這個機器,BT是12V,也可以是24V,12V時我的目標是800W,力爭1000W,整體結構是學習了鐘工的3000W機器,也是下面一個大散熱板,上面是一塊和散熱板一樣大小的功率主板,長228MM,寬140MM。升壓部分的4個功率管,H橋的4個功率管及4個TO220封裝的快速二極管直接擰在散熱板;DC-DC升壓電路的驅動板和SPWM的驅動板直插在功率主板上。
因為電流較大,所以用了三對6平方的軟線直接焊在功率板上:
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吸取了以前的教訓:以前因為PCB設計得不好,打了很多樣,花了很多冤枉錢,常常是PCB打樣回來了,裝了一片就發現了問題,其它的板子就這樣廢棄了。所以這次畫PCB時,我充分考慮到板子的靈活性,盡可能一板多用,這樣可以省下不少錢,哈哈。
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如上圖:在板子上預留了一個儲能電感的位置,一般情況用準開環,不裝儲能電感,就直接搭通,如果要用閉環穩壓,就可以在這個位置裝一個EC35的電感。
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上圖紅色的東西,是一個0.6W的取樣變壓器,如果用差分取樣,這個位置可以裝二個200K的降壓電阻,取樣變壓器的左邊,一個小變壓器樣子的是預留的電流互感器的位置,這次因為不用電流反饋,所以沒有裝互感器,PCB下面直接搭通。
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上面是SPWM驅動板的接口,4個圓孔下面是裝H橋的4個大功率管,那個白色的東西是0.1R電流取樣電阻。二個直徑40的鐵硅鋁磁繞的濾波電感,是用1.18的線每個繞90圈,電感量約1MH,磁環初始導磁率為90。
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上圖是DC-DC升壓電路的驅動板,用的是KA3525。這次共裝了二板這樣的板,一塊頻率是27K,用于普通變壓器驅動,還有一塊是16K,想試試非晶磁環做變壓器效果。
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這是SPWM驅動板的PCB,本方案用的是張工提供的單片機SPWM芯片TDS2285,輸出部分還是用250光藕進行驅動,因為這樣比較可靠。也是為了可靠起見,這次二個上管沒有用自舉供電,而是老老實實地用了三組隔離電源對光藕進行供電。因為上面的小變壓器在打樣,還沒有回來,所以這塊板子還沒有裝好。本方案中的SPWM驅動也是靈活的,既可以用單片機,也可以用純硬件,只要驅動板的接口設計得一致,都可以插到本方案的功率板上,甚至也可以做成方波逆變器。
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這次DC-DC功率部分的大管子,沒有用2907,而是用了深圳黃工向我推薦的RU190N08(黃工QQ541168979),上圖中的電流應該是190A,錯打了180A。因為這管子比2907稍便宜點,所以我準備試一試。
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H橋部分的大功率管,我有二種選擇,一種是常用的IRFP460,還有一種是IGBT管40N60,顯然這二種管子不是同一個檔次的,40N60要貴得多,但我的感覺,40N60的確要可靠得多,貴是有貴的道理,但壓降可能要稍大一點。
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這是TO220封裝的快恢復二極管,15A 1200V,也是張工提供的,價格不貴。我覺得它安裝在散熱板上,散熱效果肯定比普通塑封管要強。
這次的變壓器用的是二個EC49磁芯繞制的,每個功率500W,余量應該比較大的,初級并聯,次級串聯。用二個變壓器的理由是:1,有利于功率的輸出,2.變比小了,可能頭痛的尖峰問題會少一些。
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對前級進行上電,空載電流近1A,查到是變壓器的原因,后來換了磁芯,空載降到360MA(每個變壓器180MH,基本可以接受),可見磁芯的重要性,而現在要買到幾付好的磁性實在太難了。所幸的是D極波形很好,這次的變壓器應該做得還可以了,參數是:初級3+3,用0.2*29的銅帶,次級44T,用0.74線二根。下一步準備為前級加載,因為一臺逆變器,能不能輸出預定的功率,前級質量是決定因素。只因那個大功率的開關電源還有一點小問題要解決,所以,加載可能還要過幾天。
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這照片上的穩壓電源上顯示電流為450MA,因為并不是完全空載,我在高壓處掛了一個LED,用150K2W電阻降壓,這個指示電路要消耗近1W功率,約增加90MA的電流。
對前級進行加載實驗,前級為開環,也沒有裝儲能電感,分二步:
第一步:加載約630W,負載是一個200R、1KW的大電阻,這時工作電流為54.5A。連續工作一小時,散熱板和190N08大功率管及變壓器只有微溫,D極波形還比較好,尖峰剛露,不明顯,這時母線高壓為356V。
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第二步:進一步加大負載,又掛上了二個串聯的200W燈泡,這時工作電流77.9A左右,此時,實際輸出功率在900W以上了,母線高壓降至347V,D極波形有一路能看到明顯的上沖尖峰。工作半小時,散熱板溫度為45度, 4個190N08管殼溫度:3個為46度,有一個為51度,變壓器也有點熱。但快速二極管一點也不熱。
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如果要逆變輸出1000W,前級起碼要能輸出1100W左右,從今天情況來看,溫升好象快了些,溫度主要集中在大功率MOS管和變壓器。因為這樣的結構,換管子很麻煩,本來想把190N08換成2907,做一個對比實驗。變壓器熱,我還是認為磁芯質量不過關,因為在900W時,每個變壓器單邊繞組的電流不到20A,我用的是0.2X29MM的銅帶,有5.8個平方MM,電流密度只有3A多一些,初級繞組是不應該發熱的;次級有0.74X2,900W時流過的電流不到3A,也不應該熱。看來磁芯實在太重要了。
明天準備用風機對散熱板進行主動性散熱,加載到1050W以上。
繼續加大負載,再用二個150W燈泡串聯接上去,因為考慮到大電流時線路的壓降,把電源電壓調高了0.2V,為12.4V,但到線路板還是只有12.1V(我的電源線是用二根10平方并聯的)。開機后,工作電流達到98.7A,母線電壓為345V,母線電流為3.151A,此時,實際輸出功率為1087W。D極波形上的尖峰有點加高,達到45Vpp(因為我在設計PCB時,沒有考慮用吸收回路,再加上尖峰也沒有達到管子的耐壓值,所以也就不去理它了)。此時,功耗達到了1194W,前級的實際效率只有91%了。變壓器溫升很明顯了,因為我在散熱板下面放了一個小風扇,所以,管子的溫度一直在40度以下,我只讓它工作了約20分種。
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小結:前級的實驗并沒有結束,我還想用納米晶磁環做一次實驗,但年內肯定是沒有時間了,過了年再試了。看來BT在12V時,要提高功率和效率,瓶頸主要是:1.變壓器,包括磁芯質量,繞制數據及工藝等;2.大功率MOS管,內阻一定要小;3.布線及結構,我PCB反面大電流路徑都有15-20MM寬的銅箔,填錫達2MM,還加焊了幾根4平方的銅線,結構方面主要是散熱一定要順暢,加小風扇是很好的辦法。
今天的工作本來想把RU190N08和2907做一個對比測試,測試這二種管子在不同輸出功率時的效率情況,于是,先調整了各種測試儀表,先把已經裝在板子上的RU190N08做了測試,測試結果如下,看來黃工的這幾個管子還是算掙氣,一路測下來,效率情況良好。
![](/uploads/allimg/110120/0RA94a7-16.jpg)
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接下來就是花了一個多小時換管子,裝上了4個全新的IRFP2907,本是興沖沖開機,希望是一個很好的結果,但萬萬沒有想到的是------失敗!
在掛上1號負載時(二個150W燈泡串聯),工作電流達41.5A,輸入功率達523.3W,輸出功率為283.4W,效率僅為:54%。這可是做夢都沒有想到的結果,2907管子很快發熱。
在百思不解的情況下,查看D極波形,居然出現了長長的尖峰:
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一般情況下,出現這樣的波形,肯定是懷疑變壓器漏感太大,但我這二個變壓器在用RU190N08時,工作得很好,在掛1號負載時,根本看不到尖峰。
我再測G極波形,發現驅動方波全部變成了梯形波,這才恍然大悟,原來是2907的驅動功率不足所致。看來2907的結電容遠遠大于RU190N08,用3525直接推動4個2907有點困難。為了證實我的想法,我把柵極電阻從原先的20R換成了10R,再開機,這時,在同樣負載下,電流下降為28.3A(用RU190N08時只有21.9A),欠激是肯定的了,因為我的驅動板上沒有裝圖騰柱輸出,現在只好等重新做了驅動板再試了。
(驅動功率不足,D極會出現長長的尖峰,這可是第一次遇到,長見識了啊!)
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上圖是柵極波形,這時電阻已經換成10R,在用20R時情況還要糟很多。
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上圖是從3525的11、14腳上測到的波形,已經有點變形。
畫了一塊帶圖騰柱輸出的DC-DC驅動板
![](/uploads/allimg/110120/0RA96207-20.jpg)
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帶圖騰柱輸出的DC-DC驅動板的PCB終于來了,今天裝了一塊進行試機。
因為加了圖騰柱輸出,所以2907欠激的情況大為改善,但空載電流卻比用190N08時要大很多,不去管它了,繼續實驗下去。
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下面的表格是2907和190N80的工作情況對比
![](/uploads/allimg/110120/0RA93554-22.jpg)
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下圖是用2907時的空載波形:
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下圖是用2907時,前級輸出1100W時的波形照片:
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從上圖可以看出,空載和滿載時的波形差不多。
現在有二個問題弄不明白,請各位探討:
1.在變壓器相同的前提下,用不同的功率管,D極的波形為什么會大不相同,用190N08時的尖峰要明顯比用2907時要小,是不是結電容大小不同引起的?
2.用雙變壓器的前級,用2907時的空載電流接近1A,而用190N08時不到400MA,是什么原因?小功率時,190N08的效率比2907要高,但在最大功率時,2907稍有優勢。但發熱量,2907比190N08要小一些。
下圖是今天剛裝好的SPWM驅動板,經測試工作正常。
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把SPWM驅動板插上去了,一開機,保護電路竟然誤動作,蜂鳴器嘟嘟做響,后來請教了張工后,改了幾個元件的數值,問題就解決了。
開機成功了(這次居然沒有炸管子),正弦波波形良好,我用了二個200W一個150W的燈泡做負載,電參儀上顯示輸出功率為617W,算了一下,這時的效率大約在91.5-92%左右(因為空載電流稍大,有點影響效率,可惜)。
本來準備明天繼續加大負載到1000W左右,可是發現了一個問題,穩壓部分不工作,調電位器沒有反應,一查,發現是那個漂亮的取樣變壓器竟然沒有輸出,郁悶啊,因為要換變壓器,就必須把整機全部拆下來,二個小時還不一定弄得好,煩啊!
先花了近二個小時檢查不穩壓的原因,終于查到問題的癥結,是一個PCB毛剌把取樣變壓器的次級接地了,可能是0.6W的變壓器阻抗實在太大了,居然沒有燒掉。對PCB做了處理后,開機穩壓功能就正常了,把空載輸出調到230V左右,一切OK!
下午去買了幾個燈泡,慢慢加大了負載,直加到1000W以上,連續工作了30分鐘,除了高頻變壓器有點熱,其它一切正常(散熱板下面放了一個小風扇)。
下面是照片:
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在1039W輸出時,效率大約為90%--90.5%,從變壓器發熱情況看,我這臺機器的效率瓶頸應該在變壓器或變壓器磁芯,如果有質量好的變壓器,效率還可以提高些。
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電參數儀顯示1035W,在1035-1039之間跳動。
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這是1000多W輸出時的波形,還是非常漂亮!
今天做了二個工作:
1.我對前級DC-DC升壓部分進行了調整,調R12使HV高壓空載時限止在370V,這時,空載電流從近1A下降到160mA,加上SPWM驅動板的140mA,總共300mA。
2.試帶了感性負載,手邊只有一個600W的角向磨光機,試帶了一下,發現波形和帶燈泡時一樣,沒有出現變形毛刺等。
現在正在想:哪里有100升左右的冰箱,試試能不能啟動。
試逆變器的負載能力:
1.先啟動一個100升的小冰箱,沒有問題,二話沒說,一下子就啟動起來了----成功!
2.接著試啟動一支1000W的小太陽,冷阻很低的,一上電,閃了一下,我認為不行了,誰知一閃過后,竟然成功點亮了,哈哈,還不錯。
3.又接上一個大功率的沖擊電鉆,啟動很順利,而且沖擊時力量很足。
4.最后,朋友從倉庫里拖出一臺小型空氣壓縮機,不知是多少功率,一插上去,逆變器翁的叫了一下,沒有啟動,可能是功率太大了,相當于短路,高壓保險絲燒掉了,但逆變器沒有壞。
下面是1000W機的電路方案,不一定成熟,盡供朋友們參考:
1.DC-DC升壓部分電路:用RU190N08功率管。
![](/uploads/allimg/110120/0RA953E-29.jpg)
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2.功率主板電路圖:
![](/uploads/allimg/110120/0RAaL8-30.jpg)
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3.SPWM驅動板,用張工的TDS2285芯片:
![](/uploads/allimg/110120/0RA96062-31.jpg)
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