Měnič 12/230V s diagonální SPWM modulací

Varování: Příspěvek není návodem ale inspirací pro možný návrh podobného zařízení kvalifikovanou osobou případně pod dozorem jako školní projekt. Obsahuje části pod napětím životu nebezpečným. Autor nenese odpovědnost za újmy na zdraví nebo majetku vzniklé v souvislosti s následujícím příspěvkem. Autor si vyhrazuje právo příspěvek kdykoli změnit.

Úvod

Návrh začal tak, že se mi do ruky dostal klasický malý měnič 12/230V s obdelníkovým řízením z 90. let označovaný za velmi spolehlivou a ověřenou konstrukci. Ta věc bere naprázdno jen 75mA a z toho 35mA bere řídící SG3525. A to přestože je postavená z dobových součástek s deskou roztahanou stylem jak to zrovna vyšlo a s tranzistory střídače na dlouhých drátech.

Zlobilo mě, že dneska nemůžu postavit sinusový měnič z moderních součástek, který by se byť řádově přiblížil spotřebou naprázdno. Jedná se především o spínací ztráty. Rozdíl mezi přepínáním dvakrát za periodu 50Hz a 20kHz sinusovou PWM modulací se zdánlivě nedal obejít.

Dalším problémem byla zkratuvzdornost. Střídač musí být schopen se vypořádat s připojením zátěže stylu spínaného zdroje bez softstartovacího odporu.

Popis funkce

Uspokojivým řešením zkratuvzdornosti byly až teprve drivery s desaturační ochranou každého jednotlivého tranzistoru, které zajistí jeho vypnutí při pokusu o sepnutí do zkratu během 1us od sepnutí a pokus opakují až další spínací periodu. Tím se výrazně omezí střída, ale měnič dál jede stanovenou dobu jednotek vteřin, než se trvale vypne. Tím je umožněn právě start zátěží, co odebírají při zapnutí proudovou špičku a není možné, aby pokaždé měnič úplně vypadl.

Jednou z možností, jak radikálně snížit spínací ztráty střídače je diagonální unipolární modulace. PWM modulací spínáme tak vždy pouze dva tranzistory v jedné diagonále po dobu jedné půlperiody sinusového signálu, v druhé půlvlně spínáme pouze opačnou diagonálu.

Takto řízený měnič neumí dodávat jalový výkon.

Pokud je zátěž kapacitní, průběh na výstupu je obdélníkový, protože kondenzátor se nabije na plné napětí a měnič ho nedokáže na snížit, ale pouze v následující půlperiodě opět přebít na opačnou polaritu.

V případě induktivní zátěže dochází k tomu, že indukčnost zátěže drží proud a při vypnutí tranzistorů střídače ho tlačí zpětnými diodami zpět do kondenzátoru meziobvodu. Najednou nespínáme PWM mezi nulou a napětím meziobvodu např. +350V ale mezi -350V a +350V. Pro čistě induktivní zátěž by tedy měnič nedodával žádný činný výkon a střední hodnota napětí na výstupu by byla nula.

Nicméně za tuhle cenu máme měnič, který má naprázdno spínací ztráty starého obdelníkového měniče, ale jakmile připojíme zátěž, nenutí jí tvrdý obdelníkový průběh napětí.

Při spínání konstantní hloubkou modulace tedy efektivní hodnota napětí výstupu závisí na charakteru zátěže. Pokud je vykompenzováno, napětí je správné. Kapacitní zátěž napětí zvyšuje, induktivní snižuje.

Řešením je zapojit na výstup baterii svitkových kondenzátorů tako velkou, aby dodala potřebný maximální jalový výkon očekávané zátěže a v případě, kdy není potřeba, tak regulovat na žádanou efektivní hodnotu napětí.

Popis zapojení

Zde navržené zapojení malého měniče 12/230V je řízeno obvodem TDS2285, což je SPWM modulátor pro obsluhu střídače se zpětnou vazbou napětí, měřením napětí baterie a pomocným výstupem na odpojení DC/DC měniče. K dostání na aliexpressu jako THT obdoba EG8010. Pokud se pro DC/DC měnič použije SG3525 není potřeba žádný další řídící obvod.

Vstup Vbat obsahuje hysterezi, spíná při napětí větším než 1,1V, vypíná při menším než 0,9V, vypne dále při napětí nad 1,35V.

Vstup VAC, zpětná vazba napětí výstupu střídače má referenci 2,5V, regulátor je pomalý a pouze v malém rozsahu hloubky modulace.

Vstup SD je pouze logický, při log.0 se obvod vypne a zapne až po restartu napájení.

Pomocný výstup DCC má log.1 při vypnuté SPWM.

Výstupy SPWM_P a N poskytují vzájemně fázově posunutý sinus 50Hz modulovaný 20kHz. Vždy spíná pouze jeden, druhý je vypnutý a v druhé půlvlně opačně. Výstupy jsou zamýšleny pro přivedení do jednotlivých polomostů na horní tranzistor přímo, na dolní invertovaně.

Jako drivery střídače jsem zvolil starší IR2125, což je horní driver v zapojení s desaturační ochranou. Existuje ještě verze IR2121 jako dolní driver, anebo IR2127 jako horní driver ovšem s menším výstupním proudem. Všechny tři pinově kompatibilní. U IR2127 možno vynechat 1n kapacity od pinu 3, které u IR2125 slouží k zablokování falešných pulzů, které shazují driver jen kvůli velkému du/dt. IR2121 se pochopitelně dají použít pouze na místě IC5 a IC7.

Schema

 (Pro plné rozlišení nutno stáhnout)

Řešení

Deska je navržena pro běžné transformátorky ze starších AT a ATX zdrojů, na stejné kostře je i tlumivka, potřebnou mezeru zajistí oddálení druhé poloviny jádra o cca 0,32mm. Trafo má primární vinutí bifilárně 6z. každé vinutí dvojicí vodičů průměru 1mm, sekundárních 170z. se vešlo pouze 0,4mm, lépe použít vyšší kostru, stejného rozložení nohou, kam se vejde víc mědi a vinout primár 1,5mm a sekundár 0,5mm.

Tlumivka má na sobě dvě izolované sekce po 112 závitech průměrem 0,5mm. vinout prostě tak, aby vinutí vyšlo na celé vrstvy a druhá sekce měla přesně stejný počet závitů. Potřebná indukčnost cca 2,5mH.

Napětí meziobvodu je při tomto nastavení děliče R4,6,10 cca 360V. Cílem není držet ho konstantní, ale držet střídu blízkou 50% protože DC/DC měnič bez výstupní tlumivky neumí regulovat v zátěži, pouze naprázdno. (Zaregulování na nízkou střídu v zátěži topí tranzistory, tlumivka to sice řeší ale přidá problémy s přepětím na diodách usměrňovače, které nejde snadno odstranit)

Zapojení je očesáno na naprosté minimum součástek, co lze. Deska navržena s propojkami pouze na signálových spojích s možností osazení nulových odporů, tedy bez propojek.

Zpětná vazba získána usměrněním výstupů proti zemi není korektní, přičítá se k ní polovina napětí meziobvodu. měnič se tedy chová jako s kladnou vazbou, při poklesu napětí meziobvodu mírně vzroste napětí výstupu. To ale vyřeší snížení zesílení regulátoru.

Vypnutí při vybavení ochran je řešeno tak, že když zmizí napětí výstupu, začne se nabíjet C19 a až se nabije, log.1 na pinu SD shodí řízení a vypne i DC/DC měnič až do restartu napájení.

Dělič na Vbat hlídá napětí baterie 12V.

LED signalizuje chod (svítí) a poruchu (bliká různě dle příčinny viz datasheet)

Použití
Měnič je zamýšlen pro použití na světelný okruh napájený ze solárů, kde by trvale běžel s napětím na výstupu při minimálním příkonu z baterií připraven napájet např. síťové LED žárovky. Ověřeno s dvěma typy s měničem i bez měniče.

Poznámky

TDS2285 je zřejmě předprogramovaný, přeznačený MCU, pinout sedí např. na ATTINY44-20PU, dala by se tam bez jakýchkoli úprav osadit a napsat vlastní SW, což asi udělám. Při zachování jednoduché THT konstrukce bude možno měnič uřídit ve větším rozsahu než dovoluje SW v TDS2285, který má omezený rozsah hloubky modulace.

Foto

 Kompletní jednodesková konstrukce

TDS2285 je zřejmě přetřený a přetypovaný MCU, nicméně s bezproblému fungujícím SW

Deska ze strany spojů, rozměr 124 x 120 mm

Osazovací plán, chladič vyjde s žebrováním celkové hloubky 10mm, ale stačí plech/úhelník, diody na dlouhé nohy kvůli chlazení.

Video

Edit:
Upraven návrh desky pro připojení programovacích pinů MCU.
48V verze ve stavu navržené desky.

Reference:
TDS2285 datasheet
IR2125 datasheet
SG3525 datasheet
Infineon AN-1014