Power Electronics

Попробую по-порядку.

Поведение стало более устойчивым, как только я поставил реальный выходной кондер, ESR=0.12
Греется он конечно прилично: при ripple тока под 6-10А на нем выделяется 12-30W. Это безусловно очень плохо :(

Я попробовал по примеру тексасовцев динамически настраивать D (пробовал PID, пробовал линейный закон как у TI), но потерпел фиаско: что бы я ни делал, регуляция голым bang-bang-ом работает лучше :)
Считаю что руки кривые, опыта мало.

В целом алгоритм прикольный: при превышении "несущей частоты" PWM (задается Ton_min & Ton_max) некоей "оптимальной" - циклы PWM "слипаются" в группы, быстро линейно задирают ток и напряжение (что вперед) до максимума, срабатывает bang и начинается долгий разряд. Оптимум PWM такой, чтобы bang по напряжению срабатывал на каждом цикле PWM, не давая им слипаться. В моем примере оптимальная итоговая частота PFM оказалась равной где-то 77кГц.

Что мне очень нравится в алгоритме - это то, с какой легкостью он справляется с бросками Vin и нагрузки и как точно он выдерживает заданные ток и напряжение. Никаких овершотов! Но - пульсации :(

Обновил модель на гуглдиске: buck-02.1

Цель: динамически управляемый БП 12V/15A. На входе 320-360VDC. Плавное изменение выходного напряжения по команде контроллера. Индуктивная нагрузка. Требований к пульсациям нет, я уложился в 4% - за глаза. КПД не ниже 80%, модели получилось 90%+.

Рассматриваемое решение: STM32F072. Под алгоритм подходит идеально: встроенный PWM с комплиментарными сигналами и дэдтаймом. И два компаратора (как-раз столько и надо) с отрубанием PWM, причем - есть режим отрубания только верхнего ключа, нижний открывается. Просто идеально подходит для этого алгоритма! Ну и это нормальный ARM на 48мГц.

Буду очень признателен если ткнуть меня в ошибки регуляции. И еще в модели фигурирует активный ZVT clamp - он пока не работает, это у меня в процессе.

Модель на основе конечного автомата. Дискретный контроллер и регистр значения. Пришлось потрахаться с кольцевыми зависимостями вход-выход, писал выше в ветке. Решается жонглированием сигналом между защелками.
Модель выкладывал. Недоделаны сервисные функции.

Существует несколько способов проектирования системы управления источником питания.
Наиболее популярный основан на инженерных методах проектирования непрерывных линейных систем регулирования и заключается в синтезе желаемой ЛАЧХ разомкнутой системы регулирования. Желаемая ЛАЧХ создается при помощи корректирующего звена, которое собственно и является регулятором. При этом не факт, что корректирующее звено источника питания будет обладать признаками типового ПИД регулятора. В реальности может быть всё что угодно. Далее передаточная характеристика регулятора, через Z-преобразование может быть перенесена в цифровую область и затем реализована на каком-то DSP-контроллере.
ЛАЧХ самого преобразователя зачастую достаточно очевидна. При необходимости ЛАЧХ можно определить экспериментально или рассчитать через пространство состояний.
Кроме этого существуют аналитические методы синтеза оптимальных регуляторов. Оптимальные алгоритмы создаются с учётом ограничений и возможностей реального оборудования и обеспечивают наилучшее быстродействие и качество регулирования, без всяких bang-bang примочек.

_________________
"Древние украли все наши лучшие идеи!"
- Марк Твен.

Чтобы не ломать голову, найдите книгу George C. Chryssis High Frequency Switching Power Supplies Theory And Design. Читать со страницы 233. Вся теория автоматического управления на 30-ти страницах .
Применительно к SPICE, есть очень хорошая книга Christophe P.Basso Switch-Mode Power Supply Spice Coorbook.
Вопросы лучше задавать в теме Устойчивость ИБП

_________________
"Древние украли все наши лучшие идеи!"
- Марк Твен.

Валентин, спасибо!
Вот ключевое:

Я, когда читаю эту литературу, все кажется понимаю, да. Но у меня в силу профессии совершенно иной склад мышления: я думаю не непрерывными процессами, а (дискретными) проверками и операциями Поэтому мне проще смотреть на конкретные контроллеры и думать об их алгоритмах чем рассматривать передаточные функции. Издержки профессии


Я дожал этот алгоритм, у меня получилось.

1. Здесь совершенно противопоказан гистерезис: маскирующая функция должна срабатывать точно при переходе через границу. В даташите UCC28881 и нарисовано что гистерезиса нет!
2. Каждый цикл PWM обязан завершаться маскировкой, слипание циклов PWM допускается только при очень малой нагрузке, тексасовцы про это пишут.
3. Правило 2 обеспечивается стандартным рачетом PWM: Vout должна на каждом цикле пересекать Vref кроме участков резкого изменения нагрузки

Я обновил модель, если интересно. buck-02.1
Пульсации тока ~2A. Напряжения - 344mV (3%). В диапазоне Vin от 220 до 400VDC частоты от 200 до 100к. Устойчив к любым броскам. КПД 89-91%

Подкупает простота алгоритма и он идеально подходит под выбранное оборудование - STM32 с его PWM и компараторами.

----------------------------
Теперь у меня следующая засада, прошу помощи
- основной источник потерь - пробой через незакрытый диод M2 при открывании M1. нужно делать ZVS.
- я прочитал c десяток статей про ZVS/ZCS. в основном они про PWM, а у меня - PFM
- нашел близкую статью: Cory_Mark_A_201005_MS.pdf, они делают "active ZVT clamp" - запускают импульс, затыкающий диод перед открытием верхнего ключа
- в модели есть попытка повторить это; лыжи не поехали: импульс работает только при малом токе через M2
- даже если clamp получится в модели, его сложно будет реализовать в STM32, мне больше подойдет пассивная схема

В общем, не знаю чего делать. Литературу читал, пробовал. Опробованные квазирезонансные схемы не работают, т.к. частота сильно меняется. Подскажите куда копать.

Ваш последний пост прочитал уже после того, как написал свой. Перенесите туда его если нужно. Следующий свой напишу туда :)

Скорей всего это ток обратного восстановления внутреннего диода ключа М2. Требуется turn-on снаббер.

Можно попытаться приспособить нерассеивающий демпфер.

_________________
"Древние украли все наши лучшие идеи!"
- Марк Твен.

Спасибо!

У меня полоса неудач: ниасилил пример из этой статьи. Методика расчета к картинке для buck не приведена, я попытался сам посчитать - нет, не смог. Индуктивности выбрал так, чтобы ток нарастал за примерно 10ns - длительность пика при включении транзистора, который мне нужно задавить. Конденсатор - из равенства энергий. В итоге пик при включении транзистора я задавил, но во всей остальной области - резонансный ад.

Модель, snubber-01

Зато я вспомнил, что у меня лежит прекрасная недочитанная юнитродовская статья про снабберы, где я остановился как-раз на главе "Non-dissipative Snubbers"! Дочитал, решил попробовать Resonant Recovery Current Snubber, Fig.11a, p2-13

Модель, snubber-03

Как написано - сделал индуктивность большую, чтобы the resonant frequency is much greater than the switching frequency. Но диоды на всякий случай оставил. Емкость по приведенной формуле. Запустил - не работает!
Т.е. все в полном порядке, но неистребимый пик при включении транзистора на месте. И даже понятно почему: в момент включения транзистора ток через L2 очень ненулевой :(

Что я делаю не так?

Странно, у меня КПД при максимальном токе нагрузки 20А не превышает 80%

Рабочий вариант снаббера
buck-vv.asc
Результирующая эффективность примерно такая же как у исходного варианта, однако импульсные и средние потери на транзисторах значительно меньше. В исходном варианте импульсные потери до 25кВт на верхнем транзисторе и до 13кВт на нижнем (вряд ли они при этом будут жить долго и счастливо). В улучшенном соответственно 1.5кВт и 0.5кВт. Средние потери на максимальном токе в исходном 26.6Вт на верхнем и 19.9Вт на нижнем. В улучшенном 7.15Вт на верхнем и 16Вт на нижнем. Однако, в улучшенном варианте добавляются потери на снаббере, включенном параллельно резонансным индуктивностям. В принципе эти потери можно тоже оптимизировать, однако при попытке это сделать нарушается алгоритм работы преобразователя. Что-то ему не нравится, а у меня не возникает желание разбираться с его настроением.
Кроме этого. ИМХО не совсем разумно получать с помощью понижающего преобразователя слишком низкое напряжение 12В из слишком высокого 300В и более. В этом случае высоковольтные транзисторы, имеющие достаточно высокое сопротивление канала, вынуждены коммутировать огромные токи, что приводит к снижению эффективности преобразователя. Для требуемой кратности снижения напряжения лучше использовать трансформатор. На размеры и стоимость это не повлияет, но эффективность увеличится.

_________________
"Древние украли все наши лучшие идеи!"
- Марк Твен.

Валентин, огромное спасибо!
Куча эмоций :)

Как я понял, это измененный демпфер из второй половины статьи. Не очень понял как вы ушли от средней точки, которая в статье (с помощью демпфера R8+C10)?

Касаемо КПД: да, сейчас там около 80%. Под 90% было при жестких пульсациях: для компонент вредно, но рассеивалось меньше. Только вот эти пики по сути.
Сужу по графику -V(out+)*Ix(U2:VIN)/(V(in+)*I(Vpwr))*100



Это моя боль

Я очень боюсь моточных изделий. Поскольку я слаб в аналоговой части, то мои шансы на успех повышаются если я предельно упрощаю аналоговую часть и все что только можно переношу в софтверную, в контроллер. С программированием я точно справлюсь, а с аналогом - не факт И моточные изделия - самое для меня опасное. Теорию-то я перечитаю, но в них же еще и практика нужна: я начитался статей где обсуждается тюнинг и ремонтинг косячных обмоток. И если простой индуктор на ферритовом колечке я намотать наверняка смогу (потому и частоты мне нужны повыше, чтобы мотать поменьше), то вот трансформатор - опасаюсь. Разве что чтоже на ферритовом колечке с минимальным числом витков (на частоты 200-400к).

Отсюда и дазайн этого бука: как можно меньше обвязки, зато могучий ARM. По индуктору и частотам такой запас, что я могу выдавать до 20А с напряжениями 0-32V: частоты могут подниматься до 400кГц при уменьшении D до 0.5, контроллер и алгоритм при этом не меняются. Заменив одиночные ключи баянами и увеличив индуктор (колечко побольше, провод потолще) я могу и 60 и 100А выдать. В теории :)

Но я прекрасно осознаю что ключи в жестком режиме и это плохо. Поэтому ваше замечание в точку и меня беспокоит.
Кроме того, сейчас добавилось 4 индуктора, стало 5. А у меня жесткие габаритные ограничения.

Поэтому я не прочь сделать forward или flyback. Сделал быстро-тест, написанный мной контроллер отлично работает и с форвардом и сфлайбэком, модели потом выложу. Это радует.
Но у меня изрядные пробелы в теории и рассчитать даже абстрактный транс под нужный мне режим я пока ниасилил. Пойду читать литературу...

Еще раз огромное спасибо!
Модели выложу как трансформатор допинаю. Контроллер к ним подошел вообще без переделок!

В статье подразумевается, что демпфер использован в преобразователе, призванном генерировать переменный ток. Отсюда и средняя точка, т.к. относительно неё можно на нагрузке сформировать как плюс, так и минус. При этом выход преобразователя может болтаться от -Ubus до +Ubus. Т.е. это такой же полумост, как и в исходной модели.

Источники питания, в основном, прекрасно обходятся без ARM-ов. Но, в то же время, ни какой, даже очень навороченный ARM не заменит обычного трансформатора.
Кроме этого, должен быть очень весомый повод для использования цифрового контроллера в импульсном источнике питания. Существует большое количество различных специализированных аналоговых контроллеров, заточенных под данную проблемматику и имеющих более высокую надежность и устойчивость к помехам.

_________________
"Древние украли все наши лучшие идеи!"
- Марк Твен.

Отличных контроллеров - легион, факт. Они прекрасно подходят для автономных неуправляемых устройств. Но вот возникает задача управлять. Есть микроконтроллер, принимающий решения. И импульсник. Можно на выходе поставить еще один PWM. Можно сделать управляемым фидбэк. Но это все как-то... Выход очевиден. У вас тут есть оличная ветка Микроконтроллеры в источниках питания, прочитал, разделяю! Кажется sam_soft там хорошо сказал что ему проще заменить большую часть обвязки программой. И быстрей так и перепрошить можно.

Жаль за давностью лет там протухли почти все ссылки. Кстати, там обсуждались простенькие контроллеры. А сейчас за меньшие деньги доступны радикально более мощные процы.

ST продвигает:
- все их процессоры способны управлять импульсниками, но есть специальная версия STM32F334 для силовой электроники; посмотреть можно:
en.Brochure_Power_Management.pdf
STEVAL-ISA172V2: 2 kW fully digital AC - DC power supply (D-SMPS) evaluation board
STEVAL-ISV002V1, STEVAL-ISV002V2 3 kW grid-connected PV system, based on the STM32F103xx
AN2644 An introduction to LLC resonant half-bridge converter
AN4449 Buck-boost converter using the STM32F334 Discovery kit

- решение ST для электромоторов:
UM1052 STM32F PMSM single/dual FOC SDK v4.3

Я ориентируюсь на эти примеры.

Есть NXP с их линейкой LPC. В них нет такой навороченной периферии как в ST, поэтому на них делают "ногодрыг". Понятны риски, но если на ардуинщиков за ногодрыг можно кривить лицо, то тут ARM на 100мГц. И если писать аккуратно и разводку хорошо делать, то отчего бы и не?
Вот одна из статей: MCU CONTROLLED DC-DC BUCK/BOOST CONVERTER FOR SUPERCAPACITORS

Если я не смогу реализовать что нужно периферией, на край я всегда смогу сделать ногодрыг.

--------------------------------------
Про трансформаторы я теорию перечитал. Для простоты расчетов взял пакет Старичка
- Флайбэк как-то сразу взял и получился.
Каталог, fly-01.1
Модель контроллера та же, что и для book была. Универсальный получился.
Удивительный КПД - 97-99%. Это настораживает!

А вот с форвардом все плохо, прошу помощи
fwd-01.1-rwind - попытка сделать размагничивающую обмотку - хрень полная, если D1 присоединить, то Vds = 11 киловольт!
fwd-01.1 - попытка сделать active clamp; кондер C3 при этом вызывает жуткий дребезг, который я не понимаю как гасить.
fwd-01.1-rres - резонансный сбрасыватель по мотивам статьи Maxim, отлично размагничивает, вот только Vds = 3KV :(
Прошу помощи. Хотя бы с эктив-клампом.
Кстати, КПД там получается больше 100%. За нобелевкой сходить, что-ли...

Не стоит измерять КПД во время переходного процесса. После скачка тока нагрузки необходимо дать время для стабилизации входного напряжения преобразователя (для разрядки С1). В противном случае неучтенная энергия, накопленная до этого момента в С1 сильно исказит величину КПД.

По своим замерам получил КПД=90% для флайбека. И это очень оптимистичный результат, т.к. модель не учитывает отерь в трансформаторе (не указаны оммические сопротивления обмоток).
Кроме этого, при максимальной нагрузке, ток во вторичной обмотке трансформатора не снижается до нуля. И это не есть хорошо, т.к. из-за этого ток в первичной обмотке также стартует не с нулевого значения, что приводит к повышению уровня коммутационных потерь. В обратноходах стараются избегать такого режима. Возможно не верно заданы исходные данные для программы от Старичка.

Не подключен диод D1

Явно завышена ёмкость С3, которая при этом резонирует с L2 на частоте порядка 440Гц.

Имеет смысл полистать статью Мощный однотактный преобразователь постоянного напряжения с мягкой коммутацией силового ключа и посмотреть практическую реализацию от chernooleg.

_________________
"Древние украли все наши лучшие идеи!"
- Марк Твен.

Валентин, спасибо за ссылки!

Я добился предварительного успеха.
Но удовлетворяет пока только алгоритм контроллера. Очень аккуратный универсальный PFC с управляемыми и Ton и Toff.

По схемам (обновил модели):

У флайбэка fly-01.1 я действительно в 10 раз задрал посчитанную Старичком индуктивность. Я боролся со слипанием циклов и делал не то. А был недостаточен выходной кондер.
Сделал fly-01.2 с расчетной индуктивностью. Оба работают приемлимо.

У флайбэка мне не нравятся пульсации Vout. Вариант с задранной индуктивностью в этом лучше, но столько мотать провода...
КПД по-прежнему считается около 95-97% хотя сопротивление обмотки задано. Смотрю я конечно же на стабилизировавшемся участке, но у fly-01.2 там - 97%

Поскольку пульсации меня не устроили, флайбэк я отложил и занялся форвардами. Дожал все три. Лучше всего удалась размагничивающая обмотка.
fwd-01.1-rres - конденсаторный сброс по статье Maxim. Не до конца размагничивает, поэтому каждый цикл начинается с выброса. Пытался гасить снаббером - не преуспел :(

fwd-01.1-aclamp - active clamp. Много прочитал. Прекрасная статья от Microsemi. Судя по кривым, у меня кажется получилось. Но - не ZCS и поэтому выбросы. Огромные при изменении нагрузки. Снаббер ниасилил :(
Еще одна известная болячка эктивклампа - даже без нагрузки бодро гоняет амперы по-кругу.

Скорее всего, обе схемы до ума довести можно. Но с размагничивающей обмоткой проще.
fwd-01.1-rwind-MBRB2545CT - вариант с выпрямителем из двух диодов MBRB2545CTG. Кривые как в литературе, напряжение Vds ограничено кондером C6. Выбросы совсем маленькие. Попробовал дополнительный диод как V3 в статье: в стационарных режимах выбросы совсем ушли, но появились огромные выбросы при изменении нагрузки. Можно приделать снаббер, но я убрал диод - и так нравится. Хотя график Id(M1) немного неопрятен выходные параметры в полном порядке, PFC выруливает отлично. Частоты 200-230кГц, КПД 93-95%, в принципе неплохо.

Ниасилил синхронное выпрямление - fwd-01.1-rwind. Я рисовал синхронный самоуправляемый выпрямитель в форвардах сразу, но в нем выявилось две засады:
1. Vgs сильно за 35V
2. 6 емкостей между двух индуктивностей вызывают резонансный ад, частоты от сотен кГц до 10.3мГц.
Гейты я зарулил от контроллера, с резонансами попытался бороться. Получилось вообще никак, фейл
Поскольку у IPD110N12N3 Rds(on) 0.011, а с MBRB2545CT получается 0.05-0.5, я решил оставить диоды. Два MBRB2545CT стоят как один IPD110N12N3 и не нужно обвязки. Ну потеряю 1-3% КПД.
Хотя обидно что ниасилил синхронное выпрямление

Стоит попробовать "косой мост".

У него все выбросы фиксированы напряжением питания.

_________________
"Древние украли все наши лучшие идеи!"
- Марк Твен.