Relazione elettronica di potenza raddrizatore dinamico elevatore pfc boost

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


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


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


-0.5V

0V

0.5V

1.0V

Time

12.82010s 12.82020s 12.82030s 12.82040s 12.82050s 12.82060s 12.82070s


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


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


0V

0.5V

1.0V

Time

10.1234s 10.1236s 10.1238s 10.1240s 10.1242s 10.1244s 10.1246s 10.1248s


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


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).


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


0V

0.5V

1.0V

Time

14.012050s 14.012100s 14.012200s 14.012250s 14.012350s 14.012450s


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


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


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


0V

0.5V

1.0V

Time

10.701600s 10.701640s 10.701680s 10.701720s 10.701760s 10.701800s 10.701840s 10.701880s 10.701920s


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

Relazione elettronica di potenza raddrizatore dinamico elevatore pfc boost

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