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.