Актуальные идеи для малого бизнеса с нуля
Идеи для бизнеса
» » Инвертор на 1 кВт в кармане

Инвертор на 1 кВт в кармане




После написания статьи о принципах работы DC/AC преобразователей, достаточно много людей в комментариях просили пример реализации данной идеи в железе. Я обещал по возможности порадовать их чем-то интересным и эта возможность мне выпала. Поэтому данная статья в первую очередь посвящается людям, которые жаждали «железа».

Несколько недель назад один из моих знакомых, зная, что я люблю силовую электронику, скинул мне сообщение в котором была рекламная ссылка от STMicroelectronics. В данной ссылки расказывалось о новом решение от ST в области силовой электронике — PWD13F60. У меня само понятие «силовая электроника» в первую очередь ассоциируется с TI, Infineon, Linear, но никак не с ST. Мой взгляд на ST, как на «силового» производителя, пал в первый раз, когда вышел великолепный контроллер — STSPIN32F0. Второй раз я посмотрел именно сейчас.
PWD13F60 — это микросхема, в корпусе на подобии QFN, в которой уже содержится полный мост, то есть 4 высоковольтных Mosfet, а также драйвера к ним. Первая идея, когда у меня появилась при ознакомление с даташитом: «О, да это же киловатт в кармане!», отсюда и название статьи. Я не очень люблю различные отладочные платы и предпочитаю сразу делать какой-то «боевой» проект. На базе героя данной статьи было решено сделать DC/AC инвертор.
Статью я решил разбить на две части: схемотехника и код. Сегодня я раскажу о схемотехническом решение, поделюсь библиотеками, дизайном и первыми впечатлениями. Во второй части мы реализуем принципы управления, которые были описаны в моей первой статье.

Технические характеристики PWD13F60


Первое на что обращаешь внимание при ознакомление с данным модулем — он высоковольтный. Действительно компактных, интегрированных решений для работы с напряжением однофазной сети (220В AC/310В DC) не так много. Ко мне в руки попадало решение от TI на базе GaN транзисторов — LMG3410, оно мне очень понравилось, но к сожалению в продажу официальную оно пока не попало и уже около года весит на стадии «previwe». Да решение от TI по все параметрам лучше, но толку от него если модули не купить? Увы и ах… Поэтому меня так заинтересовал модуль от ST! Да он на обычном кремнии, да он на несколько меньший ток, и да на 1+ МГц на нем вряд ли что-то построить можно, но это не так страшно и скорее мои придирки. Современные mosfet на кремнии вплотную подбираются к GaN, а частоты 1+ МГц пока что явная экзотика: дорогая и мало кому нужная.
Давайте откроем даташит на PWD13F60 и ознакомимся с его основными характеристиками:


Глядя на данные ТТХ можно сделать тезисно несколько выводов. Во-первых, напряжение 600В позволяет реализовать большинство топологий: полный мост, полумост, LLC полумост, фазосдвигающий мост и прочие. Во-вторых, максимальный ток канала в 8А позволяет построить преобразователь с номинальной мощностью 1000 Вт. В-третьих, сопротивление канала 320 мОм это хороший показатель, хотя можно и лучше. В-четвертых, емкость затвора и скорость технологического диода, позволяют забраться в диапазон 200-300 кГц даже без применения резонансных топологий. В-пятых, управлять модулем можно напрямую с выводов МК, что очень удобно и упрощает схему.
Получается у нас весьма хороший модуль, который позволяет решить множество проблем. Стоит понимать, что 1000 Вт достижимы для DC/AC преобразователя, если вы захотите мостовой DC/DC с универсальным диапазоном 85-265В, то такую мощность вы не получите. При входе 85В вы просто упретесь в максимальный ток и охлаждение кристалла. Построить же импульсный блок питания на 300 Вт с универсальным входом и крайне малыми габаритами вы уже сможете однозначно.

Схемотехника


Перед тем как перейти к рассмотрению схемотехники мое тестовой платы, я хотел бы избавить людей, которые будут применять данный модуль в будущем, от огромной боли, а именно от создания 3D модели и футпринта. Я прикладываю библиотечные компоненты, которые создал в процессе проектирования платы — они проверены в реальной железке и ошибок не содержат:


Выглядит корпус вот таким образом:
Теперь для вас никаких препятствий, чтобы начать применять данный модуль. Переходим к схемотехнике. Все основные узлы, которые могут вызвать проблемы у разработчика уже «спрятаны» внутрь корпуса и правильно «приготовлены», вам остается только реализовать управление. Кстати данный модуль позволяет не только создавать преобразователи напряжения, но и управлять двигателями — это еще одна область применения, думаю любителям ЧПУ станков и робототехники это очень пригодится.
Минимальная обвязка, которая потребуется для старта: пара конденсаторов по питанию, пара бутстепных конденсаторов драйвера и ШИМ-контроллер, в моем случае это STM32F410. Вроде все просто, но есть один, на мой взгляд, супер важный минус — внутри модуля нет цепей защиты от КЗ! Их не то, что нет, но и не предусмотрен вывод аварийной остановки драйверов. Кстати у модуля TI своей защиты от КЗ тоже не было. Для меня загадка почему нельзя было впихнуть на кристалл еще 2 компаратора, которые бы измеряли ток на внешнем шунты и останавливали бы драйвер…
Этот недостаток не позволяет нам реализовать максимально быстродействующей аппаратной защиты от КЗ. Нам в любом случае придется подавать сигнал о превышение тока на ШИМ-контроллер и останавливать работу именно генерацией ШИМ-а. Это ощутимо увеличивает время реакции защиты, а при использовании DSP или МК при малейшем «подвисании» или задержке будет мгновенный бабах.
Тут можно пойти двумя путями — надеяться на свой шикарный код или поставить между ШИМ-контроллером и силовым модулем логический буфер, который защита и будет отключать. Второй вариант лучше, но усложняет схемотехнику и все равно вносит дополнительную задержку срабатывания, хотя и ощутимо меньшую, чем работа через DSP/МК. Я как полагается выбрал вариант плохой и наивно надеюсь на свой «идеальный» код. Во-первых, это просто отладочная плата на поиграться, поэтому от нее ничего не зависит и можно позволить себе такую вольность. Во-вторых, код внутри МК у меня будет простейший...


займы онлайн в быстроденьги

...(ПИ-регулятор + генерация синуса), поэтому все критичные узлы я легко смогу отследить. Сделать тоже самое в большом полновесном проекте уже вряд ли получится, хотя зависит от квалификации разработчика, но у меня точно нет.
Я пошел по стандартному пути построения защиты: шунт + ОУ + повторитель. В качестве повторителя применил 2-й канал моего ОУ. Тут кстати еще один минус — если ваша задача сделать супер-компактное решение, то узлы защиты по току будут отнимать драгоценное место. В итоге у меня получилась вот такая простенькая схема (советую смотреть PDF, картинка кликабельная):


Так как устройство делалось исключительно для тестов данного модуля, то на схеме сплошной минимализм: микроконтроллер STM32F410 + PWD13F60 + DC/DC для питания цифровой части + LC фильтр из дросселя и пленки на 2.2 мкФ + защита по току + ОС по напряжению. В общем-то все. Данная схема реализует преобразование, например, 310В из выпрямленной сети, обратно в 220В. Если вы начинающий разработчик или не сильно опытный любитель, то я вам настоятельно советую сначала обкатывать все алгоритмы на напряжение 12-40В и только затем тыкаться в розетку. Это позволит вам не разориться на спаленных модулях и возможно выжить.
Защита по току реализована на сдвоенных ОУ D2 и D3 — OPA2337. Они быстрые и позволяют реализовывать полноценную работу цепи ОС на частотах до 400-600 кГц. Первая половина ОУ усиливает сигнал с шунта, а вторая половина работает как повторитель напряжения.

Печатная плата


Как и в случае со схемой — дизайн печатной платы открыт и доступен для ознакомления. Скачать PCB файл для Altium Designer можно тут. На особый шедевр не претендует, т.к. был спроектирован за пару часов, но тепловые расчеты и моделирование в базовой форме в Comsol проведены — перегрева страшного не будет, но небольшой алюминиевый радиатор на модуль все таки надо поставить, если собираетесь снимать ток более 4-5А. Так же сделал базовые расчеты и моделирование паразитных индуктивностей с последующей оптимизацией для их уменьшения. Габариты печатной платы получились — 100х45 мм, что для преобразователя на 1000 Вт очень неплохо, особенно если учесть, что никаких премудростей и больших частот тут не требуется.
Плата двухслойная, шелкография и компоненты только на верхнем слое. Заказывал печатные платы на PCBway и обошлись они с доставкой почтой в 14$ за 10 штук:
В какую сумму вышли компоненты не скажу, т.к. заказывал на несколько разных проектов, но что-то около 20-25$ из которых 9$ стоил сам модуль PWD13F60. Думаю вы уже посчитали стоимость 4-х mosfet-ов и 2-х драйверов к ним и понял, что данный модуль весьма выгодное решение.
Компоненты все заказывал с Mouser через ПМ Электроникс, возят быстро и без накрутки, доставка курьером до квартиры бесплатная, поэтому рекомендую. Кому интересны конкретные компоненты — в файлике со схемой у каждого компонента прописан парт-номер и имеется ссылка (навести мышку на компоненты и нажать F1, откроется).
Отдельно скажу по монтажу. Я немного переживал по поводу корпуса PWD13F60, т.к. сам футпринт не был обкатан и возможность дефекта пайки смущала. Паять решил не феном, а чтобы наверняка — в печке. Флюс от Ersa и неплохая паста из КНР сделали свое дело — даже при не очень аккуратной установке микросхема сама отцентровалась за счет сил поверхностного натяжения, благо ребята из ST сделали корпус полностью симметричных, хотя и сложной формы. Так как я экспериментировал, то в печи все паять не стал, чтобы в случае убийства платы не пришлось бы все перепаивать — запаял в печи саму PWD13F60, STM32F410 и дроссель для dc/dc 12-3,3В. Остальное допаял уже паяльником и получилось вот так:
Вот такой модуль получился. Для проверки подаем 12В от внешнего источника, например, БП от роутера — разъем там стандартный под штырек 2.1 мм. Далее на силовой вход для начала можно подать с лабораторного БП около 20-30В и написав простейший код для STM, подергать мостом и посмотреть что на выходе. Если на холостом ходе все холодное — хорошо. На выход подключаем нагрузку из резисторов, чтобы потребляемый ток составлял 1А и смотрим на нагрев — модуль должен быть чуть теплый, перегрев не более 5 градусов. Если все так, то пишем код для генерации синуса, проверяем его опять на 20-30В и только потом можно подать выпрямленное напряжение сети. Советую первично подавать напряжение через лампу накаливания 40 Вт в разрыв +VIN, если на холостом ходе все хорошо, то такую же лампу 40 Вт добавляем на выход — работает? Тогда убираем лампу со входа. Радуемся рабочему инвертору.
Кстати, те, кто не хочет писать код, то могу на али купить микросхему EG8010, именно микросхему, а не модуль и получить такой же инвертор без необходимости писать код для STM32. Думаю многих любителей альтернативной энергетики это несомненно обрадует, т.к. не все могут и не всем хочется писать код по микроконтроллеры.

Итог


Вот такой интересный модуль сделали в ST. Думаю многим он станет интересен, т.к. избавляет нас от многих проблем, возникающих при проектировании силовой электроники и позволяет получить очень малые габариты преобразователя.
Предложенный дизайн платы уже проверен, каких-то проблем не обнаружено, с паразитными параметрами тоже все хорошо, поэтому кому интересно позаниматься изучением данного модуля и силовой электроники в целом, то рекомендую как минимум ознакомиться с ним, а может и повторить без изменений. Кстати архив с проектом в Altium Designer прилагаю — тут.
В следующей статье я адаптирую код из первой статьи и мы реализуем полноценный DC/AC инвертор, который можно будет в принципе даже использовать при построение инвертора для работы с солнечными панелями или ветрогенератором.


Контакты:
Адрес: Товарная, 57-В, 121135, Москва,
Телефон:+7 971-129-61-42, Электронная почта: contact@lossless.ru идеи для бизнеса с нуля
Инвертор на 1 кВт в кармане

Опубликовано 01.03.2018, автором , в разделе Новости

деньги в кредит онлайн

возможно вас заинтересуют другие предложения:
Наша семейная рабыня...

Она прожила с нами 56 лет. Она бесплатно нянчила меня и моих братьев и сестер. Мне было 11 лет, и я был обычным американским ребенком, когда я понял, что это — рабство. Пепел лежал в черной пластмасс…

Великолепный дизайн квартиры в Лионе...

Как выглядит современный французский дизайн можно изучать на примере этой очень красивой и стильной квартиры в Лионе. Вкусные цвета, обязательно классические элементы настенного декора, современная ме…

Гениальные идеи для дома: Своими руками из подручных средств...

Если вы задумали облагородить свой дом, но сильно тратиться не охота, из этой ситуации есть креативный выход. Все, что вам потребуется, это сделать ревизию в гараже, на даче, на чердаке или в кладовке…

Планарный трансформатор: технология, расчеты, стоимость...

Не так давно ко мне обратилась одна компания, которой необходимо было разработать линейку LED-драйверов. Название компании и ТТХ драйверов называть не буду, NDA не подписывал, но этика есть этика. Вро…

40 лучших книг по маркетингу, которые рекомендует прочитать Игорь Манн...

1. клиенты на всю жизнь. карл сьюэлл, пол браун175 страниц. мой рейтинг — 5, (это не опечатка).мой маркетинговый бог! как бы мне хотелось, чтобы я смог прочитать эту книгу 10 лет назад (когда я прочитал «как уцелеть

Электроотвёртка своими руками - наш ответ Xiaomi...

Если Вы внезапно для себя решили, что небольшая электроотвертка на подобии Xiaomi Wowstick просто жизненно необходима, но готовое решение это не про вас, тогда эта статья должна вас заинтересовать. По…

Потрясающие идеи оформления столовой...

Многие примеры уместны не только в столовой / зоне столовой. Комбинации материалов, элементы декора, умные детали из классической древесины или камня, эффектные детали - зеркала или вертикальные сад…

33 сайта с бесплатными изображениями ...

в поисках идеальных фото в сети бесконечные запасы красивых изображений, но иногда они стоят немало. к счастью, фотографы по всему миру готовы поделиться своими работами бесплатно. и почти бесплатно. 1. albumarium

Cварка инвертором для начинающих ...

сварочные инверторы стали настоящим скачком в области сварочных аппаратов, так как старые трансформаторы являются достаточно тяжелыми и сложными в применении. инвертор доступен для работы любому, достаточно знать

Уникальные гаджеты из СССР...

О существовании многих из представленных устройств вы даже не догадывались. Опытные образцы, экспортные варианты, ограниченный тираж, или просто редкие модели техники и электроники, которые было «не д…

Умчи меня олень, в свою страну оленью!...

Их адрес не дом и не улица. Десятки тысяч людей в России живут в первобытных условиях, перемещаясь с места на место. И ведь на жизнь никто не жалуется! Помести в такие условия любого из нас - и дня …

вверх