VN zdroj - IGBT polomost 22,5kV

Projekt VN zdroja v polomoste s IGBT tehlou od Semikronu. Použitý môj navinutý VN transformátor na veľkom feritovom jadre o rozmeroch stĺpika 25x25mm. Budiaca elektronika riešená s TL494.

      Po tých všetkých experimentálnych a prototypových stále pohodených na stole, rozobratých a zapadnutých prachom VN zdrojoch už to chcelo aj niečo poriadne, nie len čo sa týka výkonu, ale aj spoľahlivosti a prenášateľnosti. Hlavne niečo napájane zo siete bez použitia veľkých 24V sieťových transformátorov. Takže voľba bola viac menej jasná, chcelo to polomost napájaný zo siete. Prvá otázka bola, či použijem MOSFETy alebo IGBT, reku dám IGBT. Našiel som aj niečo vhodné doma z IGBT tranzistorov, no našiel som aj nejaké menšie IGBT tehly. Potom po uvážení to predsa vyšlo na IGBT tehlu :). Takže nakoniec od mosfetov som skončil pri 100A, 600V IGBT tehle od Semikronu SKM75GB063D. Ok a teraz bola otázka aký budič, najjednoduchšie je to riešiť cez GDT a pre oscilátor to vyšlo na TL494, kde si viem meniť aj striedu do 45%. V tomto prípade stačí 45% a nie je nutné to hnať vyššie k 50%. Samotnú dĺžku výboja to už aj tak nezväčší a výkon je dostatočný. VN transformátor bol jasný od začiatku, použijem vlastné navinuté VN trafo s 1100z na veľkom ferite o rozmeroch jadra 25x25mm. Jedna z podmienok VN zdroja je aj dlhodobejšia prevádzka nie len to hnať s výkonom hore, no len na krátky čas. Na úvod asi toľko a poďme si postupne rozobrať jednotlivé časti.

Schémy (neaktuálne - pozri dole)



Budič – TL494

      Elektronika pre budenie IGBT tehly bola realizovaná s obvodom TL494 najmä pre možnosť zmeny striedy a teda výkonu. Strieda sa nastavuje po max 45%. Pre vlastnú jednoduchosť som si spravil na DPS 2 možnosti prepínania regulácie striedy cez jumper a to 0 – 45% a 25 – 45%. Podľa potreby si viem spodnú hranicu dostaviť trimrom. Frekvencia je regulovateľná v rozmedzí 9 – 32kHz, pre tento VN zdroj a použitý VN transformátor je nastavená na 25,4kHz. Budiaca frekvencia je nastavená na dvojnásobne menšiu hodnotu, ako je rezonančná frekvencia f0 VN transformátora (f0=50,8kHz). Je to zrejme najlepší stav, kedy sú minimálne prepínacie straty a nedochádza k rezonančnému nárastu napätia na sekundárnej cievke – ale špičkové napätie je dvojnásobok efektívneho daného prevodom. Zmena budiacej frekvencie nahor alebo nadol od tohto bodu zvýši výstupne napätie VN transformátora. Zistené, odmerané a nastavené cez meranie prúdu primárnou cievkou prúdovým trafkom a osciloskopom – fotky nižšie. Výstup z TL494 ide na invertujúce budiče TC4451 (High-Speed MOSFET/IGBT Drivers, Iout=13Apk, Uin=4,5-18V) v puzdre TO220-5, ktoré sú na chladiči. Celá elektronika je napájaná z jedného LM317 nastaveného trimrom presne na 18V. GND zdroja je uzemnený na kolík PE, rovnako aj obe chladiče sú izolované od súčiastok a uzemnené na PE pre čo najlepšie zamedzenie rušenia od VN.

  • Použitý IO: TL494
  • Nastaviteľná strieda: 0 – 45% alebo 25 – 45%
  • Nastaviteľný f rozsah: 9 – 32kHz
  • Nastavená pracovná f budiča: 25,4kHz (2x menej ako f0 VN transformátora = 50,8kHz)
  • Použité budiče: 2x TC4451 (invertujúce)
  • Napájanie elektroniky: 18V (LM317)



GDT - Gate Drive Transformer

Vlastnosti použitého GDT:

  • Výška jadra H: 13mm
  • Vnútorný priemer jadra D1: 25,9mm
  • Vonkajší priemer jadra D: 42,1mm
  • Materiál jadra: 3E25
  • Koeficient indukčnosti Al: 6425nH
  • Počet závitov: 20z trifilárne vinuté zvonkovým drôtom o priemere 0,5mm
  • Výsledná indukčnosť: 2,37mH
  • Vinuté závity v pomere: 1:1:1

Stručný postup výpočtu GDT:

1. Zmeriame a vypočítame prierez feritového jadierka S
      Ak poznám efektívny prierez jadra 'Ae' tak použijeme túto hodnotu (datasheet).


2. Vypočítame polovicu periódy – dt

      dosadíme f=22,5kHz -> predpokladaná frekvencia budiča v prevádzke


3. Zvolím zmenu sýtenia jadra – dB

      Pre ferit je B maximálne 0,3T. Pre dvojčinný teda max sýtenie je 0,6T (-0,3 až +0,3T). U jednočinného sa feritové jadro plne demagnetizuje po každom pulze a naopak u dvojčinného nastáva prechodový dej pri zapnutí – vystrelí na +0,6T a až potom sa stabilizuje na -0,3 až +0,3T čo je nežiaduci jav ! Sýtenie nesmie prekročiť hodnotu +0,3T resp. -0,3T. U dvojčinného ide sýtenie aj do záporných hodnôt takže preto je celkové sýtenie dovolené až 0,6T avšak pri zapnutí prvým pulzom vystrelí nahor na +0,6T. Pri presýtení jadra vzrastá prúd veľmi vysoko nahor, akoby tam ani ferit nebol a ostala len vzduchová cievka.

V našom prípade si teda zvolíme hodnotu sýtenia 0,2T.

4. Dosadíme do vzorca pre výpočet závitov


      Navinieme teda na jadro 20 závitov.

      U – napätie na primári GDT (napätie budičov)
      dt – doba polovice periódy
      dB – zmena sýtenia (pre ferit max +0,3T)
      S – prierez feritového jadierka v m2


5. Kontrola Imax
      Odmeriame indukčnosť GDT, v mojom prípade to je L=2,37mH


6. Kapacita C v sérií s primárom GDT
      Volí sa cca 1 – 3uF. Určujeme ju tak, aby bola väčšia aspoň 100x než je kapacita oboch GATE tranzistorov. Počíta sa od náboja Qg resp. vstupných kapacít tranzistora Cies. Ak vyjde na 15n na jeden tranzistor a je to polomost, je to akoby 30n. Potom volíme kapacitu do série s primárom GDT na 3uF (zvitkový).

IGBT polomost

      Pre polomost som použil malú IGBT tehlu od Semikronu SKM75GB063D (600V, 100A). Podarilo sa mi zohnať veľký kus hliníkového chladiča, na ktorý som ju vtesnal medzi už vyvŕtané diery a rovno aj celú elektroniku a polomost umiestnil na daný chladič. Veľkosť chladiča je viac než dostačujúca, len mierne sa hreje, celý obvod je dostatočne predimenzovaný a ešte tu mám dostatočnú rezervu. IGBT tehla spína špičkovo cca 20Apk primárnou cievkou VN transformátora. Filtrácia je až predimenzovaná 2x 3900u/500V, blokovací kondenzátor 4u7 MKP-X2 275V AC je dostačujúci. V deliči sú po 2x paralelne kondenzátory 4u7 MKP 400V DC. Celé je to zložené ako skladačka cez Cu pásoviny a káblové oká zoskrutkované dokopy s čo najkratšími spojmi tak, aby to bolo všetko čo najviac na kope spolu. Gejty tranzistorov nabíjam cez 20R a vybíjam cez schottky diódy 1N5819 a 5R1 rezistor.

  • IGBT tehla: SKM75GB063D (600V, 100A)
  • Filtrácia: 2x 3900u/500V
  • Blokovací C: 4u7 MKP-X2 275V AC
  • Kapacitný delič: 4ks, 2+2ks paralelne, 4u7 MKP 400V DC
  • Nabíjací Rg: 20R
  • Vybíjací Rg: 5R1 + schottky 1N5819



VN transformátor

      Použil som vlastný navinutý VN transformátor. Tento som navíjal ešte pred rokmi dávno cez školu. To si presne pamätám, ako sa mi nechcelo učiť pred matúrami, tak som začal navíjať tento transformátor s 1100z :). No čo už, prišlo mi to zaujímavejšie, ako sa učiť na matúry. Ten sa mi už aj podarilo za tie roky raz preraziť, no podarilo sa mi ho našťastie opraviť. No teraz pri pokusoch s týmto VN zdrojom som ho prerazil znova, takže som sa ho už ani nepokúšal opraviť a navinul som znova druhý presne identický sekundár s 1100z za jeden deň – dôvod a príčina prerazenia je popísaná v ďalšom dlhšom odstavci. Presné detaily okolo navíjania VN transformátora sú spomenuté v druhom tomto článku, tu len spomeniem stručné parametre. Celý transformátor je stiahnutý v kostre, ako na fotkách dole so závitovými tyčami na bokoch od transformátora.

  • Primárna cievka: 17z
  • Drôt primárnej cievky: VF lanko vinuté lakovaným drôtom o priemere 0,7mm – 6x paralelne
  • Sekundárna cievka: 1100z
  • Drôt sekundárnej cievky: lakovaný drôt o priemere 0,25mm
  • Izolácia medzi vrstvami: 2x priesvitná fólia do laserovej tlačiarne + fixácia izolačka
  • Na jednu vrstvu: 50z (to je asi úplne maximum počtu závitov pre vrstvu !)
  • Počet vrstiev: 22
  • Feritové jadro: 25x25mm
  • Rezonančná frekvencia f0 transformátora: 50,8kHz
  • Uin: 175V (350V na polomoste)
  • Uout_pk MAX: 25kVpk (krátkodobo !)
  • Uout_pk NORMAL: 22,5kVpk (trvalo na prázdno by som to asi nenechával (?)) – odmeraná hodnota
  • Uout_ef NORMAL: 11,32kVef – výpočtom podľa vzorca
  • Iout (v oblúku do skratu): 145mA – merané ručičkovým 150mA ampérmetrom na VN strane

      Ak je rezonančná frekvencia f0 VN transformátora (50,8kHz) dvojnásobok spínacej frekvencie budiča (25,4kHz) – je to zrejme najlepší stav (ktorý som tu aj dosiahol), ale je to ovplyvnené všetkým možným aj kusom drôtu pripojeného na VN výstup sekundárnej cievky. Frekvencia budiča ostáva pevná, no pripájaním rôznej záťaže na VN transformátor, teda ďalšej kapacity, ako aj napríklad samotný kus dlhšieho niekoľko desiatok cm drôtu zníži f0 VN transformátora a dostane sa to mimo „správneho“ pracovného bodu až sa môže priblížiť do rezonancie, čo je nežiaduci stav. S takouto kapacitnou záťažou treba pravdaže rátať aj pri usmernení diódami, násobičom, napájaním nejakých zariadení a podľa toho treba vyladiť obvod. Ďalšie pridávané kapacity už za usmerňovačom či násobičom nie sú však kritické, ako pri pripájaní priamo na VF výstup transformátora. Ak sa pravdaže takýmto spôsobom zníži f0 VN transformátora a priblíži sa alebo dokonca dosiahne frekvencie budiča, dostane sa do rezonancie a to znamená vystrelenie výstupného napätia vysoko hore a okamžitý prieraz VN transformátora. Presne takto som si aj ja sám spálil prvý VN transformátor, kedy som šiel ťahať vertikálny výboj do väčšej sieťky – dosť veľkej nato, aby pridalo veľkú kapacitu k výstupu VN transformátora, znížila sa dole f0 transformátora a okamžite nastal prieraz až do primárnej cievky a celé trafo zhorelo.

      V tomto stave ak je teda f0 VN transformátora dvojnásobok spínacej frekvencie budiča, nedochádza k rezonančnému nárastu napätia na sekundárnej cievke (posun f budiča nahor alebo nadol zvýši výstupné napätie) – ale špičkové napätie je dvojnásobok efektívneho daného prevodom ! Čo ako aj vidieť dole, sedí aj s meraním špičkovej hodnoty napätia.

       Uef – efektívna hodnota napätia na výstupe VN transformátora
       Upk – špičková hodnota napätia na výstupe VN transformátora – meraná hodnota kV-metrom
       Uin – napätie na primárnej cievke s kapacitného deliča polomostu
       Nsek – počet závitov sekundárnej cievky
       Npri – počet závitov primárnej cievky

Výpočet sýtenia VN transformátora:

       f – spínacia frekvencia budiča
       dt – doba polovice periódy
       S – prierez feritového jadra v m2
       U – napätie na primárnej cievke
       N – počet závitov primárnej cievky

      Sýtenie feritu VN transformátora vyšlo na 0,324T takže ešte tu mám potenciálne dostatočnú rezervu na zvyšovanie výkonu a využitie plného potenciálu feritového jadra – maximálne sýtenie feritu pre dvojčinný budič je 0,6T. Avšak momentálne som limitovaný ďalším zvyšovaním výkonu výstupným napätím, kedy som asi cca na hranici, kedy to ešte izolácia transformátora vydrží bez napríklad ponorenia do oleja a pod. To by už chcelo riešiť inak sekundárnu cievku alebo spraviť olejový transformátor, čomu sa zatiaľ vyhýbam po predošlých skúsenostiach s olejom, ako som s tým svinil okolie :).

      Taktiež vďaka prechodovému deju pri zapnutí VN zdroja by som už mohol presýtiť feritové jadro – už som nad hranicou presýtenia +0,3T. Čiže bez patričných ochrán by som to už nezapínal priamo do siete na plný výkon. Po prechodovom deji a ustálení sýtenia feritu bude sýtenie od -0,162 do +0,162T. Pri prvom zapnutí a prvom pulze, keďže sýtenie dB začína od 0, vystrelí hore na +0,324T. Pri veľkom presýtení feritového jadra, môže byť prúdový pulz až tak veľký, že to odpáli kompletne IGBT !

Prúdové trafo

      Pre správne doladenie zdroja bolo potrebné aj merať prúd primárnou cievkou. Použil som nato prúdové trafko navinuté na zelenom jadre z filtra v pomere 1:50 a meracím rezistorom 5R 6W (2x 10R 3W). Potom 1V nameraný na rezistore predstavuje 10A primárnou cievkou. Dole sú tiež priebehy z osciloskopu, prúd primárnou cievkou a napätie Uge na gejte dolného tranzistora. Pri danom rozsahu osciloskopu je to 5A/dielik. Odporúčam prípadne pre lepšie pochopenie pozrieť dole na video part.2, kde je hneď na začiatku videa pekne vidieť tieto priebehy, teda len priebeh prúdu.



Fotky výbojov

      Nakoniec čo iného ako aj nejaké fotky výbojov. Maximálna dĺžka, teda vertikálna vzdialenosť elektród je 16-17cm pri príkone zdroja 650W 1kVA. Regulačný autotransformátor RA10 vytáčam na maximum.



Videá

      Postupne pribúdali aj videá počas stavby, na druhom videu (part.2) hneď na začiatku pekne vidieť meranie prúdu cez prúdové trafko a na treťom videu (part.3) je zasa aj meranie príkonu s multimetrom UT71E.

Part.3: zdroj + priebeh prúdu primárom + výboje cez deň (nové VN trafo) + meranie príkonu (UT71E)
 
Part.2: priebehy prúdu primárom + výboje za tmy + ukázanie zdroja
 
Part.1: ukázanie zdroja + výboje za šera  

Nová riadiaca elektronika VN zdroja

25.4.2020
      Prišiel čas na väčší upgrade a zmeny v tomto VN zdroji. Po predošlých skúsenostiach počas stavby menšieho VN zdroja v polomoste s IRFP460 sa postupne objavili, ozrejmili a pripísali na zoznam ďalšie problémy VF/DC spínaných vysokonapäťových zdrojov. Odporúčam prečítať aj predošlý článok pre ozrejmenie nech sa znova neopakujem. Zbežne, ide tu o rezonanciu VF VN transformátora určenou rozptylovou indukčnosťou, medzizávitovou kapacitou sekundárneho vinutia, kapacitou zo sekundárneho vinutia do zeme (jadra) a pripojenou kapacitou záťaže na výstup VN transformátora. Ak sa pripojí vhodná kapacitná záťaž na výstup, potom rezonancia transformátora sa zníži a priblíži k frekvencií budiča, nastáva rýchly nárast napätia a následne prieraz, a spálenie sekundárnej cievky. Problematika jednocestného usmernenia VN transformátora pri použití dvojčinného budiča (jednostranná saturácia feritového jadra). No tento problém majú aj VF VN transformátory, kde za určitých okolností sa oblúk správa, ako usmerňovač a znova dochádza k jednostrannej saturácií feritového jadra a vysokému špičkovému nárastu prúdu tranzistormi. Nameral som až 68Apk pri IRFP460 pri použití VF VN transformátora a to len vďaka oblúku, ktorý sa správal, ako usmerňovač. Viac sa to prejavuje pri transformátoroch s väčším prúdom a menším napätím (silnejšie tavenie elektród, väčší rozdiel teplôt materiálov atď.). Viac sa o tom rozpisovať nebudem, len toľko na úvod a viac o týchto problémoch aj s videami som písal v predošlom článku tu (VN zdroj - IRFP460 polomost).

      Po tomto všetkom, som sa rozhodol vrátiť k tomuto VN zdroju s mojím vlastným veľkým VN transformátorom. Tento VN zdroj sa dá považovať za dosť "univerzálny", je dostatočne výkonný, má dostatočné rezervy, ako v IGBT tehle tak aj v sýtení feritového jadra (25x25mm). Len ho chce ešte prekopať a vylepšiť riadiacu elektroniku o patričné ochrany a prioritne riešiť problém rezonancie VF VN transformátora. Vďaka ktorej, som už asi 4x opravoval a prevíjal spálené sekundárne vinutie :)

Schémy



Nový budič – TL494

      Základ budiacej elektroniky ostal rovnaký a to obvod TL494 + gatedrivre TC4451 (High-Speed MOSFET/IGBT Drivers, Iout=13Apk, Uin=4,5-18V) v púzdrach TO220-5. Nastavenie výkonu trimrom P1 zmenou striedy je nastaviteľné v rozmedzí 5 – 45%. Dolná hranica 5% sa nastavuje na pevno s trimrom TR2. Nastaviteľný frekvenčný rozsah je zhruba pôvodných 9 – 32kHz, podstatné pásmo je aj tak medzi 20 – 30kHz a nastavená frekvencia budiča je 26kHz. Všetky IO sú už klasicky obsypané blokovacími kondenzátormi prevažne SMD. Na priebehoch dole vidieť obe gejty IGBT tehly na 45% striedy. IGBT tehla je použitá od Semikronu SKM75GB063D (100A, 600V).



      Prepäťová ochrana VN transformátora, ktorá bola pri tomto budiči priorita, je riešená sledovaním špičkového napätia s komparátorom LM311 (IC5) na 1z pomocného vinutia v tesnej blízkosti pod sekundárnou cievkou. Cieľom pomocného 1z vinutia je dosiahnuť, čo najsilnejšiu väzbu so sekundárnym vinutím a teda minimálne 1z v tesnej blízkosti vedľa alebo ideálne priamo v strede pod sekundárnym vinutím. Napätie z 1z sa usmerní schottky diódou 1N5819 (D7) a cez delič sa porovnáva tretinové napätie. Pri prekročení napätia LM311 zopne tyristor BT169 (T1) a budič ostáva vypnutý a je nutné budič vypnúť a znova zapnúť. Je to chybný stav VN zdroja, vypína to celú elektroniku. Dole na priebehoch napätie na 1z pomocného vinutia pri plnom napätí IGBT polomosta.



      Prúdová ochrana je riešená rovnako cez LM311 (IC6) a tyristorom BT169 (T2) pre úplne odstavenie budiča pri nadprúde. Špičkový prúd sa meria cez pôvodný prúdový transformátor (CT) s 50z, teda v pomere 1:50 na primárnom vinutí a sleduje sa napätie na snímacom rezistore 10R/3W (R14). Dole priebehy zľava doprava pri VN transformátore naprázdno, v stave nakrátko, pri ťahaní oblúka a nakrátko cez VN diódu (1V/d=5A). Merané na meracom rezistore 10R/3W (R14), teda už po usmernení cez schottky diódy, nie sú to reálne priebehy, jedná strana je otočená "naopak" :).



      Obe ochrany sú zlúčené dokopy na jeden error amplifier do pinu2 TL494. Ten porovnáva +5V (1IN+) z Vref napätia a 13V (1IN-) z deliča od +15V napájania. Pri zareagovaní jednej z ochrán, spína tyristor a pripája pin2 (1IN-) k zemi a tým vypína výstup TL494. Na dolnom konci deliča je signalizačná žltá LED, pri zareagovaní ochrany, LED zhasína.

      Podpäťová ochrana budiča, ako už z názvy napovedá, slúži na sledovanie napájacieho +15V napätia pre elektroniku a budiče TC4451. Ochrana okamžite vypína TL494 pri podpätí na prahu 14,5V a zapína TL494 s oneskorením pri napätí nad 14,5V. Oneskorenie je nutné, aby z toho nevznikol oscilátor a vznikne viac škody, ako úžitku z takej ochrany. Zenerové diódy 10V a 4V7 spolu s dvoma rezistormi 1k (R22 + R23) slúžia na nastavenie prahového napätia, kedy reaguje ochrana. Rýchle vypínanie ochranou je zabezpečené schottky diódou BAT48 (D12) na +5V do pinu1 74HC14 a oneskorený nábeh zasa pripájanie pinu1 k zemi cez 470k (R20) a postupné vybíjanie 1u (C39) kondenzátora. Výstup ochrany z pinu4 ide na tranzistor BC547 (T3) a riadi napätie na druhom OZ (error amplifier) pripájaním vstupu pin15 (2IN-) k zemi. Druhý vstup pin16 (2IN+) klasicky na +5V z Vref. Na dolnom konci deliča pre 2IN- znova druhá žltá LED pre signalizáciu reakcie ochrany. Dole na obrázkoch z osciloskopu vidieť zľava doprava:

  • Priebeh na gejtoch IGBT tehly po zapnutí a následnom vypnutí elektroniky. Ako vidieť, samotné budenie z TL494 až do gejtoch naskakuje až pri plnom napätí 15V a po vypnutí sa vypína okamžite budenie po dosiahnutí nastaveného prahu 14,5V.
  • To isté, ale viac priblížené. Nejaké zákmity pri zapnutí a vypnutí tam sú, ale sú nízke hlboko pod Vge(th) (threshold) napätím IGBT.
  • Takto vyzerá priamo priebeh na gejtoch IGBT, prvý pulz už rovno pri plných 15V.
  • Priebehy na elektronike ochrany:
    • Ch1 (žltá): výstup pin4, 74HC14
    • Ch2 (červená): napätie bázy T4 tranzistora BC547
    • Ch3 (modrá): vstup pin1, 74HC14
    • Ch4 (zelená): sledované napätie +15V

      Bez ohľadu na výšku napätia na filtračných elektrolytoch, je možné kedykoľvek a akokoľvek zapínať a vypínať elektroniku.. či už s napätím alebo bez na koncovom stupni IGBT. Nikdy tam nebude nedostatočné napätie a nedôjde k zlému a nedostatočnému otvoreniu IGBT. Ak by nastala privysoká prúdová špička z elektrolytov, opäť zareaguje podľa nastavenia prúdová ochrana OCD.

Fotky z výroby a hotového VN zdroja

      Fotky z výroby budiča a nateraz zatiaľ finálneho VN zdroja. Elektroniku som postupne testoval a nastavoval na bastldoske, potom už hotové zapojenie dal na univerzálnu dosku, kde som ju ešte par krát prerábal a dorábal dodatočne podpäťovú ochranu pre budič. Všetko funguje perfektne, ochrany otestované, fungujú a vypínajú, ako majú. Hádam už viac nebudem prevíjať na novo sekundárne vinutie pre tento VN transformátor... :).



Fotky výbojov

      Nakoniec, ako už je zvykom aj nejaký ten výboj a plazma...