Трактат о развязке.

Автор: Артем Кашканов
Опубликовано 31.08.2009

2009

Вам, когда-нибудь, в процессе сборки много-модульного устройства приходило ощущение того, что что-то вы забыли при проектировании? Я думаю, что бывало. Вот и у меня, во время совместной с моим знакомым преподавателем (ах как эта фраза звучит из уст студента) разработки 3-х фазного компенсационного выпрямителя, возникло такое ощущение. К вашему сожалению, я не могу рассказать об устройстве данного компенсатора, однако поясню - он состоит из 7 датчиков и схемы их контроля с 8 силовыми ключами на выходе. Неплохо так, да? В качестве силовых элементов, для тестового образца, из того что было под рукой, я разработал драйверно-транзисторные модули(ДТМ) с драйвером UCC37324 и силовым IGBT STGW30NC60W.
Итак, лаборатория, преподаватель, студент, "мозговой штурм" по поводу сборки и наладки устройства. И в самый разгар я задаю грандиозный вопрос "А развязка где?". Развязка по управлению транзисторов и по питанию их драйверов.... В некоторых точках разность потенциалов, не считая выбросов, достигнет 400В! Каждому драйверу из 8 нужен сигнал и 12В питания на 3-4Вт. Правда, максимальная частота переключения двух транзисторов в системе 150Гц (все остальные - 50Гц) - можно пойти довольно легкими путями.

Развязка сигналов:
Развязку сигналов решено было реализовать оптопарой (выпаянные из дохлых БП оптопары не пропали даром) по следующей схеме:

Печатная плата в моем случае была специально разведена так чтобы ее можно быть напаять на контакты ДТМ.

Оптика пойдет абсолютно любая, даже с выведенной наружу базой (притянув ее резистором к плюсу питания). Оптика, выпаянная из компьютерного БП подошла идеально.
Развязка питания:
Конечно, можно было поступить более оригинально и запитать драйвера от самого сигнала через GDT вот таким вот образом:

Как видно из схемы, здесь сразу обеспечивается и развязка и питание. Однако у данной схемы есть существенный недостаток -напряжение, подаваемое на драйвер, сильно зависит от заполнения сигнала, а в нашем случае он может быть очень малым - вплоть до 0,2%. Также, данному варианту требуется драйвер до трансформатора - триггер (а именно с него у нас снимается сигнал на транзистор) не потянет данное управление.
Поэтому, решено было взять трансформатор с 8-ю вторичными обмотками и выпрямителями. Однако от трансформатора, работающего на промышленной частоте мы отказались - то и громоздко и трудоемко - решено было собрать импульсный преобразователь.
В основе преобразователя лежит микросхема UC3845, специально предназначенная для этих целей - однотактных обратноходовых преобразователей с управлением по току. Питание схемы - от 12В.

Питание поступает на выводы 7 и 5 микросхемы. Выход компаратора подключен к резистивному делителю R2,R3. Цепь L3,VD3,C5,R5,VD2 играет роль неотключаемой нагрузки. R6,C7 - резистор и конденсатор осцилятора. Вывод 3 - вывод обратной связи по току - как только напряжение относительно вывода 5 на нем превысит 1В - рабочий цикл завершается. R9 регулирует чувствительность обратной связи - на деле - заполнение. Учтите, что у микросхем UC3844/45 максимальное заполнение - 50%. Для обратноходовых преобразователей больше и не нужно. С чувствительностью надо быть аккуратнее - получив 1В на 0,27 Ом шунте вы, тем самым, выделите на нем около 4Вт. Вывод 6 - управляющий выход. Полевой транзистор - первый попавшийся, что был под рукой - STP140NF55, с параметрами 55В 80А и сопротивлением открытого канала 6,5мОм(чего только у меня под рукой не валяется!). VD5 - защитный трансил на 33В. Также, в первичной обмотке установлена фиксирующая цепочка R1,C2,VD4, гасящая выбросы. Без этой цепочки у меня рвало защитный трансил. Все примененные диоды высокоскоростные, HER108.
Трансформатор намотан на двух, сложенных вместе, ферритовых кольцах марки МН2000, общими размерами 17х18х32мм. Первичная обмотка - 20витков проводом ПЭВ-0,45. 9 вторичных обмоток - по 30 витков проводом ПЭВ-0,23. Коэффициент трансформации 1:1,5 выбран специально,чтобы была возможность как можно сильнее уменьшить заполнение. Каждая обмотка относительно хорошо заизолирована друг от друга 2 слоями изоляционной ленты. Если вы соберетесь повторить данную конструкцию, пусть даже в модификации - возьмите нормальный Ш-образный сердечник...
Внимание! Обязательно проследите за началами обмоток и их подключением! Иначе получится смесь flyback и forward с очень плохими возможными последствиями - здесь рабочий цикл идет при закрытом ключе.
Для красоты, на печатной плате были разведены 9 выпрямителей, но 10 вторичная обмотка уже не влезала, и от нее пришлось отказаться.

Осциллограмма сигнала на вторичной обмотке через делитель и сигнал тока на 3 ноге. Под конец видно начало насыщения трансформатора - устранилось после замены конденсатора С7 на нужный.(слишком низкая частота - порядка 25кГц) Сейчас - частота около 38кГц.

Осциллограмма на той же вторичной обмотке (немного покрутил делитель) и сигнал на затворе транзистора. Это - максимально полученное мной заполнение при данных параметрах схемы. На выходе одного выпрямителей при этом на нагрузке 200 Ом напряжение около 24В. 2Вт резистор "нагрузка" при этом греется как утюг (как, собственно и шунт - ток переваливал за 10А). Для 12В на указанной нагрузке заполнение пришлось уменьшать до 10%. Потребление при этом составило 1,4А для 12В питания. В нагрузке при этом выделилось 8Вт - остальное просело на R1 и R5 - номиналы стояли чуть меньше, чем было подсчитано. После их замены, КПД данного БП вырос до 75%. Больше и не требуется.
Блок питания в работе. Все резисторы заменены, ничего не греется, нагрузка - 1,5А компьютерных вентиляторов. Некоторые обмотки трансформатора тихо дребезжат - не хватает заливки трансформатора, например, парафином.

Конструктивно, БП разведен на куске гетинакса 160х50мм. Трансформатор прикреплен винтом М3х27 шайбой из стеклопластика. Поскольку данный БП будет находиться в корпусе с активным охлаждением транзистор оснащен лишь небольшим радиатором. К радиатору транзистора капелькой моментального клея приклеен кусочек оргстекла с резьбой, который также прикручен к плате. Получилось довольно крепко. Питание подается как можно ближе к силовым проводникам.

Файлы:

Печатная плата в формате SL 5.0.

Вопросы, как обычно, складываем тут.

Эти статьи вам тоже могут пригодиться:

Развязка гальваническая для 1- Wire устройств