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Elettronica di potenza Eesempi di progetto di alimentatori
©2003 Politecnico di Torino 1
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Alimentatori
2
Esempi di progetto di alimentatori
Progetto di alimentatore senza circuito di correzione del fattore di potenza (PFC)
Valore del condensatoreCorrente di piccoScelta diodiCorrente RMS
Progetto di alimentatore con PFC
Elettronica di potenza Eesempi di progetto di alimentatori
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Introduzione
Esempio di progetto di alimentatore da rete
Specifiche:Rete: 230Veff
Assorbimento del carico: 200W
Dimensionare C e i diodi nei due casi:Alimentatore senza PFC Alimentatore con PFC
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Esempi di progetto di alimentatori
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Progetto di un alimentatore classico
Lo schema di riferimento del caso trattato in questa lezione è il seguente (senza trasformatore a 50Hz)
C RL
IL
N
F
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Progetto alimentatore : specifiche
In uscita si avranno circa 320V
VVVV
L
effL
320
2230
≅
⋅=
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Progetto alimentatore : specifiche
In uscita si avranno circa 320VCarico: resistenza RL
Per 200W d’uscita=>
VVV effL 3202230 ≅⋅=
Ω≅
=
500200
)320( 2
L
L
RWVR
8
Progetto alimentatore : specifiche
In uscita si avranno circa 320VCarico: resistenza RL
Per 200W d’uscita=>
Corrente di carico =>
VVV effL 3202230 ≅⋅=
Ω≅= 500200
)320( 2
WVRL
AIVI
L
L
6,0500/320
≅
Ω=
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Progetto alimentatore : specifiche
In uscita si avranno circa 320VCarico: resistenza RL
Per 200W d’uscita=>
Corrente di carico =>Questi dati permettono di calcolare il valore di C a partire da specifica su ripple di tensione sul carico
VVV effL 3202230 ≅⋅=
Ω≅= 500200
)320( 2
WVRL
AVI L 6,0500/320 ≅Ω=
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Progetto di un alimentatore senza PFC
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Progetto alimentatore : ripple
Scarica del condensatore:
Esponenziale con τelevata:
Si approssima con una retta
VC
t
VRI
T /2
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Progetto alimentatore : ripple
Scarica del condensatore:
Esponenziale con τelevata:
Si approssima con una retta
Si approssima il tempo di scarica con T /2
VC
t
VRI
T /2
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Progetto alimentatore : ripple
Scarica del condensatore:
Esponenziale con τelevata:
Si approssima con una retta
Si approssima il tempo di scarica con T /2a 50Hz, T=20ms, T /2 = 10ms
VC
t
VRI
T /2
CITI
CCQV L
LRIPPLE f221
==∆
=∆
14
Progetto alimentatore : condensatore
Per avere basso rippleoccorre C grande:
Costo e ingombro elevatiRIPPLE
L
VIC
∆⋅=
f2
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Progetto alimentatore : condensatore
Per avere basso rippleoccorre C grande:
Costo e ingombro elevati
Occorre soluzione di compromesso:
Scegliamo VRIPPLE = 25V
RIPPLE
L
VIC
∆⋅=
f2
FCVHz
AC
µ24025502
6,0
=⋅⋅
=
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Progetto alimentatore : condensatore
Per avere basso rippleoccorre C grande:
Costo e ingombro elevati
Occorre soluzione di compromesso:
Scegliamo VRIPPLE =25V
240µF non è un valore normalizzato: i più vicini sono 270µF e 330µF Occorre tenere conto delle tolleranze: 270µF potrebbe essere al limite
RIPPLE
L
VIC
∆⋅=
f2
FVHz
AC µ24025502
6,0=
⋅⋅=
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Progetto alimentatore : condensatore
Per avere basso rippleoccorre C grande:
Costo e ingombro elevati
Occorre soluzione di compromesso:
Scegliamo VRIPPLE =25V
240µF non è un valore normalizzato: i più vicini sono 270µF e 330µF Occorre tenere conto delle tolleranze: 270µF potrebbe essere al limite
RIPPLE
L
VIC
∆⋅=
f2
FVHz
AC µ24025502
6,0=
⋅⋅=
Scelta finale: 270µF400VL
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Progetto di un alimentatore senza PFC
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Progetto alimentatore : diodi
Corrente nei diodiImpulsivaSi può approssimare con triangolo o parabola
ID
t
IPK
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Progetto alimentatore : diodi
Corrente nei diodiImpulsivaSi può approssimare con triangolo o parabola
Quanto dura?Angolo di conduzione αC
Intersezione di retta di scarica del condensatore con la sinusoide raddrizzata
°≅⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −
=
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −=
23320
25320arccos
arccosPK
RIPPLEPKC V
VVα
ID
t
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Progetto: calcolo corrente di picco
Come calcolare IPK? L’integrale di ID dtcoincide con la carica ceduta da C in T/2
ID
t
IPK
T1
22
Progetto: calcolo corrente di picco
Come calcolare IPK? L’integrale di ID dtcoincide con la carica ceduta da C in T/2Con approssimazione triangolare:
∆Q = IPK ·T1 / 2
ID
t
IPK
T1
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Progetto: calcolo corrente di picco
Come calcolare IPK? L’integrale di ID dtcoincide con la carica ceduta da C in T/2Con approssimazione triangolare:
∆Q = IPK ·T1 / 2
Con approssimazione parabolica
∆Q = IPK ·T1 ·2 / 3
ID
t
IPK
T1
24
Progetto: calcolo corrente di picco
Come calcolare IPK? L’integrale di ID dtcoincide con la carica ceduta da C in T/2Con approssimazione triangolare:
∆Q = IPK ·T1 / 2Con approssimazione parabolica
∆Q = IPK ·T1 ·2 / 3La seconda approssimazione è piùvicina ai riscontri sperimentali
ID
t
IPK
T1
123
TQIPK
∆=
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Progetto alimentatore: corrente di picco
T1 è il tempo di conduzione
msTT C 3,13601 =
°=
α
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Progetto alimentatore: corrente di picco
T1 è il tempo di conduzione∆Q è il prodotto di ILper il semiperiodo della tensione di rete
2
3,13601
TIQ
msTT
L
C
=∆
=°
=α
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Progetto alimentatore: corrente di picco
T1 è l’angolo di conduzione∆Q è il prodotto di ILper il semiperiodo della tensione di reteDunque IPK può essere espressa in funzione della corrente nel carico e dell’angolo di conduzione
23180
2
3,13601
C
LPK
L
C
II
TIQ
msTT
α
α
°=
=∆
=°
=
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Progetto alimentatore: corrente di picco
T1 è l’angolo di conduzione∆Q è il prodotto di ILper il semiperiodo della tensione di reteDunque IPK può essere espressa in funzione della corrente nel carico e dell’angolo di conduzione Nel nostro caso=>
23180
2
3,13601
C
LPK
L
C
II
TIQ
msTT
α
α
°=
=∆
=°
=
AII LPK 7
23
23180
=°
°=
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Progetto di un alimentatore senza PFC
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Progetto alimentatore: scelta diodi
Per scegliere i diodi occorre considerare:Corrente mediaCorrente di picco ripetitivaCorrente di picco non ripetitiva=> inrush currentTensione inversa
0=Ci
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Progetto alimentatore: raddrizzatore
Raddrizzatore a ponte:Corrente media: 0,3A (ogni diodo conduce in una semionda)
0=Ci
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Progetto alimentatore: raddrizzatore
Raddrizzatore a ponte:Corrente media: 0,3A (ogni diodo conduce in una semionda)Corrente di picco ripetitiva: 7A (già calcolata)
0=Ci
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Progetto alimentatore: raddrizzatore
Raddrizzatore a ponte:Corrente media: 0,3A (ogni diodo conduce in una semionda)Corrente di picco ripetitiva: 7A (già calcolata)Inrush current: ? (dipende dai parametri parassiti)
0=Ci
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Progetto alimentatore: raddrizzatore
Raddrizzatore a ponte:Corrente media: 0,3A (ogni diodo conduce in una semionda)Corrente di picco ripetitiva: 7A (già calcolata)Inrush current: ? (dipende dai parametri parassiti)Tensione inversa: 320V. Per sicurezza: 400V
0=Ci
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Progetto di un alimentatore senza PFC
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Progetto alimentatore: scelta condensatore
Condensatore:Tensione ai capi: 320V. Elettrolitico da 400VQuanto vale la corrente efficace?
Importante per la scelta del condensatore
0=Ci
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Progetto alimentatore: corrente di rete
Il valore della corrente RMS nel condensatore è difficile da calcolare direttamente. E’ piùfacile partire dalla corrente di rete IRETE
t
7A
1,3ms
T /2
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Progetto alimentatore: corrente di rete
Il valore della corrente RMS nel condensatore è difficile da calcolare direttamente. E’ piùfacile partire dalla corrente di rete IRETE
t
7A
1,3ms
T /2
∫=2/
0
22 )(2 T
RMS dttiT
I
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Progetto alimentatore: corrente di rete
Il valore della corrente RMS nel condensatore è difficile da calcolare direttamente. E’ piùfacile partire dalla corrente di reteUtilizziamo l’approssimazione parabolica
IRETE
t
7A
1,3ms
T /2
dtTtt
TI
T
dttiT
I
T PK
T
RMS
2
011
2/
0
22
1 142
)(2
∫
∫
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
==
40
Progetto alimentatore: corrente di rete
Il valore della corrente RMS nel condensatore è difficile da calcolare direttamente. E’ piùfacile partire dalla corrente di reteUtilizzando l’approssimazione parabolica, la corrente RMS vale 1,8ALa potenza apparente èIRMS·VRMS =230V·1,8A = 414W
IRETE
t
7A
1,3ms
T /2
21
2
2
011
2
4,31582
142 1
ATIT
dtTtt
TI
TI
PK
T PKRMS
==
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−= ∫
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Alimentatore: corrente nel condensatore
Dall’equazione al nodo si ha:
RMS (Σ(I ))=0
IC
t
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Alimentatore: corrente nel condensatore
Dall’equazione al nodo si ha:
RMS (Σ(I ))=0
Se le correnti sono ortogonali(1):
Σ(I 2)=0
IC
t
(1) nel senso che nel carico va solo la continua e nel condensatore solo l’alternata
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Alimentatore: corrente nel condensatore
Dall’equazione al nodo si ha:
RMS (Σ(I ))=0Se le correnti sono ortogonali(1):
Σ(I 2)=0ICRMS
2= 3A 2
ICRMS= 1,73ADunque la corrente nel condensatore èmaggiore di quella nel carico
IC
t
(1) nel senso che nel carico va solo la continua e nel condensatore solo l’alternata
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Esempi di progetto di alimentatori
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Progetto PFC: specifiche
Utilizzando il PFC è ovviamente diversa la corrente nei diodi, ma che cosa succede al condensatore?Usiamo le stesse specifiche del progetto precedente:
Potenza sul carico: 200WTensione di rete: 230Veff
46
Progetto PFC: dati carico
In uscita si avranno circa 390V (il PFC ha uscita più alta della tensione di picco d’ingresso)
Carico: resistenza RLPer 200W d’uscita=> Ω≅= 760
200)390( 2
WVRL
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Progetto PFC: dati carico
Corrente di carico =>
Con questi dati si può dimensionare C, a partire da specifica su ripple di tensione sul carico
AVI L 51,0760/390 ≅Ω=
Assumiamo ∆VRIPPLE =25Vcome nel caso precedente
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Progetto PFC: calcolo energia
La potenza fornita dal PFC è di tipo sinusoidale, con espressione del tipo indicato a lato
t
P ∆ε
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⋅= t
TkPPFC
π4sin
21
21
T/4
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Progetto PFC: calcolo energia
La potenza fornita dal PFC è di tipo sinusoidale, con espressione del tipo indicato a latoLa potenza assorbita dal carico è costante, pari a 200W.Il valore di picco di PPFC è 400W.
t
P ∆ε
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⋅= t
TkPPFC
π4sin
21
21
T/4
50
Progetto PFC: calcolo energia
La potenza fornita dal PFC è di tipo sinusoidale, con espressione del tipo indicato a latoLa potenza assorbita dal carico è costante, pari a 200W.Il valore di picco di PPFC è 400W.∆ε è calcolabile dall’integrale =>
t
P ∆ε
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⋅= t
TkPPFC
π4sin
21
21
JmsW
dttT
WT
637,052
200
4sin200 4
0
=⋅⋅=
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⋅=∆ ∫
π
πε
T/4
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Progetto PFC: calcolo condensatore
Il valore di C determina il rippleImponendo che il ripple sia di 25V , come per il caso senza PFC, si ottiene
( )
( )( )VVC
VVVVC
VVC
3902521
21
2121
22
21
⋅⋅=
=+−=
=−=∆ε
52
Progetto PFC: calcolo condensatore
Il valore di C determina il rippleImponendo che il ripple sia di 25V , come per il caso senza PFC, si ottiene:
C=0,637J/(25·390)V 2=65,3µFTenendo conto delle tolleranze:C=82 µF /450V L
( )
( )( )VVC
VVVVC
VVC
3902521
21
2121
22
21
⋅⋅=
=+−=
=−=∆ε
La capacità è circa un terzo di quella dell’esempio precedente
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Progetto PFC: calcolo condensatore
Il valore di C determina il rippleImponendo che il ripple sia di 25V , come per il caso senza PFC, si ottiene:
C=0,637J/(25·390)V 2=65,3µFTenendo conto delle tolleranze:C=82 µF /450V L
Quanto vale la corrente RMS nel condensatore?
( )
( )( )VVC
VVVVC
VVC
3902521
21
2121
22
21
⋅⋅=
=+−=
=−=∆ε
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PFC: corrente nel condensatore
Se si trascura il ripple, si può supporre VL costanteIn questo caso, essendo I=P/V, la corrente di ingresso diventa una sinusoide traslata il cui valor medio rappresenta la corrente d’uscita e le componenti in frequenza sono assorbite dal condensatore (+switching)
I =P/V IL=0,51A
IC
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Progetto PFC: conclusioni
IRMS=(0,51/√2)A=0,36ASono evidenti i vantaggi:
Condensatore più piccoloCorrente inferiore (=vita più lunga)Ripple generato da corrente sinusoidale (+switching)
IC
0,51A
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Progetto PFC: calcolo alternativo ripple
Il fatto che la corrente media in C sia sinusoidale ci suggerisce un metodo più semplice per calcolare il ripple:
La tensione provocata da una corrente sinusoidale ai capi di un condensatore è del tipo:
VC = XC ·IC
Ma XC =1/(ωC )=1/(2π·100Hz · 82µF )=19,4ΩVCPK = 19,4Ω · 0,51A=9,9V (circa 20VPP, coerentemente con il progetto)