Botti di Capodanno

[McMax]

Bene bene mi pare che si comincino a vedere degli spunti carini !!!!

Il fatto che io affermi che la causa di rottura sia dovuta ad una sovracorrente è perchè abbiamo dotato di possenti snubber tutti e 4 gli IGBT (snubber sapientemente dissipati da Raban, tra l'altro) e quindi, in teoria, non possono generarsi sovratensioni così alte da sfondare gli switch.
Per il dimensionamento degli snubber mi sono letto pagine e pagine di application notes e trattati ivi compreso un documento che ho trovato molto utile scritto da questo tizio qua : http://www.cde.com/tech/design.pdf
che ha pure pubblicato un libro specifico per il dimensionamento degli snubber...

La trattazione dell'argomento snubber è apparentemente molto complessa ma una cosa penso di averla capita: l'induttanza che genera le sovratensioni NON E' IL PRIMARIO DEL TRASFORMATORE ma bensì l'induttanza parassita della maglia di alimentazione della VBUS. Questo è chiaramamente spiegato in tutte le AN che mi sono letto ed anche abbastanza intuitivo da capire visto che al primario, come dice Bit, ci pensano i diodi e poi, soprattutto, se dovessimo dimensionare uno snubber per il primario che ha un induttanza da più di 3mH verrebbe più grosso lo snubber della saldatrice !
Io non so quale sia la cosiddetta Ls, ovvero la "stray inductance" o induttanza parassita della maglia di alimentazione ma considerando che il nostro layout è abbastanza regolare ho ipotizzato 200/300nH che mi sembra un valore più o meno medio/standard tra i circuiti ed i casi che ho analizzato. Partendo da questo ho dimensionato lo snubber in modo da mantenere le sovratensioni entro i 500V e quindi al di sotto della tensione di breakdown dei nostri IGBT (che avevano Vce di 600V).

Se di sovracorrente si tratta a questo punto l'unica causa che posso ipotizzare è che la massa termica ed il relativo accoppiamento del IGBT con la flangia di dissipazione ed il dissipatore stesso non abbia una conducibilità termica sufficiente a trasferire il calore prodotto al dissipatore e quindi, per questo motivo, la sovracorrente dopo qualche istante sfonda la giunzione per surriscaldamento
L'IGBT sarà anche specificato per lavorare a correnti di 40A ma la sua massa temica non è certo in grado di trasferire abbastanza velocemente il calore prodotto da commutazioni di quell'entità... risultà altresì evidente senza bisogno di dimostrazioni che i pins di un TO247 non possono gestire efficientemente e senza surriscaldarsi esageramente correnti da 40A.
La mia idea di aumentare il numero di IGBT(o MOS) per ramo serve proprio a questo: aumentare la massa termica per dividere la corrente (ed il calore da essa prodotto) su superfici più ampie.

Se facciamo i conti della serva sulle due maglie nella prova che ha fatto raban ieri avevamo:
Corrente di uscita: 120A
Raporto spire: 3,4:1
Corrente di picco sul primario = 120A/3,4 = 35,29A
Siamo a specifica, sicuramente, ma più ci penso più credo che quella corrente non sia in alcun modo gestibile da un package TO247.....
La mia idea è che, dividendo la corrente su più switch la cosa diventi molto più semplice da gestire.....

Si potrebbe anche variare il rapporto spire ma la ragione per cui io ho previsto solo 3,4:1 è perchè le specifiche che ho trovato delle saldatrici TIG vedono una tensione a vuoto di 80/90V ca e non vedo altri modi per avere quella tensione a vuoto partendo da una 310VDC.... ho sbagliato qualcosa secondo voi ?

Che ne pensate ?

[onorino]

aspetta che controllo e poi ti rispondo

[Raban]

intanto ho preso un po' di fca22n60 e fdh44n50... chissa'di farli sciopare presto ...

[La Morte Nera]

35.29*310= 10.9kW! Ad appena 120A sul secondario? Non saranno troppi?

[McMax]

Quello è il picco. Il circuito lavora così; l'inrush di carica c'è sempre, non è un lineare è uno switching ! Il picco sul primario è dato dal picco suil secondario per il rapporto spire. Sul secondario viene poi mantenuta la regolazione di corrente quindi l'induttanza sarà carica e rilascerà energia mantenendo la corrente stabile a scapito della tensione che invece scenderà. Esaurito il picco la corrente sul primario segue l'andamento tipico della carica dell'induttanza sempre considerando il rapporto spire. Con 200A di uscita il picco sarà ancora più alto: 60A ca. !!!

[Bit79]

Snubber:
ripeto, non ne ho molta esperienza. Però tu parli di dimensionamento per avere un picco di 500 V massimi. Con un IGBT da 600 V mi sembra un po' al limite. Hai fatto misure dirette, o ti fidi del dimensionamento? Nel secondo caso sarei molto diffidente...

Corrente primaria:
Il conto torna, ma se il picco è veramente da 35 A credo proprio non sia gestibile da un dispositivo da 40 A. Sulla dissipazione in se invece si potrebbe verificare, dovrebbero essere disponibili le curve SOA che specificano anche il tempo massimo di permanenza nelle varie aree. Ogni commutazione deve ovviamente rientrare in tali curve. Per quello che ho visto, è più facile andare fuori con la tensione o con la corrente che con la potenza istantanea, specialmente in caso di commutazioni abbastanza veloci. Ripeto, è da verificare, ma se con la potenza media ci siamo, mi sentirei di dirti che sei a posto anche con quella massima, specialmente con frequenze così elevate. Ovvio che suddividendo il carico con più dispositivi in parallelo, per limitare la corrente, si migliora anche dal punto di vista della potenza.

Rapporto spire:
hai realizzato un rapporto di 1:3,4. Con 310 V primari ottieni giustamente circa 90 V secondari a vuoto.. 80 possono starci.
Con 200 A secondari il picco primario sarebbe di 60 A, e qui evidentemente siamo fuori, se gli IGBT sono da 40 A. Bisognerebbe come minimo raddoppiarli, se non triplicarli.
In effetti verrebbe da pensare che questi valori siano un po' eccessivi, è vero che la regolazione poi interverrà a seconda delle necessità dell'arco, ma resta comunque una corrente primaria un po' altina. Ipotizzando un assorbimento massimo di 3KW (utenza domestica) con una corrente secondaria di 200 A (ma è fattibile con 3KW??) si avrebbe una tensione di arco di 15 V. Volendo avere margine si potrebbe considerare una tensione a vuoto di 30-40 V, che sarebbe la metà di quelal di progetto. Ha senso utilizzare una tensione a vuoto così alta, per poi costringere la primary a lavorare con duty cicle minimo e picchi elevatissimi?

Secondo me il circuito è ottimo (a 90 A funzionava bene), ma è troppo sottodimensionato per arrivare a 200 A in queste condizioni. Se serve quella tensione di uscita (anche se non sarà possibile ottenerla al massimo carico) è necessario irrobustire decisamente la primary, altrimenti sacrifichi la tensione di uscita per limitare la corrente primaria. La seconda opzione, se non compromettente per la saldatura, è sicuramente la più semplice...

[Bit79]

Per conferma:

Raban, a che duty cicle eri quando hai fatto la prova a 90 A? E a 120?

[McMax]

Bit per lo snubber i calcoli sono stati fatti considerando il miglior parametro di rise e fall time degli IGBT (rispettivamente 50 e 80ns) ma quellla condizione è più utpoica che altro..... quelli sono i tempi del datasheet che no tengono conto delle perdite nella maglia di carica dei gate. Oltre a ciò, con gli strumenti a nostra disposizione, non c'è modo di misurare il parametro base da cui dobbiamo partire a fare iol calcolo degli snubber: la STRAY INDUCTANCE della maglia di alimentazione. Io ho considerato una casistica a 250nH che è un parametro più o meno in linea con le medie che ho trovato su circuiti di questo tipo ma la realtà è che questo parametro dipende molto dal layout e da come sono connesse le piste a partire dai diodi del rettificatore passando per la riga di 4000uF di condensatori ed arrivando fino all'inglesso della primary e pure oltre....
A causa di questa impossibilità di misurare con precisione questi parametri il dimensionamento degli snubber è per forza di cose fatto in modo empirico... di certo 100nF di snubber sono una bella bestia e mediamente di valore alto rispetto a ciò che normalmente si trova su inverter di questo tipo. Pensa che ho trovato parecchi schemi di inverter con full bridge, di potenza simile al nostro, che lo snubber non lo montano nemmeno !!!!

Il vero parametro che non riesco a capire è la tensione a vuoto. Perchè mai sulle TIG dev'essere così alta ??? Potrei semplicemente modificare il numero di spire sul secondario per avere metà della tensione che ho ora (40V ca.) e questo sarebbe come dici tu la cosa più veloce ed intuitiva.... ma poi cosa succede con l'arco ?
Per quale ragione secondo te sulle TIG viene dichiarata una tensione a vuoto di 80/90V se poi la tensione di saldatura deve scendere intorno ai 20V ? Se la maglia di uscita è ben dimensionata (e la nostra lo dovrebbe essere) la tensione di arco potrebbe anche non scendere così tanto e quindi causare per forza di cose una corrente troppo alta al primario visto che sul seocndario abbiamo solo un limitatore di tensione ma il vero parametro controllato è la corrente.
E se con 80V a vuoto il mio secondario riuscisse a tenere, che so, 50/60V di arco ?? Col carico resistivo queto ovviamente non può avvenire perchè la tensione sul carico è imposta dalla corrente stessa ma con l'arco il discorso cambia... io potrei avere un arco molto più lungo ma con una corrente al primario enorme..... Da qui la mia idea di fare un piccoo sensore di corrente sul pruimario per tagliare il PWM oltre una certa soglia.... ma ancora, se potessi abbassare quella maledetta tensione sul secondario sarei molto più contento !!!!

[Raban]

cosiderando che ogni mezzo ponte puo' arrivare al massimo al 50 % ero con 120 a al 25 % circa e con 90 a al 20 % circa , avevo comunque fissato un limite software a 125/248 massimo di valore dei registri pdc

[La Morte Nera]

Il vero parametro che non riesco a capire è la tensione a vuoto. Perchè mai sulle TIG dev'essere così alta ???

Credo che si usino queste tensioni a vuoto per poter garantire archi stabili anche se lunghi. La differenza tra saldatrici da 4 soldi e quelle più serie per esempio è la capacità di tenere acceso l'arco in situazioni difficili, per dirne una.

[Bit79]

Oltre a ciò, con gli strumenti a nostra disposizione, non c'è modo di misurare

Ma io infatti non ti dicevo di misurare l'induttanza parassita, ma il picco di tensione residuo durante il funzionamento, con e senza gli snubber. Si... anche io ho visto circuiti di questo tipo senza snubber...

Il vero parametro che non riesco a capire è la tensione a vuoto. Perchè mai sulle TIG dev'essere così alta ??? Potrei semplicemente modificare il numero di spire sul secondario per avere metà della tensione che ho ora (40V ca.) e questo sarebbe come dici tu la cosa più veloce ed intuitiva.... ma poi cosa succede con l'arco ?

Qui bisognerebbe andare a fare delle ricerche o quantomeno delle prove con delle saldatrici professionali, tenendo misurata la tensione di lavoro. Ragionando in termini di potenza la cosa semprerebbe esagerata, 80 V per 200 A sono 16KW, una cosa esagerata. E' vero che non si raggiungeranno mai entrambi i valori contemporaneamente, ma allora quando servono? A occhio, una tensione alta serve quando anche la corrente è alta... o no? Per la stabilità dell'arco in condizioni difficili si può anche mantenere sempre accesa l'HF, è una cosa che si fa... Come avevi detto anche tu la strada potrebbe essere questa, ma le cose non vanno fatte a caso, io farei delle prove con saldatrici commerciali in vari casi. Se vuoi te le posso fare anche io... un buon TIG, anche se solo in DC, lo trovo.

Col carico resistivo queto ovviamente non può avvenire perchè la tensione sul carico è imposta dalla corrente stessa ma con l'arco il discorso cambia...

Ovvio... la resistenza di arco può cambiare (semplicemente allontanando l'elettrodo) e di conseguenza anche la tensione a vuoto e la potenza. Almeno fino a quando di lavora a corrente costante. Infatti allontanando l'elettrodo, contrariamente quanto l'istinto suggerirebbe, la potenza aumenta... e si buca! Il limite è ovviamente la massima tensione di uscita, cioè il massimo DC.

io potrei avere un arco molto più lungo ma con una corrente al primario enorme..... Da qui la mia idea di fare un piccoo sensore di corrente sul pruimario per tagliare il PWM oltre una certa soglia....

Ripeto Max, qui stai sbagliando. E' perfettamente vero, che con una corrente di arco impostata, se aumenta la tensione di arco aumenta la corrente efficace al primario, ma è vero anche che tale aumento è conseguenza solo dell'aumento del duty cicle, mentre la corrente di picco (che è quella che distrugge la primary) resta costante.
Faccio un esempio:
-100 A secondari, tensione di arco 20 V
Con i dati di progetto, si avrebbe un DC di lavoro di 22% (11+11) e una corrente primaria di picco di 29.5 A
-100 A secondati, tensione di arco 35 V
DC di lavoro 38% (19+19) e una corrente primaria di picco di 29.5A

Quindi, al di là di un po' di dissipazione in più per il maggior tempo di conduzione, al primario non cambia nulla. E la dissipazione in conduzione è solitamente molto bassa, minore delle perdite di commutazione.
Se proprio vuoi evitare di andare a lavorare con tensioni alte e correnti alte contemporaneamente, ti basta limitare il DC in funzione della corrente di uscita, ad esempio mantenendo il prodotto I x DC (quindi il valore della corrente media sul primario) costante.

ma ancora, se potessi abbassare quella maledetta tensione sul secondario sarei molto più contento !!!!

Qui mi trovi d'accordo... facciamo alcune misure e vediamo...

Analizziamo anche per riprova i casi testati da raban:
-DC del 20% (10+10): dovrebbe generare una tensione di uscita di 18.2 V. Con 90 A significa che il carico era di 0.2 ohm... un po' altino?
-DC del 25% (12.5+12.5): dovrebbe generare una tensione di uscita di 22.8 V. Con 120 A significa che il carico era di 0.19 ohm... più o meno torna.

Ora i calcoli sono teorici, probabilmente la tensione di uscita era minore per le perdite... la hai mica tenuta misurata raban?
Il DC che ho considerato è giusto (dividendolo per i due mezzi ponte) o doppio? I valori che hai detto sono di un singolo pwm o la somma dei due? Se fossero di un singolo pwm, o abbiamo cannato il carico resistivo, o qualcosa non torna, e di molto...

[Raban]

di un singolo pwm , l'altro ovviamente e' uguale ma sfasato di 180 gradi

[Bit79]

Cavolo... allora i conti non tornano....
Con un pwm del 20% e altrettanti sul mezzo ponte opposto si dovrebbe avere una tensione di uscita di 36.5V... se avevi 90A sul carico, e questo è da 0.1 ohm, dovevano essere solo 9V... ok un po' di perdite... ma qui abbiamo un rendimento del 25%...

La tensione sul carico non l'hai misurata vero?

[McMax]

Azz avevo scritto un poema e mi si è cancellato !!! Che palle !!!!!!!!

Riassumo va.
Bit, la tensione a vuoto sembra esagerata anche a me. Ipotizzo che in realtà sia così alta perchè magari, nelle saldatrici commerciali, debbano sopperire in questo modo ad una scarsa sezione dei conduttori nella maglia secondaria che altrimenti si "mangerebbero" tutta la tensione non lasciandone a sufficienza per l'arco.... lo ritieni possibile ?
Partendo da un sistema ideale dove i conduttori non inseriscono resistenza alcuna, per quale motivo prevedere 80V a vuoto per averne soli 20 sull'arco ?
Nel nostro circuito la maglia del secondario è pensata per gestire tutti e 200A gli ampere senza introdurre cdt significative.... la DCR della stessa induttanza (che è di 0,244mohm !!!) è tale da limitare il powerloss in DC di quest'ultima ad un valore inferiore ai 10W con 200A di corrente !!! Nella nostra secondary non ci sono colli di bottiglia per la corrente ed il lavoro sporco lo fa solo ed esclusivamente l'induttanza che, ti ricordo, lavora a 80Khz visto che l'uscita del trafo viene raddrizzata con un rettificatore a ponte fatto con diodi ultrafast.
Altra mia ipotesi è che le specifiche di targa delle saldatrici commerciali indichino un valore esagerato per coprire casistiche in cui l'arco si apra rapidamente generando sovratensioni induttive pericolose... e quindi venga indicato un valore così elevato (comunque oltre il SELV) per mettere in guarda l'utilizzatore dal metterci le mani e per coprire eventuali normative; la EN60950 considera infatti tensuione pericolosa tutto quello che supera i 60V (che è nota come soglia SELV - Safety Extra Low Voltage); magari mettendo 80V gli si facilità la vita con gli isolamenti primario/secondario o robe simili.... non sto, sto sparando ipotesi....

Se così fosse, per come è pensato il mio circuito, posso tranquillamente dimezzare il numero di spire sul secondario e scendere a 45V di tensione tanto sono sicuro che gran parte del lavoro lo dovrà comunque fare l'induttanza !! Solo che li il picco al primario mi diventerebbe la metà..... e scusate se è poco !!!

Ripeto Max, qui stai sbagliando. E' perfettamente vero, che con una corrente di arco impostata, se aumenta la tensione di arco aumenta la corrente efficace al primario, ma è vero anche che tale aumento è conseguenza solo dell'aumento del duty cicle, mentre la corrente di picco (che è quella che distrugge la primary) resta costante.
Faccio un esempio:
-100 A secondari, tensione di arco 20 V
Con i dati di progetto, si avrebbe un DC di lavoro di 22% (11+11) e una corrente primaria di picco di 29.5 A
-100 A secondati, tensione di arco 35 V
DC di lavoro 38% (19+19) e una corrente primaria di picco di 29.5A

Quindi, al di là di un po' di dissipazione in più per il maggior tempo di conduzione, al primario non cambia nulla.

L'idea di mettere un sensore di corrente sul primario era solo per inserire una sicurezza in più. Se il DC mi aumenta perchè l'energia richiesta è maggiore mi aumenterà anche il richio di superare le specifiche di risposta termica degli IGBT; e da qui la mia idea di dividere il lavoro tra 2 o 3 switch per ramo piuttosto che su uno solo come avviene ora.... E' vero che le perdite in conduzione sono minori che in commutazione ma è altrettanto vero che la capacità di trasferire calore in un certo tempo è più efficacie quando l'IGBT è in interdizione per un tempo maggiore....
Il sensore di corrente è fatto in modo da triggerare solo se il picco supera una lunghezza impostata con un semplice passabasso ad RC ed in questo modo mi manderebbe in fault i PWM solo all'occorrenza; tra l'altro la gestione del fault col micro è cycle by cycle quindi non si fermerebbe nulla.... solo verrebbe limitato il DC dal ciclo successivo e quindi il sensore farebbe solo da limitatore del DC, com'è giusto che sia.

Se tu riuscissi a fare qualche misura sulla tua TIG, sia a vuoto che in saldatura sarebbe di certo una gran cosa !!!

Grazie!

[Bit79]

Partendo da un sistema ideale dove i conduttori non inseriscono resistenza alcuna, per quale motivo prevedere 80V a vuoto per averne soli 20 sull'arco ?

Per nessun motivo... credo. Quello che serve per saldare alla fine è una ben specifica potenza, ovviamente associata alla qualità dell'arco elettrico. Entro certi limiti (e sicuramente con effetti secondari) si dovrebbe poter saldare con un arco molto corto e correnti molto alte (quindi tensioni basse) o con un arco più lungo e correnti minori. E' semplicemente da vedere che range di valori servono per le normali saldature. Ti faccio delle prove da un amico meccanico che ha un buon TIG da 200 A.

L'idea di mettere un sensore di corrente sul primario era solo per inserire una sicurezza in più. Se il DC mi aumenta perchè l'energia richiesta è maggiore mi aumenterà anche il richio di superare le specifiche di risposta termica degli IGBT; e da qui la mia idea di dividere il lavoro tra 2 o 3 switch per ramo piuttosto che su uno solo come avviene ora.... E' vero che le perdite in conduzione sono minori che in commutazione ma è altrettanto vero che la capacità di trasferire calore in un certo tempo è più efficacie quando l'IGBT è in interdizione per un tempo maggiore....

Boh, la vedo una complicazione in più... te l'ho detto, casomai limita il DC sopra certe correnti... è lo stesso effetto e lo fai via firmware. Comunque io sarei per progettare un circuito che possa erogare la massima corrente alla massima tensione (potenza in ingresso disponendo). Puoi sottodimensionare l'alimentazione e il filtraggio, non la primary. Con i picchi calcolati con il rapporto spire attuale sei sottodimensionato, dovresti almeno triplicare.

Quanto dissipano gli IGBT in fase di on?