Разработка источника питания со входным напряжением 1000В на основе карбид-кремниевых транзисторов
Не так давно удалось поучаствовать в разработке весьма интересной промышленной установки. Моей частью проекта был источник питания, работающий от довольно высокого напряжения — до 1000В.
Рассказываю про эту разработку.
Требования ТЗ
- Входное напряжение 300–1000V DC
- Возможность питания от переменного напряжения 220–750V AC
- Выходное напряжение 24В
- Выходная мощность 200Вт
- Гальваническая развязка входа и выхода — 3кВ
- Включение/отключение ИП по сигналу
Выбор топологии преобразователя
При выборе топологии удобно пользоваться утилитой Power Stage Designer от компании Texas Instruments. Можно очень быстро рассчитать основные характеристики нескольких топологий и сравнить их. Впрочем, об этой утилите я написал целую статью.
Варианты топологий, которые были рассмотрены перед началом проектирования:
- Full-Bridge
- Phase Shifted Full-Bridge
- Half-Bridge
- LLC-Half-Bridge
- Two Switch Forward
- Active Clamp Forward
Full-Bridge и Phase Shifted Full-Bridge. Мостовые топологии я сразу исключил как не особо оптимальный выбор для заданного уровня мощности. Слишком много транзисторов.
Active Clamp Forward. На невысоких напряжениях у меня есть опыт разработки ИП на основе этой топологии. Но для такого высокого напряжения показалось слишком уж необычно — не хотелось получить непредвиденных экзотических проблем.
LLC-Half-Bridge. При таком диапазоне входных напряжений далеко не самая лучшая топология — есть трудности в реализации широкого диапазона регулирования.
Half-Bridge vs Two Switch Forward. Тут было о чём подумать, но в результате выбор пал на полумост. Двухтактная топология, в два раза меньшее напряжение на первичной обмотке трансформатора, а также лучший режим работы выходного дросселя показались мне критическими преимуществами.
Расчёт схемы
Первый эскизный расчёт в Power Stage Designer помогает определиться с общими параметрами схемы и режимами элементов:
Можно тыкнуть на любой элемент схемы и покрутив движки входного напряжения и тока нагрузки посмотреть режимы по току и напряжению. Это помогает быстро оценить энергетические характеристики преобразователя, склониться к выбору или наоборот отказаться от применения рассматриваемой топологии.
Например, силовой транзистор при максимальном входном напряжении:
При минимальном входном напряжении:
Видим, что действующий ток максимален при минимальном входном напряжении. Используя значение тока и сопротивления канала можно посчитать статические потери в ключе. Также смотрим максимальное напряжение на транзисторе (с оговоркой, что могут быть выбросы, которые данная тулза не показывает) — эти параметры помогут выбрать MOSFET.
Для расчёта вспомогательных элементов ШИМ-контроллера Тексасом предлагается расчётка в Excel:
Моделирование
Откровенно говоря, я не любитель слишком подробного моделирования, скорее сторонник подхода cut-and-try. Тем не менее, основные куски схемы весьма полезно промоделировать. На картинке почти полный перечень моделей, которые были сделаны при разработке данного проекта:
Тут есть модель силовой части полумоста, две модели флайбэка, которые были сделаны при начальной проработке структуры ИП и не пригодились (изначально хотели делать многоканальную схему питания), модель схемы начальной зарядки капа для старта (больше всего вариантов), модели схем контроля температуры и напряжения. Полезным тебе, дорогой читатель, будет пожалуй только модель полумоста, поэтому привожу ссылку.
Выбор элементов и разработка схемы
Входной конденсатор составной из трёх, соединённых последовательно. Не забывайте установить разравнивающие резисторы. Схема входного фильтра вместе с Bulk-конденсаторами:
Силовые ключи полумоста — карбид-кремниевые транзисторы C2M1000170D от Wolfspeed, в корпусе TO-247 чтобы проще было подобрать радиаторы. Драйверы для транзисторов 1EDC20I12AH от Infineon. Измерение тока по первичной стороне на трансформаторе тока P8208NLT. Силовой трансформатор на сердечнике PQ40/40, выходной дроссель на PQ26/20.
Источник питания для драйверов сделал по схеме push-pull на микросхеме UCC28084. Трансформатор на сердечнике EFD15/8/5:
Полумостовая схема диктует необходимость активного запирания ключей, сплиттер напряжений питания для драйверов (+15/-5) сделал по схеме из аппноута.
Выбор PWM-контроллера. Для управления был выбран контроллер UCC28251 от компании Texas Instruments. В отличии от LM5039, который тоже был в моём шорт-листе, UCC28251 имеет выводы встроенного усилителя ошибки, что удобно если необходимо установить PWM-контроллер на вторичной стороне источника питания. В своём дизайне я планировал установить ШИМ по первичной стороне, но при возникновении необходимости изменения структуры всегда полезно иметь дополнительный функционал в запасе.
Собственное питание решил сделать по схеме с самоподпиткой от дополнительной обмотки. Входное напряжение довольно высокое, к тому же широкий диапазон, поэтому разработал весьма интересную схему начальной зарядки. Схему не привожу, так как думаю получить патент, но общая идея в том, чтобы заряжать конденсатор по питанию ШИМ-контроллера стабильным током.
Обратная связь по напряжению на TL431 и оптроне:
Компоновка печатной платы
Общий концепт компоновки:
Возможно это будет интересно тем, кто не в теме — перед началом компоновки ПП проект выглядит следующим образом:
Остаётся только упихать всё это в контур платы. Вроде получилось неплохо:
Отладка опытного образца
Кроме мелких проблем вроде:
- Последовательно индикаторному светодиоду на одном из питаний драйверов установил резистор 10 Ом, это коротило питание и долго не мог разобраться откуда КЗ — вроде светодиод зажигается и гаснет, но потом схема уходит в защиту
- Диоды на выходе трансформатора тока установил на 30В, а там оказалось раза в три побольше и они сгорели
- Так как диапазон входных напряжений довольно широкий, напряжение на обмотке самоподпитки тоже существенно гуляло и стабилизатор собственного питания, который был собран на транзисторе в корпусе sot-223 перегревался и пришлось заменить его на монстра в TO-220,
Возникли и более существенные неприятности:
- Не работала схема включения внешней командой. Так как не было встроенного источника питания, а питание схема управления получала от дополнительной обмотки, то при отсутствии команды на включение всего ИП схема зарядки стартового конденсатора работала в «икающем» режиме и в результате при высоких напряжениях питания перегревалась.
- Выброс на выходных выпрямительных диодах имел амплитуду около 400В. Пришлось установить в параллель диодам мощные демпфирующие цепи и 600-вольтовые диоды вместо 300-вольтовых (как закладывалось изначально)
Выброс на диоде (это уже с демпферной цепью):
В результате все проблемы удалось победить, пожертвовав командой на включение ИП. Стало понятно, что хорошо реализовать включение командой можно только при наличии внутреннего источника питания (дежурный источник). Я даже нарисовал концепт-дизайн этого источника:
Эта платка должна устанавливаться вертикально в основную плату. Если всё-таки понадобится включаться по команде обязательно добавлю во вторую итерацию ИП.
Опытный образец первой итерации:
Заключение
У меня не было цели описать полностью весь процесс разработки — показал только некоторые моменты. Если у вас появятся вопросы по этой разработке — задавайте в комментариях, буду рад ответить. Главное — всё заработало. Желаю чтобы и у вас в новом году всё работало — с наступающим!
Power is cool — deal with it.
