1kw純正弦波逆變電源原理圖和PCB圖設(shè)計
這個機器,BT是12V,也可以是24V,12V時我的目標是800W,力爭1000W,整體結(jié)構(gòu)是學(xué)習了鐘工的3000W機器,也是下面一個大散熱板,上面是一塊和散熱板一樣大小的功率主板,長228MM,寬140MM。升壓部分的4個功率管,H橋的4個功率管及4個TO220封裝的快速二極管直接擰在散熱板;DC-DC升壓電路的驅(qū)動板和SPWM的驅(qū)動板直插在功率主板上。
因為電流較大,所以用了三對6平方的軟線直接焊在功率板上:
吸取了以前的教訓(xùn):以前因為PCB設(shè)計得不好,打了很多樣,花了很多冤枉錢,常常是PCB打樣回來了,裝了一片就發(fā)現(xiàn)了問題,其它的板子就這樣廢棄了。所以這次畫PCB時,我充分考慮到板子的靈活性,盡可能一板多用,這樣可以省下不少錢,哈哈。
如上圖:在板子上預(yù)留了一個儲能電感的位置,一般情況用準開環(huán),不裝儲能電感,就直接搭通,如果要用閉環(huán)穩(wěn)壓,就可以在這個位置裝一個EC35的電感。
上圖紅色的東西,是一個0.6W的取樣變壓器,如果用差分取樣,這個位置可以裝二個200K的降壓電阻,取樣變壓器的左邊,一個小變壓器樣子的是預(yù)留的電流互感器的位置,這次因為不用電流反饋,所以沒有裝互感器,PCB下面直接搭通。
上面是SPWM驅(qū)動板的接口,4個圓孔下面是裝H橋的4個大功率管,那個白色的東西是0.1R電流取樣電阻。二個直徑40的鐵硅鋁磁繞的濾波電感,是用1.18的線每個繞90圈,電感量約1MH,磁環(huán)初始導(dǎo)磁率為90。
上圖是DC-DC升壓電路的驅(qū)動板,用的是KA3525。這次共裝了二板這樣的板,一塊頻率是27K,用于普通變壓器驅(qū)動,還有一塊是16K,想試試非晶磁環(huán)做變壓器效果。 [!--empirenews.page--]
這是SPWM驅(qū)動板的PCB,本方案用的是張工提供的單片機SPWM芯片TDS2285,輸出部分還是用250光藕進行驅(qū)動,因為這樣比較可靠。也是為了可靠起見,這次二個上管沒有用自舉供電,而是老老實實地用了三組隔離電源對光藕進行供電。因為上面的小變壓器在打樣,還沒有回來,所以這塊板子還沒有裝好。本方案中的SPWM驅(qū)動也是靈活的,既可以用單片機,也可以用純硬件,只要驅(qū)動板的接口設(shè)計得一致,都可以插到本方案的功率板上,甚至也可以做成方波逆變器。
這次DC-DC功率部分的大管子,沒有用2907,而是用了深圳黃工向我推薦的RU190N08(黃工QQ541168979),上圖中的電流應(yīng)該是190A,錯打了180A。因為這管子比2907稍便宜點,所以我準備試一試。
H橋部分的大功率管,我有二種選擇,一種是常用的IRFP460,還有一種是IGBT管40N60,顯然這二種管子不是同一個檔次的,40N60要貴得多,但我的感覺,40N60的確要可靠得多,貴是有貴的道理,但壓降可能要稍大一點。
這是TO220封裝的快恢復(fù)二極管,15A 1200V,也是張工提供的,價格不貴。我覺得它安裝在散熱板上,散熱效果肯定比普通塑封管要強。
這次的變壓器用的是二個EC49磁芯繞制的,每個功率500W,余量應(yīng)該比較大的,初級并聯(lián),次級串聯(lián)。用二個變壓器的理由是:1,有利于功率的輸出,2.變比小了,可能頭痛的尖峰問題會少一些。
對前級進行上電,空載電流近1A,查到是變壓器的原因,后來換了磁芯,空載降到360MA(每個變壓器180MH,基本可以接受),可見磁芯的重要性,而現(xiàn)在要買到幾付好的磁性實在太難了。所幸的是D極波形很好,這次的變壓器應(yīng)該做得還可以了,參數(shù)是:初級3+3,用0.2*29的銅帶,次級44T,用0.74線二根。下一步準備為前級加載,因為一臺逆變器,能不能輸出預(yù)定的功率,前級質(zhì)量是決定因素。只因那個大功率的開關(guān)電源還有一點小問題要解決,所以,加載可能還要過幾天。 [!--empirenews.page--]
這照片上的穩(wěn)壓電源上顯示電流為450MA,因為并不是完全空載,我在高壓處掛了一個LED,用150K2W電阻降壓,這個指示電路要消耗近1W功率,約增加90MA的電流。
對前級進行加載實驗,前級為開環(huán),也沒有裝儲能電感,分二步:
第一步:加載約630W,負載是一個200R、1KW的大電阻,這時工作電流為54.5A。連續(xù)工作一小時,散熱板和190N08大功率管及變壓器只有微溫,D極波形還比較好,尖峰剛露,不明顯,這時母線高壓為356V。
第二步:進一步加大負載,又掛上了二個串聯(lián)的200W燈泡,這時工作電流77.9A左右,此時,實際輸出功率在900W以上了,母線高壓降至347V,D極波形有一路能看到明顯的上沖尖峰。工作半小時,散熱板溫度為45度, 4個190N08管殼溫度:3個為46度,有一個為51度,變壓器也有點熱。但快速二極管一點也不熱。
如果要逆變輸出1000W,前級起碼要能輸出1100W左右,從今天情況來看,溫升好象快了些,溫度主要集中在大功率MOS管和變壓器。因為這樣的結(jié)構(gòu),換管子很麻煩,本來想把190N08換成2907,做一個對比實驗。變壓器熱,我還是認為磁芯質(zhì)量不過關(guān),因為在900W時,每個變壓器單邊繞組的電流不到20A,我用的是0.2X29MM的銅帶,有5.8個平方MM,電流密度只有3A多一些,初級繞組是不應(yīng)該發(fā)熱的;次級有0.74X2,900W時流過的電流不到3A,也不應(yīng)該熱??磥泶判緦嵲谔匾?。
明天準備用風機對散熱板進行主動性散熱,加載到1050W以上。
繼續(xù)加大負載,再用二個150W燈泡串聯(lián)接上去,因為考慮到大電流時線路的壓降,把電源電壓調(diào)高了0.2V,為12.4V,但到線路板還是只有12.1V(我的電源線是用二根10平方并聯(lián)的)。開機后,工作電流達到98.7A,母線電壓為345V,母線電流為3.151A,此時,實際輸出功率為1087W。D極波形上的尖峰有點加高,達到45Vpp(因為我在設(shè)計PCB時,沒有考慮用吸收回路,再加上尖峰也沒有達到管子的耐壓值,所以也就不去理它了)。此時,功耗達到了1194W,前級的實際效率只有91%了。變壓器溫升很明顯了,因為我在散熱板下面放了一個小風扇,所以,管子的溫度一直在40度以下,我只讓它工作了約20分種。
小結(jié):前級的實驗并沒有結(jié)束,我還想用納米晶磁環(huán)做一次實驗,但年內(nèi)肯定是沒有時間了,過了年再試了。看來BT在12V時,要提高功率和效率,瓶頸主要是:1.變壓器,包括磁芯質(zhì)量,繞制數(shù)據(jù)及工藝等;2.大功率MOS管,內(nèi)阻一定要小;3.布線及結(jié)構(gòu),我PCB反面大電流路徑都有15-20MM寬的銅箔,填錫達2MM,還加焊了幾根4平方的銅線,結(jié)構(gòu)方面主要是散熱一定要順暢,加小風扇是很好的辦法。
今天的工作本來想把RU190N08和2907做一個對比測試,測試這二種管子在不同輸出功率時的效率情況,于是,先調(diào)整了各種測試儀表,先把已經(jīng)裝在板子上的RU190N08做了測試,測試結(jié)果如下,看來黃工的這幾個管子還是算掙氣,一路測下來,效率情況良好。
接下來就是花了一個多小時換管子,裝上了4個全新的IRFP2907,本是興沖沖開機,希望是一個很好的結(jié)果,但萬萬沒有想到的是------失敗!
在掛上1號負載時(二個150W燈泡串聯(lián)),工作電流達41.5A,輸入功率達523.3W,輸出功率為283.4W,效率僅為:54%。這可是做夢都沒有想到的結(jié)果,2907管子很快發(fā)熱。 [!--empirenews.page--]在百思不解的情況下,查看D極波形,居然出現(xiàn)了長長的尖峰:
一般情況下,出現(xiàn)這樣的波形,肯定是懷疑變壓器漏感太大,但我這二個變壓器在用RU190N08時,工作得很好,在掛1號負載時,根本看不到尖峰。
我再測G極波形,發(fā)現(xiàn)驅(qū)動方波全部變成了梯形波,這才恍然大悟,原來是2907的驅(qū)動功率不足所致??磥?907的結(jié)電容遠遠大于RU190N08,用3525直接推動4個2907有點困難。為了證實我的想法,我把柵極電阻從原先的20R換成了10R,再開機,這時,在同樣負載下,電流下降為28.3A(用RU190N08時只有21.9A),欠激是肯定的了,因為我的驅(qū)動板上沒有裝圖騰柱輸出,現(xiàn)在只好等重新做了驅(qū)動板再試了。
(驅(qū)動功率不足,D極會出現(xiàn)長長的尖峰,這可是第一次遇到,長見識了啊!)
上圖是柵極波形,這時電阻已經(jīng)換成10R,在用20R時情況還要糟很多。
上圖是從3525的11、14腳上測到的波形,已經(jīng)有點變形。
畫了一塊帶圖騰柱輸出的DC-DC驅(qū)動板
帶圖騰柱輸出的DC-DC驅(qū)動板的PCB終于來了,今天裝了一塊進行試機。
因為加了圖騰柱輸出,所以2907欠激的情況大為改善,但空載電流卻比用190N08時要大很多,不去管它了,繼續(xù)實驗下去。
下面的表格是2907和190N80的工作情況對比
下圖是用2907時的空載波形:
下圖是用2907時,前級輸出1100W時的波形照片:
從上圖可以看出,空載和滿載時的波形差不多。