Cómo generar seguridad 200V de fuente de baja tensión

Question

Por desgracia, este post requiere un poco de fondo si va a ser útil a nadie (incluido yo).

He estado tratando de construir un voltaje relativamente alto de convertidor de potencia para la parte de mi proyecto de graduación, y parece que no puede obtener de la realidad a la teoría del partido. Tengo un suministro de 12V y la necesidad para el paso a 200V a fin de que puedo conducir a algunos electrostáticamente impulsado dispositivos MEMS. He estado tratando, en lo posible, hacer que la topología compatible con los correspondientes de la seguridad eléctrica (estándar IEC60601-1 es la norma específica, pero los conceptos son esencialmente las mismas que en IEC60950).

A partir de la norma de seguridad, he decidido que necesito para aislar el circuito de alto voltaje de la baja tensión (circuito de alimentación de un ordenador y otros simples LV electrónica). La aplicación llama a un alto voltaje de ferrocarril (que se ejecuta algunos HV op-amps) y bi-polar de baja tensión de barras (para baja tensión op amps).

Conservador requisitos de Alimentación:

• Aislado 200V ferrocarril, 4W
• Aislado ~10V ferrocarril, 2W (no precisa regulación de voltaje requerido)
• Aislado ~-10V ferrocarril, 2W (no precisa regulación de voltaje requerido)

Así que un conservador max de 8W consumo total, que yo creo que no es demasiado difícil de quitar.

He diseñado el circuito alrededor de la LT3748 de conmutación del controlador, el cual está diseñado para trabajar en un convertidor flyback. Utiliza lado primario de detección durante el período de retorno para el muestreo de la tensión de salida del lado primario y que regula el voltaje, sin necesidad de puente magnético de aislamiento del transformador. Esto es útil para la seguridad debido a la menor cantidad de componentes salvar la barrera de aislamiento, el mejor. Este es el básico de retorno del circuito.

Y he modificado el circuito tiene 3 salida independiente devanados. Uno para la tensión alta, y dos para el de baja tensión. Porque no podía encontrar un adecuado transformador de off-the-shelf, terminé de bobinado de mi propio transformador sobre un núcleo toroidal. He leído que, normalmente, convertidor flyback transformador de núcleos aislados, pero todos los de mi teoría de la excavación me ha llevado a creer que no sólo mejora la estabilidad de la temperatura y la linealidad (guardar esa discusión para otro momento :) ).

El Diseño De Transformadores

• Primaria inductancia = 10uH (2 vueltas en el núcleo estoy usando)
• Relación de vueltas de alta tensión de bobinado de = 20:1
• Relación de vueltas de la baja tensión de los devanados = 1:1

He medido las inductancias de los devanados individuales en un analizador de impedancia y ellos son lo que deberían ser. Espero que este circuito funcione a 100kHz cuando está totalmente cargado con un ciclo de trabajo del 50%. He diseñado de manera adecuada en alta tensión de ruptura de los componentes de la FET y la salida del diodo.

El problema Al menos la aparente problema : Este circuito se comporta bastante como se esperaba cuando sólo el bajo voltaje de los devanados están instalados. Cuando el alto voltaje de la liquidación se agrega, las cosas se ponen divertidas. El comportamiento esperado para un flyback es tal que, cuando el principal de la FET se enciende, el voltaje en el lado de alta del diodo se supone que para disparar rápidamente a una gran tensión negativa (-Vin*relación de vueltas). Entonces, cuando el FET se apaga, la tensión en el lado de baja de la primaria se supone que dispara hasta el retorno de tensión de manera muy rápida (Vin+Vsal/relación de vueltas).

En realidad, estoy recibiendo ~250ns los retrasos entre el interruptor de acción y se espera que los cambios de voltaje. El circuito produce una gran tensión positiva, pero mayormente sobre-regula, y, básicamente, cada ciclo es de hecho limitada por la corriente de disparo de tensión en el lado de baja de la FET. Por lo que la conmutación y la generación de tensión, así que creo que todo está conectado correctamente, es solo que no se comporta debido a los valores parásitos. Tengo la sospecha de que hay exceso de capacidad en la alta tensión secundaria que se refleja en la primaria de manera diferente durante las diferentes fases del ciclo. Además, este circuito se supone que es para detectar el final de la corriente secundaria ciclo de espera para el retorno de voltaje caiga por debajo de Vin de señalización es tiempo de volver a la primaria, pero la tasa de mató de voltaje de retorno parece muy lento y tal vez la causa de los problemas.

Yo podría empezar a publicar osciloscopio huellas, pero tal vez voy a guardar que para las preguntas que esperemos que surgir.

La primera Pregunta Sospecho que mi problema aquí es demasiado capacitancia, y posiblemente algunos exacerbación por la alta relación de vueltas del transformador. Ni siquiera puedo ámbito de aplicación de la sonda de las terminales secundarias, sin alterar el comportamiento del circuito, por lo que creo que es super sensible a la capacitancia en la secundaria. ¿Qué valores parásitos pueden causar lento voltaje de la matanza y los retrasos de comportamiento en este tipo de circuito? Espero que el circuito funcione a 100kHz con el trabajo del 50%, pero el núcleo de ferrita sólo es permeable hasta 2 mhz. Y una vez que el viento en los devanados, la capacitancia parásita hacer el transformador de auto-resonancia en algunos frecuencia por debajo de 2 mhz. Para este circuito para trabajar, cuánto capacitancia ¿usted cree que puede tolerar en/entre los devanados?

La Segunda Pregunta Si me necesitaba para llegar a una solución provisional para este que fue manifiestamente seguro, ¿cómo podría yo tengo unos de hacerlo? Personalmente, me siento impulsado a entender el problema, pero en la práctica también necesito una solución alternativa lo antes posible.

Les agradecería mucho cualquier consejo que la comunidad puede ofrecer!

Answer 1

OK, aquí está mi opinión sólo para volver a comprobar las cosas: -

• Su inductancia primaria es de 11,76 uH formada por dos espiras 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 el deber están apuntando a ser de 100 kHz al 50% por lo tanto 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 micro julios
• A 100 kHz, esto supone una potencia de 15 vatios.

Todo parece ir bien porque se puede bajar un poco la potencia para acomodar potencias más bajas. Si la potencia máxima es de 8 vatios, sólo hay que transferir 8 uJ por ciclo, lo que significa una corriente de pico de 3,7 amperios y, por tanto, un servicio de aproximadamente el 36%.

Pero, con un núcleo sin tapón, ¿qué es el campo H? El campo H son amperios-vuelta por metro, donde la parte "por metro" es la circunferencia media del núcleo (90 mm o así 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 de 2200, así que multiplicando 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 un montón de espacio libre antes de la saturación. Usted estará saturando fuertemente en un ciclo de trabajo del 50%.

Pero su carga debe consumir esos 8 vatios o el núcleo entrará en saturación. En otras palabras, si utilizas un ciclo de trabajo fijo, debes disipar esa potencia en la carga.

Si la carga no disipa la potencia, la tensión de salida seguirá aumentando hasta que se consuma la potencia, pero lo más probable es que el núcleo se sature antes de llegar a ese punto.

El circuito produce una gran tensión positiva, pero sobre todo sobre-regula, y básicamente cada ciclo es realmente limitado por el tensión de disparo de corriente en el lado bajo del FET

Me parece que necesitas controlar mejor el ciclo de trabajo. Quizá el chip que propusiste no funciona como pensabas. Prueba a añadir una carga por si acaso.

También observo que no estás implementando un circuito de captura flyback según la figura 18 de la hoja de datos: -

Dada la aplicación y la cantidad de flujo de fuga en un transformador de paso alto, debería utilizar uno. El diseño anterior es de 5 vatios y no un millón de millas diferente de su aplicación. Por favor, justifique no utilizar un circuito de captura flyback para evitar daños en el MOSFET.

También cabe destacar que la inductancia primaria en el diseño anterior (también para una fuente de 12 voltios) es de 100 uH y aquí podría radicar otro problema; el LT3748 se basa en la regulación de la tensión de salida mediante el uso de la back-enf durante flyback y parece depender de una cierta cantidad de inductancia de fuga para un funcionamiento correcto. No soy un experto en esta familia de chips así que te recomendaría leer más para ver si tu inductancia primaria es adecuada a 100 kHz. Podría ser necesario bobinar más inductancia primaria y operar a un ciclo de trabajo más alto.

Aquí está un enlace a un sitio web que te lleva a través de un ejemplo de diseño de un núcleo de ferrita y consideraciones para el gapping. Y aquí está otra parte de ese sitio que discute la operación flyback y más adelante discute el uso del núcleo de ferrita antes mencionado.