Setelah menulis artikel tentang prinsip-prinsip
konverter DC / AC , banyak orang di komentar meminta contoh implementasi ide ini dalam perangkat keras. Saya berjanji, jika mungkin, untuk menyenangkan mereka dengan sesuatu yang menarik, dan kesempatan ini jatuh kepada saya. Oleh karena itu, artikel ini terutama didedikasikan untuk orang yang mendambakan "besi".
Beberapa minggu yang lalu, salah satu teman saya, mengetahui bahwa saya menyukai elektronik, melemparkan saya pesan di mana ada tautan iklan dari STMicroelectronics. Tautan ini berbicara tentang solusi baru dari ST di bidang elektronika daya -
PWD13F60 . Konsep "power electronics" saya terutama terkait dengan TI, Infineon, Linear, tetapi tidak dengan ST. Pandangan saya tentang ST sebagai pabrikan "power" jatuh untuk pertama kalinya ketika sebuah controller hebat keluar - STSPIN32F0. Kedua kalinya saya melihat sekarang.
PWD13F60 adalah chip dalam kasus yang mirip dengan QFN, yang sudah berisi jembatan penuh, yaitu, 4 MOSFET tegangan tinggi, serta driver untuk mereka. Gagasan pertama, ketika saya berkenalan dengan datasheet: “Oh, ini kilowatt di saku Anda!”, Dari situlah nama artikel itu. Saya tidak terlalu suka berbagai papan debug dan lebih suka melakukan semacam proyek "pertempuran" segera. Berdasarkan pahlawan artikel ini, diputuskan untuk membuat inverter DC / AC.
Saya memutuskan untuk membagi artikel menjadi dua bagian: sirkuit dan kode. Hari ini saya akan berbicara tentang solusi sirkuit, berbagi perpustakaan, desain, dan kesan pertama. Pada bagian kedua, kami menerapkan prinsip-prinsip manajemen yang dijelaskan dalam artikel pertama saya.
Spesifikasi Teknis PWD13F60
Hal pertama yang Anda perhatikan ketika membiasakan diri dengan modul ini adalah bahwa ia bertegangan tinggi. Tidak banyak solusi terintegrasi dan kompak untuk bekerja dengan tegangan jaringan satu fase (220V AC / 310V DC). Saya mendapatkan solusi dari TI berdasarkan transistor GaN - LMG3410, saya sangat menyukainya, tapi sayangnya itu belum mencapai penjualan resmi dan telah menimbang pada tahap "pratinjau" selama sekitar satu tahun. Ya, solusi dari TI lebih baik dalam semua hal, tetapi apa gunanya jika Anda tidak dapat membeli modul? Aduh dan ah ... Karena itu, saya sangat tertarik dengan modul dari ST! Ya, itu pada silikon biasa, ya ia memiliki arus yang sedikit lebih rendah, dan ya pada 1+ MHz hampir tidak mungkin untuk membangun sesuatu di atasnya, tetapi itu tidak begitu menakutkan dan bukan nit-picking saya. MOSFET modern pada silikon sangat cocok dengan GaN, dan frekuensi 1+ MHz sejauh ini sangat eksotis: mahal dan sulit dibutuhkan.
Mari kita buka
lembar data pada PWD13F60 dan berkenalan dengan karakteristik utamanya:
- Tiriskan-Sumber Tegangan: 600V
- Open Channel Resistance: 0,32 Ohm
- Arus saluran maksimum (pada 25 o C): 8A
- Arus saluran maksimum (pada 100 o C): 6.9A
- Arus lonjakan maksimum: 32A
- Manajemen Tingkat Logika: 3.3 dan 5V
- Biaya Rana: 26 nC
- Waktu pemulihan dioda internal: 93 ns
Melihat data TTX, beberapa kesimpulan dapat diambil. Pertama, tegangan 600V memungkinkan Anda untuk mengimplementasikan sebagian besar topologi: jembatan penuh, setengah jembatan, setengah jembatan LLC, jembatan penggeser fase dan lainnya. Kedua, arus saluran maksimum 8A memungkinkan Anda membangun konverter dengan daya pengenal 1000 watt. Ketiga, resistensi saluran 320 mOhm adalah indikator yang baik, meskipun bisa lebih baik. Keempat, kapasitansi gerbang dan kecepatan dioda teknologi memungkinkan untuk masuk ke kisaran 200-300 kHz bahkan tanpa menggunakan topologi resonansi. Kelima, Anda dapat mengontrol modul langsung dari terminal MK, yang sangat nyaman dan menyederhanakan sirkuit.
Ternyata kami memiliki modul yang sangat bagus yang memungkinkan Anda untuk menyelesaikan banyak masalah. Harus dipahami bahwa 1000 W dapat dicapai untuk konverter DC / AC, jika Anda menginginkan jembatan DC / DC dengan kisaran universal 85-265V, maka Anda tidak akan mendapatkan daya seperti itu. Dengan input 85V, Anda cukup menekan arus maksimum dan mendinginkan kristal. Anda pasti dapat membangun catu daya switching 300 W dengan input universal dan dimensi yang sangat kecil.
Sirkuit
Sebelum melanjutkan untuk mempertimbangkan sirkuit papan tes saya, saya ingin menyelamatkan orang-orang yang akan menggunakan modul ini di masa depan dari rasa sakit luar biasa, yaitu dari membuat model 3D dan jejak kaki. Saya menerapkan komponen pustaka yang saya buat selama proses desain papan - mereka diperiksa dalam perangkat keras nyata dan tidak mengandung kesalahan:
- Modul perumahan PWD13F60 di Solid Works dan STEP - di sini
- Footprint untuk Altium Designer - di sini
Kasingnya seperti ini:
Sekarang tidak ada kendala bagi Anda untuk mulai menggunakan modul ini. Kami beralih ke sirkuit. Semua node utama yang dapat menyebabkan masalah bagi pengembang sudah "tersembunyi" di dalam case dan benar "disiapkan", Anda hanya perlu menerapkan kontrol. Omong-omong, modul ini memungkinkan tidak hanya membuat konverter tegangan, tetapi juga mengendalikan motor - ini adalah area aplikasi lain, saya pikir pecinta peralatan mesin dan robot CNC akan merasa sangat berguna.
Ikatan minimum yang diperlukan untuk memulai: sepasang kapasitor daya, sepasang kapasitor driver bootstep dan pengontrol PWM, dalam kasus saya ini adalah STM32F410. Semuanya tampak sederhana, tetapi menurut saya ada satu minus yang sangat penting - tidak ada sirkuit perlindungan hubung singkat di dalam modul! Mereka bukan sesuatu yang bukan, tetapi output dari berhenti darurat driver tidak disediakan. Omong-omong, modul TI juga tidak memiliki perlindungan hubung singkat. Bagi saya, itu adalah sebuah misteri mengapa tidak mungkin untuk mendorong 2 pembanding lainnya ke kristal, yang akan mengukur arus pada pirau eksternal dan menghentikan pengemudi ...
Kekurangan ini tidak memungkinkan kita untuk mewujudkan perlindungan perangkat keras tercepat yang mungkin terhadap korsleting. Bagaimanapun, kita harus memberikan sinyal tentang kelebihan arus ke pengontrol PWM dan menghentikan operasi secara tepat dengan menghasilkan PWM. Ini secara signifikan meningkatkan waktu respon pertahanan, dan ketika menggunakan DSP atau MK sekecil apa pun "hang" atau menunda akan ada seketika.
Di sini Anda dapat pergi dalam dua cara - untuk bergantung pada kode pintar Anda atau untuk menempatkan buffer logis antara pengontrol PWM dan modul daya, yang akan menonaktifkan perlindungan. Opsi kedua lebih baik, tetapi memperumit sirkuit dan masih menyebabkan penundaan tambahan, meskipun secara signifikan lebih sedikit daripada pekerjaan melalui DSP / MK. Saya seharusnya memilih opsi yang buruk dan secara naif berharap kode "sempurna" saya. Pertama, ini hanya papan debugging untuk bermain-main, jadi tidak ada yang bergantung padanya dan Anda dapat membiarkan diri Anda kebebasan seperti itu. Kedua, saya akan memiliki kode paling sederhana di dalam MK (PI controller + generasi sinus), jadi saya dapat dengan mudah melacak semua node kritis. Sepertinya tidak mungkin untuk melakukan hal yang sama dalam proyek besar, penuh, meskipun tergantung pada kualifikasi pengembang, tapi saya jelas tidak.
Saya mengikuti jalur standar perlindungan bangunan: shunt + op-amp + repeater. Saya menggunakan saluran ke-2 dari op-amp saya sebagai repeater. Di sini, omong-omong, ada satu lagi minus - jika tugas Anda adalah membuat solusi super-kompak, maka node perlindungan saat ini akan mengambil ruang berharga. Akibatnya, saya mendapat skema sederhana (saya menyarankan Anda untuk menonton PDF, gambarnya dapat diklik):
Karena perangkat dibuat khusus untuk menguji modul ini, diagram benar-benar minimal: mikrokontroler STM32F410 + PWD13F60 + DC / DC untuk memasok bagian digital + filter LC dari induktor dan film pada 2,2F + perlindungan saat ini + tegangan OS. Itu saja. Skema ini mengimplementasikan konversi, misalnya, 310V dari jaringan yang diperbaiki, kembali ke 220V. Jika Anda adalah pengembang pemula atau bukan amatir yang sangat berpengalaman, maka saya sangat menyarankan Anda untuk pertama-tama menjalankan semua algoritma pada 12-40V dan baru kemudian menusuk ke dalam soket. Ini akan memungkinkan Anda untuk tidak bangkrut pada modul yang terbakar dan mungkin bertahan.
Perlindungan saat ini diterapkan pada dual op-amp D2 dan D3 -
OPA2337 . Mereka cepat dan memungkinkan Anda untuk mewujudkan operasi penuh dari rangkaian OS pada frekuensi hingga 400-600 kHz. Bagian pertama dari op-amp memperkuat sinyal dari shunt, dan bagian kedua bertindak sebagai pengikut tegangan.
Papan sirkuit
Seperti dalam kasus sirkuit - desain papan sirkuit cetak terbuka dan tersedia untuk ditinjau. Anda dapat mengunduh file PCB untuk Altium Designer di
sini . Itu tidak berpura-pura menjadi karya khusus, karena dirancang dalam beberapa jam, tetapi perhitungan termal dan pemodelan dalam bentuk dasar dilakukan di Comsol - tidak akan ada overheating, tetapi Anda masih perlu meletakkan radiator aluminium kecil pada modul jika Anda akan menghapus arus lebih dari 4-5A. Dia juga membuat perhitungan dasar dan pemodelan induktansi parasit dengan optimasi berikutnya untuk menguranginya. Dimensi papan sirkuit tercetak ternyata
100x45 mm , yang sangat baik untuk konverter 1000 W, terutama jika Anda menganggap bahwa tidak diperlukan trik dan frekuensi tinggi di sini.
Papan adalah dua lapisan, sablon sutra dan komponen hanya pada lapisan atas. Saya memesan papan sirkuit tercetak di
PCBway dan harganya $ 14 untuk 10 buah melalui pos:
Saya tidak akan mengatakan berapa banyak komponen yang keluar, karena Saya memesan untuk beberapa proyek yang berbeda, tetapi sekitar $ 20-25 dari yang
$ 9 biaya modul PWD13F60 itu sendiri . Saya pikir Anda sudah menghitung biaya 4 MOSFET dan 2 driver untuk mereka dan menyadari bahwa modul ini adalah solusi yang sangat menguntungkan.
Saya memesan semua komponen dengan Mouser melalui
PM Electronics , mereka membawanya dengan cepat dan tanpa curang, pengiriman kurir ke apartemen gratis, jadi saya merekomendasikannya. Siapa yang tertarik pada komponen tertentu - dalam file dengan diagram, setiap komponen memiliki nomor bagian dan tautan (arahkan kursor ke komponen dan tekan F1, terbuka).
Secara terpisah, saya akan mengatakan untuk instalasi. Saya sedikit khawatir tentang kasus PWD13F60, karena tapak itu sendiri tidak berjalan dan kemungkinan cacat solder memalukan. Saya memutuskan untuk menyolder bukan dengan pengering rambut, tetapi untuk memastikan - di kompor. Fluks Ersa dan pasta yang baik dari Cina melakukan pekerjaan mereka - bahkan dengan instalasi yang tidak terlalu akurat, chip itu sendiri terpusat karena kekuatan tegangan permukaan, untungnya orang-orang dari ST membuat kasus ini sepenuhnya simetris, walaupun bentuknya rumit. Sejak saya bereksperimen, saya tidak mulai menyolder semua yang ada di tungku, sehingga jika membunuh papan saya tidak perlu menyolder semuanya - saya menyolder PWD13F60, STM32F410 dan choke untuk dc / dc 12-3.3V di dalam tungku. Sisanya sudah disolder dengan besi solder dan ternyata seperti ini:
Berikut adalah modul semacam itu. Untuk memeriksa, kami menyediakan 12V dari sumber eksternal, misalnya, catu daya dari router - konektor ada standar untuk pin 2,1 mm. Selanjutnya, untuk input daya, sebagai permulaan, Anda dapat menerapkan sekitar 20-30V dari PSU laboratorium dan menulis kode paling sederhana untuk STM, menggerakkan jembatan dan melihat apa yang dihasilkan. Jika idle semuanya dingin - bagus. Kami menghubungkan beban dari resistor ke output, sehingga konsumsi saat ini adalah 1A dan melihat pemanasan - modul harus sedikit hangat, panas berlebih tidak lebih dari 5 derajat. Jika demikian, maka kita menulis kode untuk menghasilkan sinus, periksa lagi pada 20-30V dan hanya dengan itu tegangan listrik yang diperbaiki dapat diterapkan. Saya menyarankan Anda untuk pertama-tama menerapkan tegangan melalui lampu pijar 40 W ke celah + VIN, jika semuanya baik-baik saja saat idle, kemudian tambahkan lampu 40 W yang sama ke output - apakah berfungsi? Lalu kami lepaskan lampu dari pintu masuk. Kami senang dengan inverter yang berfungsi.
Ngomong-ngomong, mereka yang tidak ingin menulis kode, saya dapat membeli chip EG8010 pada Ali, sebuah chip, bukan modul, dan mendapatkan inverter yang sama tanpa harus menulis kode untuk STM32. Saya pikir banyak pecinta energi alternatif pasti akan senang, karena tidak semua orang bisa dan tidak semua orang ingin menulis kode pada mikrokontroler.
Ringkasan
Berikut adalah modul menarik yang dibuat di ST. Saya pikir banyak yang akan tertarik, karena membebaskan kita dari banyak masalah yang muncul dalam desain elektronika daya dan memungkinkan kita memperoleh dimensi konverter yang sangat kecil.
Desain papan yang diusulkan telah diuji, tidak ada masalah yang telah diidentifikasi, semuanya baik-baik saja dengan parameter palsu, jadi siapa pun yang tertarik mempelajari modul ini dan menggunakan elektronika daya secara keseluruhan, saya sarankan Anda setidaknya membiasakan diri dengannya, dan mungkin mengulanginya tanpa perubahan. By the way, saya lampirkan arsip dengan proyek di Altium Designer - di
sini .
Pada artikel berikutnya, saya mengadaptasi kode dari artikel pertama dan kami menerapkan inverter DC / AC lengkap, yang bahkan dapat digunakan pada prinsipnya ketika membangun inverter untuk bekerja dengan panel surya atau generator angin.