Инверторный блок питания для завода автомобиля

Стоит  без дела у меня машина, ездить не приходится, но по совету автолюбителей нужно ее заводить раз в месяц. Аккумулятор имеет ограниченный срок службы 4 года, да и стоит около 100$, вот и родилась у меня идея после сборки нескольких инверторных сварочных аппаратов сделать пускач для двигателя, ценой деталей примерно как аккумулятор 45 ампер час.

Этот пускач можно применять как с аккумулятором, так и без него, а с аккумулятором ему будет даже легче заводить даже более массивные двигатели. Я заводил без аккумулятора двигатель 88 лошадей.
Напряжение 11.2 вольта для блока питания я выбрал, потому что стартеры рассчитаны с учетом просадки аккумулятора как раз 10…11 Вольт.

Этот БП имеет стабилизацию по напряжению и защиту от замыкания ограничивающую максимальный ток 224 ампера.

Работа основана по принципу полного открытия и полного закрытия мощных составных транзисторов, собранных по технологии IGBT, это дает минимум электрических потерь на ключах IGBT.

Регулировка на выходе источника тока и напряжения основана за счет изменения ширины импульсов управления силовых ключей, на частоте 56 кГц. Это когда частота стабильна и не изменяется ни при каких действиях БП, меняется только ширина или длительность напряжения в диапазоне от 0%.... 45% ширины импульса, остальные 55% - это нулевой уровень на управляющем ключе.

Трансформатор собран на ферритовом сердечнике, благодаря которому можно строить на таких высоких тактовых частотах (56 кГц) без потерь на вихревые токи, которые бывают в металлических сердечниках. Мощные и быстрые IGBT транзисторы также дают такую возможность.

Вы спросите, а зачем такие высокие частоты? Дело в том, что чем выше, частота тем меньше нужно витков обмотки мотать на трансформатор. А если это так, то обмотку можно делать из толстого провода, что дает маленькие потери на трансформаторе с высоким КПД 95%.

Трансформатор получается легкий и маленький, а широтное импульсное управление (ШИМ) дает меньшие потери в сравнении с аналоговой стабилизацией напряжения, где мощность рассевается на мощных транзисторах.

Некоторые из вас заметят, что трансформатор подключается к источнику питания во время тактов сразу двумя ключами, один к плюсу другой к минусу, а не одним ключом как бывает в схеме построенной по принципу ФлиБак.

Дело в том, что схема ФлиБак имеет большие потери на выброс индуктивной обмотки который рассевается на резисторе, эта мощность составляет 10..15% от полной мощности источника, что не годится для построения мощных источников в несколько киловатт.   

В этой схеме этот недочет значительно устранен, так как выброс уходит через диоды VD18 VD19 обратно в питание моста, что повышает еще КПД.

Но вы скажите, а как же потери на дополнительном ключе? А я вам скажу, что они составляют не более 40 Ватт, Фли Бак имеет эти потери на рассевом резисторе до 300…400 Ватт.

IGBT – IRG4PC50W быстро открывается, а вот со скоростью закрытия у него хуже, что ведет в момент закрытия к импульсным нагреву кристалла транзистора мощностью 1 кВт, хотя эта мощность и длиться не долго, но она большая.

Для того чтобы снизить эту мгновенную мощность, между коллектором и эмиттером IGBT подключена цепочка из С16 R24 VD31, тоже самое и с верхним IGBT, которая снижает мощность выделяемую на кристалле в момент закрытия IGBT. Но повышает мгновенную мощность в момент открытия, но не так сильно, потому открытие происходит очень быстро. В момент открытия IGBT C16 разряжается через резистор R24, а в момент закрытия заряжается через быстрый диод VD31, затягивая фронт подъема напряжения, пока закрывается IGBT снижая выделяемую мощность на ключе.    

Еще эта цепочка хорошо борется с резонирующими выбросами трансформатора, не давая ключу приближаться к пробойному напряжению выше 600 вольт.

IGBT представляет из себя составной транзистор из полевого и биполярного транзистора PNP. Полевой транзистор управляет биполярным. Для его управления нужны прямоугольные импульсы амплитудой не меньше 12 Вольт и не более 18 Вольт с запасом.

Для этой цели я применил специальные оптроны HCPL3120 или 3180 с возможностью рабочей импульсной нагрузки  2 ампера по паспорту 2.5 ампера, но по некоторым причинам рекомендуется не превышать 2 ампера.

Когда напряжение на светодиоде оптрона появляется вход 2 и 1,3,4, то на выходе формируется мощный импульс тока амплитудой 15.8 вольта ограниченный резисторами R55 R48.

А когда напряжение на светодиоде пропадает, идет спад амплитуды  который открывает транзистор Т2 и Т4 и создавая более большой ток, на этот раз одном резисторе R48 и R58 быстро разрежая емкость конденсатора IGBT ключа.

Мост с драйверами на оптронах собирается единым блоком на радиаторе от компьютера Pentium 4, который имеет плоское основание, на котором удобно крепить через теплопроводящую пасту без прокладок IGBT. Предварительно нужно радиатор  распилить на две части, чтобы верхний ключ и нижний не имели электрического контакта.
Диоды нужно крепить через слюдяную прокладку к тем же радиаторам,  соединять все силовые соединения рекомендуется коротким навесным монтажом.
На шину питания там же нужно припаять 8 штук пленочных конденсаторов по 150 нФ 630вольт.

Выходная обмотка силового трансформатора и дроссель

Выходное напряжение вторички без нагрузки достигает 50 вольт, которое выпрямляется диодами VD19 VD20 и поступает на дроссель, на котором происходит сглаживание и деление напряжения пополам, под определенной нагрузкой.

В цикле насыщения дросселя, когда IGBT открыты, наступает фаза насыщения дросселя L3, а когда IGBT закрылись, наступает фаза разряда дросселя через замыкающий диод VD22 VD21, тем самым выпрямляя ток в помощь конденсатору на больших токах.

Широтноимпульсная модуляция (стабилизация и ограничение тока)

Это устройство мозг блока питания UC2845, который создает рабочий такт с изменяемой шириной импульса, в зависимости от напряжения на входах 1 и 2 и тока на входе 3.

Вход 2 - это вход усилителя микросхемы, выход 1 - это выход усилителя, который изменяет рабочий ток инвертора, изменяя ширину импульса очень дискретно, создавая нагрузочную характеристику в зависимости от напряжения обратной связи выхода БП и входа микросхемы под выводом 2, на котором микросхема поддерживает напряжение 2.5 вольта.

Если напряжение на входе 2 падает на несколько милливольт, ширина становиться шире, если напряжение превышает 2.5 вольта, ширина заужается.

Резистор R2 и R1 отвечают за стабильность блока питания зависимости от нагрузки, если напряжение сильно проседает под большими токами выхода, то нужно увеличить сопротивление резистора R1.

Бывает в процессе настройки блок начинает подзуживать, тогда нужно поманипулировать резистором R1 и емкостями конденсаторов С1 и С2. Если это не помогает, то можно попробовать уменьшить количество витков дросселя L3.

Громкого звона трансформатора не должно быть, так как это может привести к выгоранию IGBT, должно быть не громче комара.

Если это все не помогло, то нужно добавить несколько конденсаторов по 1мкф на 3 канал блока питания.

Плата силовых конденсаторов 1320 мкФ

Во время включения блока питания в сеть происходит большой бросок тока, который выводит из строя диодную сборку VD8 во время зарядки этих емкостей.

Чтобы этого не было, нужен резистор ограничивающий ток включения R11, а когда эти конденсаторы зарядятся, таймер на полевом транзисторе сомкнет контакты и зашунтирует реле, давая рабочему току поступать на мост с трансформатором.

Таймер на VT1 также размыкает контакты реле К2, разрешая работу ШИМу, до этого работа запрещена, чтобы конденсаторы могли нормально зарядиться не просаживая резистор R11.

Настройка

Запитать силовой мост напряжением 15 вольт, проследить правильную работу моста проверка на ляпы и неточность пайки. Потом запитать мост напряжением сети, только в разрыв между +310 вольт, где конденсаторы 1320 мкФ и конденсаторы 150 нФ 8штук поставить лампочку на 150…200 Ватт.

Подключить осциллограф на коллектор эмиттер нижнего силового ключа, посмотреть на выбросы, чтобы они были в норме, обычно не выше 330 вольт выставляя тактовую частоту ШИМа, все ниже и ниже добиться появления маленького загиба импульса свидетельствующего о перенасыщении трансформатора, измерить эту тактовую частоту поделить ее на 2 и результат прибавить к этой частоте на которой произошел загиб и будет рабочей тактовой частотой вашего трансформатора которую нужно выставить. То есть рабочая частота должна быть на половину частоты перенасыщения сердечника выше.

Следующий этап - запитать мост через чайник на 2 кВт, отсоединить обратную связь ШИМ по напряжению, подать регулируемое напряжение на резистор R2 там, где он соединяется со стабилитроном D4  от 5 вольт до 0, тем самым регулируя ток замыкания от 30 ампер…до 200 ампер

Поставить ток на минимум ближе к 5вольтам и убрать конденсатор С23, замкнуть выход блока, если вы услышали звон - очевидно токовое кольцо нужно пропустить провод в другую сторону.

Проверить фразировку обмоток силового трансформатора. Подключить осциллограф на нижний ключ и увеличивая нагрузку наблюдать, чтобы не было звона и всплесков напряжения выше 350…400 вольт дойти до максимального тока, который позволит балласт чайник или другое сопротивление.

Проследить температуру радиатора моста, чтобы две половинки радиатора нагревались одинаково, что свидетельствует о качественных ключах моста.

Подключить обратную связь по напряжению, поставить конденсатор С23, измерить напряжение, чтобы оно было в пределе нормы 11..11.2 Вольта.

Нагрузить источник не большой нагрузкой 40 Ватт, добиться тихой работы изменяя количество витков на дросселе L3, если это не помогает, нужно увеличить емкость конденсаторов С1 С2.

Если это тоже не помогло, нужно расположить плату ШИМ подальше от  помех силового трансформатора и дросселя и блока питания. 

Сделать из алюминиевого провода балластный резистор сечением 4кв мм длиной 10…15 метров, положить его в воду, также добиться тихой работы без генережа.

Убрать чайник, соединить напрямую и начиная от малого тока слушая и наблюдая за осциллографом нижнего ключа дойти до максимального тока баластика с тихой работой схемы.

Если следовать этим рекомендациям у вас все получиться.

Скачать печатные платы в формате LAY вы можете ниже

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Sprint-Layout