Seluk-beluk merancang papan daya inverter

Halo semuanya! Dengan langkah-langkah sederhana, saya melanjutkan serangkaian artikel tentang pengembangan sepeda listrik besi. Mari kita mulai dengan yang paling menarik - inverter, yang mengendalikan motor. Saya ingin berbicara lebih banyak tentang seluk-beluk membangun papan daya dan rezim suhu transistor.


Model sepeda listrik warp core

Masalah utama dalam merancang papan untuk frekuensi tinggi arus tinggi adalah induktansi dari konduktor, kapasitor, rumah transistor, atau lebih tepatnya, emisi yang dihasilkan karena itu dan kebutuhan untuk meletakkan margin parameter untuk kunci, yang mengarah ke peningkatan biaya desain dan peningkatan kerugian switching.

Dalam proses bekerja pada beban induktif, ketika arus rusak, lonjakan tegangan terjadi pada kunci, yang sama dengan ∆V = -L (dI / dt), di mana ∆V adalah besarnya perubahan tegangan, L adalah induktansi, dI / dt adalah laju perubahan arus (kenaikan atau berkurang).

Mari kita ambil kasus khusus PWM dari dua fase, di mana arus awalnya mengalir melalui kunci tertutup Q2, dan kemudian arus menumpuk di sirkuit motor melalui kunci atas Q1. Kunci Q6 selalu aktif untuk kesederhanaan.

Arah merah menunjukkan jalur aliran arus awal. Pada saat beralih, kunci Q2 terbuka, tetapi tegangan pada kunci ini menjadi minus oleh besarnya drop pada dioda parasit transistor MOS. Ini terjadi karena fakta bahwa induktansi motor, di mana energi disimpan, mencoba untuk "menyimpan" arusnya, dan menciptakan tegangan negatif. Kemudian kunci Q1 mulai menyala, arus meningkat secara bertahap pada induktor L_DC +, L_Q1D, L_Q1S, L_DC. Di mana L_QnD adalah induktansi tiriskan dari kasus transistor, dan L_QnS adalah induktansi sumber, dan L_DC adalah induktansi papan. Dalam proses mentransfer arus dari satu bagian rangkaian ke yang lain, transistor Q2 tiba-tiba dapat mendeteksi tegangan yang lebih besar pada dirinya sendiri daripada yang dipasok melalui bus listrik dan dipasang pada kapasitansi input.


Contoh beralih pada arus 100A

Besarnya tegangan ini akan secara proporsional lebih besar dari kecepatan switching. Kami tidak ingin mengalokasikan banyak panas pada kunci selama proses switching, oleh karena itu, dianggap ideal ketika kunci beralih secara instan, tetapi ini tidak dapat dicapai dalam kenyataannya. Sederhananya, semakin cepat transisi ini terjadi, kerugian yang kurang aktif akan menjadi kunci, tetapi pada saat yang sama, semakin cepat transisi terjadi, semakin besar akan lonjakan tekanan yang timbul pada L_DC, L_Q1D, L_Q1S. Lain yang jarang disebutkan, tetapi mungkin fenomena paling palsu dalam proses ini adalah muatan dioda Q2. Karena ada penundaan, waktu mati, antara mematikan Q2 dan menyalakan Q1, biaya pemulihan terbalik terakumulasi pada dioda Q2, dalam dokumentasi untuk transistor itu ditunjukkan sebagai Qrr, diukur dalam nanocoulomb. Ketika Q1 dihidupkan, arus yang melalui terjadi,yang mengembalikan dioda parasit Q2. Besarnya arus ini akan semakin tinggi, semakin cepat diperlukan untuk menghidupkan Q1 dan semakin besar arus melewati transistor. Dari sini, lonjakan tegangan tambahan terjadi pada L_Q2D, L_Q2S. Switch ini disebut "hard" dari bahasa Inggris. pergantian keras.

Jika transistor dipilih tanpa margin tegangan, lonjakan seperti itu dapat menyebabkan longsoran salju, yang akan sangat mengurangi masa pakai transistor, dan jika terbuka untuk waktu yang lama, ia dapat benar-benar merusaknya.



Dalam proses switching tersebut, osilasi RF ("dering", dengan urutan beberapa MHz) dapat terjadi, induktansi L_Q (1,2) S dan kapasitansi liar antara gerbang transistor Q1 / 2 dan salurannya terlibat. Karena dalam kasus TO220 3pin konvensional, sinyal kontrol sebenarnya disuplai melalui power leg, yang memperkenalkan interferensi sendiri. Untuk mengatasi masalah ini, pin sumber terpisah untuk sinyal kontrol, di mana tidak ada gangguan daya, adalah output dalam modul rakitan daya. Pada saat membuka transistor Q1, arus yang mulai mengalir melalui sumber menciptakan penurunan tegangan pada induktansi kaki sumber-transistor, yang memperlambat pembukaan. Selain itu, penurunan tegangan yang tajam mengganggu proses ini, yang juga meredam sinyal kontrol gerbang melalui kapasitansi liar. Di sisi lain, peningkatan tajam dalam tegangan VDS terjadi pada transistor Q2,yang menarik rana untuk membuka melalui kapasitansi liar antara saluran dan rana. Kombinasi dari semua faktor ini mengarah pada penampilan osilasi frekuensi tinggi, perjuangan dengan mereka biasanya dilakukan dengan mengurangi kecuraman dI / dt dan dVds / dt, tetapi ada yang optimal antara kecepatan pembukaan, kerugian pembukaan, dan hilangnya dering transistor.


Contoh dari shutdown “lunak” Q1 dengan pemandangan dari sisi Q2.

Tegangan negatif pada Vds (1) - induktansi kaki Q2. Pada shutter (3), hanya setengah dari emisi ini yang terlihat, karena dalam hal ini, dalam rangkaian koneksi osiloskop, arus hanya berubah pada kaki sumber.

Teknik Kontrol Induktor Parasit

Pertimbangkan opsi dua konduktor dengan lebar yang sama, tetapi dengan pengaturan yang berbeda di papan tulis.



Katakanlah kita memiliki lebar lintasan 10mm, panjang 100mm, dan jarak di antara mereka adalah 0,5mm. Untuk opsi a, induktansi timbal balik adalah ~ 6.3 nH. Untuk opsi b, induktansi akan ~ 132 nH. Apa artinya ini? Mari kita ambil tingkat perubahan saat ini sebesar 1,25A / nS, seperti pada tangkapan layar di atas, mengikuti rumus ∆V = -L (dI / dt), kita mendapatkan perubahan tegangan untuk opsi a ∆V = -6,3 nH * 1.25A / ns = 7.8V. Untuk opsi bnilai ini akan sama dengan 132nG * 1.25A / ns = 165V. Ini jauh lebih tinggi dari tegangan suplai kami! Pada kenyataannya, kerusakan akan terjadi, dan tegangan akan bersandar pada batas tegangan transistor, dan arus akan mengalir melaluinya, meskipun faktanya ditutup. Oleh karena itu, baik dari kapasitor yang baik Anda tidak akan, jika mereka bertahan lama "induktif" :)


Apa yang bisa pergi di sini begitu ?

Adapun komponen parasit dari wadah transistor, Anda tidak akan bisa mengatasinya terutama, kaki terpendek ke papan, tidak ada kabel panjang. Dering frekuensi tinggi dihaluskan dengan baik oleh kapasitor keramik, mereka harus ditempatkan tepat di sebelah tombol pada bus listrik, tetapi Anda dapat sepenuhnya menghilangkan dering dengan menghilangkan pengoperasian dioda parasit dari transistor menggunakan transistor SiC atau kontrol adaptif, tetapi ini adalah kisaran harga yang berbeda. Pilihan lain untuk mengurangi induktansi kasus adalah transistor SMD, yang disebut. DirectFet, PowerQFN dan sejenisnya. Tetapi mereka juga memiliki kelemahan mereka, mereka termasuk heatsink yang lebih buruk, kesulitan tata letak dengan instalasi SMD dan, tentu saja, harga.

Tentang heat sink

Dengan satu atau lain cara, inverter yang beroperasi akan menghasilkan panas. Lebih banyak arus berarti lebih banyak panas. Karena pada motor, arus untuk waktu yang singkat dapat beberapa kali lebih tinggi dari nilai rata-rata selama akselerasi dan perlambatan, untuk transistor diperlukan untuk memastikan kondisi termal normal untuk puncak beban tersebut. Standar untuk kristal silikon, suhu maksimum Tj = 175 ° C ditunjukkan.



Pada saat perpindahan transistor, ada emisi besar panas - aktif yang tajam. Kerugian pasif adalah kerugian pada saluran resistansi sumber saluran di keadaan terbuka, lebih konstan dalam waktu dan lebih mudah untuk dihitung. Untuk semburan termal jangka pendek, substrat tembaga dari transistor bertindak sebagai penyangga panas yang baik, minus lain dari komponen SMD - ini terasa lebih kecil. Resistansi termal dari kristal ke casing transistor I yang dipilih adalah 0,57 ° C / W, yang berarti bahwa ketika memancarkan 50 watt panas secara konstan, gradien suhu 29 ° C terbentuk. Untuk emisi termal, juga diperlukan untuk meninggalkan margin tertentu dan mempertimbangkan penundaan untuk termokopel, sehingga 100 ° dipilih sebagai nilai optimal akhir dari kasus transistor.Timbul pertanyaan - berapa lama saya bisa memberikan arus maksimum menjadi terlalu panas? Berbagai antarmuka termal diuji, bahkan papan dengan basis aluminium. Dengan kualitas perpindahan panas dari basis transistor ke radiator, saya akan mengatur bahan dalam urutan ini, dalam mengurangi konduktivitas panas:



+ (2)


 + (2)
+ 



Kontak langsung bukan pilihan kami, karena tidak menyediakan isolasi listrik untuk casing transistor dari radiator. Dengan margin kecil dari papan aluminium ada substrat aluminium oksida. Nitride terasa lebih mahal dan lebih murah. Menurut tes antara substrat organosilicon dan keramik aluminium oksida, perbedaannya hampir 2 kali, untuk durasi beban penuh, masing-masing 1 menit dan 30 detik. Tentu saja, tes ini tidak berpura-pura memiliki akurasi ilmiah tinggi, tetapi dengan selisih harga sen dua kali lebih lama untuk "jatuh" pada sepeda? Pilihan terakhir, tentu saja, keramik yang terbuat dari aluminium oksida! Ternyata, itu bahkan lebih mudah untuk menginstalnya, dan bonus lainnya adalah menekuk transistor jauh lebih sedikit ketika mengencangkan sekrup. Penjepit, dilihat dari jejak pasta termal, selalu seragam.Apa yang tidak bisa dikatakan tentang substrat fleksibel.

Dengan pemasangan standar ke radiator melalui mata, menggunakan sekrup, bantalan silikon cenderung kompres, yang dapat menyebabkan kontak permukaan yang tidak rata. Oleh karena itu, item terakhir adalah "substrat tanpa pasta termal", karena dia, pelumas termal, dalam hal ini agak mengimbangi efek ini. Tentu saja, dalam kasus-kasus seperti itu, disarankan untuk menggunakan pegas khusus yang secara seragam akan menekan seluruh case transistor, tetapi kami tidak memiliki kesempatan untuk menempatkannya agar sesuai dengan ukurannya.

Saat mengendarai pengontrol Cina, saya sering memperhatikan bahwa dia hanya memiliki satu sisi panas, dan yang lainnya tetap dingin. Oleh karena itu, tata letak akhir tombol daya dibuat sedemikian rupa untuk menghangatkan seluruh kasing sedapat mungkin. Kunci dipasang di kedua sisi, melalui adaptor aluminium kecil.

Epilog

Dalam artikel ini saya menggambarkan hal-hal paling menarik menurut saya. Tentu saja, di balik layar adalah pilihan dari transistor MOS itu sendiri sesuai dengan karakteristiknya, perhitungan kehilangan panas pada chip dan pemanasan kapasitor elektrolitik di bawah pengaruh arus yang berdenyut. Pada artikel selanjutnya, kita akan menyentuh sirkuit perangkat, opsi untuk mendigitalkan arus dan menerapkan perlindungan saat ini.

Source: https://habr.com/ru/post/id399693/