15分で純粋な正弦波を持つインバーターまたは「パワーエレクトロニクス-すべての人に」

パワーエレクトロニクスとは 間違いなく、これが全世界です！ モダンで快適。 多くの人はパワーエレクトロニクスを「魔法のような」遠いものと考えていますが、周囲を見ると、ラップトップの電源、LEDランプ、UPS、さまざまなレギュレーター、電圧レギュレーター、周波数メーター（IF）が含まれています。 ）換気またはエレベーター内など。 この機器のほとんどは、私たちの生活を快適で安全なものにします。



いくつかの理由により、パワーエレクトロニクスの開発はエレクトロニクスの最も難しい分野の1つです。エラー価格は非常に高く、パワーコンバーターの開発は常に恋人やDIYワーカーなどを惹きつけています。 確かにあなたはあなたのプロジェクトのために強力な電源を作りたいと思いましたか？ または、数kWのオンラインUPSが壊れていませんか？ それとも、ワークショップでのchastotnik？



今日は、自分の小さなオープンプロジェクトについて、またはパワーエレクトロニクス開発の世界に足を踏み入れ、同時に生き続けることを望んでいる人たちを対象にしたプロジェクトについて説明します。 可能性のデモンストレーションとして、12V DCから230V ACまでの電圧インバーターをサイン出力で15分で組み立てる方法を示します。 興味がありますか？ 行こう！

プロジェクトの理由

過去数年間で、電力変換器の開発は私の注文の約90％を占めました。主な人件費は主にソフトウェア開発とプロトタイピングに費やされ、回路設計+総コストの最終的なボードトレースは通常10-15％以下です。 ここで、ソフトウェア開発を含むプロトタイピングプロセスを何らかの形で削減および最適化する必要があるという理解が得られます。



いつものように少なくとも2つのオプションがあります：テキサスインストルメッツまたはインフィニオンから既製のデバッグを購入しますが、通常は特定のタスクに合わせて調整され、500ドルから5,000ドルの費用がかかります。報われません。

2番目のオプションは自分で行うことですが、徹底的に行うことは「鉄の+1リビジョン」を開始することとほぼ同じであり、顧客に追加費用が発生します。 徹底的に行わないと、いつものようにすべてが鼻水になり、どこかで、レイアウト、コンポーネント、およびタイミングまで何かが落ちます。

しばらくして、私は最も明白な解決策に注目を集めました。 とても単純で明白なので、長い間、なぜ同じTIやインフィニオンがまだこれをやらなかったのかと思っていました。 今、私は私の「啓発」についてお話します。



最も人気のある電力コンバータトポロジのいくつかを見てみましょう。















もう一度注意深く見てください。 ストラップを使わずに、明確にするために重要なコンポーネントのみをペイントしました。 これらのトポロジには共通点がありますか？ 最初に目を引くのは、一連の共通点です。

• すべてのトポロジには、コンデンサ、トランジスタ、インダクタンス（インダクタまたはトランス）の主要コンポーネントが含まれます。 これらはパワーエレクトロニクスの3つのクジラです。
• トランジスタはどこでも同じようにオンになり、いわゆる「ハーフブリッジ」を形成します。 ほとんどすべてのコンバータートポロジは、そこから構築されます。
• ハーフブリッジ+コンデンサバンドルをオンにするオプションは、すべてのトポロジで変更されるわけではありません。 インダクタンスのタイプと、ハーフブリッジのスイッチングのオプションが変更されています。

このことから、ハーフブリッジ+コンデンサバンドルの形式の特定の標準モジュールを使用すると、必要なインダクタまたはトランスのみを追加することで、任意のコンバータを構築できると結論付けることができます。 したがって、プロトタイピングを簡素化するための明らかな解決策は、そのようなモジュールの作成でした。

善と悪の戦い

残念ながら、1日あたりの限られた時間と平凡な怠inessが彼らの状態を決定します。 私は1年前にこのモジュールを作成する必要がありましたが、実装は次のスローガンの下で絶えず移されました- 「私は間違いなく来週末にやる！」



おそらく、2つのイベントがなければ、アイデアは棚に残っていたでしょう。 最初に、1か月で2人の顧客が私のところに来て、誰もが複雑で実装が面白かったコンバーターを望んでいました。 彼はヨーロッパ出身であると考えていますが、彼らにとっては安上がりだったかもしれません））両方のプロジェクトは私にとって興味深いものでした。 PFC + 3ブリッジコンバーター（位相シフト）+同期整流器+ 3相インバーター。 これらはすべてSiC上で非常にコンパクトです。 一般的に、私は2つの大きな注文を取りました。それぞれが約800人時と6ヶ月の期間です。 その結果、最適化の方法を探すように「強制」されました。



第二に、 PCBwayの会社の人たちが思いがけず私に手紙を書いてくれ 、多くの人がおそらく彼らにボードを注文し、協力を申し出た。 彼らは、オープンハードウェアプロジェクト、つまりCERN-Open Source Hardwareのイニシアチブを非常に積極的にサポートしています。 協力は簡単で、両当事者にとって理解しやすいものです。彼らは私のプロジェクトのために無料の掲示板を提供してくれ、私はそれらを開いて、あなたが望むなら他の場所のウェブサイトに載せます。 私にとってそれは追加の動機になりました。そして最も重要なことには、私の良心は明確です。 ここ数年、私はそれらからプロトタイプのボードを注文しており、大量生産のために、知り合いやパートナーにそれらについて伝えています。 さて、これのために、私は小さなプロジェクト用の無料のボードの形のパンも持っています、あなたはしばしばハブに書くことができます））



そして、氷が壊れたため、前述のモジュールだけでなく、パワーエレクトロニクス開発者の全体のセットを作成し、それをすべての人が開けてアクセスできるようにすることが決定されました。

プロジェクト構造

記事の冒頭で、今日は1つの部分についてのみお話しすることをお伝えしました。これはハーフブリッジの電源モジュールです 。 それだけで、STM32-Discovery、Arduino、TMS320、TL494、またはそこにあるものをデバッグするなど、制御回路をねじ込むだけでコンバーターを作成できます。 プラットフォームやMKへのバインドは一切ありません。



これだけがプロジェクト全体ではなく、一部））完成した電力変換器は何で構成されていますか？ まず第一に、パワーユニットは動作するために特定の制御モジュールを必要とします。何が起こっているのかを知るには表示が必要であり、安全な距離から何が起こっているのかを知るには、Modbus RTUやCANなどのインターフェースも必要です。



その結果、プロジェクトの一般的な構造は次のようになります。







おそらく将来的には、従来型と平面型の両方のトランスとチョークを計算するためのプログラムも作成します。 これまでのところ。 ドラフト形式の図のさまざまな部分は、2つのプロジェクトで既に実装および実行されています。わずかな修正を加えた後、それらについての記事も作成され、ソースコードが利用可能になります。

ハーフブリッジ電源モジュール

さあ、今日のヒーローを詳しく見てみましょう。 このモジュールは汎用的で、最大1200Vの低電圧および高電圧の両方のスイッチであるMosfetおよびIGBTトランジスタを使用できます。



モジュールの特徴：

• 電源の制御（デジタル）側のガルバニック絶縁。 絶縁破壊電圧3 kV;
• 上下のキーは独立しており、それぞれ独自のガルバニック絶縁されたドライバとガルバニック絶縁されたDC / DCを備えています。
• Infineon-1EDC60I12AHXUMA1の最新のドライバーが適用されます。 パルス開閉電流は6A / 10Aです。 最大周波数-1 MHz（最大1.5 MHzで安定してテスト済み）;
• ハードウェア電流保護：シャント+オペアンプ+コンパレータ+オプトカプラー;
• 最大電流は20Aです。 キーではなく、ラジエーターのサイズと銅ポリゴンの厚さによって制限されます。

モジュールの最初の改訂版は記事に記載されており、完全に機能しますが、2番目の改訂版では、純粋に設計上の欠陥がなくなり、コネクタがより便利なものに置き換えられます。 ドキュメントを完成させた後、PCBwayにガーバーを投げると、6日後に宅配便業者が私のドアをノックして、私にそのような魅力を渡しました。







1週間後、 犬はようやく1つの美しい国内店から部品を持ち込みました。 その結果、すべてがマウントされました。











次に進む前に、モジュールの回路図を見てみましょう。 こちらからダウンロードできます-PDF



複雑でも魔法でもありません。 通常のハーフブリッジ：下部に2つのキー、上部に2つのキー、1つずつはんだ付けできます。 上記の1EDファミリーのドライバーは、非常に邪悪で不滅です。 電源のどこでも、DC / DC出力での+ 12Vを含む表示があります。 ANDロジックエレメントには保護が実装されており、電流を超えると、コンパレーターは+ 3.3Vを出力し、フォトカプラーを点灯させ、AND入力の1つをグランドに引き込みます。つまり、log.0が確立され、ドライバーからのPWM信号が消えます。 次の改訂では、3つの入力を持つANDが特に使用されました。ラジエーターによる過熱に対する保護も行い、エラー信号も取得する予定です。 すべてのソースは記事の最後にあります。

インバータのレイアウトを組み立てます

モジュールの動作をデモンストレーションする方法について長い間考えていたので、誰にとっても退屈で、有用であり、繰り返すことはそれほど難しくありません。 したがって、私は電圧インバーターで停止しました。それらはソーラーパネルで動作するために使用されます。低電圧側で何か臭いがしたら怖くないですが、高電圧側では、電源を入れたときに手を入れないでください



インバーター自体は不名誉なほど単純です。ところで、MAP Energyはそのようにリベットで留められています。ここに、このアイデアの商用実装の例があります。 インバーターの仕事は、12 V DC電圧から50 Hzの周波数の正弦波変数を形成することです。これにより、50 Hzの従来の変圧器が動作に使用されるためです。 OSMのような何らかのソビエトを使用し、220Vの工場巻線と2次巻線として使用され、1次〜8Vは銅バスで巻線されます。 次のようになります。







そして、このモンスターはたった400ワットです！ 感覚によると、変圧器の重量は約5〜7 kgで、脚に落とすと、軍隊に持ち込まれることはありません。 実際、これは「鉄」変圧器を備えたインバータのマイナスであり、それらは巨大で重いです。 それらのプラスは、これらのインバーターがすっごくシンプルで、作成するのに経験を必要とせず、もちろん安いことです。



次に、モジュールとトランスフォーマーを接続しましょう。 実際、開発者向けのモジュールは、2つのPWMの入力と3つの電源出力（VCC、GND、ハーフブリッジ出力自体）を備えた「ブラックボックス」として提示する必要があります。







次に、これらの「ブラックボックス」から、インバーターを描画しましょう。







ええ、それはたった3つの外部要素を取りました：トランス＋ LCフィルター。 後者については、モジュールからトランスへのワイヤを、Kool Mu材料、透磁率60のR32サイズ、約10μHのインダクタンスのリングでワイヤを巻くことにより、チョークを作成しました。 もちろん、スロットルを計算する必要がありますが、15分必要です））一般に、400 Wでそのようなものを運転する場合、サイズR46（これが外径です）のリングが必要です。 静電容量-1-10 uFフィルム、これで十分です。 実際、トランスの巻線の容量が健全であるため、コンデンサを経済として設定することはできません...一般的に、中国とMAPはそれを行いました））インダクタは次のようになります：







出力にテスト負荷をかけることは残っています。20WのLED電球が2つあり（他に手元にないものがあります）、それら自体が24 Wを消費しますが、効率は変わりません。 また、トランスの開回路電流は約1Aです。 バッテリーでは約5Aを消費します。 その結果、次のような立場になります。







また、レイアウトでは、バッテリーデルタHR12-17をそれぞれ12Vおよび17 A * hの容量で使用しました。 STM32F469-Discoveryデバッグボードからコンバーターを制御します。

コード

当初は、2010年に展示会で受け取ったSTM32VL-Discoを管理に使用する予定でしたが、たまたまこのレイアウト上にあったため、すべてのコードが記述されてレイアウトが起動されたときに死ぬ運命にありました。 オシロスコープのプローブを忘れて、2つの地球を組み合わせたアーメン。 その結果、すべてがSTM32F469NIH6で書き直されました。手元にあったのはこのデバッグでした。したがって、2つのプロジェクトがあります。F100とF469の両方がチェックされます。 このプロジェクトは、STのEclipseバージョンであるTrueSTUDIO用に構築されています。





一般に、別の記事で、彼は正弦波信号の生成方法、コードの記述方法などを詳細かつ明確に説明しました。 ここで読むことができます 。



読みましたか？ 収集したいですか？ プロジェクトを維持します。

• F469のプロジェクト
• F100のプロジェクト

コードを実行し、オシロスコープで準備を進めます。 まず、ドライバーの入力で信号の存在を確認します。次のようになります。







1つのハーフブリッジ（モジュール）に正弦波を描く2つの信号と、2つの信号に50 Hzを与えることに注意してください。 さらに、一方の対角線は「赤+黄色」で、もう一方は「青+緑」です。 私が上で与えた記事では、突然あなたが理解しない場合、これについて詳細に書かれています。 さて、信号が来ると、実験室の電源からハーフブリッジ+ 12VとGNDの両方をオンにします。 すぐに電池は助言しません、どこかで間違えたら、何かが燃え尽きるかもしれません。 ボード上の保護は、プラスとマイナスが混同された場合の明らかな妨害からではなく、過電流から節約しますが、ラボの技術者は節約します。 テストには12Vと1Aで十分です。 オシロスコープのプローブ、そのアース線を最初のハーフブリッジの出力に、プローブ自体を他のハーフブリッジの出力に接続すると、次のような画像が表示されます。







あなたが求めるサインはどこにありますか？ 事実、オシロスコープの入力抵抗は大きく、負荷を表していないため、電流は流れず、サインを得る場所はありません。 負荷を追加し、直列に9個をオンにするだけで、10オームの抵抗器から90オームの負荷を作成しました。 負荷をハーフブリッジの出力に接続すると、次の図が表示されます。







あなたは同じですか？ それでは、インダクタ、トランス、負荷を接続して、起動を試みてください。 了解！ アイドル状態では出力が最大350〜380Vになる可能性があるため、このモデルを無負荷でオンにすることはできません。 そのため、これには負荷やOSは必要ありません。 最後のものはありません。これは別の記事のトピックです。選択科目として、最も単純なPレギュレーターを固定することができ、プロジェクトテンプレートを既に持っています。

包含物

スイッチをオンにした後、出力で約230Vが得られます。出力は確かに安定せず、230V + -30Vでフロートします。テストのために機能します。別の記事では、PおよびPIコントローラーとその実装について説明することを決めたときにレイアウトを完成させます。



仕事の結果を楽しむことができ、必要に応じてすべてを箱に入れて、農場や田舎でそれを適用して、光やその他の設備を提供することもできます。







おそらく、「クリック」、つまりDiscoveryの電源を入れてからランプをオンにするまでの遅延に気づいたでしょう。これがMKが初期化に費やした時間です。 この遅延は、レジスタエントリを複数の行に分割するのではなく、1桁を一度にレジスタに書き込むことで削減できます。 私はそれを説明目的でのみ粉砕しました。 これは恐ろしいことではありませんが、HALコードでは、遅延は3倍長くなり、人々は何らかの形でそれと共存します）



忘れるまで、プロジェクトのソース：

• 回路図-PDF
• BOM- Excel
• ガーバーファイル-RAR

ボード上の温度がどのようになっているのかを確認するには、特別なホットスポットがあります。 5-6Aは確かに十分ではありませんが、貫通電流または何らかの重大なエラーがある場合、これはボードをケトルに変えるのに十分です：







ご覧のとおり、最も熱い要素は、2 Wのガルバニック絶縁用のdc / dcモジュールで、最大34度まで加熱されます。シャントでもあります。 トランジスターとラジエーター自体は、コンバーターの動作の30分後に周囲温度になります））

感謝と計画

近い将来、DSPボードについて記述し、デバッグ検出からではなく、「専用」モジュールから管理する予定です。 2番目の改訂ボードが同じPCBwayから彼に届きました。コンポーネントを待ってすぐに書きます。



この記事とアイデア自体を楽しんでいただけたことを願っています。 将来的には、同じモジュールで、chastotnik、mpptコントローラー、または他の興味深いものを組み立てる方法を示します。 質問がある場合は、コメントまたはPMで質問することをaskしないでください。突然完全なアカウントを持っていない場合は、すべての質問に答えようとします。



PCBwayに感謝します。実際に、オープンソースエンジンをサポートしていることは非常に良いことです。 すぐに、ハードウェアメーカーは、オープンソースプロジェクトの数と質においてソフトウェアライターに追いつくことさえあります。