inductor/transformador.

Aquí hay un ejemplo típico de optimización de convertidores: Google Little Box Challenge , consulte la Fig. 10 para ver el procedimiento general y la Fig. 12 para ver los resultados típicos.

Si desea comparar diferentes topologías (refiriéndose a su pregunta), debe ejecutar el procedimiento de optimización del sistema para las diferentes topologías, con diferentes semiconductores, diferentes materiales del núcleo del transformador, etc., y comparar las mejores soluciones directamente.

Fuente de alimentación lineal vs SMPS (pérdidas en el transformador)
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