2000W 4000W SMPS 90V + PFC IR2110, SG3525A, NCP1653A

2kVA, 4kVA PFC destekli Amplifikatör SMPS devreleri. SMPS PWM Katı SG3525 Yüksek voltaj PFC katı ise NCP1653A ile kontrol ediliyor. Simetrik +- 90 volt çıkışlı. Yüksek güçlü amfi projelerinde klasik lineer beslemeler yerine anahtarlamalı güç kaynaklarının tercih edilmesinin temel nedeni; daha düşük ağırlık, daha yüksek verim ve kompakt yapı sağlamalarıdır.

2000W SMPS 90V 15A Half Bridge PFC Devresi (IR2110, SG3525A, NCP1653A)

Half Bridge (HB) topolojili, girişte aktif PFC katı bulunan ve yaklaşık 2kVA bir SMPS tasarımı.

2000W SMPS Devre Şeması;

Devrenin Genel Yapısı

Bu SMPS tasarımı temelde dört ana bölümden oluşur:

• Giriş doğrultma ve EMI filtre bölümü
• NCP1653A PFC boost katı
• SG3525A + IR2110 tabanlı Half Bridge PWM güç bölümü
• UC3845 ile oluşturulan yardımcı besleme bölümü

Bu yapı sayesinde sadece yüksek güç üretmek değil, aynı zamanda giriş akımını daha kontrollü çekmek ve ana güç katını daha kararlı şekilde sürmek gerekir.

PFC Katı ve NCP1653A Entegresi

Projede PFC katında NCP1653A kullanılmış. Bu entegre, aktif güç faktörü düzeltme (PFC) amaçlı boost dönüştürücü kontrolü için tasarlanmış. Giriş akımının daha düzgün şekillenmesine yardımcı olur ve yüksek güçlü SMPS tasarımlarında büyük önem taşır.

PFC bobini için paylaşılan bilgiye göre toroid ferrit nüve üzerinde 1 tur / 1.5 mm bakır tel kullanılmıştır. Verilen nüve ölçüleri şu şekildedir:

• Dış çap: 47 mm
• İç çap: 24 mm
• Kalınlık: 18 mm

SG3525A ve IR2110 ile Half Bridge Sürme Yapısı

Ana PWM üretimi SG3525A ile sağlanmıştır. SG3525A frekans ayarı, duty kontrolü, soft-start ve koruma işlevleri nedeniyle klasik SMPS tasarımlarında hâlâ sık kullanılan kontrol entegrelerinden.

Üst ve alt kol MOSFET sürme işlemi ise IR2110 ile gerçekleştirilmiştir. Bu entegre, Half Bridge yapıda high-side ve low-side N-kanal MOSFET sürmek için uygun bir kapı sürücüsüdür. Böylece SG3525A’dan gelen PWM sinyali doğrudan güç MOSFET’lerine verilmek yerine, daha güçlü ve daha güvenli şekilde sürülmüş olur.

Devrede ölçülen gate sinyali yaklaşık 82 kHz frekans ve %38.1 duty cycle seviyesinde görünüyor.

Yardımcı Besleme ve UC3845 Bölümü

SMPS tasarımında yardımcı PWM beslemesi için ayrı bir küçük güç kaynağı kullanılmıştır. Bu bölümde UC3845 tercih edilmiş. Yardımcı besleme katı, ana kontrol bölümünün doğrudan yüksek gerilim hattına bağımlı kalmadan daha düzenli bir besleme ile çalışmasına yardımcı oluyor fakat UC3845 ile kullanılan trafonun sarım bilgisi yok hazır SANKEN B2 transformatör kullanılmış.

EMI Filtre, Soft Start ve Koruma Ayrıntıları

Giriş filtresi tarafında yaklaşık 3.5 mH EMI filtre kullanımı önerilmiş. 230V Ani akım sınırlama (soft start) tarafında ise NTC yerine 47-100 ohm / 5W aralığında direnç kullanılıyor.

Yüksek güçlü SMPS tasarımlarında bu bölüm ihmal edilmemelidir. Özellikle ilk enerji verme anındaki akım darbesi, EMI davranışı ve güç elemanlarının korunması açısından bu parçalar kritik rol oynar.

Trafo Nüvesi ve Primer Sarım Bilgileri

Ana güç trafosu için EE55/28/21 ferrit nüve kullanıldığı belirtilmiştir. Paylaşılan primer tur sayıları, çalışma frekansına göre şu şekildedir:

• 30-40 kHz = 18 tur
• 40-50 kHz = 16 tur
• 50-60 kHz = 15 tur
• 60-80 kHz = 14 tur
• 80-100 kHz = 12 tur
• 100-130 kHz = 10 tur

Verilen örneğe göre Np = 14 tur ve Ns = 6 + 6 tur ile simetrik 90V çıkış hedeflenmiştir.

Sarım Teli Kalınlığı Konusu

Önemli not: Orijinal paylaşımda ana EE55 güç trafosunun sarım tel çapı veya tel adedi açık şekilde belirtilmemiş. Bu nedenle ana trafo için kesin bir tel kalınlığı verilmesi doğru olmaz.

Orijinal paylaşımda ana EE55 güç trafosunun tel çapı belirtilmediği için kesin değer vermek doğru olmaz. Ancak yaklaşık 80-100 kHz çalışma aralığında, tek parça kalın tel yerine çoklu paralel ince tel kullanmak daha uygun olur.

Bu tasarım için başlangıç noktası olarak primerde 14 tur için toplam yaklaşık 2 mm² bakır kesiti, yani örneğin 8 adet 0.50 mm paralel tel; sekonderde ise her 6 turluk kol için yaklaşık 2.5-3 mm² toplam bakır kesiti, yani örneğin 12 adet 0.50 mm paralel tel düşünülebilir.

Bu değerler kesin kural değil, güvenli bir başlangıç önerisidir. İlk prototipte trafo sıcaklığı, MOSFET ısınması ve yük altında gerilim düşümü mutlaka kontrol edilmelidir.

Bir kritik not daha var: Eğer trafo gereğinden fazla ısınıyorsa çözüm daha kalın tek tel değil. TI, 100 kHz civarında gerçek litz için çok daha ince tekil strand öneriyor; yani 0.45–0.50 mm paralel teller teorik olarak ideal değil, pratik.

Elle sarım ve malzeme bulunabilirliği açısından yapılır, ama trafo ısınıyorsa çözüm “daha kalın tek tel” değil, daha fazla sayıda daha ince paralel tel ya da folyoya dönmektir.

Pratikte şu yol izlenebilir:

• Önce primer ve sekonder RMS akımları yaklaşık hesaplanır
• Bobin penceresine sığacak toplam bakır kesiti belirlenir
• Frekans yükseldikçe tek kalın tel yerine çok damarlı yapı tercih edilir
• İlk prototipte sıcaklık ve boşta akım mutlaka ölçülür

Yani burada tel kalınlığı ezbere değil, hesap + deneme + sıcaklık kontrolü ile netleştirilmelidir.

Trimpot Ayarları

Projede dört farklı ayar noktası olduğu belirtilmiştir:

• PWM frekans ayarı: 30-130 kHz
• Duty cycle ayarı: yaklaşık %30-%40 aralığı
• Aşırı akım hassasiyet ayarı
• Yardımcı DC çıkış ayarı

Bu ayarların osiloskop ve kontrollü yük testi ile yapılması gerekir. Özellikle duty cycle ve frekans ayarı, MOSFET ısınması ile trafo davranışını doğrudan etkiler.

SMPS ve PFC Koruma Sistemi

1) PFC katının kendi akım kontrolü / koruması var

Alt sol tarafta NCP1653A + Q1 + L2 + D4 ile kurulu boost PFC bölümü var. Burada zaten PFC kontrol entegresi üzerinden bir akım izleme / limit mantığı olduğu açık. Yani PFC tarafında ayrı bir koruma var.

2) Ana SMPS için ayrı fault / shutdown devresi

U8 / U9 pinleri bunların arasında duran 22R/2W burden direnç ardından gelen D21, D24 ve diğer 1N4148 diyotlarla köprü doğrultma R43 / PR1 / C22 / C53 ile eşik ve filtreleme LM393 ile karşılaştırma NE555 ile zamanlama / latch / delay benzeri kontrol çıkışta SD hattı

Bu zincir Akım trafosundan gelen AC sinyal doğrultuluyor → filtreleniyor → eşik ile karşılaştırılıyor → fault oluşursa 555 üzerinden shutdown süreci tetikleniyor.

Neyse uzar gider yazar bu yapıyı 2kw versiyonunda kullanmamış yani şemada bu kısmı dikkate almayın. 4kW smps şemasında ki şönt dirençli transistörlü yapıyı kullanmış. Ortalık biraz karışmış. Uygulama yapılmasada feyz alınabilecek tasarımlar…

4000W SMPS Full Bridge PFC Devresi ve Şeması (IR2110, SG3525A, NCP1653A)

4kW SMPS tasarımında aşırı akım koruması, MOSFET dönüş hattındaki şönt direnç üzerinden alınan akım bilgisinin transistörlü bir shutdown devresi ile işlenmesi prensibiyle sağlanmış. Şemada R41 (0.05 ohm / 10W) şönt direnç olarak görev yaparken, bu direnç üzerindeki gerilim Q14 ve Q15 transistörleri ile kontrol ediliyor.

Akım eşik değeri aşıldığında devre SD (shutdown) hattını tetikleyerek SG3525A kontrol katını durdurur ve böylece güç bölümünü korumaya alır.

4kW versiyonda ana aşırı akım koruması, şönt direnç + transistörlü shutdown yapısı ile kurulmuş. Burada güç MOSFET’lerinin dönüş hattında yer alan R41 (0.05Ω / 10W) şönt direnç, akımı algılıyor. Bu direnç üzerinde oluşan gerilim, R47, R51, R48, C40 çevresindeki filtre/sinyal şekillendirme ağına gidiyor ve ardından Q14 (2N5551) ile Q15 (2N5401) transistörleri tarafından işleniyor.

Akım eşik değeri aşıldığında bu devre SD (shutdown) hattını tetikleyerek SG3525A sürücüsünü kapatıyor. Yani koruma, LM393 + 555 ile değil; doğrudan şönt dirençten alınan bilgiye dayanan diskret transistörlü koruma mantığıyla çalışıyor.

4kW SMPS Devre Şeması

DİKKAT 90V SMPS Devresi yüksek voltaj ile çalışmaktadır dikkatli olun kondansatör bağlantılarına dikkat edin + – kutupları ters bağlarsanız yüksek voltajda büyük patlamalar olabilir devreyi çalıştırmadan önce Sigortalı Elektrik Hattı,koruyucu gözlük kullanın

Kaynak: elcircuit.com (kapalı)