Power Module Entwickler. Fehlerbehandlung

Grüße! In meinen vorherigen Artikeln ( ein- und zweimal ) haben Sie das Leistungsmodul der Halbbrücke kennengelernt, mit dem Sie einen Konverter mit nahezu jeder Topologie bauen können. Ich habe gezeigt, wie man schnell und ohne großen Aufwand das Layout des Stromrichters erhält und in die Idee einfließt, und bei der Implementierung wurden bestimmte Mängel festgestellt.

Leider ist selbst bei relativ einfachen Geräten eine zweite Überarbeitung des Bügeleisens erforderlich, um die schlechten Implementierungen einer bestimmten Funktion zu „bereinigen“, das Layout und das Design zu verbessern. Infolgedessen wurde daran gearbeitet, die technischen Parameter zu optimieren und die Benutzerfreundlichkeit des Moduls zu verbessern. Heute werde ich Ihnen im Artikel nur mehr über diese Änderungen erzählen, erklären, warum dies so ist, und am Ende des Artikels werden Sie aktualisierte Quellen sehen. Lass uns gehen!

Änderung Nr. 1

Beim Sammeln des Layouts hatte ich die wilde Unannehmlichkeit, zusätzliche Energie + 3,3 V auf die Stromversorgungsplatine ziehen zu müssen. Ich weiß nicht einmal, warum ich das getan habe, ich schaue auf die Schaltung und verstehe mich selbst nicht.)) Auf jeden Fall wurde beschlossen, das Modul nur mit 12 V zu versorgen und bereits 3,3 V auf der Platine zu haben. Die Stromaufnahme auf dem 3,3-V-Bus beträgt ca. 10 mA. Er speist den logischen Teil der Transistortreiber, die Hardwareschutzlogik und 1 LED. Daher ist es wirtschaftlich nicht machbar, Gleichstrom / Gleichstrom einzustellen, und es wurde beschlossen, einen herkömmlichen linearen Stabilisator (LDO) zu verwenden:

Änderung Nr. 2

Die zweite Überarbeitung des Designs wurde ebenfalls für die Kosten der Komponenten optimiert. Eine der Schlüsselkomponenten, die die Eigenschaften des Moduls bestimmen, ist der Treiber für Netzschlüssel - 1EDC60I12AHXUMA1. Dies ist der Top-Treiber von Infineon, aber es stellte sich als etwas überflüssig heraus, oder besser gesagt, ich konnte mich in diesem Konzept nicht verwirklichen.

Ja, es hat einen großen Strom von 6,8 A zum Öffnen und 10 A zum Schließen. Dadurch können Sie einen ziemlich großen Strom mit einer hohen Frequenz umschalten. Theoretisch ist es cool, aber in der Praxis bin ich auf eine Frequenzgrenze gestoßen, die durch falsche Parameter der Schaltkreise und Drähte verursacht wird, die mit dem Modul verbunden sind. Die praktische Obergrenze liegt irgendwo im Bereich von 250 bis 300 kHz, und der "beliebteste" Betriebsfrequenzbereich liegt bei etwa 60 bis 120 kHz. Daher wurde beschlossen, den Treiber von derselben Leitung zu installieren, jedoch mit einem niedrigeren Öffnungsstrom und gleichzeitig billiger und billiger verfügbar - 1EDC40I12AHXUMA1. Es unterscheidet sich im Allgemeinen nur durch einen niedrigeren Strom. In der Praxis wurden ein Tiefsetzsteller und eine Halbbrücke mit einer Betriebsfrequenz von bis zu 250 kHz getestet, und dieser Treiber erwies sich als ausreichend, um optimale Verluste zu erzielen, die etwa 15 bis 20% der statischen Aufladung des Kanals betrugen. Darüber hinaus konnten durch diesen Ersatz die Kosten in nur einer Position um 6 USD gesenkt werden! Übrigens, dieser Fahrer ist in DKO Elektronshchik zu einem sehr guten Preis, obwohl 200 Wochen bei 121 Rubel sie vor 2 Wochen verkauft wurden, aber sie haben sie schnell geharkt, ich selbst habe 50 von ihnen aus der Gier geholt.



Natürlich können Sie den alten Treiber verlassen, aber in der Russischen Föderation kostet er das Zweifache, obwohl dadurch die Gesamtverluste an Transistoren um etwa 5,10% reduziert werden können. Oder verwenden Sie 1EDC40I12AH für Modelle und bringen Sie den großen Bruder 1EDC60I12AH in Produktion, da die gesamte Reihe dieser Treiber Pin-zu-Pin-kompatibel ist.

Änderung Nr. 3

Die tiefgreifendste Verarbeitung war der Schutz des Hardwarestroms. Die Kommentare hatten viele wertvolle und nicht sehr Ratschläge und Fragen, einige wurden berücksichtigt, der andere Teil schien mir irrelevant.

Hier möchte ich ein wenig beiseite treten und über das Mikroexperiment sprechen, das in der ersten Überarbeitung durchgeführt wurde. Wie Sie sich erinnern, wurde der einfachste Optokoppler LTV-817 verwendet, um das Netzteil von der Steuerung zu entkoppeln (dies ist der gleiche „beliebte“ PC-817). Es ist häufig in der Rückkopplung (OS) billiger Schaltnetzteile (IIPS) zu finden, wird dort jedoch im Spannungs-OS verwendet, wo keine besondere Leistung erforderlich ist. Ich wollte es im Hardware-Stromschutz versuchen, weil Er hat einen guten Preis (ca. 0,03 USD) und sieht in der Praxis, wie er sich verhalten wird. Grundsätzlich bewältigt er seine Aufgabe bei Frequenzen bis 40 ... 60 kHz, bei einer weiteren Frequenzerhöhung hat der Optokoppler keine Zeit zum Schalten (Spannung steigt langsam an) und der Durchstrom fließt 2-3 Perioden durch die Tasten. Natürlich verursacht dies bei einem Kurzschlussstrom von 10-15 A nur wenig Wärme und der Schutz funktioniert weiterhin, aber wenn er über das Netzwerk mit Strom versorgt wird, ist er zu 100% breit - geprüft. Ich denke, das Experiment war ein Erfolg und der PC817 kann verteidigt werden, wenn Sie ein großes Gerät mit einer niedrigen Schaltfrequenz herstellen, bei dem eine Einsparung von 0,2 bis 0,3 USD erheblich ist.

Infolgedessen habe ich diesen Optokoppler durch einen schnelleren, aber teureren und weniger beliebten ersetzt - TLP2362. Damit beträgt die Reaktionszeit der Reaktion 2 ... 6 μs.



Wie Sie sehen, ist die allgemeine Ideologie dieselbe geblieben, die Implementierung und die Komponenten haben sich ein wenig geändert. Als Stromsensor werden in einem ähnlichen Fall wie 2512 2 parallel geschaltete Shunts verwendet. Tatsächlich handelt es sich um 2 Präzisionswiderstände mit 1% Fehler, mehr fettgelöteten Bereichen und einer Verlustleistung von 3 W, die von Bourns hergestellt werden. In Geschäften in der Russischen Föderation kosten sie ungefähr 1 bis 1,5 US-Dollar, aber ich habe 1000 Stück bei LCSC bestellt, sie haben ihnen wahrscheinlich sofort eine Spule gekauft und der Restbetrag ist auf ihrer Website erschienen. Der Preis ist 0,05 US-Dollar oder 20-mal niedriger! Nehmen Sie ein Bad, während Sie auf Lager sind - Link . Normalerweise gibt es keine solchen spezifischen Komponenten im LCSC, sondern erscheinen nur, wenn jemand viel bestellt hat und der Laden sie gekauft und die Reste verkauft hat. Oder Sie müssen mehr als 100 solcher Shunts bestellen und dann bringen sie es für Sie.

Das Signal vom Stromsensor wird mit einem Operationsverstärker (Operationsverstärker) D5 verstärkt, der die Spannung bei 20 A auf 4 V erhöht. Bei Verwendung des D6-Komparators wird dieses Signal dann mit dem Referenzsignal verglichen. Wenn es darüber liegt, erscheint am Ausgang von D6 (Pin 1) die logische 1, die die LED im Optokoppler „leuchtet“. In diesem Fall hat der Optokoppler eine Inversion, dh wenn ihm ein log.1 zugeführt wird, gibt er am Ausgang ein log.0 aus, und um die D2- und D4-Treiber zu deaktivieren, die sie zum Senden eines log.1 an die Pins 3 benötigen, stellt sich heraus, dass das Signal für das, was angelegt wird, zurück invertiert werden muss Wechselrichter D8. Wenn am Schutzausgang ein Fehler auftritt, wird log.1 installiert und die Treiber werden ausgeschaltet. Während des normalen Betriebs ist der Ausgang Schutzprotokoll.0, sodass die Treiber normal arbeiten können.

Natürlich war es möglich, auf einen Wechselrichter zu verzichten und eine „vorläufige Inversion“ am Komparator zu implementieren, indem er etwas anders eingeschaltet wurde, so dass bei Überschreitung des Stroms log.0 ausgegeben wurde, dann log.1 am Optokopplerausgang vorhanden war und der Wechselrichter D8 aus der Schaltung entfernt werden konnte. Ich habe getan, um die Logik der Schutzarbeit für Anfänger verständlicher zu machen Diese Einbeziehung ist die offensichtlichste, und der Wechselrichter ist im Wesentlichen ein zusätzlicher Stromverstärker, was wichtig ist, weil Am Ausgang des Fehlersignals befinden sich eine LED, 2 Treiber-Mikroschaltungen und auch unser Mikrocontroller, oder Sie entscheiden sich, etwas anderes aufzuhängen, damit der aktuelle Spielraum hier nicht beeinträchtigt wird.

Der Einfachheit halber wurden außerdem 2 Jumper hinzugefügt. Die erste (auf der J1-Schaltung) dient dazu, das Signal mit Stromschutz zu deaktivieren. Standardmäßig ist dieser Jumper geschlossen und sendet ein Signal an den Treiber und den PWM-Controller / DSP. Wenn Sie aus irgendeinem Grund das Schutzsignal deaktivieren oder an einen anderen Stromkreis weiterleiten müssen, können Sie den Jumper entfernen. Die zweite (im J2-Diagramm) ist einfach die Ausgabe des verstärkten Signals vom Shunt, so dass es bequem ist, die Oszilloskopsonde oder das aktuelle Betriebssystem anzuschließen, obwohl die galvanische Trennung „verloren“ geht.

Änderung Nr. 4

Tatsächlich handelt es sich hierbei um eine Gruppe von Änderungen, die sich auf eine Änderung des Layouts und der Anschlüsse beziehen. Erstens wurde der Stecker zum Anschließen an die Steuerplatine von WF-6 auf BH-10 ersetzt, weil Letzteres ermöglicht es Ihnen, die Schlaufe genauer anzuordnen, und zum Zusammenbau der Schlaufe ist kein Löten oder listiges Crimpen erforderlich. Zweitens wurde der Kühler um 1 mm von den Transistoren wegbewegt, d. H. Um die Dicke der Keramikdichtung, weil In der ersten Überarbeitung wurde dies nicht berücksichtigt und ich musste die Beine der Transistoren ein wenig vergewaltigen, was nicht gut ist. Drittens wurden die Kondensatoren C7-C9 auf dem Leistungsbus um weitere 1 mm vom Kühler entfernt, jetzt beträgt der Abstand zwischen dem Kühler und den Kondensatoren 3 mm.

Die letzte Änderung ist für mich nicht kritisch, weil Der Kühler mit einem Nennstrom von 20 A erwärmte sich nicht über +65 ° C, aber mehrere Personen sprachen über dieses potenzielle Problem, weshalb beschlossen wurde, einen zusätzlichen Millimeter Textolit auszugeben.

Änderung Nr. 5

Dies ist wahrscheinlich keine Änderung, sondern lediglich eine alternative Version - diesmal wurde auch die Hochspannungsversion des Moduls hergestellt. Ein IPP65R225C7XKSA1-Transistor wurde verwendet, die C7-C9-Kondensatoren wurden in einem ähnlichen 22 × 25 mm-Gehäuse mit einer Kapazität von 100 uF bei 400 V verwendet. Auch in der Stromschutzschaltung können Sie nur einen Shunt installieren, dann beträgt sein Widerstand 4 mOhm, nicht 2, und dementsprechend beträgt die Stromabschaltung 10 A anstelle von 20.

Objektiv können 20A im Hochspannungsmodul nicht herausgedrückt werden, weil Die Größe des Kühlers erlaubt es nicht, so viel Wärme abzuleiten, und bei 10 A wurden sie erfolgreich in einem 3 kW Chastotnik-Layout getestet. Daher setzen wir 1 Transistor in das Hochspannungsmodul ein und wählen die Anzahl der Shunts bereits selbst aus. Wenn der Schutz auf 20 A eingestellt ist, wird im Prinzip auch ein Kurzschluss vermieden, und bei einem signifikanten Einschaltstrom wird er nicht verrückt. Außerdem verbietet niemand, 2 Schlüssel im Hochspannungsmodul auf und ab zu legen, der Ort ist nicht verschwunden.

Der Abstand zwischen dem DC / DC-Modul und dem Treiber wurde ebenfalls vergrößert, und der Platzbedarf des Moduls wurde ebenfalls festgelegt. Tatsache ist, dass ich anfangs das Modell des Modulgehäuses (SIP-7) von 3dcontent genommen und nicht überprüft habe. Es stellte sich als Fehler heraus - die Beine waren 1 mm weiter vom Gehäuserand entfernt als in der Realität, sodass das Modul in eine Presspassung geriet. Jetzt wurde das Modell repariert und der Abstand um 3 mm erhöht.

Leiterplattenbestellung

In der ersten Revision habe ich das Grundkonzept des Moduls und des Layouts ausgearbeitet. In der zweiten Revision wurde das Modul natürlich etwas geändert, aber nicht global. Daher wurde beschlossen, 50 Boards gleichzeitig zu bestellen, ein komplettes Set zusammenzustellen und mehrere Module an Freunde zu verteilen, um die Wiederholbarkeit und Überlebensfähigkeit in krummen Händen zu testen.



Für mich habe ich 5 Module zusammengebaut: 2 Niederspannungs- und 3 Hochspannungsmodule. Ich habe mir ein solches Set als „Entwicklungskit“ vorgestellt, weil Sie können damit nicht nur einen separaten Wandler zusammenbauen, sondern auch das gesamte Gerät nachahmen. Ich habe es beispielsweise bereits fließend an einem Spannungsstabilisator (3 Hochspannungshalbbrücken) an einem Frequenzumrichter getestet und arbeite jetzt an einem Wechselrichter, bei dem es sich um 2 Niederspannungsmodule handelt, um 24 V auf + -380 V zu erhöhen eine Brückenschaltung und eine Halbbrücke zum Zeichnen eines Sinus aus der bipolaren Spannung (ich habe vor, darüber zu schreiben). Wenn Sie also vorhaben, die Leistungselektronik gründlich zu studieren, bauen Sie das gleiche Kit zusammen und versuchen Sie es natürlich genug.



Ich habe Boards auf PCBway bestellt und dort die folgenden Preisschilder bekommen:



Es gibt 2 Kartensätze in der Reihenfolge, aber es ist ersichtlich, dass die Module selbst 64 US-Dollar kosten, dh jede Karte kostet 1,28 US-Dollar pro Stück. Die Lieferung kostet 13 US-Dollar für alles. Ich denke, wenn Sie den zweiten Satz Bretter wegwerfen, könnten Sie 10 US-Dollar für die Lieferung bezahlen. Die Gesamtkosten für Boards betrugen 1,48 USD / Stk. Sie können brennen und nicht verärgert sein))

Das nächste Mal möchte ich versuchen, PCBway und Boards sowie Komponenten und Installation zu bestellen. Es ist interessant zu sehen, ob es am Ende möglich sein wird, beim Kauf von Komponenten zu sparen. Im Gegensatz zu LCSC wird PCBway selbst über Digikey, Mauser und Pfeil gekauft (diese Distributoren sorgen für mehr Vertrauen), sodass Sie alles auf einmal kaufen können. In der gleichen Reihenfolge kamen Transistoren und Treiber vom Elektronikingenieur, der Rest mit LCSC ist unpraktisch und die Bezahlung von 3 Lieferungen (Gebühren + 2 Komponentenlager) ist unrentabel. Sie können 20 bis 30 US-Dollar sparen. Wenn es interessant ist, kann ich ein "Tutorial" zu diesem Verfahren schreiben und das Dokumentationspaket vorbereiten.

Wie bekomme ich ein Board?

Viele Leute fragten in PM danach und in den Kommentaren antwortete ich mit mehrdeutigem "später" und wehrte mich nur mit der Verteilung von Quellcodes, die am Ende der Artikel beigefügt waren. Leider war ich mir bei der ersten Revision nicht 100% sicher und bat darum, auf den Einlauf und die zweite Revision zu warten. "Revision Nummer zwei" ist eingetroffen und ich werde verschiedene Möglichkeiten beschreiben:

• Nehmen Sie die Quelle in Form von Gerber-Dateien und senden Sie sie an Ihren Lieblingshersteller. Ja, ich binde Sie nicht an eine bestimmte Produktion, alles ist offen und demokratisch. Vielleicht finden Sie niedrigere Preise oder möchten Boards aus den USA, nicht aus China. Wenn es irgendwo Schwierigkeiten mit der Bestellung gibt, können Sie mich auch fragen, ich werde versuchen zu helfen;
• Bestellen Sie mit einem Klick auf PCBway - bestellen . Die Qualität der Platinen, die Sie erhalten, ist auf den Fotos im Artikel zu sehen. Der Hersteller wird auch die Ausschnitte in den Platinen nicht durcheinander bringen, da andere Probleme hatten. Sie haben nur keine Isolationsschnitte unter den Treibern und DC / DC-Modulen vorgenommen.
• Ich habe noch ungefähr 30 Boards übrig, im Prinzip kann ich sie teilen. Die einzige Anfrage ist, dass, wenn Sie es selbst bestellen können, 5 Boards 12 US-Dollar inklusive Versand kosten. Wenn Sie aus irgendeinem Grund nicht selbst bestellen können, schreiben Sie - ich werde Sie per Post senden.

Quellen für das Leistungsmodul

Dieses Mal können Sie nicht nur das Schema in PDF- und Gerber-Dateien sehen, sondern auch das Quellprojekt in Altium Designer. Sie können Änderungen vornehmen oder Komponenten austauschen. Wenn Sie beispielsweise plötzlich Transistoren in den TO-247 einbauen möchten, setzen Sie diese ein, wenn Sie dies für erforderlich halten. Es gab viele Vorschläge und verschiedene Tipps in den Kommentaren, um sie alle objektiv umzusetzen, wird das nicht funktionieren, weil Manchmal widersprechen sie sich und ich habe überhaupt kein Auto. Jetzt haben Sie die Möglichkeit, alle Ihre Wunschliste selbst hinzuzufügen und allen zu zeigen, wie es geht.

• Schaltplan - PDF
• Komponentenliste (BOM) - Excel
• PCB Gerber Files - RAR
• Quellen in Altium Designer - RAR