PWD13F60 + STM32F4: inversor de 1 kW no seu bolso

Depois de escrever um artigo sobre os princípios dos conversores DC / AC , muitas pessoas nos comentários pediram um exemplo da implementação dessa idéia no hardware. Prometi, se possível, agradá-los com algo interessante, e essa oportunidade caiu para mim. Portanto, este artigo é dedicado principalmente a pessoas que ansiavam por "ferro".

Algumas semanas atrás, um dos meus amigos, sabendo que eu amo eletrônica de potência, me enviou uma mensagem na qual havia um link de publicidade da STMicroelectronics. Este link falou sobre uma nova solução da ST no campo da eletrônica de potência - PWD13F60 . Meu próprio conceito de "eletrônica de potência" está associado principalmente à TI, Infineon, Linear, mas não à ST. Minha visão do ST como um fabricante de "energia" caiu pela primeira vez quando um grande controlador foi lançado - STSPIN32F0. A segunda vez que olhei agora.

O PWD13F60 é um chip em um caso semelhante ao QFN, que já contém uma ponte completa, ou seja, 4 Mosfet de alta tensão, além de drivers para eles. A primeira idéia, quando me familiarizei com a folha de dados: “Oh, isso é um quilowatt no seu bolso!”, Daí o nome do artigo. Eu realmente não gosto de vários painéis de depuração e prefiro fazer algum tipo de projeto de "combate" imediatamente. Com base no herói deste artigo, decidiu-se fazer um inversor DC / CA.

Decidi dividir o artigo em duas partes: circuito e código. Hoje vou falar sobre a solução de circuitos, compartilhar as bibliotecas, design e primeiras impressões. Na segunda parte, implementamos os princípios de gerenciamento descritos no meu primeiro artigo.

Especificações técnicas PWD13F60

A primeira coisa que você deve prestar atenção ao se familiarizar com este módulo é que ele é de alta tensão. Não há muitas soluções realmente compactas e integradas para trabalhar com uma tensão de rede monofásica (220V AC / 310V DC). Eu obtive a solução da TI baseada em transistores GaN - LMG3410, gostei muito, mas infelizmente ainda não chegou à venda oficial e pesa no estágio de "visualização" há cerca de um ano. Sim, a solução da TI é melhor em todos os aspectos, mas qual é o sentido disso se os módulos não forem comprados? Infelizmente e ah ... Portanto, eu estava tão interessado no módulo da ST! Sim, ele usa silício comum, sim, tem uma corrente um pouco mais baixa e, a 1+ MHz, dificilmente é possível criar algo sobre ele, mas não é tão assustador e sim a minha escolha. Os mosfets modernos em silício são muito semelhantes aos do GaN, e as frequências de 1 ou mais MHz são claramente exóticas: caras e dificilmente necessárias.

Vamos abrir a folha de dados no PWD13F60 e nos familiarizar com suas principais características:

• Tensão da fonte de drenagem: 600V
• Resistência de canal aberto: 0,32 Ohm
• Corrente máxima do canal (a 25 ^o C): 8A
• Corrente máxima do canal (a 100 ^o C): 6,9A
• Corrente máxima de surto: 32A
• Gerenciamento de nível lógico: 3.3 e 5V
• Carga do obturador: 26 nC
• Tempo de recuperação do diodo interno: 93 ns

Olhando para os dados TTX, várias conclusões podem ser tiradas. Em primeiro lugar, a tensão de 600V permite implementar a maioria das topologias: ponte completa, meia ponte, meia ponte LLC, ponte de mudança de fase e outras. Em segundo lugar, a corrente máxima do canal de 8A permite construir um conversor com uma potência nominal de 1000 watts. Em terceiro lugar, a resistência do canal de 320 mOhm é um bom indicador, embora possa ser melhor. Em quarto lugar, a capacitância da porta e a velocidade do diodo tecnológico possibilitam atingir a faixa de 200 a 300 kHz, mesmo sem o uso de topologias ressonantes. Em quinto lugar, você pode controlar o módulo diretamente dos terminais do MK, o que é muito conveniente e simplifica o circuito.

Acontece que temos um módulo muito bom que permite resolver muitos problemas. Deve-se entender que 1000 W é possível para um conversor CC / CA, se você quiser uma ponte CC / CC com uma faixa universal de 85-265V, não obterá essa potência. Com uma entrada de 85V, você simplesmente atinge a corrente máxima e resfria o cristal. Você pode definitivamente construir uma fonte de alimentação comutada de 300 W com uma entrada universal e dimensões extremamente pequenas.

Circuitry

Antes de continuar a considerar o circuito da minha placa de teste, gostaria de salvar as pessoas que usarão este módulo no futuro de grandes dores, a saber, a criação de um modelo 3D e pegada. Aplico os componentes da biblioteca que criei durante o processo de design da placa - eles são verificados em uma peça de hardware real e não contêm erros:

• Carcaça do módulo PWD13F60 no Solid Works e STEP - aqui
• Pegada para o Altium Designer - aqui

O caso é assim:



Agora não há obstáculos para você começar a usar este módulo. Nos voltamos para circuitos. Todos os principais nós que podem causar problemas para o desenvolvedor já estão "ocultos" dentro do gabinete e corretamente "preparados", basta implementar o controle. A propósito, este módulo permite não apenas criar conversores de tensão, mas também controlar motores - essa é outra área de aplicação, acho que os amantes das máquinas-ferramentas CNC e da robótica o acharão muito útil.

A ligação mínima que será necessária para iniciar: um par de capacitores de energia, um par de capacitores de driver de inicialização e um controlador PWM, no meu caso, é STM32F410. Tudo parece simples, mas, na minha opinião, há um ponto menos importante - não há circuitos de proteção contra curto-circuito dentro do módulo! Eles não são algo que não é, mas a saída de uma parada de emergência dos motoristas não é fornecida. A propósito, o módulo de TI também não possuía proteção contra curto-circuito. Para mim, é um mistério o porquê de ser impossível empurrar mais 2 comparadores para o cristal, o que mede a corrente nas derivações externas e interrompe o motorista ...

Essa desvantagem não nos permite obter a proteção de hardware mais rápida possível contra curto-circuito. De qualquer forma, teremos que dar um sinal sobre o excesso de corrente ao controlador PWM e interromper a operação precisamente gerando o PWM. Isso aumenta significativamente o tempo de resposta da defesa e, ao usar DSP ou MK com o menor "travamento" ou atraso, haverá transmissões instantâneas.

Aqui você pode seguir de duas maneiras: confiar no seu código inteligente ou colocar um buffer lógico entre o controlador PWM e o módulo de energia, o que desativará a proteção. A segunda opção é melhor, mas complica o circuito e ainda apresenta um atraso adicional, embora significativamente menor do que o trabalho através do DSP / MK. Eu supostamente escolhi a opção ruim e espero ingenuamente pelo meu código "perfeito". Primeiro, é apenas um painel de depuração para brincar, então nada depende disso e você pode se permitir tais liberdades. Em segundo lugar, terei o código mais simples dentro do MK (controlador PI + geração senoidal), para poder rastrear facilmente todos os nós críticos. É improvável que seja possível fazer o mesmo em um projeto grande e completo, embora dependa das qualificações do desenvolvedor, mas eu definitivamente não.

Eu segui o caminho padrão de proteção de edifícios: shunt + op-amp + repetidor. Eu usei o segundo canal do meu op-amp como repetidor. Aqui, a propósito, há mais um ponto negativo - se sua tarefa é criar uma solução super compacta, os nós de proteção atuais ocuparão um espaço precioso. Como resultado, recebi um esquema tão simples (aconselho você a assistir PDF, a imagem é clicável):

• Formato PDF - aqui
• Folha para o Altium Designer - aqui

Como o dispositivo foi feito exclusivamente para os testes deste módulo, o diagrama é completamente mínimo: o microcontrolador STM32F410 + PWD13F60 + DC / DC para alimentar a parte digital + filtro LC do indutor e filme de microfilme 2,2 + proteção de corrente + proteção do sistema operacional. Só isso. Esse esquema implementa a conversão, por exemplo, 310V de uma rede retificada, de volta para 220V. Se você é um desenvolvedor iniciante ou não é um amador muito experiente, recomendo fortemente que você execute primeiro todos os algoritmos de 12-40V e só então coloque o soquete. Isso permitirá que você não se quebre nos módulos queimados e possivelmente sobreviva.

A proteção atual é implementada nos amplificadores operacionais duplos D2 e ​​D3 - OPA2337 . Eles são rápidos e permitem que você realize a operação completa do circuito do SO em frequências de até 400-600 kHz. A primeira metade do amplificador operacional amplifica o sinal da derivação e a segunda metade atua como um seguidor de tensão.

Placa de circuito

Como no caso do circuito - o design da placa de circuito impresso está aberto e disponível para revisão. Você pode baixar o arquivo PCB para o Altium Designer aqui . Não pretende ser uma obra-prima especial, porque foi projetado em algumas horas, mas os cálculos térmicos e a modelagem na forma básica foram realizados no Comsol - não haverá superaquecimento, mas você ainda precisará colocar um pequeno radiador de alumínio no módulo para remover a corrente de mais de 4-5A. Ele também fez cálculos básicos e modelagem de indutâncias parasitárias com subsequente otimização para reduzi-las. As dimensões da placa de circuito impresso eram 100x45 mm , o que é muito bom para um conversor de 1000 W, especialmente quando você considera que não são necessários truques nem altas frequências aqui.





A placa é composta por duas camadas de serigrafia e componentes apenas na camada superior. Encomendei placas de circuito impresso no PCBway e elas custam US $ 14 por 10 peças por correio:


Eu não vou dizer o quanto os componentes saíram, porque Eu pedi para vários projetos diferentes, mas algo em torno de US $ 20 a 25, dos quais US $ 9 custam o próprio módulo PWD13F60 . Eu acho que você já calculou o custo de 4 mosfets e 2 drivers para eles e percebeu que este módulo é uma solução muito lucrativa.

Encomendei todos os componentes com a Mouser via PM Electronics , eles os transportam rapidamente e sem trapaça, a entrega de correio para o apartamento é gratuita, por isso recomendo. Quem está interessado em componentes específicos - no arquivo com o diagrama, cada componente tem um número de peça e um link (passe o mouse sobre os componentes e pressione F1, ele abre).

Separadamente, direi para a instalação. Fiquei um pouco preocupado com o caso do PWD13F60, porque a pegada em si não foi afetada e a possibilidade de um defeito de solda foi embaraçosa. Eu decidi soldar não com um secador de cabelo, mas para ter certeza - no fogão. O fluxo Ersa e uma boa pasta da China fizeram o seu trabalho - mesmo com uma instalação pouco precisa, o chip em si foi centrado devido a forças de tensão superficial, felizmente os caras da ST tornaram a caixa completamente simétrica, embora de uma forma complexa. Desde que eu estava experimentando, não comecei a soldar tudo no forno, de modo que, no caso de matar a placa, não teria que soldar tudo - soldei o PWD13F60, o STM32F410 e o estrangulamento por CC / CC 12-3,3V no forno. O resto já estava soldado com um ferro de soldar e ficou assim:



Aqui está esse módulo. Para verificar, fornecemos 12V de uma fonte externa, por exemplo, uma fonte de alimentação de um roteador - o conector é padrão para um pino de 2,1 mm. Em seguida, para a entrada de energia, para começar, você pode aplicar cerca de 20-30V a partir da fonte de alimentação de laboratório e escrever o código mais simples para o STM, girar a ponte e ver o que é produzido. Se estiver ocioso, tudo está frio - bom. Conectamos a carga dos resistores à saída, para que o consumo atual seja de 1A e observemos o aquecimento - o módulo deve estar um pouco quente, superaquecendo não mais do que 5 graus. Se for esse o caso, escrevemos o código para gerar o seno, verifique novamente em 20-30V e somente então a tensão de rede retificada pode ser aplicada. Aconselho que você aplique primeiro a tensão através de uma lâmpada incandescente de 40 W no espaço + VIN, se tudo estiver bem no modo inativo, adicione a mesma lâmpada de 40 W à saída - isso funciona? Em seguida, removemos a lâmpada da entrada. Estamos felizes com o inversor de trabalho.

A propósito, quem não quer escrever código, posso comprar um chip EG8010 no Ali, um chip, não um módulo, e obter o mesmo inversor sem precisar escrever o código para o STM32. Penso que muitos amantes da energia alternativa ficarão indubitavelmente satisfeitos, porque nem todo mundo pode e nem todo mundo quer escrever código em microcontroladores.

Sumário

Aqui está um módulo interessante feito em ST. Eu acho que muitos se interessarão, porque alivia-nos de muitos problemas que surgem no projeto de eletrônicos de potência e nos permite obter dimensões muito pequenas do conversor.

O design proposto da placa já foi testado, nenhum problema foi identificado, tudo está bem com parâmetros espúrios; portanto, quem estiver interessado em estudar este módulo e a eletrônica de potência como um todo, recomendo que você pelo menos se familiarize com ele e talvez o repita sem alterações. A propósito, eu anexo o arquivo ao projeto no Altium Designer - aqui .

No próximo artigo, adapto o código do primeiro artigo e implementamos um inversor DC / CA de pleno direito, que pode até ser usado em princípio na construção de um inversor para trabalhar com painéis solares ou um gerador de vento.