VVVFカート2号機のモータ駆動用の電源として、電流型フルブリッジコンバータを制作してみました。24Vのバッテリーからモータを駆動できる300V程度の電圧まで昇圧する装置です。

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スペック
入力電圧:24V
出力電圧:±150V
出力電力:400W

モータが200Wで、過出力をさせたいな~なんてことも思ってるので一応400Wで設計しました。またインバータは3レベルインバータを使う予定なので両電源出力としました。電流モード制御を使ってるので応答性も良いです。
なぜ電流型コンバータを作ったかというと、入力電流が常に流れてくれるから・トランスの巻数比が足りなかったから・あとは作りたかったからです。最初のがとても重要で、入力電流が常に流れてくれるということはバッテリーの利用率が上がります。つまり電流型は昇圧に向いているということです。またピーク電流・リプルが小さくなりノイズが減るなど効果があります。あと電流ぶちぶち切るよりずっと流れてるほうがバッテリーにも優しそうじゃない?と勝手に思ってます。知らんけど。


なんか歪んでね??????????
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メイン素子に放熱器がついていませんが、筐体が放熱器みたいな感じになる予定なので大丈夫です。

入力部のインダクタはセンダストコアを使い平角銅線:通称きしめんを巻いた美味しそうなコイル。
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出力の整流ダイオードの放熱器はいいサイズがなかったので2つ重ねています。
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制御基板は別になっていてメイン基板に差し込む感じになっています。
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今回作ったコンバータ+3レベルインバータ+LCフィルタでDC-ACを組んで実験してみた時の動画です。ちゃんと動いてくれてます。



こいつを制作するにあたって色々あったのでダラダラと書いていきます

VVVFカート1号機の電源もバッテリーで、昇圧には昇圧チョッパを使っていました。今回も昇圧チョッパを使っても良かったのですが、今回はなんとなく入力と出力を絶縁したいなということで、トランスを使った絶縁型DC-DCとすることにしました。
でもトランス巻くのめんどくせぇな...ってことで昔ジャンクで買った故障DC-ACを分解してトランスを取り出して使うことにしました。DC-ACも今回のコンバータもやりたいことが似ていて流用しやすいと思ったからです。
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そして何よりこのかっちょいいクソダサDANGERシールが好きだからです。
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トランスは8個も収穫できたので1つ解体してみました。EERコアで巻数比は1次3T+3T、2次16T+16Tでした。面白いのが1次側で、銅板が1次巻線になっています。シールドじゃないですよ、巻線です。話には聞いたことあったけどほんとにあるんですねぇ。
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また軽く回路も調べてみるとプッシュプルコンバータのようです。DC-ACにはPPコンがよく使われるようです。
このプッシュプルコンバータごとそのまま流用してもいいかなと思い回路を試作してみました
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が、トランスが思いっきり偏磁して萎えて没になりました。ついでにいうと巻数比も微妙に足りなくて最初からあまりやる気がなかった。

そんなわけで電流型フルブリッジコンバータを作ることにしました。
電流型コンバータでは、入力のインダクタによる昇圧と、トランスの巻数比による昇圧で2段階昇圧するような動作になるため、巻数比以上の電圧を出力できます。電流型コンバータのことは平地研究室技術メモ No.20100228 電流型DC/DC コンバータについてに詳しく書かれており参考にしました。
今回は巻数比が足りなかったのでちょうど都合がよく、さらに冒頭にも書いたような利点もあるので電流型コンバータを作ることにしました。

ただ、電流型フルブリッジコンバータの個人での作例が少なくわからないことが多かったため、とりあえず試作して色々実験してみました。
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制御にPICマイコンを使用しています。マイコンとは言ってもデジタル制御しているわけではなく、ペリフェラルを使って内部で制御回路を組んでいます。メインループとかマジでwhile(1){}だけになってます

こちらは回路図です。本番も同じ回路です。PICを使う前提で描いたのでちょっと変なことになってます。あとゲートドライバとかは省略しています。
無題

制御は最初は電圧モード制御を使おうと思っていたのですが、過電流流れてぶっ壊れそうだったので、過電流保護も兼ねてくれる(?)電流モード制御を使うことにしました。
しかし電流モード制御をすると変な波形で発振(サブハーモニックとか言われるらしい)することがあります。これはスロープ補償をすることで抑えられるらしいですがちょっとめんどくさいなぁ...と思っていたところ、PICにはスロープ補償をしてくれるPRGというペリフェラルがあるらしいです。これは使うしかしかないです。
電流モード制御は電圧モード制御に比べて応答性が良いので出力の平滑コンデンサは4.7uFと小さくでき小型化にも貢献しました。
下の画像は出力100W→200Wにしたときのステップ応答の波形です。
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黄色(CH1):入力電流
水色(CH2):出力電圧
紫色(CH3):スイッチング素子ゲート波形
200us程度で立ち上がっていていい感じです。


こんな感じで色々あったのですが結果的には良いものが出来たと思っています。クソダサDANGERシールもちゃんと見えるしね!
400Wで作りましたが無理させたら600Wくらい出ました。でも熱設計的にマズイので数秒程度の短時間定格って感じでしょうか...200Wのモータに何W出させる気だよ

そうそう、今回制御にマイコンを使ったおかげでデジタルな処理もできるのがいいところです。コンバータの制御はペリフェラルに任せて、動作の状態の設定はソフト側から設定できます。電圧と電流の情報をADCで取得したり、UARTなどの通信機能を用いて外部とやり取りするなんてこともやろうと思っています。
処理能力は良いとは言えないPICですが、代わりにペリフェラルで色々するというのが正しいPICの使い方なのかなとも思ったり...。


最後に、今回作ったコンバータ+3レベルインバータでモータを回したときのオシロの波形です。波形的にも大丈夫ですしモータもちゃんと回ってるのでVVVFカートに使うことができそうです。