PWD13F60 + STM32F4: 1 kW Wechselrichter in der Tasche

Nach dem Schreiben eines Artikels über die Prinzipien von DC / AC-Wandlern fragten viele Leute in den Kommentaren nach einem Beispiel für die Implementierung dieser Idee in Hardware. Ich versprach, wenn möglich, ihnen etwas Interessantes zu gefallen, und diese Gelegenheit fiel mir zu. Daher ist dieser Artikel in erster Linie Menschen gewidmet, die sich nach "Eisen" sehnten.

Vor ein paar Wochen warf mir einer meiner Freunde, der wusste, dass ich Leistungselektronik liebe, eine Nachricht zu, in der es einen Werbelink von STMicroelectronics gab. Dieser Link sprach über eine neue Lösung von ST im Bereich der Leistungselektronik - PWD13F60 . Mein Konzept der „Leistungselektronik“ ist hauptsächlich mit TI, Infineon, Linear verbunden, aber nicht mit ST. Meine Sicht auf ST als „Stromhersteller“ fiel zum ersten Mal, als ein großartiger Controller herauskam - STSPIN32F0. Das zweite Mal habe ich jetzt geschaut.

PWD13F60 ist ein Chip in einem QFN-ähnlichen Gehäuse, der bereits eine Vollbrücke enthält, dh 4 Hochspannungs-Mosfet sowie Treiber für diese. Die erste Idee, als ich das Datenblatt kennenlernte: „Oh, das ist ein Kilowatt in deiner Tasche!“, Daher der Name des Artikels. Ich mag verschiedene Debug-Boards nicht wirklich und bevorzuge es, sofort eine Art "Kampf" -Projekt durchzuführen. Basierend auf dem Helden dieses Artikels wurde beschlossen, einen DC / AC-Wechselrichter herzustellen.

Ich beschloss, den Artikel in zwei Teile zu teilen: Schaltung und Code. Heute werde ich über die Schaltungslösung sprechen, die Bibliotheken, das Design und die ersten Eindrücke teilen. Im zweiten Teil implementieren wir die Managementprinzipien, die in meinem ersten Artikel beschrieben wurden.

Technische Daten PWD13F60

Das erste, worauf Sie achten, wenn Sie sich mit diesem Modul vertraut machen, ist, dass es Hochspannung ist. Es gibt nicht viele wirklich kompakte, integrierte Lösungen für die Arbeit mit einer einphasigen Netzspannung (220 V AC / 310 V DC). Ich habe die Lösung von TI basierend auf GaN-Transistoren erhalten - LMG3410, es hat mir sehr gut gefallen, aber leider hat sie den offiziellen Verkauf noch nicht erreicht und wiegt seit etwa einem Jahr in der Vorschau-Phase. Ja, die Lösung von TI ist in jeder Hinsicht besser, aber wozu dient sie, wenn Sie keine Module kaufen können? Ach und ah ... Deshalb hat mich das Modul von ST so interessiert! Ja, es ist auf gewöhnlichem Silizium, ja, es hat einen etwas geringeren Strom, und ja, bei 1+ MHz ist es kaum möglich, etwas darauf aufzubauen, aber es ist nicht so beängstigend und eher mein Trottel. Moderne Mosfets auf Silizium sind eng an GaN angepasst, und die Frequenzen von 1+ MHz sind bislang eindeutig exotisch: teuer und kaum erforderlich.

Öffnen wir das Datenblatt des PWD13F60 und machen uns mit dessen Hauptmerkmalen vertraut:

• Drain-Source-Spannung: 600V
• Offener Kanalwiderstand: 0,32 Ohm
• Maximaler Kanalstrom (bei 25 ^° C): 8A
• Maximaler Kanalstrom (bei 100 ° C): 6,9 A.
• Maximaler Stoßstrom: 32A
• Logic Level Management: 3.3 und 5V
• Verschlussladung: 26 nC
• Erholungszeit der internen Diode: 93 ns

Mit Blick auf die TTX-Daten können mehrere Schlussfolgerungen gezogen werden. Erstens können Sie mit der Spannung von 600 V die meisten Topologien implementieren: Vollbrücke, Halbbrücke, LLC-Halbbrücke, Phasenverschiebungsbrücke und andere. Zweitens können Sie mit dem maximalen Kanalstrom von 8A einen Konverter mit einer Nennleistung von 1000 Watt bauen. Drittens ist der Kanalwiderstand von 320 mOhm ein guter Indikator, obwohl er besser sein kann. Viertens ermöglichen die Gatekapazität und die Geschwindigkeit der technologischen Diode, auch ohne Verwendung von Resonanztopologien in den Bereich von 200 bis 300 kHz zu gelangen. Fünftens können Sie das Modul direkt von den Klemmen des MK aus steuern, was sehr praktisch ist und die Schaltung vereinfacht.

Es stellt sich heraus, dass wir ein sehr gutes Modul haben, mit dem Sie viele Probleme lösen können. Es versteht sich, dass 1000 W für einen DC / AC-Wandler erreichbar sind. Wenn Sie eine DC / DC-Brücke mit einem universellen Bereich von 85 bis 265 V wünschen, erhalten Sie keine solche Leistung. Mit einem Eingang von 85 V treffen Sie einfach den maximalen Strom und kühlen den Kristall. Sie können definitiv ein 300-W-Schaltnetzteil mit einem universellen Eingang und extrem kleinen Abmessungen bauen.

Schaltung

Bevor ich mich mit den Schaltkreisen meiner Testplatine befasse, möchte ich die Personen, die dieses Modul in Zukunft verwenden werden, vor enormen Schmerzen bewahren, nämlich vor der Erstellung eines 3D-Modells und eines Footprints. Ich wende die Bibliothekskomponenten an, die ich während des Board-Design-Prozesses erstellt habe. Sie werden in einer echten Hardware überprüft und enthalten keine Fehler:

• PWD13F60 Modulgehäuse in Solid Works und STEP - hier
• Footprint für Altium Designer - hier

Der Fall sieht so aus:



Jetzt gibt es keine Hindernisse mehr für die Verwendung dieses Moduls. Wir wenden uns der Schaltung zu. Alle Hauptknoten, die Probleme für den Entwickler verursachen können, sind bereits im Gehäuse "versteckt" und korrekt "vorbereitet". Sie müssen lediglich die Steuerung implementieren. Übrigens ermöglicht dieses Modul nicht nur die Erstellung von Spannungswandlern, sondern auch die Steuerung von Motoren - dies ist ein weiterer Anwendungsbereich, den Liebhaber von CNC-Werkzeugmaschinen und Robotik meiner Meinung nach sehr nützlich finden werden.

Die minimale Bindung, die zum Starten erforderlich ist: ein Paar Leistungskondensatoren, ein Paar Bootstep-Treiberkondensatoren und ein PWM-Controller, in meinem Fall STM32F410. Alles scheint einfach zu sein, aber meiner Meinung nach gibt es ein sehr wichtiges Minus - es gibt keine Kurzschlussschutzschaltungen im Modul! Sie sind nicht etwas, was nicht ist, aber die Ausgabe eines Notstopps der Fahrer ist nicht vorgesehen. Das TI-Modul hatte übrigens auch keinen Kurzschlussschutz. Für mich ist es ein Rätsel, warum es unmöglich war, zwei weitere Komparatoren auf den Kristall zu schieben, um den Strom an den externen Shunts zu messen und den Fahrer anzuhalten ...

Dieser Nachteil ermöglicht es uns nicht, den schnellstmöglichen Hardwareschutz gegen Kurzschluss zu realisieren. In jedem Fall müssen wir dem PWM-Controller ein Signal über den Überstrom geben und den Betrieb präzise stoppen, indem wir die PWM erzeugen. Dies erhöht die Reaktionszeit der Verteidigung erheblich, und wenn DSP oder MK beim geringsten "Hängen" oder Verzögern verwendet wird, kommt es sofort zu Breitweiten.

Hier haben Sie zwei Möglichkeiten: Sie können sich auf Ihren Smart Code verlassen oder einen logischen Puffer zwischen dem PWM-Controller und dem Leistungsmodul einfügen, wodurch der Schutz deaktiviert wird. Die zweite Option ist besser, kompliziert jedoch die Schaltung und führt immer noch eine zusätzliche Verzögerung ein, obwohl sie erheblich geringer ist als die Arbeit durch den DSP / MK. Ich habe angeblich die schlechte Option gewählt und hoffe naiv auf meinen "perfekten" Code. Erstens ist es nur ein Debugging-Board, mit dem man herumspielen kann. Es hängt also nichts davon ab, und Sie können sich solche Freiheiten erlauben. Zweitens habe ich den einfachsten Code im MK (PI-Regler + Sinusgenerierung), sodass ich alle kritischen Knoten leicht verfolgen kann. Es ist unwahrscheinlich, dass es möglich ist, dasselbe in einem großen, vollwertigen Projekt zu tun, obwohl dies von den Qualifikationen des Entwicklers abhängt, aber ich definitiv nicht.

Ich folgte dem Standardpfad des Gebäudeschutzes: Shunt + Operationsverstärker + Repeater. Ich habe den 2. Kanal meines Operationsverstärkers als Repeater verwendet. Hier gibt es übrigens noch ein Minus: Wenn Sie eine superkompakte Lösung erstellen möchten, nehmen die aktuellen Schutzknoten wertvollen Platz ein. Als Ergebnis habe ich ein so einfaches Schema erhalten (ich rate Ihnen, PDF anzusehen, das Bild ist anklickbar):

• PDF-Format - hier
• Blatt für Altium Designer - hier

Da das Gerät ausschließlich zum Testen dieses Moduls hergestellt wurde, ist das Diagramm völlig minimal: Der Mikrocontroller STM32F410 + PWD13F60 + DC / DC zur Versorgung des digitalen Teils + LC-Filters von Induktor und Film mit 2,2 μF + Stromschutz + OS-Spannung. Das ist alles Dieses Schema implementiert die Umwandlung von beispielsweise 310 V von einem gleichgerichteten Netzwerk zurück in 220 V. Wenn Sie ein unerfahrener Entwickler oder kein sehr erfahrener Amateur sind, empfehle ich Ihnen dringend, zuerst alle Algorithmen mit 12-40 V auszuführen und erst dann in den Sockel zu stecken. Auf diese Weise können Sie die verbrannten Module nicht beschädigen und möglicherweise überleben.

Der Stromschutz ist für die beiden Operationsverstärker D2 und D3 - OPA2337 implementiert . Sie sind schnell und ermöglichen es Ihnen, den vollwertigen Betrieb der OS-Schaltung bei Frequenzen bis zu 400-600 kHz zu realisieren. Die erste Hälfte des Operationsverstärkers verstärkt das Signal vom Shunt und die zweite Hälfte wirkt als Spannungsfolger.

Leiterplatte

Wie bei der Schaltung ist das Design der Leiterplatte offen und kann überprüft werden. Sie können die PCB-Datei für Altium Designer hier herunterladen. Es gibt nicht vor, ein besonderes Meisterwerk zu sein, weil wurde in ein paar Stunden entworfen, aber in Comsol wurden thermische Berechnungen und Modellierungen in der Grundform durchgeführt - es wird keine Überhitzung geben, aber Sie müssen immer noch einen kleinen Aluminiumkühler am Modul anbringen, wenn Sie Strom von mehr als 4-5A entfernen möchten. Er führte auch grundlegende Berechnungen und Modellierungen parasitärer Induktivitäten durch, die anschließend optimiert wurden, um sie zu reduzieren. Die Abmessungen der Leiterplatte betrugen 100 x 45 mm , was für einen 1000-W-Wandler sehr gut ist, insbesondere wenn man bedenkt, dass hier keine Tricks und hohen Frequenzen erforderlich sind.





Die Platte ist zweischichtig, Siebdruck und Komponenten nur auf der oberen Schicht. Ich habe Leiterplatten auf PCBway bestellt und sie kosten 14 US-Dollar für 10 Stück per Post:


Ich werde nicht sagen, wie viel die Komponenten herausgekommen sind, weil Ich habe für verschiedene Projekte bestellt, aber ungefähr 20 bis 25 US- Dollar, von denen 9 US-Dollar das PWD13F60-Modul selbst kosten . Ich denke, Sie haben bereits die Kosten für 4 Mosfets und 2 Treiber berechnet und festgestellt, dass dieses Modul eine sehr profitable Lösung ist.

Ich habe alle Komponenten bei Mouser über PM Electronics bestellt . Sie werden schnell und ohne Betrug transportiert. Die Lieferung per Kurier in die Wohnung ist kostenlos. Ich empfehle sie daher. Wer interessiert sich für bestimmte Komponenten? In der Datei mit dem Diagramm hat jede Komponente eine Teilenummer und einen Link (bewegen Sie den Mauszeiger über die Komponenten und drücken Sie F1, sie wird geöffnet).

Separat werde ich zur Installation sagen. Ich war ein wenig besorgt über den Fall des PWD13F60, weil Der Fußabdruck selbst war nicht eingefahren und die Möglichkeit eines Lötfehlers war peinlich. Ich beschloss, nicht mit einem Haartrockner zu löten, sondern um sicher zu gehen - im Ofen. Ersa-Flussmittel und eine gute Paste aus China haben ihre Arbeit erledigt - selbst bei einer nicht sehr genauen Installation war der Chip selbst aufgrund von Oberflächenspannungskräften zentriert. Glücklicherweise machten die Jungs von ST das Gehäuse vollständig symmetrisch, wenn auch von komplexer Form. Da ich experimentiert habe, habe ich nicht angefangen, alles im Ofen zu löten, so dass ich im Falle eines Abbruchs der Platine nicht alles löten musste - ich habe den PWD13F60, STM32F410 und die Drossel für DC / DC 12-3,3 V im Ofen gelötet. Der Rest war bereits mit einem Lötkolben verlötet und es stellte sich so heraus:



Hier ist so ein Modul. Zur Überprüfung liefern wir 12 V von einer externen Quelle, zum Beispiel eine Stromversorgung von einem Router - der dortige Anschluss ist Standard für einen 2,1-mm-Pin. Als nächstes können Sie zunächst an die Leistungsaufnahme etwa 20 bis 30 V vom Labornetzteil anlegen und den einfachsten Code für das STM schreiben, die Brücke zucken und sehen, was ausgegeben wird. Wenn im Leerlauf alles kalt ist - gut. Wir verbinden die Last von den Widerständen mit dem Ausgang, so dass der Stromverbrauch 1A beträgt, und betrachten die Heizung - das Modul sollte leicht warm sein und nicht mehr als 5 Grad überhitzen. Wenn dies der Fall ist, schreiben wir den Code, um den Sinus zu erzeugen, überprüfen ihn erneut bei 20-30 V und erst dann kann die gleichgerichtete Netzspannung angelegt werden. Ich rate Ihnen, zuerst eine Spannung über eine 40-W-Glühlampe an die + VIN-Lücke anzulegen. Wenn im Leerlauf alles in Ordnung ist, fügen Sie dem Ausgang dieselbe 40-W-Lampe hinzu - funktioniert das? Dann entfernen wir die Lampe vom Eingang. Wir sind mit dem funktionierenden Wechselrichter zufrieden.

Übrigens, diejenigen, die keinen Code schreiben möchten, können einen EG8010-Chip auf Ali kaufen, nur einen Chip, kein Modul, und denselben Wechselrichter erhalten, ohne Code für STM32 schreiben zu müssen. Ich denke, viele Liebhaber alternativer Energie werden sich zweifellos freuen, weil Nicht jeder kann und nicht jeder möchte Code auf Mikrocontrollern schreiben.

Zusammenfassung

Hier ist ein interessantes Modul aus ST. Ich denke, viele werden sich dafür interessieren, weil entlastet uns von vielen Problemen, die beim Entwurf der Leistungselektronik auftreten, und ermöglicht es uns, sehr kleine Abmessungen des Wandlers zu erhalten.

Das vorgeschlagene Design der Platine wurde bereits getestet, es wurden keine Probleme festgestellt, alles ist in Ordnung mit falschen Parametern. Wenn Sie also dieses Modul und die Leistungselektronik als Ganzes studieren möchten, empfehle ich Ihnen, sich zumindest damit vertraut zu machen und es möglicherweise ohne Änderungen zu wiederholen. Übrigens hänge ich das Archiv mit dem Projekt in Altium Designer an - hier .

Im nächsten Artikel passe ich den Code aus dem ersten Artikel an und wir implementieren einen vollwertigen DC / AC-Wechselrichter, der im Prinzip sogar beim Bau eines Wechselrichters für die Arbeit mit Sonnenkollektoren oder einem Windgenerator verwendet werden kann.