PWD13F60 + STM32F4: 1 kW इन्वर्टर आपकी जेब में

डीसी / एसी कन्वर्टर्स के सिद्धांतों के बारे में एक लेख लिखने के बाद, टिप्पणियों में बहुत से लोगों ने हार्डवेयर में इस विचार के कार्यान्वयन का एक उदाहरण पूछा। मैंने वादा किया, यदि संभव हो तो, उन्हें कुछ दिलचस्प के साथ खुश करने के लिए, और यह अवसर मेरे लिए गिर गया। इसलिए, यह लेख मुख्य रूप से उन लोगों के लिए समर्पित है जो "लोहा" को तरस गए थे।

कुछ हफ़्ते पहले, मेरे एक दोस्त, यह जानते हुए कि मैं पावर इलेक्ट्रॉनिक्स से प्यार करता हूं, ने मुझे एक संदेश फेंक दिया जिसमें STMicroelectronics से एक विज्ञापन लिंक था। इस लिंक ने पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में ST से एक नए समाधान के बारे में बात की - PWD13F60 । "पावर इलेक्ट्रॉनिक्स" की मेरी अवधारणा मुख्य रूप से TI, Infineon, Linear के साथ जुड़ी हुई है, लेकिन ST के साथ नहीं। "पावर" निर्माता के रूप में एसटी का मेरा दृष्टिकोण पहली बार गिर गया जब एक महान नियंत्रक बाहर आया - STSPIN32F0। दूसरी बार मैंने अभी देखा।

PWD13F60 QFN के समान एक मामले में एक चिप है, जिसमें पहले से ही एक पूर्ण पुल है, अर्थात 4 उच्च वोल्टेज वाले मोसफेट, साथ ही साथ उनके लिए ड्राइवर। पहला विचार, जब मैं डेटशीट से परिचित हुआ: "ओह, यह आपकी जेब में एक किलोवाट है!", इसलिए लेख का नाम। मैं वास्तव में विभिन्न डिबग बोर्डों को पसंद नहीं करता और किसी भी तरह के "मुकाबला" प्रोजेक्ट को तुरंत करना पसंद करता हूं। इस लेख के नायक के आधार पर, एक डीसी / एसी इन्वर्टर बनाने का निर्णय लिया गया था।

मैंने लेख को दो भागों में तोड़ने का फैसला किया: सर्किटरी और कोड। आज मैं सर्किटरी समाधान के बारे में बात करूंगा, पुस्तकालयों, डिजाइन और पहले छापों को साझा करूंगा। दूसरे भाग में, हम उन प्रबंधन सिद्धांतों को लागू करते हैं जो मेरे पहले लेख में वर्णित थे।

तकनीकी विनिर्देश PWD13F60

इस मॉड्यूल के साथ खुद को परिचित करते समय पहली बात जिस पर आप ध्यान देते हैं, वह है हाई वोल्टेज। एकल चरण नेटवर्क वोल्टेज (220V एसी / 310 वी डीसी) के साथ काम करने के लिए वास्तव में कॉम्पैक्ट, एकीकृत समाधान नहीं हैं। मुझे GaN ट्रांजिस्टर के आधार पर TI से समाधान मिला - LMG3410, मुझे यह वास्तव में पसंद आया, लेकिन दुर्भाग्य से यह अभी तक आधिकारिक बिक्री पर नहीं आया है और लगभग एक साल से "पूर्वावलोकन" चरण में वजन कर रहा है। हां, TI से समाधान सभी मामलों में बेहतर है, लेकिन अगर आप मॉड्यूल नहीं खरीद सकते हैं तो इसका क्या फायदा है? काश और आह ... इसलिए, मुझे एसटी से मॉड्यूल में बहुत दिलचस्पी थी! हां, यह साधारण सिलिकॉन पर है, हां इसमें थोड़ा कम करंट है, और हां 1+ मेगाहर्ट्ज पर इस पर कुछ बनाना संभव नहीं है, लेकिन यह इतना डरावना नहीं है, बल्कि मेरी नाइट-पिकिंग है। सिलिकॉन पर आधुनिक मच्छरों को बारीकी से GaN से मिलाया जाता है, और 1+ मेगाहर्ट्ज की आवृत्तियों अब तक स्पष्ट विदेशी हैं: महंगी और शायद ही जरूरत है।

चलो PWD13F60 पर डेटाशीट खोलें और इसकी मुख्य विशेषताओं से परिचित हों:

• नाली-स्रोत वोल्टेज: 600 वी
• ओपन चैनल प्रतिरोध: 0.32 ओम
• अधिकतम चैनल वर्तमान (25 ^ओ सी पर): 8 ए
• अधिकतम चैनल वर्तमान (100 ^ओ सी पर): 6.9 ए
• अधिकतम वृद्धि वर्तमान: 32A
• तर्क स्तर प्रबंधन: 3.3 और 5 वी
• शटर चार्ज: 26 एनसी
• आंतरिक डायोड वसूली समय: 93 एन एस

TTX डेटा को देखते हुए, कई निष्कर्ष निकाले जा सकते हैं। सबसे पहले, 600V का वोल्टेज आपको अधिकांश टोपोलॉजी को लागू करने की अनुमति देता है: पूर्ण पुल, आधा पुल, एलएलसी आधा पुल, चरण-स्थानांतरण पुल और अन्य। दूसरे, 8 ए का अधिकतम चैनल वर्तमान आपको 1000 वाट की रेटेड शक्ति के साथ एक कनवर्टर बनाने की अनुमति देता है। तीसरा, 320 mOhm का चैनल प्रतिरोध एक अच्छा संकेतक है, हालांकि यह बेहतर हो सकता है। चौथा, गेट कैपेसिटेंस और तकनीकी डायोड की गति गुंजयमान टोपोलॉजी के उपयोग के बिना भी 200-300 kHz की सीमा में प्राप्त करना संभव बनाती है। पांचवें, आप एमके के टर्मिनलों से सीधे मॉड्यूल को नियंत्रित कर सकते हैं, जो बहुत सुविधाजनक है और सर्किट को सरल करता है।

यह पता चला है कि हमारे पास एक बहुत अच्छा मॉड्यूल है जो आपको कई समस्याओं को हल करने की अनुमति देता है। यह समझा जाना चाहिए कि 1000 डब्ल्यू डीसी / एसी कनवर्टर के लिए प्राप्त करने योग्य है, यदि आप 85-265V की एक सार्वभौमिक श्रेणी के साथ एक पुल डीसी / डीसी चाहते हैं, तो आपको ऐसी शक्ति नहीं मिलेगी। 85V के इनपुट के साथ, आप बस अधिकतम करंट मारते हैं और क्रिस्टल को ठंडा करते हैं। आप निश्चित रूप से एक सार्वभौमिक इनपुट और अत्यंत छोटे आयामों के साथ 300 डब्ल्यू स्विचिंग बिजली की आपूर्ति का निर्माण कर सकते हैं।

सर्किट

अपने परीक्षण बोर्ड के सर्किट्री पर विचार करने के लिए आगे बढ़ने से पहले, मैं उन लोगों को बचाना चाहूंगा जो भविष्य में इस मॉड्यूल का उपयोग भारी दर्द से करेंगे, अर्थात् एक 3D मॉडल और पदचिह्न बनाने से। मैं उन लाइब्रेरी घटकों को लागू करता हूं जो मैंने बोर्ड डिजाइन प्रक्रिया के दौरान बनाए थे - उन्हें हार्डवेयर के एक वास्तविक टुकड़े में जांचा जाता है और उनमें त्रुटियां नहीं होती हैं:

• PWD13F60 मॉड्यूल आवास सॉलिड वर्क्स और STEP में - यहाँ
• Altium डिजाइनर के लिए पदचिह्न - यहां

मामला इस तरह दिखता है:



अब इस मॉड्यूल का उपयोग शुरू करने के लिए आपके लिए कोई बाधा नहीं है। हम सर्किटरी की ओर मुड़ते हैं। सभी मुख्य नोड्स जो डेवलपर के लिए समस्याएं पैदा कर सकते हैं, पहले से ही मामले के अंदर "छिपी" हैं और सही ढंग से "तैयार" हैं, आपको बस नियंत्रण लागू करना होगा। वैसे, यह मॉड्यूल न केवल वोल्टेज कन्वर्टर्स बनाने की अनुमति देता है, बल्कि मोटर्स को भी नियंत्रित करता है - यह आवेदन का एक और क्षेत्र है, मुझे लगता है कि सीएनसी मशीन टूल्स और रोबोटिक्स के प्रेमी इसे बहुत उपयोगी पाएंगे।

न्यूनतम बाध्यकारी जिसे शुरू करना आवश्यक होगा: पावर कैपेसिटर की एक जोड़ी, बूटस्टेप ड्राइवर कैपेसिटर की एक जोड़ी और एक PWM नियंत्रक, मेरे मामले में यह STM32F410 है। सब कुछ सरल लग रहा है, लेकिन मेरी राय में एक सुपर महत्वपूर्ण माइनस है - मॉड्यूल के अंदर शॉर्ट-सर्किट सुरक्षा सर्किट नहीं हैं! वे कुछ ऐसा नहीं है जो नहीं है, लेकिन ड्राइवरों के आपातकालीन स्टॉप का आउटपुट प्रदान नहीं किया गया है। वैसे, टीआई मॉड्यूल की शॉर्ट सर्किट सुरक्षा नहीं थी। मेरे लिए, यह एक रहस्य है कि क्रिस्टल पर अन्य 2 तुलनित्रों को धक्का देना असंभव क्यों था, जो बाहरी शंटों पर करंट को मापता है और चालक को रोक देता है ...

यह कमी हमें शॉर्ट सर्किट के खिलाफ सबसे तेजी से संभव हार्डवेयर सुरक्षा का एहसास करने की अनुमति नहीं देती है। किसी भी मामले में, हमें पीडब्लूएम नियंत्रक को अतिरिक्त करंट के बारे में संकेत देना होगा और पीडब्लूएम उत्पन्न करके ऑपरेशन को ठीक से रोकना होगा। यह रक्षा की प्रतिक्रिया समय में काफी वृद्धि करता है, और जब डीएसपी या एमके का उपयोग थोड़ी सी "हैंग" या देरी से किया जाता है, तो तत्काल ब्रॉड हो जाएगा।

यहां आप दो तरीकों से जा सकते हैं - अपने स्मार्ट कोड पर भरोसा करने या पीडब्लूएम नियंत्रक और पावर मॉड्यूल के बीच एक तार्किक बफर लगाने के लिए, जो सुरक्षा को अक्षम कर देगा। दूसरा विकल्प बेहतर है, लेकिन सर्किटरी को जटिल करता है और फिर भी एक अतिरिक्त देरी का परिचय देता है, हालांकि डीएसपी / एमके के माध्यम से काम की तुलना में काफी कम है। मैंने माना कि बुरा विकल्प चुना गया है और मुझे अपने "परफेक्ट" कोड की उम्मीद है। सबसे पहले, यह सिर्फ एक डिबगिंग बोर्ड के साथ खेलने के लिए है, इसलिए इस पर कुछ भी निर्भर नहीं करता है और आप अपने आप को इस तरह की स्वतंत्रता की अनुमति दे सकते हैं। दूसरे, मेरे पास एमके (पीआई नियंत्रक + साइन पीढ़ी) के अंदर सबसे सरल कोड होगा, इसलिए मैं सभी महत्वपूर्ण नोड्स को आसानी से ट्रैक कर सकता हूं। यह संभावना नहीं है कि एक बड़े, पूर्ण विकसित परियोजना में भी ऐसा करना संभव होगा, हालांकि यह डेवलपर की योग्यता पर निर्भर करता है, लेकिन मैं निश्चित रूप से नहीं करता हूं।

मैंने भवन सुरक्षा के मानक मार्ग का अनुसरण किया: शंट + ऑप-एम्प + रिपीटर। मैंने अपने op-amp के दूसरे चैनल को एक पुनरावर्तक के रूप में उपयोग किया। यहाँ, वैसे, एक और माइनस है - यदि आपका काम एक सुपर-कॉम्पैक्ट समाधान करना है, तो वर्तमान सुरक्षा नोड्स कीमती जगह ले लेंगे। नतीजतन, मुझे ऐसी सरल योजना मिली (मैं आपको पीडीएफ देखने की सलाह देता हूं, चित्र क्लिक करने योग्य है):

• पीडीएफ प्रारूप - यहाँ
• Altium डिजाइनर के लिए शीट - यहाँ

चूँकि यह उपकरण विशेष रूप से इस मॉड्यूल के परीक्षण के लिए बनाया गया था, इसलिए आरेख पूरी तरह से न्यूनतम है: माइक्रोकंट्रोलर STM32F410 + PWD13F60 + DC / DC, जो कि प्रारंभ करनेवाला से डिजिटल भाग + LC फ़िल्टर और 2.2 μF / वर्तमान सुरक्षा + OS वोल्टेज पर फिल्म की आपूर्ति के लिए। बस इतना ही। यह योजना रूपांतरण को लागू करती है, उदाहरण के लिए, एक संशोधित नेटवर्क से 310V, 220V पर वापस। यदि आप एक नौसिखिया डेवलपर हैं या बहुत अनुभवी शौकिया नहीं हैं, तो मैं आपको दृढ़ता से सलाह देता हूं कि आप पहले सभी एल्गोरिदम को 12-40 वी पर चलाएं और उसके बाद ही सॉकेट में प्रहार करें। यह आपको जले हुए मॉड्यूल्स पर नहीं टूटने देगा और संभवतः जीवित रहेगा।

वर्तमान सुरक्षा दोहरे ऑप्स डी 2 और डी 3 - ओपीए 2337 पर कार्यान्वित की जाती है । वे तेज़ हैं और आपको 400-600 kHz तक की आवृत्तियों पर OS सर्किट के पूर्ण संचालन का एहसास करने की अनुमति देते हैं। ऑप-एम्पी की पहली छमाही शंट से संकेत को बढ़ाती है, और दूसरी छमाही वोल्टेज अनुयायी के रूप में कार्य करती है।

सर्किट बोर्ड

सर्किट के मामले में - मुद्रित सर्किट बोर्ड का डिज़ाइन समीक्षा के लिए खुला और उपलब्ध है। आप यहां Altium डिजाइनर के लिए PCB फाइल डाउनलोड कर सकते हैं । यह एक विशेष कृति होने का दिखावा नहीं करता है, क्योंकि एक दो घंटे में डिज़ाइन किया गया था, लेकिन बुनियादी रूप में थर्मल गणना और मॉडलिंग कोमसोल में किया गया था - कोई ज़्यादा गरम नहीं होगा, लेकिन आपको अभी भी मॉड्यूल पर एक छोटा एल्यूमीनियम रेडिएटर लगाने की ज़रूरत है यदि आप 4-5 ए से अधिक का करंट हटाने जा रहे हैं। उन्होंने उन्हें कम करने के लिए बाद के अनुकूलन के साथ परजीवी प्रेरणों की बुनियादी गणना और मॉडलिंग भी की। मुद्रित सर्किट बोर्ड का आयाम 100x45 मिमी निकला, जो 1000 डब्ल्यू कनवर्टर के लिए बहुत अच्छा है, खासकर जब आप मानते हैं कि यहां कोई चाल और उच्च आवृत्तियों की आवश्यकता नहीं है।





बोर्ड दो-परत, रेशम-स्क्रीन प्रिंटिंग और केवल ऊपरी परत पर घटक हैं। मैंने पीसीबीवे पर मुद्रित सर्किट बोर्डों का आदेश दिया और उन्हें डाक द्वारा 10 टुकड़ों के लिए $ 14 का खर्च आया:


मैंने यह नहीं कहा कि घटक कितने निकले, क्योंकि मैंने कई अलग-अलग परियोजनाओं के लिए आदेश दिया, लेकिन $ 20-25 के बारे में कुछ $ 9 में PWD13F60 मॉड्यूल की लागत थी । मुझे लगता है कि आपने पहले से ही उनके लिए 4 मस्जिदों और 2 ड्राइवरों की लागत की गणना की है और महसूस किया है कि यह मॉड्यूल एक बहुत ही लाभदायक समाधान है।

मैंने पीएम इलेक्ट्रॉनिक्स के माध्यम से माउज़र के साथ सभी घटकों का आदेश दिया, वे उन्हें जल्दी से ले जाते हैं और धोखा दिए बिना, अपार्टमेंट में कूरियर डिलीवरी मुफ्त होती है, इसलिए हम इसे सलाह देते हैं। विशिष्ट घटकों में कौन रुचि रखता है - आरेख के साथ फाइल में, प्रत्येक घटक में एक भाग संख्या और एक लिंक (घटकों पर होवर और एफ 1 दबाएं, यह खुलता है)।

अलग से, मैं स्थापना के लिए कहूंगा। मैं PWD13F60 के मामले को लेकर थोड़ा चिंतित था, क्योंकि पदचिह्न अपने आप में रन-इन नहीं था और एक टांका दोष की संभावना शर्मनाक थी। मैंने एक हेयर ड्रायर के साथ नहीं, बल्कि स्टोव में सुनिश्चित करने के लिए मिलाप का फैसला किया। Ersa प्रवाह और चीन से एक अच्छा पेस्ट ने अपना काम किया - यहां तक ​​कि एक बहुत सटीक स्थापना के साथ भी नहीं, चिप खुद को सतह तनाव बलों के कारण केंद्रित किया गया था, सौभाग्य से एसटी के लोगों ने मामले को पूरी तरह से सममित बना दिया, एक जटिल आकार के बावजूद। चूंकि मैं प्रयोग कर रहा था, इसलिए मैंने भट्ठी में सब कुछ टांका लगाना शुरू नहीं किया, ताकि बोर्ड को मारने के मामले में मुझे सब कुछ मिलाप न करना पड़े - मैंने पीडब्ल्यूडी 13 एफ 60, एसटीएम 32 एफ 410 और भट्ठी में डीसी / डीसी 12-3.3 वी के लिए चोक किया। बाकी को पहले से ही एक सोल्डरिंग लोहे के साथ मिलाया गया था और यह इस तरह निकला:



यहाँ एक ऐसा मॉड्यूल है। जांच करने के लिए, हम एक बाहरी स्रोत से 12 वी की आपूर्ति करते हैं, उदाहरण के लिए, एक राउटर से एक बिजली की आपूर्ति - कनेक्टर वहां 2.1 मिमी पिन के लिए मानक है। अगला, पावर इनपुट के लिए, एक शुरुआत के लिए, आप प्रयोगशाला पीएसयू से लगभग 20-30V आवेदन कर सकते हैं और एसटीएम के लिए सबसे सरल कोड लिख सकते हैं, पुल को घुमा सकते हैं और देख सकते हैं कि आउटपुट क्या है। अगर बेकार में सब कुछ ठंडा है - अच्छा है। हम भार को प्रतिरोधों से आउटपुट में जोड़ते हैं, ताकि वर्तमान खपत 1 ए हो और हीटिंग को देखें - मॉड्यूल थोड़ा गर्म होना चाहिए, 5 डिग्री से अधिक नहीं होना चाहिए। यदि यह मामला है, तो हम साइन जेनरेट करने के लिए कोड लिखते हैं, इसे 20-30V पर फिर से जांचें और उसके बाद ही रेक्टिफाइड मेन वोल्टेज लागू किया जा सकता है। मैं आपको सलाह देता हूं कि पहले 40 W गरमागरम दीपक के माध्यम से + VIN गैप में वोल्टेज लागू करें, यदि सब कुछ निष्क्रिय है, तो आउटपुट में समान 40 W दीपक जोड़ें - क्या यह काम करता है? फिर हम प्रवेश द्वार से दीपक को हटा देते हैं। हम काम कर रहे इन्वर्टर से खुश हैं।

वैसे, जो लोग कोड लिखना नहीं चाहते हैं, मैं अली पर एक ईजी 8010 चिप खरीद सकता हूं, बस एक चिप, एक मॉड्यूल नहीं, और एसटीएम 32 के लिए कोड लिखने के बिना एक ही इन्वर्टर प्राप्त कर सकता हूं। मुझे लगता है कि वैकल्पिक ऊर्जा के कई प्रेमी निस्संदेह प्रसन्न होंगे, क्योंकि हर कोई नहीं कर सकता और हर कोई माइक्रोकंट्रोलर पर कोड लिखना नहीं चाहता है।

परिणाम

यहां एसटी में बनाया गया एक दिलचस्प मॉड्यूल है। मुझे लगता है कि कई लोग इसमें दिलचस्पी लेंगे, क्योंकि हमें कई समस्याओं से छुटकारा दिलाता है जो पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के डिजाइन में उत्पन्न होती हैं और हमें कनवर्टर के बहुत छोटे आयाम प्राप्त करने की अनुमति देती हैं।

बोर्ड के प्रस्तावित डिजाइन का पहले ही परीक्षण किया जा चुका है, किसी भी समस्या की पहचान नहीं की गई है, जो कुछ भी नहीं है, सब कुछ शानदार मापदंडों के साथ ठीक है, इसलिए जो कोई भी इस मॉड्यूल और पावर इलेक्ट्रॉनिक्स का पूरा अध्ययन करने में रुचि रखता है, मैं आपको सलाह देता हूं कि आप कम से कम अपने आप को इसके साथ परिचित करें, और परिवर्तनों के बिना इसे दोहराएं। वैसे, मैं Altium Designer में परियोजना के साथ संग्रह को संलग्न करता हूं - यहां ।

अगले लेख में, मैं पहले लेख से कोड को अनुकूलित करता हूं और हम एक पूर्ण-डीसी / एसी इन्वर्टर को लागू करते हैं, जिसे सौर पैनल या पवन जनरेटर के साथ काम करने के लिए इन्वर्टर बनाते समय भी सिद्धांत रूप में उपयोग किया जा सकता है।