Мостовой инвертор на TL494 (v2)

Описанный инвертор состоит из четырех блоков: задающий генератор; плата защиты; плата заряда фильтра; силовой блок. Генератор построен на базе TL494 с ручным регулированием частоты и ширины импульсов, с возможностью блокировки внешним сигналом от блока защиты. Силовая часть построена по схеме моста на IGBT. Для развязки каналов управления используется GDT. Защита работает по току в шине постоянного тока, блокирует генератор и выключает цепь питания моста. К выходу может быть подключена активно-индуктивная нагрузка, импульсные трасформаторы и т.п.

Рисунок 1 - Внешний вид и общая схема

Рисунок 2 - Плата управляющего генератора

Рисунок 3 - Схема управляющего генератора

Рисунок 4 - Сигналы на выходах 9 и 10 TL494 при минимальной и максимальной частотах генерации

Питание генератора осуществляется от источника 15В 2А. Выходная частота генератора задается элементами C1 и RP1+R4 и с указанными номиналами регулируется в диапазоне от 24кГц до 42кГц. При подаче питания на плату генератора нарастание ширины импульса происходит плавно в течение ≈1c, до установившегося значения, которое задается резистором RP2. На плате разведено место под подстроечник типа 3296, но, в данном случае используется переменный резистор для ручного регулирования заполнения. Конденсатор параллельно переменному резистору был добавлен для подавления помех при касании корпуса резистора руками. В случае применения подстроечного резистора на плате, этот конденсатор не нужен. За скорость нарастания ширины импульсов при плавном пуске отвечают элементы C2+R5+RP1+R6. Но, если нужно изменить скорость нарастания заполнения, то следует менять емкость C2, поскольку резисторы выбраны так, что при регулировках заполнения и частоты deadtime остается в допустимых пределах (2мкс с используемыми IGBT) и во всех режимах не происходит перегрузки вывода V_ref по току. Если плавный пуск не требуется, то конденсатор C2 можно убрать. Вход ENABLE на клеммнике используется для блокировоки работы генератора внешними сигналами, к нему подключается блок защиты. Этот канал также может использоваться для подключения внешнего прерывателя параллельно с защитой (с разделительными диодами). Для разрешения работы генератора, на вход ENABLE нужно подать напряжение не менее +1,5В. Если блокировка не используется, то ENABLE может быть постоянно подключен к шине питания +15В.

Рисунок 5 - Силовой блок

Силовой блок построен на IGBT SGW25N120. Транзисторы SS9012H участвуют в разряде затворов ключей, а также недопускают заряда затвора через емкость C_GE (об эффекте Миллера в предыдущей статье). На схеме и на фото есть различие в габаритах (мощности) нагрузочных резисторов GDT, о причинах этого написано в конце статьи. Между конденсатором фильтра и мостом (инвертором) в разрыве силовой питающей цепи введен клеммник для подключения платы защиты. Индуктивность цепи между фильтром и мостом должна быть минимальной (амплитуда перенапряжений L*di/dt), поэтому провода между силовым блоком и модулем защиты должны быть максимально короткими и прямыми.

Рисунок 6 - Трансформатор GDT (обмотки мотались одним пучком)

Трансформатор GDT намотан на ферритовом кольце EPCOS N87 25х15х10 проводом МГТФ-0,12. Все 6 обмоток по 23 витка (2 первичных и 4 вторичных). При подключении GDT необходимо соблюдать фазировку обмоток таким образом, чтобы ключи открывались по диагонали VT1+VT4 и VT2+VT3 (рис. 7). При неправильной фазировке одновременное открытие двух ключей одного плеча VT1+VT2 или VT3+VT4 приведет к КЗ шин 310В с быстрой внеплановой разборкой силового блока. Если не уверены в правильности фазировки, то можно запитать мост без нагрузки пониженным напряжением V_dc с ограничением тока и включить генератор. При этом ток питания моста должен быть практически нулевым, а на выходе моста будут наблюдаться двуполярные импульсы ±V_dc. Особое внимание стоит уделить форме управляющих сигналов G-E на ключах во всех вариантах регулировки частоты и заполнения. Верхний уровень напряжения должен быть не менее +12В, а нижний - не более +2В (пороговое напряжение V_GE(th)=2,7..4,7В при t=100°C). Если нижний уровень сигнала на затворе высокий (пример 1, 2) и затянуты фронты (пример 3), то, возможно, выбрано неподходящее число витков GDT, неподходящий магнитопровод, высокое сопротивление нагрузочных резисторов. На рис. 8 показаны осциллограммы сигналов на ключах при частоте 42 кГц и максимальном заполнении.

Рисунок 7 - Фазировка GDT

 

Рисунок 8 - Осциллограммы управляющих сигналов на ключах на частоте 42 кГц при максимальном заполнении

Рисунок 9 - модуль защиты

В инверторе предусмотрена защита (отсечка) по максимальному току. Измерение тока производится в шине постоянного тока перед мостом, для этого используется датчик тока на эффекте Холла. Датчик может измерять ток до ±20А в двух направлениях с чувствительностью 100мВ/А, при этом нулевой ток соответствует напряжению на выходе V_cc/2=2,5В. Регулировка уставки защиты осуществляется изменением опорного напряжения на входе 2 компаратора при помощи подстроечного резистора. С учетом делителя, на входе 3 компаратора при нулевом токе присутствует напряжение 1,25В, которое в зависимости от измеряемого тока будет меняться в соотношении 50мВ/А. Поэтому для установки порога срабатывания I_ср опорное напряжение должно быть равно 1,25+0,05*I_ср.
Недостатком датчика является относительно медленное нарастание выходного сигнала. С момента поступления тока на вход датчика, на его выходе сигнал достигает установившегося значения приблизительно за 10мкс (рис.10). Поэтому срабатывание отсечки с минимальным превышением установленного порога гарантируется лишь при условии, что длительность импульса тока, превышающего уставку, будет не менее 10мкс. Если импульс тока будет короче, то ток срабатывания защиты должен превышать уставку. Но, при одиночных импульсах короче 2мкс датчик уже реагировать практически не будет, независимо от величины тока. Всё вышесказанное наглядно демонстрируется на рис. 11-12 на примере установленного порога в 15А, что соответствует опорному напряжению 2,0В.

Рисунок 10 - Скорость нарастания выходного сигнала датчика тока (голубой - выход датчика после делителя (3 нога компаратора); желтый - тестовый импульс тока на входе 5А/дел - напряжение на шунте 1 Ом)

 

Рисунок 11 - Скорость работы датчика тока в зависимости от амплитуды тока с коротким и длинным импульсами тока (голубой - выход датчика после делителя (3 нога компаратора); желтый - тестовый импульс тока на входе 5А/дел - напряжение на шунте 1 Ом)

 

Рисунок 12 - Скорость срабатывания отсечки в зависимости от амплитуды тока с коротким и длинным импульсами тока (голубой - выход триггера, на 6-й ноге 74HC00; желтый - тестовый импульс тока на входе 5А/дел - напряжение на шунте 1 Ом)

Выход компаратора управляет RS-триггером на двух элементах 2И-НЕ. При превышении измеряемым током порога срабатывания, выход компаратора переводится из состояния "1" в состояние "0", что в итоге переводит выход RS-триггера 6 в состояние "0" и фиксируется в нём, пока не будет выполнен сброс или перезапуск питания. Выход триггера управляет силовым реле и блокировкой генератора по каналу ENABLE. Диод на выходе канала ENABLE исключает протекание обратного тока в случае подключения к линии ENABLE какого-либо внешнего модулирующего прерывателя. Но, в таком прерывателе на выходе должен быть такой же диод. Клеммник [RST OFF GND] предусмотрен для внешнего управления триггером. При замыкании RST на GND триггер сбрасывается в исходное состояние (сброс отсечки). Замыканием OFF на GND имитируется сигнал о превышении уставки от компаратора, что вызывает срабатывание отсечки. В разрыв силовой цепи включен контакт реле, которое обесточивает мост при срабатывании отсечки. В обычном случае срабатывания отсечки блокировка генератора действует раньше, чем начинают размыкаться контакты реле (задержка ≈8мc), поэтому обычно это реле разрывает силовую цепь без тока. В случае несрабатывания блокировки по непредвиденным причинам, реле должно защитить инвертор от перегрузки (не КЗ) по току, превышающему установленный порог, но, который ещё могут выдержать ключи за время задержки отключения контактов реле.

Рисунок 13 - модуль заряда фильтра

Рисунок 14 - Напряжение на конденсаторах фильтра при включении

Конденсаторы фильтра имеют большую емкость, поэтому для снижения величины зарядного тока, при включении в сеть заряд фильтра выполняется с ограничением тока. Клеммник [~IN ~OUT] включается в разрыв цепи переменного тока перед входным диодным мостом. Конденсатор на 4,7мкФ, работая в качестве емкостного сопротивления (X_c=1/[2πfC]), ограничивает ток до 0,3А при работе от сети 50Гц 230В. Напряжение фильтра [+310В -310В] поступает через ограничивающий резистор на светодиод оптрона и по мере нарастания напряжения, оптрон открывается. В итоге через ≈2,5с после включения напряжение на фильтре достигает ≈250В и срабатывает реле, которое шунтирует ограничивающий конденсатор. Обратное отключение реле произойдет при снижении напряжения на фильтре ниже 220В. Обратный диод параллельно светодиоду оптрона применен для избежания перенапряжения на светодиоде (4N35: V_R=6В) при ошибочном подключении измеряемого напряжения обратной полярностью. Данный модуль накладывает некоторые требования при запуске инвертора. Если в момент пуска на выходе инвертора есть нагрузка достаточной мощности, то задающий генератор нужно включать после шунтирования ограничителя зарядного тока. Иначе нагрузка инвертора не даст зарядиться фильтру до напряжения включения шунтирующего реле. На момент написания статьи автором используется отдельный тумблер для включения питания генератора.

Как и со всеми подобными девайсами, первые пуски следует производить при пониженном напряжении питания моста и с балластом. Перед подачей питания на силовую часть следует некоторое время (например, 20 минут) потестировать схему на усточивость сигналов непосредственно на ключах. Если а этом этапе всё прошло нормально, далее можно плавно подавать пониженное питание на силовую часть, например, 10-20В от блока питания с ограничением тока. Если при отключенной нагрузке инвертора и включенном генераторе с подачей питания на силовую часть ток потребления моста близок к нулю, то на следующем шаге можно подключать нагрузку. Автором в качестве активной нагрузки использовался балласт на 50 Ом из ТЭНов 2х400Вт (рис. 15). Далее постепенно повышаем напряжение питания силовой части.

Рисунок 15 - тестирование инвертора на активной нагрузке (на мультиметре - ток потребления от сети 220В)

Радиатор с обдувом не должен нагреваться нагреваться более t°=30°C при t°_окр=20°C. Наиболее нагретое место во всём устройстве - нагрузочные резисторы GDT, в этом варианте платы нагреваются до t°=167°C (рис. 16). Первоначальная разводка была рассчитана на резистор 2W 240R на канал, но, в итоге для улучшения сигналов они были заменены на 120R, на которых выделяется уже до 1,8Вт - не критично, но, почти на пределе. Этот вариант тестировался и оставлен у автора на данный момент, но, в опубликованной схеме и разводке эти резисторы заменены на 5W 120R типа SQP.

Рисунок 16 - нагрузочные резисторы GDT - наиболее нагретое место в работающем инверторе

Далее были тесты с понижающими трансформаторами. Затем были эксперименты с индукционным нагревом. Для этого в генераторе заменой резистора R4 на 5,6к был поднят диапазон частот до 35,5 - 92,6кГц (осциллограммы генератора). К выходу инвертора подключался последовательный LC-контур с согласующим трансформатором. Его параметры и модель описаны ранее в статье, только для повышения мощности первичная обмотка согласующего трансформатора была отмотана сначала до 20 витков, затем до 18 витков. Эксперименты производились с графитовым тиглем в индукторе, с которым резонансная частота поднялась до 83кГц (78кГц - без тигля) и почти не зависела от загрузки тигля металлом и его температуры. Это позволило производить однократную настройку частоты генератора, а если тигель был бы извлечен, то резонансная частота сместилась бы ниже на 5кГц и контур стал бы для инвертора активно-индуктивной нагрузкой, что не является аварийным режимом, как если бы контур с пустым индуктором работал с генератором в резонансе (контур последовательный). Настройка частоты выполнялась по осциллографу (рис. 17), при пониженном напряжении питания силовой части (15В вместо 220В). Признак резонанса - ток и напряжение на выходе инвертора совпадают по фазе (рис. 18). Работа инвертора при F_GEN < F_RES нежелательна (емкостная нагрузка), а при F_GEN > F_RES допускается (индуктивная нагрузка), более того, так можно регулировать мощность индукционного нагрева.

Рисунок 17 - схема снятия осциллограмм напряжения и тока при настройке частоты с контуром индукционного нагревателя

Рисунок 18 - Осциллограмма напряжения (голубой) и тока (желтый) на выходе инвертора при настройке частоты с контуром индукционного нагревателя

Файлы к статье:
full_bridge_v2.7z(474 кб) - схема, платы (SprintLayout)

Добавление комментария
Имя:
E-mail:
Сообщение: