relazione elettronica di potenza raddrizatore dinamico elevatore pfc boost
TRANSCRIPT
Università degli studi di Messina Ingegneria Elettronica (N.O.)
A.A. 2007/2008
Corso di Elettronica di Potenza
Progettazione di un PFC Boost in
funzionamento discontinuo
Docente:
De Caro Salvatore
Autori:
Francesco Dini
Luca Marino
Giovanni Catalfamo
° INTRODUZIONE
I PFC sono dei dispositivi che assorbono dalla rete a corrente alternata una corrente poco distorta ed
erogano una tensione continua pre-regolata (precisione limitata) elevando il valore di tale tensione.
Per realizzare un PFC è necessario impiegare convertitori DC/DC con cui sia possibile ottenere,
almeno idealmente, valori infiniti del rapporto di trasformazione (negli istanti in cui sen(t)=0).
Ciò esclude il buck e tutti i suoi derivati.
Le varie topologie utilizzabili quindi per la costruzione di un PFC sono con un convertitore DC/DC
che sia Boost, Buck-Boost, Cuk o Sepic.
Un PFC assorbe dalla rete una potenza variabile all’interno di un periodo e deve fornire in uscita
una potenza costante al carico. Per ottenere tale funzionamento è quindi necessario inserire tra il
PFC ed il carico un elemento in grado di immagazzinare energia.
L’energia immagazzinata o ceduta dal volano energetico deve essere pari alla differenza tra la
potenza assorbita dalla rete e quella ceduta al carico.
La banda passante del regolatore di potenza assorbita deve essere sufficientemente bassa, se così
non fosse verrebbero infatti generate armoniche indesiderate sulla corrente di rete.
Nel caso ideale di un sistema di controllo a banda passante infinita si avrebbe:
La banda passante del regolatore di tensione deve essere inoltre limitata superiormente in modo tale
che il sistema di controllo non amplifichi l’inevitabile ripple a frequenza doppia della frequenza di
alimentazione.
La presenza del condensatore-volano e la limitata banda passante del regolatore di tensione non
permettono al circuito PFC di raggiungere prestazioni dinamiche richieste da una applicazione
SMPS (switch mode power supply). Per tale ragione viene aggiunto in uscita al PFC uno stadio di
regolazione della tensione.
Lo schema più immediato è un PFC che impiega un convertitore DC/DC Boost.
Ripple della corrente che attraversa L:
Valor medio della corrente che attraversa L:
Il funzionamento è continuo se:
- Funzionamento continuo:
- Funzionamento discontinuo:
All’interno dei precedenti limiti di funzionamento, in un periodo, è continuo quando la tensione di
alimentazione si avvicina al valore di picco e discontinuo quando la tensione di alimentazione tende
a zero.
Esistono due metodi di controllo per il PFC:
- CONTROLLO A DOPPIO ANELLO (modo continuo)
Con tale configurazione si ottiene:
La resistenza vista dalla rete vale:
- CONTROLLO A SINGOLO ANELLO (modo discontinuo)
Questa tipologia consente di avere un controllo semplice, ma anche un rendimento peggiore.
Se v(t) è sufficientemente più alta di vg(t) la corrente media d’ingresso risulta essere
‘automaticamente’ proporzionale alla tensione (automatic current shaping):
Passiamo adesso alla progettazione ed alla simulazione tramite il programma di simulazione
circuitale Orcad, di un PFC-Boost in funzionamento discontinuo.
° PROGETTAZIONE DEL SISTEMA
La progettazione del sistema può essere divisa in due parti: una riguardante il dimensionamento del
convertitore DC/DC boost ed una riguardante la parte di controllo.
- Dimensionamento del Boost
Come già detto il PFC che andremo a progettare è un PFC-boost con controllo in discontinuo; la
differenza fondamentale rispetto al funzionamento continuo è che la tensione d’ingresso tende a
zero all’interno di un periodo.
Per garantire il modo discontinuo dobbiamo rispettare una condizione fondamentale:
dove la Re è la resistenza vista dal generatore, L l’induttore, Ts il tempo di commutazione e Vm è il
valore massimo della tensione di rete presa nel caso peggiore.
Schema tipo di un PFC boost
Specifiche di progetto:
Po = 600 Watt (potenza di uscita)
Vin = 90÷ 260 Volt (tensione di ingresso)
Fs = 70 Khz (frequenza di commutazione)
rv: ΔVo < 0.1% (ripple massimo della tensione di uscita)
Duty cicle:
Il duty cicle lo otteniamo dalla seguente formula:
pertanto avremo:
dmin = 0.31 per ingresso Vin = 260 Volt
dmax = 0.76 per ingresso Vin = 90 Volt
Dimensionamento Induttore:
Per il dimensionamento dell’induttore calcoleremo la corrente che scorre sull’induttore nel caso
peggiore:
ILmax = 600 / 90 = 6.66 Ampere
Il valore efficace è :
Ieff = 9.428 Ampere
La resistenza vista dal generatore nel caso peggiore è :
Nel nostro caso Req = 13.63 Ohm
Dalla relazione vista in precedenza per Req segue che, per ottenere il funzionamento discontinuo,
possiamo porre L = 10 microHenry
Dimensionamento Condensatore:
L’energia scambiata con l’esterno è data da:
Ponendo una frequenza fg doppia rispetto a quella di rete, fg = 100 Hz, otteniamo:
W = 0.95 Joule
Considerando Vo=380 V e la specifica sul ripple, sostituendo nella seguente relazione:
Otteniamo C = 6.6 milliFarad
Il circuito risultante è il seguente:
0
Lbreak
L2
10u
0
0
DbreakD15
V1FREQ = 50
VAMPL = 90
VOFF = 0
DbreakD12
IF(V(%IN1)-V(%IN2)>0, 1, 0)
triangolo
R17
1k0
0
Cbreak
C78
6.6muscita
triangolo
0
Dbreak
D3 R3
1000k
+
-
+
-
S1
S
VON = 1VOFF = 0
V2
TD = 0
TF = 0.01u
PW = 0
PER = 100u
V1 = 0
TR = 99.98u
V2 = 1
0
DbreakD13
DbreakD14
V6
0.76
R4
15k
L’uscita sul condensatore è del tipo:
Time
0s 0.2s 0.4s 0.6s 0.8s 1.0s 1.2s 1.4s 1.6s 1.8s 2.0s
V(C78:2)
0V
0.5KV
1.0KV
La forma d’onda della corrente in ingresso è:
Time
0s 0.2s 0.4s 0.6s 0.8s 1.0s 1.2s 1.4s 1.6s 1.8s 2.0s
I(V1)
-500A
0A
500A
In particolare vediamo:
Time
270.0ms 280.0ms 290.0ms 300.0ms 310.0ms 320.0ms 330.0ms 339.7ms
I(V1)
-200A
0A
200A
-355A
382A
Ovvero la classica forma d’onda del funzionamento discontinuo:
Time
290.0ms 291.0ms 292.0ms 293.0ms 294.0ms 295.0ms 296.0ms 297.0ms 298.0ms 299.0ms
I(V1)
0A
200A
-180A
348A
Time
292.20ms 292.40ms 292.60ms 292.80ms 293.00ms 293.20ms 293.40ms 293.60ms
I(V1)
0A
100A
200A
300A
- Dimensionamento della parte di controllo:
Per il controllo realizzeremo un controllore PI (azione proporzionale-integrativa). La regolazione PI
è efficace e molto usata quando le variazioni richieste sono ampie, ma piuttosto lente. L’azione
integrale elimina l’errore, ma diminuisce la rapidità di risposta. La taratura della costante di
integrazione è legata alle sovraelongazioni ed alle oscillazioni che si possono innescare (per il
dimensionamento dei componenti del PI faremo uso del programma Matlab).
Funzione trasferimento:
La funzione trasferimento da utilizzare è la seguente:
Sostituendo i valori otteniamo:
Vediamone i grafici del modulo e della fase ottenuti mediante Matlab:
30
40
50
60
70M
agnitu
de (
dB
)
10-2
10-1
100
101
-90
-45
0
Phase (
deg)
Bode Diagram
Gm = Inf , Pm = 90 deg (at 635 rad/sec)
Frequency (rad/sec)
Progettazione del controllore:
La frequenza di attraversamento deve essere circa un ordine di grandezza più piccola della
frequenza di commutazione per migliorare la dinamica del sistema. Scegliamo fatt = 7 KHz
1. Poniamo lo zero a fz=1.2* fo (fo = 635 Hz, frequenza di attraversamento del sistema)
quindi risulta fz = 402.9 Hz
2. Poniamo il polo ad una fp = 1.5 * 7 KHz = 10.5 KHz
La funzione trasferimento risultante è:
Moltiplicando per un fattore K = 2000 otteniamo:
Il sistema risulta stabile, dato che risulta un Margine di fase pari 51.1° e fatt = 1.113 KHz
Il
sistema PI da implementare è il seguente:
U19
LF411
3
2
74
6
1
5+
-
V+
V-
OUT
B1
B2
0
V5
5.6
C2
4.8p
C1
19.99uV4
12
0
R1
1k
0
V3
12
R2
12.12k
uscita
-100
-50
0
50
100
150
200
Magnitu
de (
dB
)
10-2
100
102
104
106
-180
-135
-90
Phase (
deg)
Bode Diagram
Gm = Inf dB (at Inf rad/sec) , Pm = 51.1 deg (at 8.25e+003 rad/sec)
Frequency (rad/sec)
° SIMULAZIONI DEL CIRCUITO Funzionamento del ponte di diodi
Come primo passo vediamo il funzionamento del solo ponte di diodi, per vedere se la tensione di
ingresso viene correttamente raddrizzata. Lo schema del ponte è il seguente:
La forma d’onda ottenuta è la seguente (in rosso la tensione di ingresso, in verde l’uscita del
ponte):
Time
0s 0.2s 0.4s 0.6s 0.8s 1.0s 1.2s 1.4s 1.6s 1.8s 2.0s
V(D13:2)
0V
200V
400V
SEL>>
V(V1:+,V1:-)
-400V
0V
400V
Come è possibile osservare anche nel prossimo ingradimento della forma d’onda ottenuta, la
tensione in uscita dal ponte risulta raddrizzata:
Time
0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120ms 140ms 160ms 180ms 200ms
V(D13:2)
0V
200V
400V
SEL>>
V(V1:+,V1:-)
-400V
0V
400V
PFC a catena aperta
Vediamo adesso il funzionamento del circuito a catena aperta, ovvero senza sistema di controllo (in
questo caso imponiamo noi il valore del duty cicle). Lo schema circuitale a cui fare riferimento è
quello sotto rappresentato:
Vediamo adesso l’andamento della tensione di uscita (si osserva che il valore dell’uscita cresce,
superando di gran lunga il valore dato dalla specifica di progetto, ecco perché abbiamo l’esigenza
di inserire il sistema di controllo che provvederà a stabilizzare la tensione di uscita al valore
desiderato; abbiamo testato il circuito solo con 90V: otterremmo un andamento simile anche con
260V):
Time
0s 0.1s 0.2s 0.3s 0.4s 0.5s 0.6s 0.7s 0.8s 0.9s 1.0s
V(N490315)
0
0.5K
1.0K
La corrente sull’induttore ha comunque il tipico andamento del funzionamento discontinuo, come
possiamo vedere nelle seguenti forme d’onda:
Time
200ms 205ms 210ms 215ms 220ms 225ms 230ms 235ms 240ms
I(L2)
0A
100A
200A
300A
350A
Time
200ms 201ms 202ms 203ms 204ms 205ms 206ms 207ms 208ms 209ms 210ms
I(L2)
0A
100A
200A
300A
350A
PFC con sistema di controllo e tasto ideale
Inseriamo adesso il PI precedentemente progettato e testiamo il funzionamento del sistema, prima
con una tensione di ingresso di 90 Volt e poi con una tensione di 260 Volt.
Le due resistenze (R3 ed R4) inserite in parallelo al carico, servono per fare un partitore di tensione
e prelevare da esse la tensione da mandare al PI; è necessario far ciò perché non possiamo mandare
direttamente una tensione di uscita così alta (ricordiamo che il nostro obiettivo è far stabilizzare
l’uscita sui 380 Volt) al piedino dell’operazionale del PI. Invece, il gain inserito in uscita al PI,
serve per rendere confrontabile il valore dell’uscita del PI con l’ampiezza del dente di sega.
- Tensione di ingresso Vin = 90 Volt
Vediamo la corrente all’ uscita dal generatore:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
I(V1)
-500A
0A
500A
Time
1.200s 1.240s 1.280s 1.320s 1.360s 1.400s 1.440s 1.480s 1.520s 1.560s
I(V1)
0A
200A
-166A
258A
Time
1.960s 2.000s 2.040s 2.080s 2.120s 2.160s 2.200s 2.240s1.922s 2.273s
V(D13:1,V1:-)
-50V
0V
50V
-100V
93V
Time
7.150s 7.200s 7.250s 7.300s 7.350s 7.400s 7.450s 7.500s 7.550s 7.600s 7.650s7.113s
I(V1)
-100A
0A
100A
Dai prossimi ingrandimenti possiamo apprezzare meglio la classica forma d’onda caratterizzante il
funzionamento discontinuo:
Time
1.420s 1.430s 1.440s 1.450s 1.460s 1.470s 1.480s 1.490s 1.500s 1.510s 1.520s
I(V1)
0A
25.0A
-23.9A
41.2A
Time
1.4040s 1.4080s 1.4120s 1.4160s 1.4200s 1.4240s 1.4264s
I(V1)
0A
25.0A
50.0A
75.0A
-16.6A
Vediamo l’andamento della tensione di uscita prelevata ai capi del condensatore:
Visualizzando un ingradimento a transitorio esaurito vediamo come l’uscita oscilli vicino al valore
di tensione desiderato:
Visualizziamo adesso la corrente sull’induttore:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
I(L2)
-200A
0A
200A
400A
600A
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
V(C78:2)
0V
200V
400V
600V
800V
Time
13.80s 13.82s 13.84s 13.86s 13.88s 13.90s 13.92s 13.94s
V(C78:2)
376.00V
380.00V
373.86V
383.09V
Vediamo un ingrandimento a tensione di uscita stabilizzata:
Time
12.60s 12.62s 12.64s 12.66s 12.68s 12.70s 12.72s 12.74s 12.76s 12.78s 12.80s
I(L2)
0A
40A
80A
105A
Time
12.7000s 12.7020s 12.7040s 12.7060s 12.7080s 12.7100s 12.7120s 12.7140s 12.7160s 12.7180s
I(L2)
0A
50A
99A
Come è possibile notare essa è in pratica la corrente uscente dal generatore raddrizzata.
Invece, la tensione sull’induttore è:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
V(L2:1)
-200V
0V
200V
400V
600V
Vediamo più in dettaglio cosa accade a regime:
Time
8.9400s 8.9410s 8.9420s 8.9430s 8.9440s 8.9450s 8.9460s 8.9470s 8.9480s 8.9490s 8.9500s8.9392s
V(L2:1)
40V
60V
80V
100V
Vediamo adesso le forme d’onda della parte di controllo. Tensione sul piedino “uscita”:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
V(R1:1)
0V
2.0V
4.0V
6.0V
Confronto col riferimento della tensione del piedino “uscita”:
Time
11s 12s 13s 14s 15s 16s
V(R1:1) V(V5:+)
5.5600V
5.6000V
5.5441V
5.6246V
Uscita del PI:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
V(N403826)
-20V
-10V
0V
10V
20V
Nelle prossime figure vedremo la tensione di uscita del PI dopo il gain (verde), il dente di sega
(rosso) e il duty-cicle (blu). La prima forma d’onda è l’andamento complessivo, nella seconda è
invece possibile vedere un ingrandimento durante la prima fase del transitorio, nella terza un
particolare della seconda parte del transitorio ed infine nell’ultima è possibile osservare un
ingrandimento a tensione di uscita stabilizzata.
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
V(N622664) V(triangolo) V(S1:1)
-1.0V
-0.5V
0V
0.5V
1.0V
V(triangolo)
Time
500.2000ms 500.2500ms 500.3000ms 500.3500ms 500.4000ms 500.4425ms
V(N622664) V(triangolo) V(S1:1)
0V
0.50V
1.00V
-0.16V
Time
6.03162s 6.03164s 6.03166s 6.03168s 6.03170s 6.03172s 6.03174s 6.03176s 6.03178s 6.03180s
V(N622664) V(triangolo) V(S1:1)
-0.5V
0V
0.5V
1.0V
Time
12.82010s 12.82020s 12.82030s 12.82040s 12.82050s 12.82060s 12.82070s
V(N622664) V(triangolo) V(S1:1)
0V
0.5V
1.0V
Vediamo infine la tensione sullo switch:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
V(S1:3)
-400V
0V
400V
800V
Time
10.6000s 10.6200s 10.6400s 10.6600s 10.6800s 10.7000s 10.7200s10.5857s
V(S1:3)
0V
200V
390V
Time
10.63100s 10.63200s 10.63300s 10.63400s 10.63500s 10.63600s 10.63700s 10.63800s 10.63900s10.63008s
V(S1:3)
0V
100V
200V
300V
384V
- Tensione di ingresso Vin = 260 Volt
Time
1.0000s 1.0400s 1.0800s 1.1200s 1.1600s 1.2000s0.9636s
V(D12:2,V1:-)
-200V
0V
200V
-280V
278V
Osserviamo ora il plot della corrente sul generatore di ingresso:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
I(V1)
-2.0KA
-1.0KA
0A
1.0KA
2.0KA
Time
50ms 100ms 150ms 200ms 250ms 300ms 350ms 400ms 450ms 495ms
I(V1)
-1.0KA
0A
1.0KA
Time
10.30s 10.40s 10.50s 10.60s 10.70s 10.80s 10.90s 11.00s10.23s
I(V1)
-200A
0A
-302A
157A
Nei successivi due ingrandimenti è possibile apprezzare meglio la classica forma d’onda della
corrente caratterizzante il funzionamento discontinuo:
Time
220.0ms 240.0ms 260.0ms 280.0ms 300.0ms 320.0ms 335.9ms
I(V1)
-500A
0A
500A
-888A
Time
250.00ms 252.00ms 254.00ms 256.00ms 258.00ms 260.00ms248.73ms
I(V1)
0A
200A
400A
584A
Vediamo la tensione di uscita prelevata ai capi del condensatore:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
V(N490315)
0V
0.4KV
0.8KV
1.2KV
Nel successivo ingrandimento possiamo vedere come il valore dell’uscita sia oscillante intorno ad
un valore molto prossimo al valore di progetto:
Time
13.920s 13.960s 14.000s 14.040s 14.080s13.896s 14.119s
V(N490315)
378.00V
379.00V
380.00V
377.58V
Valutiamo ora la corrente che attraversa l’induttore per verificarne il funzionamento discontinuo:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
I(L2)
-0.5KA
0A
0.5KA
1.0KA
1.5KA
Dai successivi ingrandimenti a regime risulta più evidente la discontinuità della corrente su L:
Time
11.600s 11.800s 12.000s 12.200s 12.400s 12.600s 12.800s 13.000s 13.200s 13.400s11.450s
I(L2)
-50.0A
0A
50.0A
87.6A
Time
12.70400s 12.70800s 12.71200s 12.71600s 12.72000s 12.72400s 12.72800s12.70016s
I(L2)
0A
20.0A
40.0A
56.5A
Vediamo ora la tensione sull’induttore:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
V(L2:1)
-0.5KV
0V
0.5KV
1.0KV
Ingrandimento a regime:
Time
11.886s 11.888s 11.890s 11.892s 11.894s 11.896s 11.898s 11.900s 11.902s
V(L2:1)
0V
100V
200V
300V
-86V
Vediamo ora le forme d’onda della parte di controllo. Nel prossimo plot possiamo apprezzare
l’uscita del PI (in blu), la tensione sul piedino ‘uscita’ (in rosso) ed il riferimento (in verde):
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
V(V5:+) V(R1:1) V(N403826)
-20V
-10V
0V
10V
20V
Ingrandimento:
Time
0s 0.2s 0.4s 0.6s 0.8s 1.0s 1.2s
V(V5:+) V(R1:1) V(N403826)
-10.0V
0V
10.0V
-14.1V
13.8V
In questa figura e nelle successive possiamo apprezzare l’andamento del duty-cicle (in blu, in rosso
il dente di sega ed in verde l’uscita del PI dopo il gain); la prima figura è l’andamento complessivo,
nella seconda e nella terza abbiamo ingrandimenti del transitorio, nell’ultima a transitorio esaurito:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
V(N622664) V(triangolo) V(ABM2_2:OUT)
-1.0V
-0.5V
0V
0.5V
1.0V
Time
0s 40us 80us 120us 160us 200us 240us 280us 320us 360us 400us
V(N622664) V(triangolo) V(ABM2_2:OUT)
0V
0.5V
1.0V
Time
10.1234s 10.1236s 10.1238s 10.1240s 10.1242s 10.1244s 10.1246s 10.1248s
V(N622664) V(triangolo) V(ABM2_2:OUT)
0V
0.50V
1.00V
-0.18V
Time
14.88268s 14.88270s 14.88272s 14.88274s 14.88276s 14.88278s 14.88280s 14.88282s 14.88284s
V(N622664) V(triangolo) V(ABM2_2:OUT)
0V
0.5V
1.0V
Infine la tensione sullo switch è:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
V(S1:3)
-0.4KV
0V
0.4KV
0.8KV
1.2KV
Time
11.21600s 11.22400s 11.23200s 11.24000s 11.24800s 11.25600s
V(S1:3)
0V
200V
390V
Time
11.23100s 11.23200s 11.23300s 11.23400s 11.23500s 11.23600s 11.23700s 11.23800s 11.23900s11.23016s
V(S1:3)
0V
100V
200V
300V
380V
Time
11.2324s 11.2326s 11.2328s 11.2330s 11.2332s 11.2334s 11.2336s 11.2338s
V(S1:3)
-100V
0V
100V
200V
280V
PFC con sistema di controllo e dispositivo reale
Ultimo passo del nostro progetto consiste nel sostituire al tasto ideale un dispositivo di potenza
reale; la nostra scelta è caduta su un Mosfet, in particolare sull’IRF804 (di cui in appendice
riportiamo il data-sheet). Per il corretto funzionamento del dispositivo abbiamo dovuto apportare
una modifica al circuito precedente: infatti, il duty-cicle uscente dalla sezione di controllo, di
ampiezza 1 volt, non è sufficiente a far entrare in conduzione in Mosfet; per questo abbiamo
aggiunto il componente E1 che, avendo impostato un guadagno pari a 15, permette di pilotare il
Mosfet con una tensione di 15 volt che consente così di farlo entrare in conduzione.
Testeremo il funzionamento del circuito prima con una tensione di ingresso di 90 volt, poi con una
tensione di 260 volt, ed infine imporremo una variazione tra le due tensioni (cioè stimoleremo il
circuito inizialmente con una tensione di 90 volt per un tempo di 12 secondi, in modo da fare
stabilizzare l’uscita, e successivamente, tramite un sistema di switch, stimoleremo il circuito con
una tensione di 260 volt, in modo da poter osservare cosa accade durante la variazione).
- Tensione di ingresso Vin = 90 Volt
Inizialmente vediamo un raffronto tra la tensione (in verde) e la corrente (in rosso) in ingresso:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
V(V1:+,V1:-) I(V1)
-200
-100
0
100
200
Time
2.000s 2.100s 2.200s 2.300s 2.400s 2.500s 2.600s 2.700s 2.800s 2.883s
V(V1:+,V1:-) I(V1)
-100
0
100
Time
2.2100s 2.2200s 2.2300s 2.2400s 2.2500s 2.2600s 2.2700s 2.2800s2.2005s 2.2916s
V(V1:+,V1:-) I(V1)
-100
0
100
Osserviamo ora la tensione di uscita:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
V(N490315)
0V
200V
400V
600V
Vediamo la corrente sull’induttore:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
I(L2)
-100A
0A
100A
200A
Time
2.050s 2.055s 2.060s 2.065s 2.070s 2.075s 2.080s 2.085s 2.090s 2.095s 2.100s
I(L2)
0A
40A
80A
106A
Time
2.0600s 2.0610s 2.0620s 2.0630s 2.0640s 2.0650s 2.0660s 2.0670s 2.0680s 2.0690s
I(L2)
0A
40A
80A
106A
Si apprezza facilmente il classico andamento del funzionamento discontinuo. Vediamo ora il plot
della tensione sull’induttore:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
V(D13:2)
-0.5KV
0V
0.5KV
1.0KV
Time
13.3700s 13.3800s 13.3900s 13.4000s 13.4100s 13.4200s13.3601s
V(D13:2)
0V
200V
400V
600V
769V
Time
13.380s 13.381s 13.382s 13.383s 13.384s 13.385s 13.386s 13.387s 13.388s 13.389s 13.390s
V(D13:2)
0V
200V
400V
600V
751V
Vediamo adesso l’andamento delle tensioni della sezione di controllo del circuito. Nel prossimo
plot possiamo valutare la tensione sul piedino ‘uscita’ (in verde), il riferimento (in rosso) e l’uscita
del PI (in blu):
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
V(R1:1) V(V5:+) V(N403826)
0V
4V
8V
12V
Nelle prossime figure visualizziamo invece l’andamento del duty-cicle nelle varie fasi di
funzionamento (in blu il duty-cicle, in verde l’uscita del PI dopo il gain ed in rosso il dente di sega):
Time
5.050ms 5.100ms 5.150ms 5.200ms 5.250ms 5.300ms 5.350ms 5.400ms 5.450ms5.004ms
V(ABM2_2:OUT) V(GAIN1:OUT) V(triangolo)
0V
0.5V
1.0V
Time
8.8877s 8.8878s 8.8879s 8.8880s 8.8881s 8.8882s 8.8883s 8.8884s 8.8885s
V(ABM2_2:OUT) V(GAIN1:OUT) V(triangolo)
0V
0.5V
1.0V
Time
14.012050s 14.012100s 14.012200s 14.012250s 14.012350s 14.012450s
V(ABM2_2:OUT) V(GAIN1:OUT) V(triangolo)
0V
0.5V
1.0V
Valutiamo infine la tensione sul dispositivo:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
V(N366645)
-200V
0V
200V
400V
600V
Time
13.272s 13.276s 13.280s 13.284s 13.288s 13.292s 13.296s 13.300s 13.304s 13.308s 13.312s
V(N366645)
0V
200V
400V
Time
13.2900s 13.2910s 13.2920s 13.2930s 13.2940s 13.2950s 13.2960s 13.2970s 13.2980s 13.2990s
V(N366645)
0V
200V
400V
- Tensione di ingresso Vin = 260 Volt
Vediamo il raffronto tra la tensione e la corrente in ingresso:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
V(V1:+,D15:2) I(V1)
-500
0
500
Time
200.0ms 240.0ms 280.0ms 320.0ms 360.0ms 400.0ms 440.0ms 480.0ms
V(V1:+,D15:2) I(V1)
-200
0
200
-319
316
Time
10.2500s 10.3000s 10.3500s 10.4000s 10.4500s 10.4865s
V(V1:+,D15:2) I(V1)
-200
0
200
Osserviamo ora il plot della tensione di uscita:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
V(N490315)
0V
200V
400V
600V
800V
Dal prossimo ingrandimento si può apprezzare meglio come, dopo il transitorio, la tensione oscilli
vicino al valore della specifica:
Time
12.5s 12.6s 12.7s 12.8s 12.9s 13.0s
V(N490315)
378.00V
379.00V
379.91V
Vediamo ora la corrente sull’induttore per mostrare meglio il funzionamento discontinuo:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
I(L2)
0A
200A
400A
600A
Time
11.000s 11.100s 11.200s 11.300s 11.400s 11.500s 11.587s
I(L2)
0A
20.0A
40.0A
59.8A
Nei prossimi due plot si può apprezzare meglio la classica forma d’onda del funzionamento
discontinuo:
Time
11.32200s 11.32400s 11.32600s 11.32800s 11.33000s 11.33200s 11.33400s 11.33600s 11.33800s11.32007s
I(L2)
0A
20.0A
40.0A
51.8A
Time
11.3329s 11.3330s 11.3331s 11.3332s 11.3333s 11.3334s 11.3335s 11.3336s 11.3337s 11.3338s
I(L2)
0A
20.0A
40.0A
49.4A
Invece l’andamento della tensione sull’induttore è il seguente:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
V(L2:1)
-0.4KV
0V
0.4KV
0.8KV
1.2KV
Time
0s 50ms 100ms 150ms 200ms 250ms 300ms 350ms 400ms 450ms 500ms 550ms
V(L2:1)
-0.5KV
0V
0.5KV
1.0KV
Time
0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120ms
V(L2:1)
-200V
0V
200V
-305V
Time
10.5400s 10.5600s 10.5800s 10.6000s 10.6200s 10.6400s 10.6600s 10.6800s10.5203s
V(L2:1)
0V
200V
400V
471V
Time
10.59000s 10.59200s 10.59400s 10.59600s 10.59800s 10.60000s10.58853s
V(L2:1)
0V
200V
400V
464V
Soffermiamoci ora sulla parte di controllo. Nelle prossime tre figure visualizziamo le tensioni sul PI
(in rosso la tensione sul piedino ‘uscita’, in verde il riferimento di 5,6 V ed in blu l’uscita del PI):
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
V(V5:+) V(R1:1) V(N403826)
-20V
-10V
0V
10V
20V
Time
0.2s 0.3s 0.4s 0.5s 0.6s 0.7s 0.8s 0.9s 1.0s 1.1s 1.2s
V(V5:+) V(R1:1) V(N403826)
5.00V
10.00V
0.45V
12.54V
Time
8.25s 8.30s 8.35s 8.40s 8.45s 8.50s 8.55s 8.60s 8.65s 8.70s 8.75s
V(V5:+) V(R1:1) V(N403826)
0V
2.0V
4.0V
6.0V
Visualizziamo ora l’andamento del duty-cicle nelle varie fasi (ovvero nella prima e seconda fase del
transitorio ed a regime; vedremo in blu il duty-cicle, in verde l’uscita del PI dopo il gain ed in rosso
il dente di sega):
Time
0s 40us 80us 120us 160us 200us 240us 280us 320us 360us 400us
V(ABM2_2:OUT) V(N622664) V(triangolo)
0V
0.5V
1.0V
Time
8.01650s 8.01655s 8.01660s 8.01665s 8.01670s 8.01675s 8.01680s 8.01685s 8.01690s 8.01695s 8.01700s
V(ABM2_2:OUT) V(N622664) V(triangolo)
0V
0.5V
1.0V
Time
10.701600s 10.701640s 10.701680s 10.701720s 10.701760s 10.701800s 10.701840s 10.701880s 10.701920s
V(ABM2_2:OUT) V(N622664) V(triangolo)
0V
0.5V
1.0V
Come ultima cosa vediamo la tensione sul dispositivo:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s
V(N366645)
-400V
0V
400V
800V
Time
10.640s 10.660s 10.680s 10.700s 10.720s 10.740s 10.760s 10.780s 10.800s 10.820s
V(N366645)
0V
200V
399V
Time
10.75200s 10.75400s 10.75600s 10.75800s 10.76000s 10.76200s 10.76400s 10.76600s 10.76800s 10.77000s
V(N366645)
0V
100V
200V
300V
390V
- Variazione della tensione di ingresso
Schema circuitale utilizzato:
La tensione di uscita rilevata messa a confronto con l’ingresso è la seguente:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s 18s 20s
V(C78:2) V(N308483,N104926)
-400V
0V
400V
800V
In verde l’uscita, in rosso l’alimentazione. Si nota che abbiamo una piccola sovraelongazione dopo
la variazione della tensione (cioè dopo i 12 secondi, ovvero quando si apre il generatore a 90 V e si
chiude quello a 260 V).
Vediamo le correnti che attraversano i generatori. Sul generatore dei 90 V abbiamo:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s 18s 20s
I(U21:2)
-400A
-200A
0A
200A
400A
Su quello dei 260 V invece:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s 18s 20s
I(U20:2)
-400A
-200A
0A
200A
400A
Se prendiamo degli ingrandimenti:
Time
6.0100s 6.0200s 6.0300s 6.0400s 6.0500s 6.0600s 6.0700s 6.0800s6.0001s 6.0903s
I(U21:2)
-100A
0A
100A
Time
13.5100s 13.5200s 13.5300s 13.5400s 13.5500s 13.5600s 13.5700s 13.5800s13.5001s 13.5910s
I(U20:2)
-100A
0A
100A
143A
Valutiamo invece la tensione sull’induttore:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s 18s 20s
V(L2:1)
-200V
0V
200V
400V
600V
Prendiamo un particolare durante la variazione di tensione:
Time
11.960s 11.970s 11.980s 11.990s 12.000s 12.010s 12.020s
V(L2:1)
0V
100V
200V
300V
-58V
Vediamo infine la tensione sullo switch:
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s 18s 20s
V(S1:3)
-200V
0V
200V
400V
600V
Prendiamo anche in questo caso un particolare durante la variazione:
Time
12.0750s 12.0800s 12.0850s 12.0900s 12.0950s 12.1000s 12.1050s12.0714s
V(S1:3)
0V
200V
400V
Come si vede per 90 V abbiamo aperture e chiusure più frequenti del dispositivo. Vediamo infine
come varia la tensione sul dispositivo nella sovraelongazione seguente la variazione delle tensioni:
° APPENDICE
Data-sheet dell’IRF840
Time
12.200s 12.400s 12.600s 12.800s 13.000s 13.200s 13.400s12.017s 13.563s
V(S1:3)
0V
200V
400V
480V