تعقيدات تصميم لوحة طاقة العاكس

مرحبا بالجميع! بخطوات متواضعة ، أتابع سلسلة المقالات حول تطوير الدراجة الكهربائية الحديدية. لنبدأ بالأكثر إثارة للاهتمام - العاكس ، الذي يتحكم في المحرك. أريد أن أتحدث أكثر عن تعقيدات بناء لوحة طاقة ونظام درجة حرارة الترانزستورات.


نموذج دراجة كهربائية الأساسية الاعوجاج

المشكلة الرئيسية في تصميم لوحة للتيارات عالية التردد العالي هي تحريض الموصلات والمكثفات ومبيتات الترانزستور ، أو بالأحرى ، الانبعاثات الناتجة عن ذلك والحاجة إلى وضع هامش من المعلمات للمفاتيح ، مما يؤدي إلى زيادة في تكلفة التصميم وزيادة في تبديل الخسائر.

في عملية العمل على حمل حثي ، عندما ينكسر التيار ، تحدث طفرات الجهد على المفتاح ، والتي تساوي ∆V = -L (dI / dt) ، حيث ∆V هي حجم تغير الجهد ، L هو الحث ، dI / dt هو معدل تغير التيار (الارتفاع أو نقصان).

دعنا نأخذ حالة خاصة من PWM على مرحلتين ، حيث يتدفق التيار في البداية من خلال المفتاح المغلق Q2 ، ثم يتراكم التيار في دائرة المحرك من خلال المفتاح العلوي Q1. مفتاح Q6 قيد التشغيل دائمًا من أجل البساطة.

يشير الاتجاه الأحمر إلى مسار التدفق الحالي للتيار. في وقت التبديل ، يفتح مفتاح Q2 ، لكن الجهد على هذا المفتاح يتحول إلى سالب بمقدار الهبوط على الصمام الثنائي الطفيلي للترانزستور MOS. يحدث هذا بسبب حقيقة أن محاثة المحرك ، حيث يتم تخزين الطاقة ، يحاول "حفظ" تياره ، ويخلق جهدًا سلبيًا. ثم يبدأ المفتاح Q1 في التشغيل ، ويزداد التيار تدريجيًا في المحاثات L_DC + ، L_Q1D ، L_Q1S ، L_DC. حيث L_QnD هو محاثة تصريف علبة الترانزستور ، و L_QnS هو محاثة المصدر ، و L_DC هو محاثة المجلس. في عملية نقل التيار من جزء من الدائرة إلى جزء آخر ، يمكن أن يكشف الترانزستور Q2 فجأة عن جهد أكبر على نفسه مما يتم توفيره من خلال ناقل الطاقة وتثبيته على سعة الإدخال.


مثال على التبديل بتيار 100A

سيكون حجم هذا الجهد أكبر نسبيًا من سرعة التبديل. لا نريد تخصيص الكثير من الحرارة للمفاتيح أثناء عملية التبديل ، لذلك ، يُعتبر مثاليًا عندما يتحول المفتاح على الفور ، ولكن هذا لا يمكن تحقيقه في الواقع. ببساطة ، كلما حدث هذا الانتقال بشكل أسرع ، كانت الخسائر الأقل نشاطًا في المفتاح ، ولكن في نفس الوقت ، كلما حدث التحول بشكل أسرع ، كلما زادت طفرات الضغوط الناشئة عن L_DC ، L_Q1D ، L_Q1S. نادراً ما يتم ذكر آخر ، ولكن ربما تكون أكثر الظواهر الزائفة في هذه العملية هي شحنة الصمام الثنائي Q2. نظرًا لوجود تأخير ، وقت ميت ، بين إيقاف تشغيل Q2 وتشغيل Q1 ، تتراكم شحنة الاسترداد العكسي على الصمام الثنائي Q2 ، في وثائق الترانزستور المشار إليها باسم Qrr ، مقاسة بالنانوم. عند تشغيل Q1 ، يحدث التيار خلال ،الذي يعيد الصمام الثنائي الطفيلي Q2. سيكون حجم هذا التيار أعلى ، كلما كان من الضروري تشغيل Q1 بشكل أسرع وكلما زاد التيار يمر عبر الترانزستور. من هنا ، يحدث ارتفاع إضافي في الجهد عند L_Q2D ، L_Q2S. يسمى هذا التبديل "الثابت" من اللغة الإنجليزية. تخفيف صعب.

إذا تم اختيار الترانزستور بدون هامش جهد ، يمكن أن تتسبب مثل هذه الزيادة في حدوث انهيار جليدي ، مما سيقلل إلى حد كبير من عمر الترانزستور ، وإذا تعرض لفترة طويلة ، فقد يتسبب في تلفه تمامًا.



في عملية هذا التبديل ، يمكن أن تحدث تذبذبات RF ("الرنين" بترتيب MHz) ، وتشتمل على محاثات L_Q (1،2) S وسعات طائشة بين أبواب الترانزستورات Q1 / 2 واستنزافها. نظرًا لأنه في حالة TO220 3pin التقليدية ، يتم توفير إشارة التحكم فعليًا من خلال ساق الطاقة ، مما يؤدي إلى تدخلها الخاص. لحل هذه المشكلة ، يتم إخراج دبوس مصدر منفصل لإشارة التحكم ، حيث لا يوجد تداخل في الطاقة ، في وحدات تجميع الطاقة. في لحظة فتح الترانزستور Q1 ، يبدأ التيار الذي يتدفق عبر المصدر في انخفاض الجهد على محاثة أرجل المصدر للترانزستور ، مما يبطئ الفتحة. بالإضافة إلى ذلك ، يتداخل انخفاض الجهد الحاد مع هذه العملية ، والتي تخفف أيضًا إشارة التحكم في البوابة من خلال السعة الشاردة. من ناحية أخرى ، يحدث ارتفاع حاد في الجهد Vds على الترانزستور Q2 ،والتي تسحب الغالق لفتحه من خلال سعة شاردة بين الصرف والمصراع. يؤدي الجمع بين جميع هذه العوامل إلى ظهور تذبذبات عالية التردد ، وعادة ما يتم الصراع معهم عن طريق تقليل انحدار dI / dt و dVds / dt ، ولكن هناك أفضل بين سرعة الفتح ، وخسارة الفتح ، وخسارة الرنين للترانزستور.


مثال على الإغلاق "الناعم" Q1 مع منظر من جانب Q2.

الجهد السلبي على Vds (1) - تحريض الساقين Q2. على الغالق (3) ، فقط نصف هذا الانبعاث مرئي منذ ذلك الحين في هذه الحالة ، في دائرة اتصال الذبذبات ، يتغير التيار فقط على الساق المصدر.

تقنيات التحكم في الطفيليات الحثية

فكر في خيار موصلين من نفس العرض ، ولكن بترتيب مختلف على اللوحة.



لنفترض أن لدينا عرض مسار يبلغ 10 مم ، وطول 100 مم ، والمسافة بينهما 0.5 مم. بالنسبة للخيار a ، سيكون الحث المتبادل ~ 6.3 nH. بالنسبة للخيار b ، سيكون الحث ~ 132 nH. ماذا يعني هذا؟ نأخذ معدل التغيير الحالي البالغ 1.25A / nS ، كما في الصورة أعلاه ، باتباع الصيغة ∆V = -L (dI / dt) ، نحصل على تغيير الجهد للخيار a ∆V = -6.3 nH * 1.25A / ns = 7.8V. للخيار بستكون هذه القيمة 132nG * 1.25A / ns = 165V. هذا أعلى بكثير من جهد الإمداد لدينا! في الواقع ، سيحدث انهيار ، وسيستقر الجهد مقابل حد جهد الترانزستور ، وسيتدفق التيار من خلاله ، على الرغم من أنه مغلق. ولذلك، فإن خير بك مكثف جيدة لن يكون، إذا كانت معلقة على فترة طويلة "حثي" :)


ما يمكن أن تذهب هنا حتى ؟

أما بالنسبة للمكونات الطفيلية في علبة الترانزستور ، فلن تكون قادرًا على التعامل معها بشكل خاص ، أقصر أرجل إلى اللوحة ، لا توجد أسلاك طويلة. يتم إيقاف الرنين عالي التردد جيدًا بواسطة المكثفات الخزفية ، يجب أن تكون موجودة مباشرة بجوار المفاتيح الموجودة على ناقل الطاقة ، ولكن يمكنك التخلص تمامًا من الرنين عن طريق القضاء على تشغيل الصمام الثنائي الطفيلي للترانزستور باستخدام ترانزستورات SiC أو التحكم التكيفي ، ولكن هذا نطاق سعري مختلف. خيار آخر لتقليل تحريض الحالة هو ترانزستورات SMD ، ما يسمى. DirectFet و PowerQFN وما شابه. ولكن لديهم أيضًا عيوبهم ، فهي تشمل غرفة تبريد أسوأ ، وصعوبات في التصميم مع تثبيت SMD ، وبالطبع السعر.

حول بالوعة الحرارة

بطريقة أو بأخرى ، فإن العاكس في العملية سيولد الحرارة. المزيد من التيار يعني المزيد من الحرارة. لأن في المحرك ، يمكن أن يكون التيار لفترة قصيرة أعلى عدة مرات من متوسط ​​القيمة أثناء التسارع والتباطؤ ، بالنسبة للترانزستورات ، فإنه مطلوب لضمان الظروف الحرارية الطبيعية لمثل هذه القمم. بالنسبة لمعيار بلورة السيليكون ، يشار إلى درجة الحرارة القصوى Tj = 175 درجة مئوية.



في لحظات تبديل الترانزستورات ، هناك انبعاثات كبيرة حادة من الخسائر النشطة للحرارة. الخسائر السلبية هي خسائر في مقاومة قناة التصريف في الحالة المفتوحة ، وهي أكثر ثباتًا في الوقت ويسهل حسابها. بالنسبة للانفجارات الحرارية قصيرة المدى ، تعمل الركيزة النحاسية للترانزستور كمخزن حراري جيد ، ناقص آخر لمكونات SMD - وهي أصغر بشكل ملحوظ. المقاومة الحرارية من البلورة إلى حالة الترانزستور الذي اخترته هي 0.57 درجة مئوية / واط ، مما يعني أنه عندما ينبعث منها 50 واطًا من الحرارة باستمرار ، يتم تكوين تدرج درجة حرارة 29 درجة مئوية. بالنسبة للانبعاثات الحرارية ، يلزم أيضًا ترك هامش معين ومراعاة بعض التأخير للمزدوجات الحرارية ، لذلك تم اختيار 100 درجة مئوية كقيمة مثالية نهائية لحالة الترانزستور.يطرح السؤال - إلى متى يمكنني إعطاء أقصى تيار للسخونة الزائدة؟ تم اختبار واجهات حرارية مختلفة ، حتى الألواح بقاعدة من الألومنيوم. من خلال جودة نقل الحرارة من قاعدة الترانزستور إلى المبرد ، أرتب المواد بهذا الترتيب ، في تقليل الموصلية الحرارية:



+ (2)


 + (2)
+ 



الاتصال المباشر ليس خيارنا ، لأنه لا يوفر عزلًا كهربائيًا لحالة الترانزستور من المبرد. بهامش صغير من لوح الألمنيوم كان هناك ركيزة من أكسيد الألومنيوم. كان نتريد أكثر تكلفة بشكل ملحوظ وأقل تكلفة. وفقا للاختبارات بين الركيزة السيليكون العضوي وخزف أكسيد الألومنيوم ، كان الفرق ما يقرب من مرتين ، لمدة الحمل الكامل ، دقيقة واحدة و 30 ثانية ، على التوالي. بالطبع ، لا يتظاهر هذا الاختبار بأنه ذو دقة علمية عالية ، ولكن مع فارق سعر بنسلفي أطول مرتين "للدوران" على الدراجة؟ كان الاختيار النهائي بالطبع هو السيراميك القائم على أكسيد الألومنيوم! كما اتضح ، فإنه من الأسهل تثبيته معه ، ومكافأة أخرى هي أن انحناء الترانزستور يكون أقل بكثير عند شد المسمار. كان المشبك ، بناءً على أثر المعجون الحراري ، دائمًا موحدًا.ما لا يمكن أن يقال عن ركائز مرنة.

مع التركيب القياسي للمبرد من خلال العين ، باستخدام المسمار ، تميل وسادة السيليكون إلى الضغط ، مما قد يؤدي إلى تلامس سطحي غير متساوٍ. لذلك ، فإن العنصر الأخير هو "الركيزة بدون معجون حراري" ، لأن هي ، الشحوم الحرارية ، في هذه الحالة تعوض هذا التأثير إلى حد ما. بالطبع ، في مثل هذه الحالات ، يوصى باستخدام زنبرك خاص يضغط بشكل موحد على علبة الترانزستور بالكامل ، ولكن لم تتح لنا الفرصة لوضعها لتناسب الحجم.

أثناء ركوب وحدة التحكم الصينية ، غالبًا ما لاحظت أنه كان لديه جانب واحد ساخن ، والآخر بقي باردًا. لذلك ، تم إجراء التصميم النهائي لمفاتيح الطاقة بطريقة لتسخين العلبة بأكملها على قدم المساواة. تم تركيب المفاتيح على كلا الجانبين ، من خلال محول ألومنيوم صغير.

الخاتمة

في هذه المقالة وصفت الأشياء الأكثر إثارة للاهتمام في رأيي. بالطبع ، وراء الكواليس كان اختيار الترانزستور MOS نفسه وفقًا لخصائصه ، وحساب خسائر الحرارة على الشريحة وتسخين المكثفات الإلكتروليتية تحت تأثير التيار النابض. في المقالة التالية ، سنتطرق إلى دوائر الجهاز ، وخيارات رقمنة التيار وتنفيذ الحماية الحالية.

Source: https://habr.com/ru/post/ar399693/