¿Qué es la electrónica de potencia? Sin duda, ¡este es el mundo entero! Moderno y lleno de confort. Mucha gente piensa en la electrónica de potencia como algo "mágico" y distante, pero mira a nuestro alrededor: casi todo lo que nos rodea contiene un convertidor de potencia: una fuente de alimentación para computadora portátil, una lámpara LED, UPS, varios reguladores, reguladores de voltaje, medidores de frecuencia (IF) ) en la ventilación o ascensor y mucho más. La mayor parte de este equipo hace que nuestra vida sea cómoda y segura.
Por varias razones, el desarrollo de la electrónica de potencia es una de las áreas más difíciles de la electrónica: el precio del error es muy alto, mientras que el desarrollo de convertidores de potencia siempre ha atraído a los amantes, los trabajadores de bricolaje y no solo. ¿Seguramente querías construir una poderosa fuente de alimentación para tu proyecto? ¿O tal vez UPS en línea por un par de kW y no quebrar? ¿O tal vez un chastotnik en el taller?
Hoy hablaré sobre mi pequeño proyecto abierto, o más bien sobre su parte, que permitirá a cualquiera que quiera ingresar al mundo del desarrollo de la electrónica de potencia y al mismo tiempo mantenerse con vida. Como demostración de las posibilidades, mostraré cómo ensamblar un inversor de voltaje de 12 V CC a 230 V CA con una salida sinusoidal en 15 minutos. Intrigado? Vamos!
Razones del proyecto
En los últimos años, el desarrollo de convertidores de potencia ha representado alrededor del 90% de mis pedidos, los principales costos de mano de obra se destinan principalmente al desarrollo de software y creación de prototipos, el diseño de circuitos + el seguimiento final de la placa del costo total generalmente no es más del 10-15%. Aquí llega el entendimiento de que el proceso de creación de prototipos, que incluye el desarrollo de software, debe reducirse y optimizarse de alguna manera.
Hay al menos dos opciones como siempre: comprar depuración ya preparada, por ejemplo, de Texas Instrumets o Infineon, pero generalmente están diseñados para una tarea específica y cuestan de $ 500 a $ 5,000, mientras que no hay garantía de que habrá un pedido similar y esta inversión con alta probabilidad es fácil no valdrá la pena
La segunda opción es hacerlo usted mismo, pero hacerlo a fondo es casi lo mismo que lanzar "+1 revisión de hierro", lo que generará gastos adicionales para el cliente. Si no se hace a fondo, entonces, como siempre, todo estará en mocos y en algún lugar algo se caerá y hasta el diseño, los componentes y el tiempo.
Después de un tiempo, llamé la atención sobre la solución más obvia. Es tan simple y obvio que durante mucho tiempo me pregunté por qué el mismo TI o Infineon aún no lo habían hecho. Ahora contaré sobre mi "iluminación".
Veamos algunas de las topologías de convertidor de potencia más populares:
Ahora mira cuidadosamente de nuevo. Pinté específicamente sin flejes, solo los componentes clave para hacerlo más claro. ¿Qué tienen en común estas topologías? Lo primero que llama la atención es una serie de puntos comunes:
- Todas las topologías incluyen los componentes principales: condensadores, transistores e inductancia (inductor o transformador). Estas son 3 ballenas de electrónica de potencia;
- Los transistores se activan en todas partes del mismo modo y forman el llamado "medio puente". Casi todas las topologías de convertidor se crean a partir de él;
- La opción de encender el acoplador de medio puente + condensador no cambia en todas las topologías. El tipo de inductancia y las opciones para activar los medios puentes están cambiando.
A partir de esto, podemos concluir que al tener un cierto módulo estándar en forma de medio puente + condensador acoplado, puede construir cualquier convertidor agregando solo el inductor o transformador necesarios. Por lo tanto, la solución obvia para simplificar la creación de prototipos fue la creación de dicho módulo:
La lucha entre el bien y el mal.
Desafortunadamente, un número limitado de horas por día y la pereza banal dictan sus condiciones. Llegué a la necesidad de hacer este módulo hace un año, pero la implementación se transfirió constantemente bajo el lema:
"¡Definitivamente lo haré el próximo fin de semana!" .
Quizás la idea hubiera quedado en el estante, si no fuera por 2 eventos. En primer lugar, 2 clientes vinieron a mí en un mes y todos querían un convertidor que fuera complejo e interesante de implementar, y lo más importante, estaban listos para pagar muy bien. Aunque teniendo en cuenta que él es de Europa, puede haber resultado barato para ellos)) Ambos proyectos fueron interesantes para mí, por ejemplo, uno de ellos era un "regulador de voltaje trifásico con aislamiento galvánico (sic!)", Es decir, un trifásico PFC + 3 convertidores de puente (desfasados) + rectificador síncrono + inversor trifásico. Todo esto en SiC y muy compacto. En general, tomé 2 pedidos grandes, cada uno de ellos ~ 800 horas hombre y un período de 6 meses. Como resultado, me "obligaron" a buscar formas de optimización.
En segundo lugar, los muchachos de la compañía
PCBway me escribieron inesperadamente, muchos probablemente les pidieron tableros y se ofrecieron a cooperar. Apoyan muy activamente los proyectos de hardware abierto, es decir, la propia iniciativa de CERN - Open Source Hardware. La cooperación es simple, comprensible para ambas partes: me proporcionan tableros gratuitos para mis proyectos, y los abro y los coloco en su sitio web, en otros lugares ya por solicitud. Para mí se convirtió en una motivación adicional, y lo más importante, mi conciencia está clara, porque He estado ordenando tableros para prototipos durante varios años, y para la producción en masa, les cuento a amigos y socios sobre ellos. Ahora, para esto, también tengo un bollo en forma de tableros gratuitos para pequeños proyectos, a menudo puede escribir en el centro))
Y luego se rompió el hielo, se decidió crear no solo el módulo descrito anteriormente, sino un conjunto completo del desarrollador de electrónica de potencia y hacerlo abierto y accesible para todos.
Estructura del proyecto
Al comienzo del artículo, mencioné que hoy solo le contaré una parte: este es el
módulo de alimentación del medio puente . Solo le permite crear un convertidor simplemente atornillando un circuito de control, por ejemplo, depurando STM32-Discovery, Arduino, TMS320, TL494 o lo que sea que tenga allí. No hay enlace a ninguna plataforma o MK en absoluto.
Solo que este no es todo el proyecto, sino parte)) ¿En qué consiste el convertidor de potencia terminado? En primer lugar, la unidad de potencia necesita un cierto módulo de control para funcionar, para comprender lo que está sucediendo, necesita una indicación, y para comprender lo que está sucediendo desde una distancia segura, también necesita una interfaz, por ejemplo, Modbus RTU o CAN.
Como resultado, la estructura general del proyecto se ve así:
Probablemente en el futuro también escribiré un programa para calcular transformadores y choques, tanto convencionales como planos. Hasta ahora Las diferentes partes del diagrama en forma de borrador ya se han implementado y se ejecutan en dos proyectos, después de modificaciones menores, los artículos también se escribirán en ellos y el código fuente estará disponible.
Módulo de potencia de medio puente
Ahora es el momento de mirar más de cerca al héroe de hoy. El módulo es universal y le permite trabajar con transistores Mosfet e IGBT, tanto interruptores de bajo voltaje como de alto voltaje de hasta 1200V.
Características del módulo:- Aislamiento galvánico del lado de control (digital) del poder. Tensión de ruptura del aislamiento 3 kV;
- Las teclas superior e inferior son independientes, cada una tiene su propio controlador con aislamiento galvánico y CC / CC con aislamiento galvánico;
- Se aplica el controlador moderno de Infineon - 1EDC60I12AHXUMA1. La corriente de apertura / cierre de pulso es 6A / 10A. Frecuencia máxima: 1 MHz (probado hasta 1,5 MHz de forma estable);
- Protección de corriente de hardware: shunt + op-amp + comparador + optoacoplador;
- La corriente máxima es de 20A. No está limitado por las teclas, sino por el tamaño del radiador y el grosor de los polígonos de cobre.
La primera revisión del módulo aparece en el artículo, está en pleno funcionamiento, pero habrá una segunda revisión, en la que se eliminarán los defectos puramente de diseño y los conectores se reemplazarán por otros más convenientes. Después de completar la documentación, arrojó el gerber en PCBway y después de 6 días, el servicio de mensajería llamó a mi puerta y me entregó tal encanto:
Una semana después, los
perros finalmente trajeron componentes de una hermosa tienda doméstica. Como resultado, todo fue montado:
Antes de continuar, veamos el diagrama del circuito del módulo. Puede descargarlo aquí -
PDF .
No hay nada complicado ni mágico. El medio puente habitual: 2 llaves en la parte inferior, 2 en la parte superior, puede soldar una a la vez. El conductor, como se escribió anteriormente de la familia 1ED, es muy malvado e inmortal. En todas partes de la alimentación hay una indicación, que incluye + 12V en la salida de CC / CC. La protección se implementa en el elemento lógico AND, si se excede la corriente, el comparador emitirá + 3.3V, iluminarán el optoacoplador y extraerá una de las entradas AND al suelo, lo que significa que el establecimiento de log.0 y la señal PWM de los controladores desaparecerán. Y con 3 entradas se han utilizado específicamente, en la próxima revisión planeo hacer protección contra el sobrecalentamiento por el radiador e iniciar la señal de error allí también. Todas las fuentes estarán al final del artículo.
Montamos el diseño del inversor
Durante mucho tiempo pensé en cómo demostrar el funcionamiento del módulo, para que no fuera muy aburrido, útil y no muy difícil, para que cualquiera pudiera repetirlo. Por lo tanto, me detuve en un inversor de voltaje, están acostumbrados a trabajar con paneles solares, si algo huele en el lado de bajo voltaje, no da miedo, pero en el lado de alto voltaje, justo cuando lo enciende, no ponga las manos en él.
El inversor en sí es vergonzosamente simple, por cierto, MAP Energy está fascinado así, aquí hay un ejemplo de incluso la implementación comercial de esta idea. El trabajo del inversor es formar una variable sinusoidal con una frecuencia de 50 Hz a partir de un voltaje de 12V CC, porque es con esto que un transformador convencional a 50 Hz está acostumbrado a trabajar. Utilizo algún tipo de soviético, como OSM, bobinado de fábrica de 220V y se usa como secundario, y el primario ~ 8V está enrollado con un bus de cobre. Se ve así:
¡Y este monstruo tiene solo 400 vatios! El peso del transformador es de aproximadamente 5-7 kg, según las sensaciones, si lo deja caer sobre su pierna, definitivamente no serán llevados al ejército. En realidad, esta es la desventaja de los inversores con transformadores de "hierro", son enormes y pesados. Su ventaja es que estos inversores son muuuy simples, no requieren ninguna experiencia para crearlos y, por supuesto, son baratos.
Ahora conectemos los módulos y el transformador. De hecho, el módulo para el desarrollador debe presentarse simplemente como una "caja negra" que tiene una entrada de 2 PWM y 3 salidas de potencia: VCC, GND y la salida de medio puente.
Ahora, de estas "cajas negras", dibujemos nuestro inversor:
Sí, solo tomó 3 elementos externos: un transformador + filtro LC. Para este último, hice un estrangulamiento simplemente enrollando el cable del módulo al transformador en un anillo de material Kool Mu, tamaño R32 con una permeabilidad de 60 y una inductancia de aproximadamente 10 μH. Por supuesto, el acelerador debe calcularse, pero necesitamos 15 minutos)) En general, si maneja algo así a 400 W, entonces necesita un anillo de tamaño R46 (este es el diámetro exterior). Capacitancia: película de 1-10 uF, esto es suficiente. De hecho, no puede configurar el condensador como una economía, porque la capacidad del devanado del transformador es saludable ... en general, los chinos y el MAP hicieron exactamente eso)) El inductor se ve así:
Queda por lanzar una carga de prueba en la salida, tengo un par de bombillas LED de 20 W (nada más a la mano), ellos mismos comen 24 W, sin embargo, la eficiencia. Además, la corriente de circuito abierto del transformador es de aproximadamente 1A. Con batería comerá unos 5A. Como resultado, tenemos tal soporte:
Además, el diseño utiliza la batería Delta HR12-17, respectivamente, a 12V y con una capacidad de 17 A * h. Controlaremos el convertidor desde la placa de depuración STM32F469-Discovery.
Código
Inicialmente, estaba planeado usar mi STM32VL-Disco, que se recibió en la exposición en 2010, para el control, pero sucedió que fue en este diseño que estaba destinado a morir cuando se escribió todo el código y se lanzó el diseño. Olvidé las sondas de osciloscopio y combiné 2 tierras, amén. Como resultado, todo se reescribió en STM32F469NIH6, fue esta depuración la que estaba a la mano, por lo que habrá 2 proyectos: para F100 y para F469, ambos verificados. El proyecto está construido para TrueSTUDIO, la versión eclipse de ST.
Código de tela para los pies#include "main.h" uint16_t sinData[240] = {0,13,26,39,52,65,78,91,104,117,130,143,156,169,182,195,207,220,233,246,258,271,284,296,309,321,333,346,358,370, 382,394,406,418,430,442,453,465,477,488,500,511,522,533,544,555,566,577,587,598,608,619,629,639,649,659,669,678,688,697, 707,716,725,734,743,751,760,768,777,785,793,801,809,816,824,831,838,845,852,859,866,872,878,884,891,896,902,908,913,918, 923,928,933,938,942,946,951,955,958,962,965,969,972,975,978,980,983,985,987,989,991,993,994,995,996,997,998,999,999,999, 999,999,999,998,997,996,995,994,993,991,989,987,985,983,980,978,975,972,969,965,962,958,955,951,946,942,938,933,928,923, 918,913,908,902,896,891,884,878,872,866,859,852,845,838,831,824,816,809,801,793,785,777,768,760,751,743,734,725,716,707, 697,688,678,669,659,649,639,629,619,608,598,587,577,566,555,544,533,522,511,500,488,477,465,453,442,430,418,406,394,382, 370,358,346,333,321,309,296,284,271,258,246,233,220,207,195,182,169,156,143,130,117,104,91,78,65,52,39,26,13,0}; uint16_t sinStep; uint8_t sinStatus; void StartInitClock (void) { RCC->CR |= RCC_CR_HSEON;
En general, en otro artículo, describió en detalle y claramente cómo generar una señal sinusoidal, cómo escribir código, etc. Puedes leerlo
aquí .
Has leído ¿Quieres coleccionar? Mantener el proyecto:
Ejecutamos el código, nos armamos con un osciloscopio y seguimos adelante. En primer lugar, verificamos la presencia de una señal en la entrada de los controladores, debería ser así:
Vale la pena señalar que doy 2 señales dibujando un seno en un medio puente (módulo) y 50 Hz en 2 señales. Además, una diagonal es "rojo + amarillo" y la otra es "azul + verde". En el artículo que di arriba, esto está escrito en detalle, si de repente no lo entiendes. Ahora, cuando llegaron las señales, pusimos tanto medio puente + 12V como GND desde la fuente de alimentación del laboratorio. Inmediatamente la batería no avisa, si comete un error en algún lugar, entonces algo se puede quemar. La protección en el tablero salva de sobrecorriente, pero no de jambas obvias, cuando el más y el menos se mezclan, pero el técnico de laboratorio ahorra. 12V y 1A son suficientes para las pruebas. Llevamos la sonda del osciloscopio, su cable de tierra a la salida del primer medio puente, y la sonda en sí a la salida del otro medio puente, y debería haber una imagen así:
¿Dónde está el seno que preguntas? El hecho es que la resistencia de entrada del osciloscopio es grande y no constituye una carga, por lo que la corriente no fluye y no hay de dónde obtener el seno. Agregue una carga, hice una carga de 90 ohmios a partir de resistencias de 10 ohmios simplemente encendiendo 9 piezas en serie. Conectamos la carga a las salidas de los medios puentes y vemos la siguiente imagen:
¿Tienes lo mismo? Así que es hora de conectar el inductor, el transformador, la carga e intentar arrancar.
Achtung! No puede encender este modelo sin carga, porque en inactivo, la salida puede ser de hasta 350 ... 380V. Para que esto no necesite una carga o sistema operativo. No tendremos el último, este es el tema de un artículo separado, puede, como opción, fijar el controlador P más simple, ya tiene una plantilla de proyecto.
Inclusión
Después de encenderlo, obtenemos aproximadamente 230V en la salida, la salida ciertamente no está estabilizada y flotará 230V + -30V, para las pruebas se irá, en otro artículo finalizaremos el diseño cuando decida hablar sobre los controladores P y PI y su implementación.
Ahora puede disfrutar del resultado del trabajo y, si es necesario, poner todo en una caja e incluso aplicarlo en la granja o en el país para proporcionarle luz y otras comodidades.
Probablemente haya notado un retraso entre el "clic", es decir, encender el Discovery y encender las lámparas; este es el tiempo que el MK pasó en la inicialización. Este retraso puede reducirse escribiendo un solo dígito en el registro de una vez, en lugar de dividir la entrada del registro en un montón de líneas. Lo aplasté solo con fines ilustrativos. Aunque esto no da miedo, con el código HAL, el retraso es 3 veces más largo y la gente de alguna manera vive con él))
Hasta que lo olvidé, la fuente del proyecto:
- Diagrama esquemático - PDF
- BOM - Excel
- Gerber-archivos - RAR
Queda por ver cómo es con las temperaturas en el tablero, si hay puntos particularmente calientes. 5-6A ciertamente no es suficiente, pero si hay una corriente continua o algún error grave, entonces es suficiente para convertir la placa en un hervidor de agua:
Como puede ver, el elemento más caliente es el módulo de CC / CC para aislamiento galvánico, que es de 2 vatios, se calienta hasta 34 grados, bueno, también una derivación. Los transistores y el radiador tienen una temperatura ambiente después de 30 minutos de funcionamiento del convertidor))
Gracias y planes
En un futuro próximo planeo escribir sobre la placa DSP y administrarla no desde el descubrimiento de depuración, sino desde el módulo "especializado". Los tableros de la segunda revisión le llegaron desde el mismo PCBway, espero los componentes e inmediatamente escribo.
Espero que hayan disfrutado el artículo y la idea en sí. En el futuro, en los mismos módulos mostraré cómo ensamblar un chastotnik, un controlador mppt o tal vez algo más interesante. Si tiene preguntas, no dude en hacerlas en los comentarios o en PM, si de repente no tiene una cuenta completa, intentaré responder todas las preguntas.
Ahora, gracias a
PCBway , es realmente muy bueno que admitan el motor de código abierto. Pronto, los fabricantes de hardware pueden incluso ponerse al día con los escritores de software en términos de cantidad y calidad de proyectos de código abierto.
