ぽんず製造所

当ブログの記事を参考にして行った事により、いかなる不都合が発生としても当方は一切の責任を負いません。全て各自の自己責任でお願いします。

パワエレ

コンデンサ充電用小型昇圧チョッパ

以前開発した昇圧チョッパプリント基板化してみました。
現在実質凍結状態の携行型レールガン用に作りましたが、普通にコイルガンやその他高電圧実験系でも遊べると思います。
出力は以前と同じ200Wで設計して回路構成の変更等もありませんが、パワー素子とコネクタ以外はすべて表面実装化して小型化を目指した感じです。

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部品を詰め込みすぎてシルクが潰れてしまってるので反省

こいつはメインのMOSFETとダイオードにSiC製品を使う予定でいるんですが、壊すと金銭的ダメージがヤバイので、とりあえず普通のシリコンのダイオード・MOSFETで試作してみました。コイルも仮のものです。
動作テスト中の様子ですが、いい感じに動いてくれません。

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原因はスイッチング時のノイズでマイコンあたりが誤作動してたようです。配線パターンの設計能力のなさを感じる...
MOSFETのゲート抵抗を大きくしてスイッチングノイズが小さくなるようにしてみましたが変わらず...
ダイオードのリカバリ電流が悪いんでは?と思って思い切ってをSiCダイオードに交換してみると、完璧に動いてくれてました。SiCすごいです。やっぱチョッパ系にはSiCショットキー最適なんですねぇ
マイコン9,10ピンをショートしてるのは仕様です。仕様です。

色々実験してるうちにメチャクチャ汚くなってしまったので

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新しい基板で作り直して完成です。

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見た目はいいよね!だいぶ気に入ってる
サイズは46x25x21mmで出力そのまま従来の約1/4以下まで小さくなりました。
まぁ大体はインダクタがつよいおかげです。インダクタンスも低いもの(15uH)にして小型化できました。マイコンの裏側にインダクタがあります(えぇ......)ガチ設計者から怒られるやつや
あとはどうせ数秒しか動かさないしそんな大きいヒートシンク要らないだろーーーーとかいって小さめのヒートシンクを使ったからです。とかいって多分30秒くらい動かしちゃって熱くなって壊しちゃうんだろうな(池沼) ガバガバ設計すぎる。
MOSFETとダイオードは基板と共締めしています。。
コネクタはマイコンへの書き込みと動作状態などの通信を兼ねています。穴がズレてるのはピンヘッダを差し込んだ時ガバガバせずにちょうどハマってくれるというものです。ぐりにゃんから教えてもらいました。


それで出力テストしてみると、どうがんばっても設計出力より20Wも低い180Wしかでないんですよ
実験してデータを取ると、出力電圧が200Vくらいのときには出力は何故か250W出るのに、380Vまで出すと180Wになってしまうことがわかりました。

↓実際のデータ コンデンサは1250uF
時間t[s]電圧V[V]エネルギーE[J]出力P[W]
0.120025250
0.226343.230625216.153125
0.331361.230625204.1020833
0.435076.5625191.40625
0.538190.725625181.45125

このことから多分インダクタのインダクタンス不足で十分に電圧が出力できてないんだと思います。(まぁ設計段階から薄々気づいてた)
試しに大きめのコイルで試してみたら普通に200W出てくれました。
それとノイズを抑えるためにゲート抵抗を大きくしたので、ドレイン電圧立ち上がりがぬるくなって一番美味しいところがうまく出力できてないというのもあると思います。
そんなこんなで現状で200W出すのは諦めました。今度もう少しインダクタンスの高いものを買ったら実験しようと思います。



出力は180Wで良いとして、とりあえず連続で負荷をかけてみると、5秒後くらいにMOSFETが壊れてしまいました。
3回くらいやらかして、今使ってるMOSFETは20A定格で普通にスペックが足りてないことに気づきました...
ということで30A定格のものを付けました。
TO-220パッケしか付けられない設計になってるのにTO-247パッケのものを付けたかったので無理やり外付けしました。

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再実験すると10秒以上動かしても大丈夫でした。

コンデンサ充電テストの動画です。緑のLEDは電源ランプで赤が動作中を示します。



コンデンサは360V2.5mFで162Jです。
電源ON後、数秒後に動作開始し360Vで動作停止するというプログラムにしています。
約900msで充電完了してるので大体180Wくらいですね。
発振周波数は約100kHzくらいで可聴域外ですが、どっかが共振してるのかしらんけどうっすらチュイーンって音が聞こえます(えぇ...)

あとはMOSFETをTO-220な強いやつにすればきれいに収まってくれそうですね。いやSiCMOSFETは買ってあるんだけど、壊すの怖くて使えないんだよね...
普通のMOSFETでも220パッケで600V40A近くの定格のものもあるので今度買おうと思います。もうMOSFETじゃなくてIGBTでもいい感じもするね
あとインダクタだね 小型で大電流でインダクタンス高めなのって売ってるかなぁ

進捗があったらまた記事書きます。

NCP1654を使用したPFC回路の試作

自分はコンセントからDC数百Vを得るために全波整流や倍電圧整流などを使うことが多々あります。
小電力ならこれでも問題ありませんが、大電力になると辛いものがあります。

これは全波整流を使用した時のコンセントの電圧(緑)と電流(赤)の波形(シミュレーション)です。

キャプチャ

電圧は頭が潰れてるし、電流もなんかぽこぽこお山ができたような波形になっていますね。これがとてもつらいのです。

そこで登場するのがPFC回路です。
PFC回路については下記のサイトに詳しく書いてあったので参考にしてください。
最新アナログ基礎用語集 - 力率改善回路 (PFC) - TI:http://www.tij.co.jp/lsds/ti_ja/analog/glossary/pfc.page
PFCについて:http://www7a.biglobe.ne.jp/~dft/pfc.html
さらに自分の経験を付け加えると、平滑コンデンサにかなりの電流が流れるようで、とても熱くなります。
そしてリプルを抑えようと容量を大きくすれば突入電流対策が必要になってきます。
これらの問題を解決してくれるのがPFC回路です。

PFCとは言ってもいろいろ種類があるようですが今回は一番一般的っぽい昇圧チョッパみたいな回路のものを使います。
数十kHzというコンセントの周波数より圧倒的に高い周波数でスイッチングして電流を正弦波に近づけようとします。回路構成はモロ昇圧チョッパなので出力電圧は入力電圧より大きくなります。製品では300後半~400Vの電圧にしてるものが多いようです。

そんでもってNCP1654というPFC ICを使って作ってみたやつ

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とっても雑だけど試作だから気にしない
なんか無駄にデカいフィルムコンとかついてますがその辺にあったものを使っただけです。
インダクタですが今はなき秋月のコイルを使用しています。

これが制御回路

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無理やり2.54mmピッチの基板に取り付けられてるSOPのICが今回主役のNCP1654君です。
このICはメーカーから設計用のExcelシートがダウンロードできて簡単に部品定数などを決められます。データシートも丁寧に書いてある用でゆとりのぼくからしたらかなり使いやすいICなのです。
実は以前NJM2375でPFCを作ろうとして失敗しており、設計の楽な今回のICを使ってみたわけです。
このICは電流連続モード(CCM)なので数百~1kW2kW余裕で制御してくれますのん(信頼)
今回は500Wで設計しました。Excelに値をぶち込むだけで計算してくれます。

そしてこれが500Wの負荷!

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恐る恐る電源を入れてしばらく様子を見ましたが安定して動いてるようです。
数分立つともう負荷のホーロー抵抗が250度を超えてきて、素子のヒートシンクも熱くなってきました。
試しに500W以上の負荷をかけてみましたがちゃんと電流制限されて最大でも600Wくらいしか出ないようになってました。優秀

コンセントの電圧(黄色)と電流(水色)の波形です。
電流は思ったより正弦波じゃないですが全波整流よりか全然良いです。というか電圧波形もあんまり正弦波じゃないですね(今回作ったPFC動かさなくてもこうなってるので家の中のどれかの装置のせいだと思う)

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これはコイル電流(黄色)と出力電圧(水色)の波形です。

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試作に成功したのでよかったです。
これでバンバン大電力で遊べますね。

大きなIGBTを動かす

なんとなくデカいIGBTモジュールを動かしたくなったので、ゲートドライバを作ってみました。

ゲートドライバとは、マイコンなどの信号(約5V)からMOSFETやIGBTを駆動するのに必要な電圧(10~20V)に単に増幅するだけのものです。また素子のG-S間にはコンデンサ成分(ゲート容量)があり、ゲートを駆動するにはこのコンデンサを充電したり放電したりという事が必要になってきます。この充電/放電を素早く出来れば、高速スイッチングが可能です。
一般的にゲート容量は素子のスペックに比例していて、小さなMOSFETなどではゲート容量が小さいのでトランジスタのプッシュプルやゲートドライバICなどで十分間に合います。例:IR4427など
しかし、このように大きなIGBTではゲート容量が大きく、そう簡単には駆動できません。

DSC_0657

1200V400AのよくあるIGBTですね。なんでIGBTなのにゲート端子にBって書いてあるんだろう...パワトラ時代の殻使ったのかな
旧世代ということもあり、ゲート容量が72000pFとか書いてあります。一般的なMOSFETだと数百~数千pF程度ということを考えるとかなり大きいことがわかります。
こんなものを駆動したいので、パワーのあるゲートドライバを自作してみることにしました。
回路はFET研究室のKKT氏の記事そのままです。(ありがとうございました。) 
KKT氏はGDTと介してドライブしているようですが自分は直でドライブしてみます。

こちらが作ったゲートドライバです。

DSC_0658

基板裏に主役のプッシュプルMOSFET君が隠れていますが半田が汚いとか言って恥ずかしがってるので公開しません
写っているICはゲートドライバのゲートドライバです。ゲートドライバに使っているのはMOSFETそのものなのでこいつも一応ゲートドライブしてあげる必要があるのです。ゲートドライバのゲートドライバとかよくわかりませんね。
あとドライバ-IGBT間にゲート抵抗を入れるのを忘れててそのまま圧着端子つけちゃいました。まぁこれはこれでいろいろな値で実験できるのでいいです。

ゲートドライバは出来たのでテスト用信号を作るやつを作りました

DSC_0659

レギュと矩形波を出すだけのマイコンが乗っただけでした。555でも作れそうですがマイコンのほうが簡単なので。

それでは実験してみます。
デカいIGBTなのにスイッチング周波数100kHzで動かしてやるぜー。D比は50%
写真ではゲート抵抗入っていませんが1.5Ω程の抵抗を入れました。

DSC_0655


黄色:IGBTゲート電圧
水色:IGBTコレクタ電圧

全体
734

立ち上がり
559

立ち下がり
853

壊れたときが怖いのでコレクタにはまだ15Vしかかけていません。電流も1.5Aです。
なんとかうまくいっているようですね。こんなに重い(ゲートも物理的にも)物をよく動かせたものです。
ちなみに、こういった素子になるとゲートに+の電圧だけでなく正負の電圧を掛けてたりします。
今回は正負電源が用意できなかったので+15Vだけ掛けています。
ちなみにゲート電流はピーク10Aくらいでした。

ドライバに使ったMOSFETのゲート波形を見てみます。
赤:Pch側
青:Nch側

390

KKT氏の言っていた「ゲート抵抗と並列に接続しているダイオードがミソです。PchFETはOFFする際ゲート抵抗の効果を受けずに高......」というのはこのことですね。
素子の立ち上がりだけを遅くしておき、片方の素子がONになる前にもう片方が瞬時にOFFする、そのあとにONされるので貫通電流が流れないようになっているのですね。
でもこれちょっと貫通電流流れちゃってるかも?

波形は思ってた以上によかったです。このレベルの素子で100kHzはなんとか大丈夫そうですね。200kHzいけるかな...?(多分このIGBT最大でも20kHzくらいを想定してるはずなんだよなぁ)

ただ、MOSFETの発熱が意外と大きかったです(貫通電流の可能性あり)。放熱対策をしたり定数を調整したりする必要がありそうです。
ゲート抵抗も熱かったです。


電圧を上げて実験してみました。450V掛けてみます。
負荷抵抗10Ωのときです。計算上45A流れるはずです。

845

少しリンギング&サージがあります。負荷抵抗が巻線抵抗でアアーッインダクタンスッっていうのもありますがワニ口で乱雑配線してると言うのが大きいと思います

お次は5Ωで90Aです

192

電流が増えたのでさらに波形が酷くなりました。砂場もなにもついてないので仕方ないですね。



おまけです。
ゲート容量約5000pFのMOSFETをドライブしてみたときです。
IGBTに比べるとかなり速くスイッチングできてます。 さすがです

113

今のはゲート抵抗(1.5Ω)有りですが
無いと

400

ヤバイ波形になります。ゲート抵抗のありがたみがよくわかりました。
以上です。 
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