Elektroniikkafoorumi

[janne]

Olen suunnittelemassa alentavaa jännitehakkuria buck-topologialla.

Viimeisin kompastuskivi hommassa on fetin ajaminen.. Eli tarkoituksena olisi käyttää n-kanavaista fettiä niin, että ajuri on pienemmän jännitteen puolella. Tämä tarkoittaa, että jonkinlainen erotus tarvitaan joka tapauksessa ajurin ja fetin välille.

Maksimi sisääntulojännite on luokkaa 60V, joten ajattelin, että paras tapa fetin ohjaamiseen voisi olla muuntaja. Ongelmana on, ettei ole hajua, miten tuollainen muuntaja pitäisi tehdä, joten vinkkejä hyvästä opiskelumateriaalista kaivattaisiin. Maksimi duty cycle fetille on n.95%, joten se aiheuttaa vielä lisää ongelmia.

Vai kannattaako koko muuntaja-idea unohtaa, ja suunnitella erillinen jännitelähde korkeajännitepuolelle fetin ajamista varten? Ja järjestää ohjaus vaikka optolla.

muoks: muuta mahdollisesti tarpeellista tietoa:
taajuus: 100kHz
input: 14-56V
output: 12V lyijyakuston lataukseen, latausjännite n. 14V
maksimi virta outputissa: hetkellinen 50A, jatkuva n. 30A
_________________
picaxella tämäkin olisi jo tehty

[jahonen]

Eikös tuohon ole helpompi laittaa high-side-hilaohjain, siisti ja helppo ratkaisu kun tuon erikoisempia vaatimuksia ei ole? Esim. IR2011? 95% pulssisuhde on tuolla vielä toteutettavissa, tosin aivan 100% asti ei päästä kun bootstrap-konkka tyhjenee.

t. Janne

[janne]

Kiitokset vastauksesta.. En tiennytkään tuollaisia high-side ohjaimia olevankaan.

Lueskelin läpi datasheetit ja muutamat AN:n mitä löysin IC:hen liittyen, ja tosiaan se vaikuttaisi hommaan melko käypäisältä. Pari juttua, mitkä vielä hieman askarruttavat.. Miten määritellä bootstrap kondensaattorin koko? Ainahan tietysti voisi kopioida suoraan AN:stä 330nF kondensaattorin ja katsoa mitä tapahtuu. Intuitiolla voisi päätellä, että tarvitaan sitä suurempi konkka, mitä suurempaa duty cycleä haetaan?

Toinen asia, mikä jäi mietityttämään on tuo hilalle menevä jännite. Ilmeisesti piiri itse ei reguloi sitä jännitettä, vaan ainoa rajoittava tekijä on sisäinen clamppidiodi, joka datalehden mukaan rajoittaa hilajännitteen 20 volttiin. Riittääkö fetin hilan suojaamiseen normaali 15V zeneri, sarjavastuksen lisäksi?
_________________
picaxella tämäkin olisi jo tehty

[jahonen]

Joo, nuo high-sidet ei jostain syystä tunnu olevan kovin hyvin yleisesti tiedossa, vaikka niillä tuon saa aika näppärästi tehtyä. Hilan ohjausjännite on suunnilleen piirin käyttöjännite-bootstrap-diodin jännitehäviö, eli noin voltin verran käyttistä pienempi. Jos piirilevy on asiallinen niin en näkisi zeneriä ihan välttämättömäksi mutta ei siitä ehkä haittaakaan paljoa ole. Sarjavastukset kannattaa kyllä hilalle pistää, joku 10 ohmia ehkäpä.

Tulipa muuten juuri mieleen että akkulaturikäytössä tuossa tulee mahdollisesti pieni ongelma että boostrap-konkka ei lataannu alkujaan ellei kytkentään pistä alapuolellekin fettiä. Akku kun estää lähdön menemisen nollaan kun hakkuri ei ole käynnissä. Ideahan tuossa on se, että kun lähtö on maissa (esim. low-side johtaa), niin bootstrap-konkka lataantuu outputin ja bootstrap-diodin kautta. Alapuolen fetillehän tuossa mainitussa ohjaimessa on myös ajuri joten homma on suhteellisen yksinkertainen.

Alapuolen fetti ratkaisee ongelman kytkemällä hetkeksi "switch-noden" maihin, jolloin boostrap-konkka latautuu ja homma lähtee toimimaan. Lisäetuna kahdella fetillä systeemistä saa synkronisen hakkurin ja tehohäviö jää pienemmäksi. Ainoastaan dead-timen kanssa pitää olla tarkkana kun vaihdetaan fettien tiloja, tuo hilaohjain ei generoi automaattista dead-timeä vaan se pitää itse siihen huolehtia sopivalla kytkennällä. Käytännössä kummankin fetin päällekytkeytymistä pitää viivästää viivästämättä sulkeutumista. Asetellun lähtöjännitteen pitää myös olla akun jännitettä suurempi, muussa tapauksessa tuosta tulee boost-hakkuri poweriin päin ja tasasuunnattu jännite alkaa nousemaan.

Käytettävän fetin hilavarauksesta voi päätellä miten iso bootstrap-konkka tarvitaan. Konkan jännite ei saa notkahtaa liikaa kun mainittu hilavaraus otetaan bootstrap-konkasta (∆U=Qtot/C). 330 nF ei ole lainkaan huono arvaus, voihan sitä sitten iteroida jos tarvetta ilmenee.

Minkälaista lähtökelaa olit muuten ajatellut tuohon?

t. Janne

[janne]

Tuo viimeinen viesti auttoi ymmärtämään paremmin tuon high-side driverin toimintaa.

Kieltämättä synkroninen hakkuri alkaa houkuttamaan muutenkin, diodiin hukkuisi jopa 5-10W täydellä teholla. Hakkuripiiriksi olin alun perin ajatellut tl494:sta, mutta näiden uusien ideoiden valossa se ei enää vaikuta parhaalta vaihtoehdolta, vaan mukaan tarvittaisiin hieman enemmänkin tavaraa. Ongelmia tulisi ainakin alemman fetin ajamisessa, sillä jos fettejä ajaisi toisensa komplementteina, olisi alempi fetti pienillä duty cycleillä jo liian kauan auki, ja kelan virran suunta kääntyisi. Täytyy miettiä mikä tuohon olisi paras ratkaisu.

Koska voimanlähteenä on tuulivoimala, on myös generaattoriin päin tapahtuva boostaus otettava huomioon ja estettävä.

Lähtökela olisi tarkoitus käämiä kahden päällekkäin liimatun ferriittitoroidin ympärille, OD=47mm, ID=24mm, korkeus yhteensä 37mm.. Jemmassa on ~6mm^2 litz-käämilankaa, mistä 8 kierrosta käämitsemällä pitäisi tulla induktanssiksi rapiat ~18µH, mikä pitäisi laskelmien mukaan olla sopiva.

Jos jotakuta hyödyttää, niin osa laskuista löytyy lähteineen tuolta: http://staff.hamk.fi/~jpeltonen/mppt%20laskut.txt
_________________
picaxella tämäkin olisi jo tehty

[janne]

Nyt on toistaiseksi unohdettu tuo high-side ohjain liiallisen vaikeusasteen takia, ja lauantai-illan ratoksi tuli rakenneltua (testi)gate ohjain muuntajalla tuon sivun ohjeiden mukaan:

http://users.tkk.fi/jwagner/tesla/SSTC/general-sstc-notes-gatedrv.htm

Ihan kohtuullisesti tuntuisi pelittävän suoraan tuon sivun alareunasta löytyvällä kytkennällä. Duty cyclet välillä 2-92% tuntuisivat toimivan hyvin. Muuntaja on 1:1 suhteella, ja ensiöstä mitattuna n. 1.5mH. Ajurina on icl7667, jonka toista kanavaa ohjasin suoraan pulssigeneraattorilla, ja toisen kanavan johdotin 4049 invertterin kautta.. eli muuntajan ensiö on tavallaan minikokoisen h-sillan perässä .. Syöttöjännite 6V.

Tuolta näyttää hilan signaali n. 92% dutycyclellä.. jostain syystä pulssigeneraattorini alkaa tuota isommalla dutyllä puppua, eikä isompien prosenttien testaamisesta tullut mitään.



Vastaavasti sitten matalla dutyllä otettu kuva, n. 2% Molemmissa kuvissa 5V ja 2µs / div.



edit. perhanan ääkköset korruptoituvat previewissä
_________________
picaxella tämäkin olisi jo tehty

[janne]

Suunnittelin eilen teho-osan layoutin. Mitään piirilevyä ei siihen puoleen tule, vaan meininki olisi yhdistellä kaikki 20x2mm kuparikiskolla. Inputtipuolelle kondensaattoreita tulee 4x 1000µF + 3x220µF, 100V. Outputtikonkkina on 4x4700µF, 25V. Fetit ovat 2xIRFP150N, ja diodit 2x MUR2020RG. Sitä vielä mietin, että minne kannattaisi pistää fettien suojadiodit? Ilmeisesti paras paikka niille olisi suoraan fetin jaloissa, vaikka ajurin piirilevy olisikin tarkoitus pistää teho-osan viereen.

Ohjausosan rakentelukin on edennyt melko mukavasti. Seuraavaksi pitäisi viritellä toimimaan SPI-väyläinen DAC-piiri (MCP4921), ainakin datalehden mukaan homma pitäisi olla yksinkertainen. Fettiajurin rakentelu tökkäsi hieman, kun tilattujen 6A ajureiden sijasta toimittaja olikin lähettäny U/f muuntimia..

Layout-suunnitelma:
http://staff.hamk.fi/~jpeltonen/pwrstage.pdf
_________________
picaxella tämäkin olisi jo tehty

[janne]

Nyt on teho-osastokin saatu kasattua, ja testejä on päästy ajamaan. Kuva:



10A kuormalla homma tuntuisi ainakin vielä toimivan kohtuullisesti, mutta skoopilla asiaa tutkittuani huomasin, että tl494 hakkuriohjain käyttäytyy varsin epävakaasti. Kokeilin ensin joitakin kikkoja, mistä ei ollut juurikaan apua. Sitten huomasin, että jostain kohtaa syöttöjännitteeseen tulee häiriöitä, jotka menevät hakkuritaajuuden tahdissa. Tarkemmin hommaa tutkittuani epäilykset kohdistuvat nyt tehokomponenttien kytkeytymisiin, sillä siellä näkyy melko ikävän näköisiä jännitepiikkejä. Ilmeisesti diodien ylitse pitäisi sijoittaa "RC-snubber"-piiri, mutta miten sellainen oikein mitoitetaan? Testasin pistämällä sarjaan 5ohm vastuksen ja 1nF konkan, ja se auttoi jonkin verran, mutta häiriöitä on vieläkin liikaa.

Vai onko koko toosan läyoutti yksinkertaisesti liian surkea näille tehoille taajuuksille?
_________________
picaxella tämäkin olisi jo tehty