neděle 19. března 2017

Regulátor dobíjení pro motocykly s permanentními magnety, part 1/3 - analýza problému

Velmi často se u motorek stává, že shoří regulátor dobíjení nebo vinutí alternátoru. Pro objasnění příčiny je třeba se nejdříve seznámit s principem elektrické sítě motocyklu.
U moderních motorek je nejčastější zdroj energie 3 fázový alternátor s permanentními magnety. Konstrukčně se jedná o stacionární vinutí (stator) kolem kterého obíhá kolo s nalepenými magnety (rotor). Jelikož při běhu motoru je magnetické pole nestacionární (magnety rotují), dochází k elektromagnetické indukci, tzn. že se na vinutí indukuje napětí, resp. proud. A čím větší je změna magnetického pole (motor se točí rychleji), tím je i větší naindukované napětí.
Shořená část vinutí alternátoru u DL650

Bohužel toto napětí je zaprvé střídavé a zadruhé je zcela závislé na otáčkách motoru. Je tedy potřeba jej usměrnit a stabilizovat - toto dělá zařízení, kterému se běžně říká regulátor dobíjení. Většina regulátorů funguje tak, že obsahují 3 fázový diodový usměrňovač a poté 3 tyristory pro regulaci napětí (SCR shunt type). Regulace funguje tak, že když je napětí příliš vysoké (většinou dosáhne hranice 14,4 V), tak řídící logika regulátoru pomocí těchto tyristorů zkratuje všechny 3 vinutí alternátoru a krátkodobě tak přeruší dodávanou energii z alternátoru do elektrické sítě motorky. Takový regulátor se nazývá zkratový, neboli shunt type. Má to jednu velkou nevýhodu - protože během zkratu dochází k toku poměrně velkého proudu v celém obvodu, tak všechny části na dané trase neuvěřitelně disipují teplo (prostě hřejí a to moc). Nejvíce topí regulátor samotný a pak alternátor, což při nedostatečném chlazení má za následek překročení kritické teploty komponenty (buď křemíkového polovodiče nebo izolace vinutí) a ta se prostě spálí, shoří a přestane fungovat. U alternátoru se vinutí může přerušit, zkratovat o kostru nebo jenom tak mezi vlastními závity. Regulátor se zase natrvalo zkratuje a zanedlouho s sebou vezme i alternátor (protože mu bude neustále držet vinutí ve zkratu).
Dvě verze shunt type regulátorů
Další problém tyristorového regulátoru je ten, že tyristor ve chvíli kdy je sepnut do zkratu, tak jej nelze jen tak rozepnout - musí se počkat dokud jím nepřestane protékat proud, což se děje každou půlperiodu (výstup alternátoru je střídavé napětí - sinusovka). Je to vlastnost této součástky, resp. její polovodičové struktury, která ve chvíli kdy se ionizuje tak "není cesty zpět". Vyrábějí se sice i rozepínatelné tyristory (GTO), ale ty potřebují minimálně 1/3 vedeného proudu do vypínací elektrody s opačnou polaritou.
Tyristorová regulace je tedy poměrně hodně hovězí (jakoby ji vymyslel absolvent ekonomického nebo strojního zaměření) a neumožňuje precizní regulaci. Navíc provedení regulátoru uvnitř je také velmi politování hodné - polovodičový modul nalepen nějakým teplovodivým lepidlem na kusu hliníkového odlitku jehož povrch nebyl ani opracován pro lepší odvod tepla. Odvod tepla je tedy nedokonalý a polovodiče shoří - na fotce si lze všimnout teplem zbarvených míst na mědi.
Výkonový modul tyristorového regulátoru
Poslední dobou se na trhu objevily tzv. mosfetové regulátory (výrobce je japonská firma Shindengen), které fungují sice úplně stejně jako tyristorové (jsou prostě zkratové), ale mají dvě velké výhody - regulace je preciznější (mosfetový tranzistor lze rozepnout v jakékoliv době) a tento regulační tranzistor zároveň slouží jako řízená dioda pro 3 fázový usměrňovač. Regulátor má v sobě logiku, která monitoruje velikost napětí na každé fázi a dle toho otevře příslušný tranzistor do vodivého stavu. Proč je to tak skvělé? Protože úbytek na obyčejné usměrňovací diodě je asi 0,7 V, při větších proudech se samozřejmě zvětšuje a tím i disipovaný tepelný výkon na rozdíl od otevřeného tranzistoru, který má pouze odpor v sepnutém stavu (v datashitu pod označením jako RDSon - odpor mezi drainem a sourcem) a tento odpor bývá velmi malý - řádově desítky miliohmů. Prakticky je to skvělý spínač s minimálními ztrátami.
A při regulaci je stejná situace - krátkodobý zkrat, malé disipované teplo. Regulátor by se dal ještě vylepšit na variantu s kompletním řízeným usměrňovačem, tj. 6 řízených mosfetů a jeho tepelná ztráta by byla minimální a účinnost největší.

A jak to všechno bude vypadat reálně? Pro porovnání jsem se rozhodl vytvořit pár modelů (elektrických i tepelných) a nasimulovat dané situace. Problém byl sice obstarat model tyristoru, protože se už moc o této struktuře neví - součástka která se dlouhou dobu nevyvíjí a pouze se velikostně zvětšují již vyvinuté struktury před 40 lety. Je sice hezké, že je někde v literatuře uvedena VA charakteristika tyristoru a jeho PNPN struktura, ale to je tak všechno. Nicméně, pro tuhle situaci je pouze klíčový parametr napěťový úbytek při určitém proudu, což se mi podařilo do simulátoru dostat. Simulace jsou pro otáčky motoru 5000 RPM, tedy kdy alternátor dodává největší výkon do regulátoru a zároveň to jsou střední otáčky provozu motoru při jízdě.
Schéma tyristorového regulátoru
Celkově jsem odsimuloval 4 varianty regulátorů (mosfet full active, mosfet half active, SCR+normal D, SCR+Schottky D) při 3 proudových zatížení - 1, 21 a 35 A. Namodeloval jsem i vinutí alternátoru, ale jeho tepelný ztrátový výkon bude nepřesný, protože odpory vinutí jsem si vycucal z prstu. Jakmile budu mít nejbližší příležitost, tak odpory vinutí změřím a provedu korekci modelu. Nicméně provedené simulace to nikterak nedegraduje v měřítku zájmu - analýza regulátoru.
V následující tabulce jsou teplotní ztráty na regulátorech při daných proudech (menší hodnota je lepší).

Výkonová ztráta na regulátoru
Zátěž [A] FULL ACTIVE [W] HALF ACTIVE [W] SCR normal [W] SCR schottky [W]
1 9,174 9,807 220,3 162,0
21 8,985 31,600 164,5 100,5
35 5,238 29,180 44,3 60,5

Z tabulky vyplývá, že tyristorové regulátory jsou hezké topení a nezachrání to ani "custom" verze se schottky diodami (mají menší úbytek). Pro simulaci byl použit model diody MBRB4060 (dvojitá schottky v TO-247 pouzdru). Plně aktivní mosfetový usměrňovač (full active) je naopak téměř bez ztráty v porovnání s "klasikou". Začíná to být docela zajímavé, co?
Další srovnání bude celkový odebíraný výkon z alternátoru a pak jeho tepelná ztráta - zde to bude trochu nepřesné, protože jsem nadefinoval odpor každého vinutí jako 0,5 ohmu - ve skutečnosti bude však menší (odhaduju kolem 0,26 ohmu). Nutno zmínit informaci, že v simulaci nebyl nikterak omezen výkon alternátoru - u Suzuki DL650 je to maximálně 375 W, od roku výroby 2008 pak 400 W.

Celkový výkon alternátoru (výstup+ztráty)
Zátěž [A] FULL ACTIVE [W] HALF ACTIVE [W] SCR normal [W] SCR schottky [W]
1 43 45 265 208
21 359 373 499 435
35 533 550 615 563

Prozatím výsledky nejvíce nahrávají plně aktivnímu mosfetovému regulátoru - bude to i nadále?

Ztrátový tepelný výkon alternátoru
Zátěž [A] FULL ACTIVE [W] HALF ACTIVE [W] SCR normal [W] SCR schottky [W]
1 29 21 251 194
21 65 79 205 141
35 43 60 125 73

Z tabulky ztrátového výkonu alternátoru lze prezentovat fakt, že při použití mosfetového regulátoru je největší využití energie z alternátoru do sítě - protože se ho co nejméně propálí v teplo. Je vcelku jedno, jestli je to full nebo half (vzhledem ke ztrátám na alternátoru).

Inu tedy dobrá - již víme, že mosfetový regulátor je ta správná cesta, teď už jenom se rozhodnout, zdali full či half. Rozhodnutí záleží prakticky pouze na možnostech chlazení regulátoru. Jelikož regulátory nejsou moc dobře chlazeny (třeba u SV650 je regulátor v kapotáži u zadního sedadla), jinde je zase umístěn v blízkosti tepelného sálání motoru apod. Poslední dobou však výrobci umisťují regulátory poměrně chytře ve směru jízdy a tím se snaží o náporové chlazení. Ono totiž už nepatrný pohyb vzduchu výrazně zvýší součinitel konvekce (tj. jak rychle daný povrch předává teplo).
Nicméně, ve svých simulacích jsem vymodeloval standardní tvar chladiče regulátoru a také jednotlivé polovodičové zdroje tepla. Dále nadefinoval teplotní přechody od křemíkového čipu až po samotný chladič a nakonec teplotu okolí (vzduchu) zvolil jako worst case 40 °C. Tohle vše sice nebylo třeba teplotně simulovat, protože to vychází z Newtonova ochlazovacího zákona a jde to spočítat i ručně, ale to by pak nebyla výstupem tak krásná vizualizace...

Tyristorový regulátor, 21 A, max teplota čipu 275 °C
Crazy co? Tyristorovej regulátor při proudovém odběru 21 A a pasivním chlazení prostě shoří! (maximální provozní teplota křemíku je ~175 °C).
Ve srovnání full active mosfet regulátor je zcela studený.
Full active mosfet, 35 A, max teplota čipu 47 °C

Maximální teplota čipů v polovodičích
Zátěž [A] FULL ACTIVE [°C] HALF ACTIVE [°C] SCR normal [°C] SCR schottky [°C]
1 54,2 54,5 389 298
21 52,7 90,1 275 190
35 46,6 89,2 218 119

Z tabulky teplot čipů uvnitř součástek je zřejmé, že i half active mosfet regulátor se bez problému uchladí. Výrobně je totiž tento regulátor velmi jednoduchý, protože nepotřebuje plovoucí buzení high side tranzistorů.
Ty brutální teploty u tyristorového regulátoru vysvětlují to, proč byly měděné chladicí plošky polovodičového modulu tak zbarvené...

V následujícím díle bude představena praktická konstrukce full active mosfet regulátoru a měření jeho reálných parametrů.

Žádné komentáře:

Okomentovat