Управляемый умножитель напряжения

[namdke]

Здравствуйте. Итак стояла задача - из 150-200 Вольт 50 Гц переменки получить стабильные 310 вольт постоянки с мощностью порядка 5 кВт, этакий стабилизатор. После 2-3 дней экспериментов в симуляторе родилась очень простая схема. Суть очень простая - скрестив схему обычного выпрямителя и обычного умножителя получаем управляемый умножитель.

Конденсаторы С1 и С2 тут играют роль вольтдобавочных, а С3 основной. При положительной полуволне конденсатор С1 через паразитный диод в транзисторе Q2, а также конденсатор С3 заряжаются до пикового сетевого напряжения, при отрицательной полуволне заряжается конденсатор С2 через диод в транзисторе Q1. Если начать открывать и закрывать транзисторы в нужные моменты, то конденсатор С3 будет дозаряжаться с помощью сетевого напряжения и добавочного (С1 или С2 в зависимости от полярности приложенного сетевого напряжения напряжения). Подкупала простота - силовых по сути всего 6 деталей, 3 конденсатора, 2 транзистора и 1 диодный мост. Диоды D1 и D2 - по сути защитные, нужны для разряда емкостей С1 и С2 и никак не влияют на работу схемы. Схема управления также по своей сути получилась довольно простая и состоит из детектора полярности, 2-х D-триггеров и компаратора.

Пару дней ушло на сборку и отладку прототипа. Прототип успешно заработал. Запитался для начала через понижающий тр-тор на 50 вольт для удобства отладки. Успешно повысив напряжение до 80 вольт(настраивается обратной связью) с нагрузкой резистором 150 Ом (нагрузка получилась 42 Вт). Все осцилограммы как на картинке в симуляторе, все идеально. Единственное тр-тору очень не нравилась нагрузка такого характера, ну оно и понятно, схема по сути рвет цепь с протекающем током, а какой индуктивности это понравится?! При этом даже с дикими помехами и выбросами система отработала на ура.

Решил собрать более мощный вариант. Собрал, все по той же схеме, добавил только схему плавного заряда конденсаторов при включении, все таки 15000 мкФ напрямую в розетку может сделать большой бах. Транзисторы использовал IRFP460 (500 В, 20 А) по два в параллель. Система успешно запускалась и и выходила в режим стабилизации напряжения, в итоге пережила около 5 включений, после чего выбило один из транзисторов. Далее после серии экспериметнов выбило еще один транзистор. Транзисторы выбивало не в момент включения, а уже в момент когда система полностью вышла в рабочий режим. Я не могу понять что им не нравится? Напряжение на них не может быть больше сетевого, токи тоже идут мизерные (нагрузка пока 4.7 кОм на напряжение порядка 330 Вольт). Схема управления построена таким образом что даже в случае помех не сможет включить одновременно оба транзистора. У меня пока единственное предположение, что каким то образом на затворе транзисторов образуется напряжение выше допустимого и пробивает именно затвор. Осциллографом полазить нет возможности т.к. у меня обычная дешевая USB приставка к компу. Латра тоже нету, да и толку от него было бы не много, это все таки дикая индуктивность, которая будет давать огромные выбросы и помехи.

Если у кого есть предположения почему выбивает транзисторы - с удовольствием выслушаю. Если нужна полная схема, нарисую и выложу без проблем.

Дополнительные пояснения к принципу работы: Схема работает в двухтактном режиме, при одной полярности заряжаются основной конденсатор с возможной вольтдобавкой (если транзистор открыт) разряжая при этом дополнительный, одновременно через паразитный диод в противоположном транзисторе второй дополнительный конденсатор подзаряжается. При смене полярности транзисторы и дополнительные конденсаторы меняются ролями. При необходимости вольтдобавки схема управления включает один из транзисторов (в зависимости от полярности) строго в момент смены полярности и выключает когда напряжение на основном конденсаторе достигнет необходимой величины. Если напряжение на основном конденсаторе итак достаточно, то оба транзистора всегда закрыты и схема работает как обычный выпрямитель.

1m.PNG

(18.51 КБ) 329 скачиваний

[Martin76]

Для такой цели нужно обычный APFC, одно или двухфазный делать, будет проще, надежней и дешевле батареи конденсаторов в несколько десятков тысяч мкф с рабочим напряжением 350-450В, даже несмотря на могучие транзисторы и индуктивности для него. А за синусоидальный потребляемый ток источник 150-200 Вольт 50 Гц переменки только спасибо скажет.

[vlasovzloy]

Попробуй резисторы последовательно с конденсаторами, на сколько Ом, хз

Но я тоже склоняюсь что ккм намного лучше во всех планах

[namdke]

Кондеры 4700uF 365V у нас в городе можно достать б.у. за 500р штука, что и было сделано. Я просто понять не могу что тут может идти не по плану. Нет ни одной индуктивности, соответственно нет никаких бросков напряжения в моменты включения и выключения. Транзисторы открываются строго при пересечении "0", опять же нет никаких бросков тока и по ним течет ток ровно тот же, что и через выпрямительные диоды. И диоды же в обычном выпрямителе не вышибает.

Суммарная мощность нужна порядка 15 кВт. Покупать ККМ на 15 кВт (или 3х5 кВт)... Это такая вешь, которую в обычных магазинах не купишь. Ближайшее подходящее что можно купить это стабилизатор инверторного типа, ценник на такую мощность перевалит за 60-80к. Если разрабатывать самому (да даже повторять схемы наденые в интернете) - это то еще удовольствие не на один месяц.

Попробуй резисторы последовательно с конденсаторами, на сколько Ом, хз

Дело не в бросках тока т.к. транзисторы вышибает не в момент включения в розетку, а рандомно после того, как все кондеры уже зарядились и вся система вышла в режим стабилизации напряжения. Нагрузка в тесте пока минимальная, порядка 5 Вт (нужна чтобы адекватно работала обратная связь) и соответственно кондеры заряжены до максимума, у них разница потенциалов от силы пару вольт.

[vlasovzloy]

Откуда ты знаешь что не от этого? Сам говоришь осциллографа нет, только юсб свисток

[namdke]

Хорошо, какой номинал резистора выбрать? Максимальный средневыпрямленный ток, который потечет через каждый транзистор около 10 Ампер в одну сторону и такой же через паразитный диод в другую сторону, т.е. в общем 20 Ампер. Т.е. если брать резисторы на 2 Ома, то получим максимальное тепловыделение в 40 Вт - в принципе приемлемо. Попробую завтра найти такие резисторы.

[pavel2000]

>У меня пока единственное предположение, что каким то образом на затворе транзисторов образуется напряжение выше допустимого и пробивает именно затвор.

Эффект миллера? Deadtime? Не, не слышал..

Предлагаю рассмотреть предложение: убери вторую оптопару, замени её запирающим транзистором.



При наличии на затворе напряжения, в случае закрытого фотодиода, транзистор W2F откроется и зашунтирует ток затвора на себя.
Это полный кусок схемы из узла формирования выходного напряжения ИБП APC.

[namdke]

Чем принципиально запирающий транзистор на схеме с подписью W2F отличается от той же "нижней" оптопары в моей схемы. Схема из двух оптопар мне показалась очень удачным решением. Четкое включение и выключение с временем порядка 8-10 мкс. При добавлении в параллель еще одного транзистора время вообще никак не меняется, это говорит о том, с током заряда, разряда (и соответственно удержания) затворной емкости все очень хорошо, просто эти оптопары быстрее не могут. При учете что у нас частота переключения транзисторов 50 Гц, это можно сказать "мгновенно".

Dead-time тут можно сказать соблюден т.к. при открытии транзистора, второй уже давно (>5 мс) как закрыт. Единственный случай где может помешать Dead-time - это заниженное напряжение более чем в 2 раза т.е. схема будет работать в режиме удвоения напряжения и тогда теоретический транзисторы будут переключаться одновременно, но я до тестирования этого момента даже не добрался.

Эффект Миллера... Думал об этом, но емкость у этих транзисторов сток-затвор пару сотен пикофарад, переключение транзистора 8-10 мкс и при этом полноценная полумостовая схема раскачки емкости затвора. Я не думаю что она способна хоть как-то повлиять. Если бы я их гонял на МегаГерцах, то там другое дело.

[Килиманджаро]

Схему управления сюда можете приаттачить?

[pavel2000]

>Чем принципиально запирающий транзистор на схеме с подписью W2F отличается от той же "нижней" оптопары в моей схемы.

Ну вот подумайте, чем. Принципиально - отличается.

>Если бы я их гонял на МегаГерцах, то там другое дело.
>Четкое включение и выключение с временем порядка 8-10 мкс.

Подумайте, как связаны два ваших высказывания.

----

По ощущениям, у вас очень плохая ситуация - вы уже знаете сколько-то, что думаете, что знаете всё.
Разубеждать вас в обратном - не моя задача.

[namdke]

Схему управления сюда можете приаттачить?

Без проблем. Есть почти полная схема которую гонял в протеусе.
Если надо, могу отрисовать ту схему, которую собрал в живую, она не сильно отличается, добавлено несколько элементов, китайская зарядка в качестве изолированого питания схемы управления и добавлена схема плавного заряда конденсаторов (резистор 68 Ом 10 Вт, реле со простейшей схемой-таймером на конденсаторе и транзисторе).

Хотел еще прикрепить файл протеуса, но форум отказвается его прикреплять, даже в zip архив пробовал запаковывать, всеравно отказывается.

Добавлено after 19 minutes 29 seconds:

По ощущениям, у вас очень плохая ситуация - вы уже знаете сколько-то, что думаете, что знаете всё.
Разубеждать вас в обратном - не моя задача.

Я не отрицаю того факта что я что-то могу не знать, все знать невозможно. Поэтому я и пришел на этот форум, потому-что схема вроде и простая как палено, но работать отказывается. Принцип работы этой схемы не шибко отличается от того-же плавного тиристорного(симисторного) управления нагрузками, все те-же принципы. Тут просто немного хитрая схема включения.

Из практики работы с полевыми транзисторами знаю что переключать их быстро можно, но это очень геморойно, вылезает куча всяких негативных эффектов, емкости затвора, емкости Миллера и т.д., чем медленнее его переключаешь, тем проще. Скорость 8-10мкс - это для полевика (хоть и такого мощного) черепашья скорость, но мне быстро их и не надо переключать. На двух оптопарах получился довольно бронебойный вариант, ведь если не включена верняя оптопара, то значит включена нижняя, которая притягивает затвор на его исток.

Ваш вариант схемы нужен для того, чтобы быстро, очень быстро (сотни наносекунд) закрыть полевик, но в моей схеме это не принципиально. А емкость миллера (мое мнение) не играет почти никакой роли, если его зкрывать с черепашьей скоростью, ведь реактивное сопротивление емкости зависит от частоты приложенного на него напряжения и сравнивая сотни наносекунд и десятки микросекунд - это разница на 2 порядка, соответсвенно и реактивное сопротивление емкости сток-затвор будет на 2 порядка больше чем в вашем случае.

Еще главное, что хочу отметить в этой схеме: полевики всегда включаются в момент когда дельта потенциалов сток-исток близка к нулю, а при выключении когда его сопротивление начинает рости, ток начинает плавно падать при этом опять же дельта потенциалов близка к нулю т.к. сетевое напряжение нарастает крайне медленно в сравнении в временем закрытия транзистора. Вопрос: Как емкость Миллера может открыть транзистор (или помешать его закрытию) если и в момент включения и в момент выключения дельта потенциалов сток-исток близка к нулю?

[pavel2000]

>Еще главное, что хочу отметить в этой схеме: полевики всегда включаются в момент когда потенциалы сток-исток близки к нулю, а при выключении когда его сопротивление начинает рости, ток начинает
>плавно падать при этом потенциалы опять же близки к нулю т.к. сетевое напряжение нарастает крайне медленно в сравнении в временем закрытия транзистора.

>На двух оптопарах получился довольно бронебойный вариант,

Значит вам кажется, что у вас транзисторы сгорают.

---
> Принцип работы этой схемы не шибко отличается от того-же плавного тиристорного(симисторного) управления нагрузками, все те-же принципы.
> емкость миллера (мое мнение) не играет почти никакой роли, если его зкрывать с черепашьей скоростью
> реактивное сопротивление емкости

Вы не отдаете себе отчет, что говорите, что лишний раз подтверждает мой тезис "думаете, что знаете всё".

[namdke]

Окей, может я чего-то не знаю?! Ладно, идем в гугл и вбиваем "Эффект миллера" идем по первой ссылке и читаем первый обзац:

Чаще всего IGBT с рабочим напряжением 1200 В используются в трехфазных инверторах промышленных приводов. Для подобных применений в первую очередь требуется надежная электрическая изоляция и минимальный уровень шумов. Кроме того, силовая часть инвертора должна хорошо управляться и иметь специальную схему защиты, обеспечивающую надежное функционирование изделия. В типовых схемах промышленных приводных инверторов наличие емкости Миллера в модулях IGBT может привести к возникновению сквозных токов при больших скоростях переключения dV/dt транзисторов. Этот эффект неоднократно наблюдался разработчиками, особенно при использовании драйверов с однополярным выходным напряжением (0/+15 В). Большая скорость переключения IGBT (высокое значение dV/dt) приводит к возникновению тока в цепи затвора. При высокой скорости переключения этот ток будет протекать через емкость Миллера, расположенную между коллектором и затвором транзистора. Данный эффект способен вызвать ложное открывание IGBT и появление сквозного тока через оба транзистора полумоста, следствием которого может быть выход их из строя.

И именно по этому я выбрал скорость переключения не 200 нс, а 10 мкс. Окей. Может все-таки влияет, ладно проверим, идем опять в гугл и вбиваем "реактивная емкость конденсатора", переходим по первой ссылке, листаем вниз находим калькулятор и вбиваем в него частоту 50 кГц (10 мкс - это пол периода, значит период будет 20 мкс, частота для оценки реактивного сопротивления будет 1/0.00002=50000 Гц), далее едем в даташит по транзистору и смотрим емкость сток-затвор, она равна 350 пФ, ок вбиваем в калькулятор и получаем ~9 кОм. Т.е. получается с одной стороны делителя у меня 100 Ом которые тянут затвор на исток, с другой стороны у меня 300 вольт, которые тянут к себе затвор через 9 кОм, вопрос, на сколько может изменится потенциал на затворе ответ: 3.2 Вольта. Хм. Довольно близко, ведь судя по даташиту полевик начинает открываться около 4 вольт. Тут надо более подробно поизучать ситуацию. Вполне возможно резистор на нижней оптопаре уменьшить до 10 Ом, а на верхний увеличить до 200 Ом.

А... совсем забыл, у меня же полевики включены по 2 в параллель, а значит общая емкость Миллера будет 700 пФ, что на 50 кГц даст сопротивление 4.5 кОм и может поднять потенциал на затворе до 6.4 Вольта. Хм. А это уже интересно...

Пазл начинает складываться, еще когда через трансформатор схему запитывал и отлаживал управляющую схему столкнулся с такой помехой, компаратор именно на одной полуволне прямо в след за открытием транзистора тут-же давал сигнал о закрытии в связи с напряжением выше порогового на основном кондере, стабильно проявлялось именно на одном канале, второй работал штатно. На осцилографе это выглядело так, что один из каналов только открывается и тут-же закрывается, получается такая себе иголка. Я не придал тогда этому значения, списал на помехи и сунул кондер 100 нФ на выход компаратора, все пришло в норму второй канал заработал как надо. Смутило только то, что проблема проявлялась только в одном канале и не проявлялась вообще в другом.
А сейчас до меня начинает доходить, топология схемы такова, что только один транзистор эффектом миллера может открыть другой, но не наоборот. Походу это и происходило тогда на тесте ведь при открытии сразу обоих транзисторов доп. кондеры включатся последовательно и начнут заряжать основной кондер удвоенным напряжением с дикими токами и соответственно компаратор даст сигнал о превышении порогового напряжения на основном кондере. Вот поему тогогда у меня не хотел нормально работать один из каналов.

[Roman_S]

Допустим, схема настроена на 310В. Нагрузки по сути нет вообще, для таких емкостей 5Вт это брызги.
В режиме первого включения, когда в теории и запускается схема стабилизации, ничего плохого не происходит. Потом, опять же, в теории, стабилизатор должен докачать рабочую емкость до 310В, и утихнуть, даже если в сети амплитудное напряжение ниже чем это значение. Раз в минуту или типа того должна происходить очень кратковременная вольдобавка, и все.
Но, это если все нормы и принципы регулирования соблюдены, есть дельта и тд. А если нет, то схема запросто может пойти в разнос.
Так же на полевике может "откуда нибудь" появится импульс в самый неподходящий момент, мало ли что там еще происходит, Бабахам там есть где разгуляться)
В общем, такую схему нужно отлаживать обвешанную защитными лампочками, причем их нужно вроде не менее 4х штук, и через разделительный транс, тогда и ЮСБ осциллограф можно подключать, а так только гадание.

[namdke]

Так же на полевике может "откуда нибудь" появится импульс в самый неподходящий момент,

И это походу был эффект Миллера, который вслед открытия одного из полевиков, приоткрывал второй, я это разобрал в предыдущем посте (сам ответил на свой вопрос, но это не точно, требует проверки). Даже вспомнил глюк с которым столкнулся при отладке и этот глюк полностью вписывается в этот эффект Миллера.

Бабахам там есть где разгуляться)

Кондеры эти бабахоустойчивые, с аварийным клапаном спуска высокого давления. Он у меня и сработал когда транзистор в коротыш ушел. Единственное в релизной версии надо добавить защиту превышения напряжения выше 360 Вольт - (самое простое компаратор, транзистор и релюха) на случай если все-таки пробьет один из транзисторов.

[AlexS4]

namdke, в вашей схеме я вижу 2 основные проблемы:
1. конденсаторы (все 3) и fet работают в ооочень жестком режиме, кпд такой схемы как бустерного преобразователя будет %20-30, остальное будет греть конденсаторы, fet и проводку...
так делают только для милливатных мощностей, когда кпд не важен и нет проблем с отводом тепла (потому что его мизер).
короче нужна индуктивность...

2. вы прикинули токи через затворы fet при их заряде/разряде с нужной скоростью? какая емкость затворов в симуляторе? какой максимальный ток можно создать оптроном? если коротко - почитайте про драйверы затвора мощных fet/igbt. сюда свиду можно вкрячить напр ir2101 +2 оптрона на входы.

через оптроны скорее всего время включения fet (transition time) получается огромным...
именно эти 2 проблемы вместе скорее всего и приводят к подрывам fet по превышению максимальной энергии переключения.
причем судя по тому что это происходит без расчетной нагрузки - превышается даже amr по энергии однократного импульса, а при норм работе мощность коммутации вырастет на порядки.

если качественно устранить проблему 2. и оставить 1. то начнут рваться электролиты.

остальное имеет смысл смотреть и обсуждать после устранения вышеперечисленного,

ps вероятно оптимальная схема будет здорово отличаться от исходной даже принципом, посмотрите выше вам подкинули намек про apfc...
ваша конденсаторная, когда обрастет плавными заряд-разрядами а затем и снабберами, станет сильно менее привлекательной по сравнению типовым решением задачи, имхо.

[namdke]

1. конденсаторы (все 3) и fet работают в ооочень жестком режиме, кпд такой схемы как бустерного преобразователя будет %20-30, остальное будет греть конденсаторы, fet и проводку...

Стопе стопе. Я сам уже лично запускал это детяще с выходной мощностью в 42 Вт (входное было 50 Вольт синус 50 Гц, нагружал на резистор 150 Ом при выходном напряжении 80 Вольт) при этом транзисторы без каких либо радиаторов и конденсаторы были холодные, даже ни на градус не нагрелись. Какие 20-30%?! Вы наверное не разобрались до конца в схеме. Это не совсем шим и кондеры тут не напрягаются ни на грамм сильнее чем в обычном выпрямителе (который состоит из 4 диодов и конденсатора). Это по сути обычный выпрямитель скрещенный с обычным умножителем (который состоит из двух диодов и двух кондеров) а в основе плавной регулировки лежит разрыв заряжающей цепи после заряда основного кондера до определенного значения. Почти также как в обычной дрели работает кнопка-курок (именно функция плавной регулировки оборотов, там схема 3 детали, симистор/тиристор да пара резисторов). Отличие только одно, в кнопке у дрели ждем когда включить т.к. после включения тиристор/симистор уже не закрыть пока не произойдет переход через ноль, а в моей схеме мы ждем когда выключить.

Да с драйверами для мосфетов лажа вышла из-за нехватки опыта т.к. до этого коммутировал ими в основном низковольтные цепи и не разбирался досконально что происходит если их соединить полумостом да еще и под высоким напряжением.

через оптроны скорее всего время включения fet (transition time) получается огромным...

8-10 мкс (смотрел по осциллографу) это много или мало? А если нам его нужно включать-выключать всего 50 в секунду, то это много или мало? Мне кажется получилось в самый раз. Задачи включать быстро и не было, т.к. рисуя схему я имел представление и о емкости затвора и о емкости Миллера и понимал что если быстро, то это гемморой. Но как оказалось дядюшка Миллер передает привет даже на такой казалось бы черепашьей скорости. Выше уже подсказали вариант как исправить. Придется конечно опять переделывать и запускать схему через трансформатор, даже больше, придется собирать схему из двух трансформаторов, чтобы получить высокое напряжение и увидить этот эффект Миллера в живую на осциллографе.

Я и пришел на этот форум чтоб ткнули пальцем где косяк, ведь сама задумка то реально рабочая, КПД у нее на вскидку 98%, себестоимость деталей при пересчете на выдаваемую мощность довольно низкая, а с учетом бу кондеров вообще копейки. Да у нее есть и недостатки, основных два. Первый эта штука в отличии от ККМ(APFC) очень сильно портит синус в розетке, второе при пробое одного из транзисторов на выход начинает шпарить удвоенное напряжение.

[pavel2000]

Ок, тогда вторая идея. Допустим ты переделаешь схему с 4х оптронов на два.

Подключи оптроны встречно параллельно. У тебя получится всего два управляющих два проводника.
Подавая "- +" откроется одно плечо, подавая "+ -" - откроется второе плечо.
Ситуация, когда оба плеча будут одновременно открыты становится "более" схемотехнически невозможна.
Не знаю, насколько это актуально, но так, в рамках идеи....

[Roman_S]

Да ну, какие 98% КПД? Нет их там. Кстати, зачем там вообще два транзистора? Вроде вполне можно обойтись одним, и двумя конденсаторами, средняя точка которых будет подключатся к переменке. Но сути это не изменит. При той нагрузке что тут упоминается (от 5 до 15 кВт!!!) там термоядерные реакции начнутся в транзисторе
Можно собрать DC/DC преобразователь. Или вообще подумать над тем, насколько эта стабилизация вообще нужна при 15кВт.

[pavel2000]

@namdke, Найди схему корректора "Бульдюк" для самодельного частотного привода.