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。

昇圧チョッパ

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。

きばん

基板を発注して、先日届いたので紹介
今回は学校関係の基板が混じってる関係でスイッチサイエンスPCBに注文しました。

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開けるとこんな感じです。基板の後ろには領収書が入っています。
基板は真空パックされてました。

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中国格安基板業者は学校で基板を発注する際、安くても金銭関係で頼めない何ていうこともありますが、スイッチサイエンスなら中国並みの安さで領収書を付けてもらうことができます。
ただし、注文してから届くまでちょっとかかります。自分は15日程かかりました。

開けました。今回は白い基板にしてみました。

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いいね♡
(ちなみに白く潰してるのは学校関係のやつです)


ケチなのでいくつかの基板を一つにまとめて発注したので分離した後の基板の紹介をします。

・コンデンサ充電用昇圧チョッパ基板1
以前開発したチョッパをプリント基板化してみました。
これについてはまた後で記事書こうと思います
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・コンデンサ充電用昇圧チョッパ基板2
1のほうと殆ど変わりませんが、使用部品と部品配置が若干違います。もし1の方が動かなかったらこっちも作ってみるっていう保険です。
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・ゲートドライバ基板1
以前作ったゲートドライバをプリント基板化しました。
裏表にMOSFETを付けて2ch分作ったので、これ一つでGDTの駆動ができるようにしました。
ゲートドライバのゲートドライバも付けたので3.3Vや5V系から直接動かすことができます。
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作例
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・ゲートドライバ基板2
1のほうから少し回路を変えて小型化したバージョンですが、損失が多いかもしれないです。試作です。
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作例
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・PFC
以前作ったPFCをプリント基板化しました。
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以上です。
シルクや穴ズレ、傷などもなく基板の品質自体には不満はありませんでした。
あとは自分の設計ミス?で、チョッパ基板1なんかシルク文字が潰れたり見えなくなっちゃったりしてるのでもうちょっと余裕を持っておけばよかったです。まぁこの辺は経験な気がします...
それとパッド上に普通にビア開けちゃってますが趣味なので大目に見て(ゆるして)
全体的には満足です。

100WLEDドライバー

私は自転車通学なのですが、最近日が落ちるのが早くなり、下校中など暗くて仕方ありません。田舎なので街頭がない場所もあります。向こうから無灯火のチャリが来てるのに直前まで気づかなくて危険だったりします。
そこで、それなりに明るい懐中電灯を作ろうと思います。
ついでに使う部品は家に眠っている部品のみとしますのでちょっとスペックが足りなかったりするところがあるかもしれません

まず光源となるLEDは、随分前に購入して放置されてた100Wのものを使います。

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どんな回路にするかを決めます。
今回は持ち運び式にしたいのでバッテリー駆動とします。
100WLEDを駆動するとなると、普通に抵抗で電流制限してしまうと抵抗の発熱が大きく、あまり効率もよろしくありませんし、バッテリーの持ちも悪くなります。
100WLEDはVF=35V程度あるので、バッテリーも35V以上用意すればいいのですがバッテリーの個数も増えてしまいサイズが大きくなってしまいます。
以上の点から、昇圧チョッパー式として、低電圧のバッテリーから高効率に駆動できるようにします。
それと、いままでチョッパを作ってたので回路や技術の流用ができるっていうのもあります。
バッテリー電圧は具体的には7.4~18V位を想定しています。


回路のブロック図(?)です

ブロック図

今回も制御にはマイコンを使用し、ほとんどがマイコン内で構成されてます。チョッパの制御も操作も全てマイコンで行います。
出力可変をしたいので今回はPWM方式とし、マイコン内のPWMモジュールで波形を生成します。
チョッパ部分が2セットありますが、MOSFETを交互(正確には180度ずらした波形)にスイッチングします。これはインターリーブ式と言って、リプル率が抑えられたり、小型化できたりします。
PWM波形(1相)をCOGというモジュールに入力してやると180度ずらした2相の波形を出力してくれます。
LEDの電流とコイル電流はシャント抵抗で検出します。以前チョッパを制作した時、配線抵抗の影響を受けることがわかったのと、LED電流はGNDから浮いているので、オペアンプ(OPA)は差動増幅にしてみました。GND基準で値を取得できます。
その他、LED電圧のフィードバックや電源電圧の測定用に分圧回路を設けてあります。
COGのAuto-Shutdown Controlという機能を使って、LED電圧が一定以上、またはコイル電流が一定以上になると即座にスイッチングが停止するようになっています。(プログラムで測定・計算すると反応が遅くなってしまう可能性があるため)
操作はタクトスイッチとLCDで行うことにしました。

ダラダラと書いておりましたがだいたいこんな感じです。
そういえば、LEDに電流制限抵抗が付いていないので???ってなる方もいるかもしれませんが、原理的に出力電圧はLEDのVF以上には上昇しないようになっていて、代わりに流れる電流が増えます。チョッパの出力以上には電流は流れないので、PWMのデューティー比を調整することで出力を変えるができます。
このお陰で電流制限抵抗が不要で効率良く点灯させることができます。


チョッパに使うインダクタですが、某店でこんなインダクタが。

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エッジワイズコイルでとてもぱわみがありますね
実はこれを入手したのも製作動機の50%あったりします

スイッチング素子部分はIRFB3607とショットキーバリアダイオード(2素子入り)です
ダイオードのスペックが足りない気がするけど家にある部品縛りなので...

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基板完成

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裏面にはインダクタと平滑用コンデンサが載っていて大電流が流れる部分はIV1.6mmで配線されています
(これは製作途中の写真)

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ベース基板とLCDの乗ってる基板は分離できるようになっています。
LCDは秋月のI2Cのアレ(バックライト付き) それとタクトスイッチが2つ付いています。
基板右上が欠けているのは家にある部品縛りのせいです。LCDの保護フィルムは完成したら剥がしますよ

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LCD基板の下にはPIC16F1709とゲートドライブICのIR4427が載っています
IR4427は中に2回路入っているので今回のような回路には使いやすいですね そして安くて電流も結構流せる

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LEDはとりあえず秋月ヒートシンクにつけてみました。 

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実際に動かしてみた時の動画です


ちょっと明るさがわかりにくいかも

LCDの1行目は実際の出力、2行目がバッテリーの電圧になっています。
いまのところ1W~100Wまで設定することができます。 1~10Wは1W刻み、10~30Wは5W刻み、それ以上は10W刻みで設定できます(このあともプログラムを変えると思うので今のとはちょっと変わるかもしれません)
出力制御の仕組みは単純で、出力を設定する→LED電流と電圧を測定する→出力が設定した値よりも低かったらPWMデューティー比を大きくし、大きかったら低くする、といったふうになっています。

100W連続動作させてみましたが、MOSFETたちはギリギリずっと触っていられるくらいの温度でちょっと熱いです(計算上3~4W程度の発熱(多分))
LED本体は100W全て消費しているので熱いのは予想できてましたが、流石に秋月ヒートシンクは無謀でした。強めのファンで放熱してやっと触れる程度になります。

これは例の2相PWMのテスト時の波形動画です。ちょうど半分ずれていると思います。このおかげで小型で低損失にできるってことですね。10bit分解能があるのでなかなか細かい出力設定ができるようです。
 



保護機能が動作したときはすぐに発振が止まるようになっています。
出力電圧の過電圧保護が動作した時の波形

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コイル電流の過電流保護が動作した時の波形(黄色が電流)

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といった感じでそれぞれうまく動作しているようですが、高出力時に誤作動してしまうことがわかりました。
おそらくノイズで誤作動してるようですが、もうなんかめんどくさくなったし、プログラムでも保護掛けてるし、もういいかなぁ~~ーってなって、結局保護機能はなくしました......まぁまだ一度も部品壊れてないしいいでしょ
なのでシャント抵抗を外そうか検討中...意外と発熱あるんだよね


ちょっとプログラムを変えて遊んでみた。じわっと光ってじわっと消えるやつです。



ということで基板は完成しました。あとは筐体も作らなければいけませんが基板作って満足しちゃってる感。完成はいつになるのやら 



~最近の秋月彼岸花の様子~
花は咲かずに草生えてます。草生える 

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キャパシタチャージャー用昇圧チョッパ⑦

前回理由説明するとか言ってたけどめんどくさいからやーめた
とりあえずプログラムでPWMではなくPFM方式での動作が可能になって安定性が高まりました。
マイコンのPWMモジュールのPWM生成の方法についてよく調べたらPFMも可能ということがわかりましたので

出力電圧を読み、それにあった信号をマイコン内のPWMモジュールで作る利点としては、完全に他励式なので電流検出回路がいらないことや発振が安定することなどです
電流検出については、その分の実装面積分をなくしたり、シャント抵抗分の発熱がなくなったり、シャント抵抗のせいでGNDが浮いてしまうなんてことが無かったり、それなりに良いっちゃ良いですが電流検出はあったほうが安心かもしれないですね過電流防止とか用に
以前のようにコンパレータとRSFFでやるものはたまーーーーに発振がンンッ?ってなることがあったけどPWMモジュにやらせればこんなことはないですね、MOSFETくんも気持ちよさそうです。


そんなこんなでまたチョッパ作りました。
このチョッパは300W出力で設計してみました。サイズはそのまま出力1.5倍です。
測定用にシャント抵抗がついてますがいずれ外す予定です

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前はでっかいコイル1つでしたが小さいの4つに分散させました。

制御基板
マイコンとゲートドライブICが乗ってます

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ベース基板
コイルや電圧フィードバック、レギュレータなどが乗ってます
この基板には小型化のために0.3mm基板を使ってみましたが薄すぎてこの用途には強度がたりなかった...マイコン工作とかではいいかもしれないです。

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ぱわーなところ
MOSFETとかダイオードとかがあります
コイルを4つにしたのでMOSFETやダイオードも4つになってます(ダイオードは二素子入り)
MOSFETは最近秋月に出たスペックの良いやつを使ってます。 値段もぶったまげるくらい安いのが秋月の魅力ですよね。

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ヒートシンクにTO-247素子が埋め尽くされてるの頭おかしい。

それでコイルとコイルの間にネジを通してしかもダイオードの固定と基板の固定を一緒にするというマジキチっぷり
制御基板の裏の空白部分に多回転半固定抵抗とかパスコンをつけたりしたのでかなり密度が高くなってます。
多回転半固定抵抗もコイルの間から回します...

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LEDを何となくいっぱいつけたらなんかいい感じになりました。見た目が。

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このチョッパの特徴としてはこういうこと

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今使ってる電源が240Wなので設計出力300Wは出せません(電源装置では150Wの出力を確認)
ということで電源をリポに変えてみて、300Wフル出力させてみました。

3750uFのコンデンサを充電した時の電圧波形

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3750uFを316V充電したので約187J
これを400msで充電してるので187 / 0.4で 出力約460W....!?
と、いい意味でも悪い意味でもちょっとよくわからない出力がでてくれました...
目標出力を遥かに上回っていて嬉しいのですが、さすがに出力出過ぎ。電源がリポなのでこんなに電流流すと爆発しそうで恐ろしいです。
やはり電流制限用にシャント抵抗等をつけたほうが良かったかも知れないです。
本気出せば450W以上出せることがわかりましたが、ここまで来ると出力をわざと落としたほうが良さそうです。

というか300W出力で設定したのにこの出力が出るっていうのがよくわからないわけ
おそらくインダクタの飽和等でインダクタンスが変化し電流がガバガバ流れるようになった説が濃厚です。
詳しく調べようとしてもリポ怖い&ヒューズ切れるで動作時間が極端に短いので実験回数も少なくデータがあまり取れていません。本当に460Wも出てるのかもよくわかりません。いや出てるんだけど...


最後に本番と同じ7500uFの充電した時

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320Vまで900msで充電してるので出力は420Wほどに落ちています。おそらく電池が減ってきただけだと思います。

新チョッパはまだまだ不安定ですがなんとか動いてくれました。調節や出力リミットなどをつけて安定化していきたいと思います。



おまけ:歴代の昇圧チョッパ
出力や効率だけで見るとどんどん高性能化していってますが、大きさや安定性など総合的に見ると真ん中のが一番良かったかもしれないです(そもそも今回のはまだ開発中ですが)

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キャパシタチャージャー用昇圧チョッパ⑥

またチョッパを思いついたというか、作ってみたかったというか、やりたいことがあったのでその事前実験というかをやってみました。
キャパシタチャージャー用昇圧チョッパ①~⑤では全てPFMという方式で動作させていました。
今回はこれをPWM方式で動作させることにします。理由は次回

新たに基板を作るのがめんどくさいので⑤で作った奴をプログラムだけ変更してPWMで動作させることにします。
普通なら出力電圧は一定でいいのですが、キャパシタチャージャー用は出力電圧が変動します。なのでDT比も出力電圧によって変えなければいけません。
DT比は 1-(入力電圧/出力電圧)*100[%] でいいみたいです(テキトーにググっただけ)
プログラムとしてはADCで現在の出力電圧を読む、上記式を計算する、PWMモジュールにその値を入れるといった感じです。ADCは測定誤差が小さくなるように50回読んで平均させてます。このせいで次回DT比更新まで2msくらいかかっちゃってますがまぁ問題無いでしょう。
PWM周波数はマイコン的に一番やりやすかった7.8125kHzにしました。
また、出力電圧によってDT比が変わるということはコイルのピーク電流値が変わるということなので、出力電圧が低い時はコイル電流が小さく高い時には大きくなるはずです。これも実際に見てみましょう。

動作風景



PWMなのでちゃんと音の周波数が一定ですね


3750uFのコンデンサを充電した時の波形です
黄色:コイル電流
水色:MOSFETゲート電圧
ピンク:出力電圧

充電全期間
黄色がひどいことになってるのは無視して

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336Vを1.052秒で充電してるので出力は約200Wです。適当にやった割には結構出ますね
でますよ

拡大
充電初期

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充電中期

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充電後期

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周波数は変わらずにデューティー比だけが変わってる様子がわかりますね。 
それと予想通り出力電圧が高くなるとコイル電流が増えてるようです。
コイル電流の変動がよく分かる画像

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コイル電流、充電初期はピーク7A程度ですが後期になるともう30A程度流れちゃってますね...コイル飽和しまくりっすね
デューティー比が上がるとコイル電流が増えちゃうのは方ないことなのでD比制限を掛けてもいいかもしれないです(出力は落ちると思いますが)
また今は全期間が臨海モードでの動作ですが、初期だけ連続モードで後期に臨海モードに切り替えるなどすれば出力の変動が抑えられるかもしれません。
こういうところを見るとPFM動作は電流値や出力電力が変動しないのがいいところかな―とか思ったりします(???)
記事書いてて思ったけどPFMなPWMできるんじゃね?と思った(?)

ちなみにDT可変の様子
速くて見難いかもしれないけど 

 

まぁこんなんやね
今のところ順調です。 
5000兆円欲しい!
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